Componenti e Funzionamento delle Pompe di Calore: Una Guida Dettagliata

Produrre lo stesso calore di una caldaia tradizionale utilizzando la metà dell’energia? Si può, grazie alla caldaia a pompa di calore, uno dei sistemi di riscaldamento e refrigerazione più apprezzati in ambito domestico.

Cos'è una Pompa di Calore?

Cos’è la pompa di calore? Senza voler essere troppo tecnici, è possibile spiegare il suo funzionamento molto semplicemente: si tratta di una macchina capace di estrarre e trasferire energia termica servendosi di diverse forme di energia.

Il principio di funzionamento di una pompa di calore è simile a quello di un elettrodomestico che utilizziamo ogni giorno: il frigorifero. L'unica differenza è che mentre il frigorifero estrae il calore dal suo interno per mantenerlo fresco e lo rilascia nell'ambiente, la pompa di calore estrae il calore dall'ambiente per riscaldare l'interno di una casa.

L'ambiente ci offre diverse fonti di calore che una pompa di calore può sfruttare: l'aria, il terreno e le acque di falda e, meno in alcuni casi, anche le acque di superficie, come laghi o fiumi. Queste fonti di calore sono disponibili gratuitamente e in quantità illimitata. Tuttavia, la loro temperatura di partenza è troppo bassa per poterle utilizzare direttamente per il riscaldamento degli ambienti o per la fornitura di acqua calda.

La pompa di calore sfrutta un processo termodinamico basato sul passaggio di fase del refrigerante e in particolare sulla stretta correlazione tra pressione e temperatura: il compressore aumenta la pressione del vapore del refrigerante e allo stesso tempo ne aumenta anche la temperatura. In questo modo il refrigerante, condensando, riesce a scaldare l’acqua dell'impianto portandola ad un livello termico soddisfacente per contribuire al riscaldamento dell'ambiente domestico e alla fornitura di acqua calda.

Leggi anche: Vantaggi Caldaie a Pompa di Calore

Il funzionamento di una pompa di calore è simile a quello di un frigorifero, ma invertito: mentre con il frigorifero il calore viene estratto dall’interno ed espulso all’esterno, la pompa di calore, in base allo stesso principio, fa esattamente il contrario. Per il riscaldamento invernale e l’acqua calda sanitaria, estrae calore da una fonte naturale (aria, acqua o terra) e lo trasporta all’interno dell’edificio.

Questo tipo di impianti si integra agevolmente con altre tecnologie rinnovabili, come ad esempio il fotovoltaico o il solare termico. Un impianto a pompa di calore permette un considerevole risparmio energetico, diminuisce i consumi in bolletta e aumenta il valore commerciale dell’immobile, migliorandone la sua classe energetica.

Ma vediamo nello specifico come funziona e come è fatta la pompa di calore: il suo compito è quello di trasferire energia termica da un ambiente più freddo a uno più caldo. In seguito, il fluido rientra nuovamente nell’evaporatore e ricomincia il ciclo.

Struttura e Componenti di una Pompa di Calore

Il fluido refrigerante svolge un ruolo centrale nel funzionamento di una pompa di calore: si tratta di un fluido con un punto di ebollizione estremamente basso che subisce una serie di trasformazioni in 4 fasi all'interno dei diversi componenti del circuito chiuso del sistema.

Di seguito, un'illustrazione del funzionamento di una pompa di calore durante il periodo invernale:

Leggi anche: Quale pompa di calore scegliere: compressione o assorbimento?

1. Fase 1: all'interno dell'evaporatore, l'energia termica dell'ambiente (dall’aria, dall’acqua o dal sottosuolo) viene trasferita al fluido refrigerante per mezzo di uno scambiatore di calore. Questo provoca l'evaporazione completa del refrigerante che ha una temperatura inferiore dell'ambiente esterno.
2. Fase 2: nel compressore, il refrigerante - ora in stato gassoso - viene compresso e riscaldato da un compressore azionato elettricamente.
3. Fase 3: nel condensatore, il fluido refrigerante, ora in stato gassoso e riscaldato, viene sottoposto a condensazione e torna allo stato liquido. In questo processo, il calore viene estratto dal gas caldo attraverso un altro scambiatore di calore e trasferito all'accumulatore di calore del sistema di riscaldamento, alla temperatura di mandata desiderata. Questo calore viene usato per scaldare l'ambiente casalingo, per esempio riscaldando l'aria dei termoconvettori o l'acqua che scorre nelle tubazioni del sistema di riscaldamento a pavimento.
4. Fase 4: all'interno dell'espansore, il fluido refrigerante passa attraverso la valvola e così si raffredda, tornando nuovamente a pressione e temperatura originali.

In una pompa di calore acqua glicolica/acqua o in una pompa di calore acqua/acqua, un circuito trasporta il calore ambientale dal terreno o dalle acque di falda alla pompa di calore.

Nel caso della pompa di calore aria/acqua, un ventilatore assicura un apporto costante di calore ambientale alla pompa di calore.

Cosa significano pompa di calore monoblocco e split?

Per le pompe di calore aria/acqua si sono affermati due sistemi fondamentalmente diversi tra loro: il sistema pompa di calore monoblocco e il sistema pompa di calore split. La differenza più grande tra queste due soluzioni è che in un'unità monoblocco tutti i componenti tecnici importanti per il processo di recupero del calore sono raccolti in un'unica unità, mentre con un sistema split sono distribuiti su due unità. Entrambi i sistemi presentano vantaggi e svantaggi specifici.

Pompa di calore monoblocco

Il sistema pompa di calore monoblocco è più semplice, in quanto raccoglie tutti i componenti in un'unica unità.

Le pompe di calore monoblocco si posizionano all'esterno e sono ideali per chi non dispone di molto spazio all'interno dell'abitazione. Uno svantaggio invece è il potenziale congelamento dell’acqua di impianto in caso di climi molto rigidi.

Leggi anche: Guida all'Acquisto Caldaia a Pompa di Calore

Pompa di calore split

Uno dei vantaggi più importanti del sistema pompa di calore split è la sua massima flessibilità. I componenti possono essere posizionati in modo estremamente flessibile e non si presenta il rischio di congelamento dell'acqua dell'impianto. Uno svantaggio è rappresentato invece dal fatto che le tubazioni del fluido refrigerante devono essere installate da uno specialista dedicato e, a seconda della distanza tra l'unità esterna e quella interna e della quantità di refrigerante utilizzata, sono richiesti controlli regolari.

Tipologie di Pompe di Calore

Le pompe di calore si distinguono in base alle sorgenti energetiche utilizzate. Avremo perciò:

• Pompe di calore aria-aria
• Pompe di calore aria-acqua
• Pompe di calore ad acqua
• Pompe di calore geotermiche
• Pompe di calore ibride

Le tipologie più comuni e più usate sono quelle aria-aria, aria-acqua e ibride.

Pompe di calore aria-aria

Le pompe di calore aria-aria sono sicuramente quelle più conosciute e diffuse. Le ritroviamo anche nei classici split dei climatizzatori domestici, che danno la possibilità sia di riscaldare che