Le pompe di calore ad alta pressione rappresentano una soluzione efficiente ed ecologica per il riscaldamento, il raffreddamento e la produzione di acqua calda sanitaria. Il loro funzionamento si basa su principi termodinamici che consentono di trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura a un ambiente a temperatura più alta, utilizzando una quantità relativamente bassa di energia elettrica.
Come Funziona una Pompa di Calore?
Il funzionamento di una pompa di calore non è un processo complicato come molti immaginano. Se lo confrontassimo con altri dispositivi tecnologici, potremmo dire che funziona in modo simile a un frigorifero o un condizionatore, con la differenza che il processo è invertito. Il frigorifero raffredda gli alimenti rimuovendo loro il calore e rilasciandolo nell’ambiente, mentre le pompe di calore prelevano il calore da acqua, terra o aria e lo sollevano a una temperatura più alta in un processo circolare, trasferendolo all’acqua nel sistema di riscaldamento.
Le pompe di calore trasferiscono l’energia termica dalla fonte di calore (terra, acqua o aria) al sistema di riscaldamento utilizzando l’energia elettrica. Ciò avviene in un circuito chiuso, dove il mezzo di lavoro liquido (refrigerante) si vaporizza, si comprime e si liquefa di nuovo. Solo in questo modo è possibile elevare l’energia termica da un livello di temperatura più basso a un livello più alto.
Componenti Principali di una Pompa di Calore
Una pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. Il circuito chiuso è costituito da:
- Compressore: porta il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall’evaporatore, ad alta pressione. Nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore.
- Condensatore: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all’esterno.
- Valvola di espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda.
- Evaporatore: assorbe calore dall’esterno ed evapora completamente il fluido frigorigeno.
I componenti del circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due parti (sistemi split) raccordate dai tubi nei quali circola il fluido frigorigeno.
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I refrigeranti possono essere tossici e infiammabili; esistono anche quattro refrigeranti naturali e meno dannosi per l’ambiente.
Tipologie di Pompe di Calore
Esistono diverse tipologie di pompe di calore, classificate in base alla sorgente di calore utilizzata:
- Pompe di calore aria/acqua: utilizzano l'aria esterna come fonte di calore.
- Pompe di calore acqua/acqua: sfruttano il calore dell'acqua di falda.
- Pompe di calore terra/acqua (geotermiche): utilizzano il calore presente nel terreno.
In funzione, invece, del fluido con cui scambiano calore, le pompe di calore possono essere classificate in 4 principali tipologie, indicando per prima la sorgente fredda (evaporatore) e per secondo il pozzo caldo (condensatore):
- Pompa di calore aria-acqua: svolge sia la funzione di riscaldamento che quella di raffrescamento. Funziona generando calore attraverso lo scambio di calore con l’aria esterna e impiegandolo in un ciclo per trasferire calore da un fluido più freddo a uno più caldo, ovvero l’acqua sanitaria o quella dell’impianto di riscaldamento;
- Pompa di calore aria-aria: è composta da almeno due unità (di cui una esterna) e dotate di split e sistema di canalizzazione dell’aria. Sono esempi di pompe di calore aria-aria i condizionatori;
- Pompa di calore acqua-acqua: utilizza l’acqua sia come sorgente fredda che come sorgente calda, in entrambe le circostanze lo scambio termico all’evaporatore e al condensatore avviene tra il fluido refrigerante e l’acqua.
- Pompa di calore terra-acqua (pompa di calore geotermica): riscalda l’acqua servendosi del calore presente nel terreno, catturandolo tramite una sonda geotermica. Questo tipo di macchina ha un elevato risparmio energetico, specie se unita a sistemi di riscaldamento a bassa temperatura. Di contro, richiede molta attenzione nella sua manutenzione.
Pompa di calore aria/acqua
L’aria è una fonte inesauribile di energia ed è ovunque disponibile. Le versioni più moderne delle pompe di calore aria/acqua consentono il riscaldamento anche a temperature esterne fino a -25 °C. Anche a temperature così basse, è comunque possibile risparmiare il 50% dell’energia. Questo è il tipo di pompe di calore più economico in termini di investimento, e l’installazione e la manutenzione sono anche semplici e convenienti.
Le pompe di calore aria/acqua sono generalmente progettate per coprire autonomamente tutte le perdite di calore dell’edificio fino a una temperatura esterna di -5 °C. Al di sotto di questa soglia, la pompa di calore può operare insieme a un’altra fonte di riscaldamento. In questo modo, possiamo coprire più del 98% del fabbisogno di calore dell’edificio con il funzionamento della pompa di calore. Come seconda fonte di riscaldamento, nelle nuove costruzioni viene solitamente utilizzato un riscaldatore elettrico, mentre negli edifici esistenti con un buon sistema di riscaldamento convenzionale, può essere utilizzato anche quest’ultimo.
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Pompa di calore acqua/acqua
Il calore dell’acqua sotterranea è una fonte di energia molto vantaggiosa per l’utilizzo con una pompa di calore. Il suo vantaggio è il livello di temperatura relativamente costante, che si aggira tra +7 e +12 °C. Per utilizzare l’acqua sotterranea, è necessario perforare due pozzi vicino all’edificio, uno per il prelievo e l’altro per il ritorno dell’acqua sotterranea. Nel primo pozzo viene inserito un tubo con una pompa sommersa. Durante il funzionamento, la pompa spinge l’acqua attraverso la pompa di calore, che le sottrae energia termica e la restituisce refrigerata di qualche grado Celsius (da 2 a 4 °C) attraverso il secondo pozzo, situato a pochi metri di distanza (15-20 m), nel sottosuolo. La quantità di acqua nel pozzo di aspirazione deve essere sufficiente per un funzionamento continuo con le massime esigenze termiche.
Per pompare l’acqua sotterranea è necessaria un’autorizzazione, e l’acqua deve essere analizzata chimicamente prima dell’inizio dei lavori. L’acqua sotterranea è quindi un’ottima fonte di calore a causa della temperatura relativamente alta, poiché consente di ottenere valori di rendimento elevati. Il rendimento di una pompa di calore (COP) è il rapporto tra l’energia termica utile e l’energia elettrica fornita per alimentare il compressore e altri dispositivi elettrici nella pompa di calore. Le pompe di calore acqua/acqua forniscono una grande potenza termica con dimensioni esterne molto ridotte.
Pompa di calore terra/acqua
Pompe di calore terra/acqua sfruttano l’energia termica immagazzinata nelle rocce o nel terreno. In questi luoghi è accumulata una grande quantità di energia solare che può essere utilizzata per riscaldare la casa e/o l’acqua sanitaria. La quantità di energia che può essere prelevata dal terreno dipende dalla composizione del suolo, dalla potenza della pompa di calore e dalla modalità di utilizzo. Il prelievo di calore avviene attraverso un liquido che circola in un sistema di tubazioni chiuso, posizionato a una profondità di 120-130 cm (collettore orizzontale) o attraverso sonde tubolari inserite in pozzi da 60-140 m di profondità (sonda verticale).
Vantaggi delle Pompe di Calore
- Efficienza energetica: Le pompe di calore sono più efficienti rispetto ai sistemi di riscaldamento tradizionali, in quanto trasferiscono calore anziché generarlo.
- Risparmio economico: Grazie all'elevata efficienza, le pompe di calore consentono di ridurre i costi di riscaldamento e raffreddamento.
- Sostenibilità ambientale: Utilizzando fonti di energia rinnovabile, le pompe di calore contribuiscono a ridurre le emissioni di gas serra.
- Versatilità: Le pompe di calore possono essere utilizzate per riscaldare, raffreddare e produrre acqua calda sanitaria.
Pompa di calore per il raffrescamento
La pompa di calore è in grado di svolgere anche la funzione di raffreddamento. La premessa fondamentale è che la pompa di calore sia progettata in modo reversibile, ovvero che il processo termodinamico dell’unità possa essere invertito.
In questo caso, la pompa di calore estrae il calore dagli spazi abitativi e lo trasferisce all’ambiente circostante (aria, terra o acqua) attraverso il circuito di recupero del calore precedentemente descritto.
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Ci sono due opzioni disponibili per il raffrescamento:
- Raffrescamento attivo: richiede energia elettrica aggiuntiva per attivare il compressore. Nonostante comporti un costo aggiuntivo, offre una capacità di raffrescamento superiore rispetto al raffrescamento passivo. Questa modalità è spesso impiegata con le pompe di calore aria-acqua;
- Raffrescamento passivo: è più efficiente dal punto di vista energetico, ma può essere implementato solo con pompe di calore acqua glicolica-acqua o acqua-acqua. In questo caso, la pompa di calore non è completamente attiva e il calore dell’edificio viene trasferito alla fonte di energia solo attraverso la pompa di circolazione.
Pompa di calore in inverno
Parlare di sfruttare il calore ambientale in inverno potrebbe sembrare un concetto insolito. Tuttavia, fintanto che la temperatura della fonte di calore (aria, terra o acqua) rimane superiore al punto di ebollizione del refrigerante che veicola l’energia termica, è possibile utilizzare in modo efficiente il calore ambientale per il riscaldamento e la produzione di acqua calda.
Poiché il punto di ebollizione dei fluidi refrigeranti comunemente impiegati si situa tra un massimo di -57°C e un minimo di -12°C Celsius, il funzionamento del sistema di riscaldamento è garantito in modo affidabile anche durante l’inverno.
Nel caso in cui l’impianto dovesse raggiungere il suo limite in giornate eccezionalmente fredde, viene attivato un elemento riscaldante elettrico supplementare per garantire la sicurezza.
L’efficienza di una pompa di calore in inverno è influenzata dalla sua progettazione. Le variazioni di temperatura delle fonti energetiche per le pompe di calore soluzione salina/acqua (geotermia) e acqua/acqua (falda) sono significativamente inferiori rispetto a quelle della pompa di calore aria/acqua. Nel terreno, la temperatura si mantiene di almeno 10°C per tutto l’anno a partire da una profondità di 10 metri.
Efficienza e rendimento di una pompa di calore
Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore:
- consuma energia elettrica nel compressore;
- assorbe calore nell’evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua;
- cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua).
Il vantaggio nell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dall’ambiente esterno (aria-acqua).
L’efficienza di una pompa di calore è misurata dal COP (coefficiente di prestazione) che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata.
Il COP è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori prossimi a 3. Questo vuol dire che per 1 kWh di energia elettrica consumato, fornirà 3 kWh (2580 kcal) di calore al mezzo da riscaldare.
Il COP sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene assorbito (nell’evaporatore).
Inoltre, occorre considerare che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore.
Costi e incentivi
I costi di una pompa di calore variano in base alla tipologia di pompa, alla tecnologia ed ai lavori necessari per la sua posa in opera. La pompa di calore più costosa è quella geotermica che però è anche quella che nel tempo assicura un rendimento più stabile ed un taglio dei costi in bolletta fino al 75%.
L’adozione delle pompe di calore è incentivata da un quadro normativo che mira a favorire l’efficienza energetica e la decarbonizzazione del parco edilizio attraverso l’uso di energie rinnovabili. I principali strumenti attivi in Italia includono:
- Conto Termico (DM 16 febbraio 2016): erogazione diretta dell’incentivo fino al 65% della spesa sostenuta, con tempi di pagamento rapidi. È rivolto a PA, imprese e privati.
- Ecobonus 65%: detrazione fiscale in 10 anni per interventi che migliorano l’efficienza energetica degli edifici esistenti.
- Superbonus 110% (ove ancora valido): detrazione maggiorata per interventi trainanti come la sostituzione dell’impianto di climatizzazione invernale con pompa di calore, a patto che si ottenga un miglioramento di almeno due classi energetiche.
Per accedere agli incentivi, è necessaria la certificazione del COP, l’asseverazione del tecnico abilitato e la redazione dell’APE post-intervento.
Tabella riassuntiva tipologie pompe di calore
| Tipologia | Fonte di calore | Mezzo di distribuzione | Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|---|---|---|
| Aria-Aria | Aria esterna | Aria interna | Installazione semplice, costo inferiore | Efficienza variabile, limitata per climi freddi |
| Aria-Acqua | Aria esterna | Acqua (radiatori, pavimento radiante) | Versatile, adatta a diversi impianti | Efficienza influenzata dalla temperatura esterna |
| Acqua-Acqua | Acqua di falda | Acqua (radiatori, pavimento radiante) | Alta efficienza, temperatura stabile | Necessita di autorizzazioni, analisi dell'acqua |
| Terra-Acqua (Geotermica) | Calore del terreno | Acqua (radiatori, pavimento radiante) | Efficienza elevata, temperatura costante | Costo iniziale elevato, installazione complessa |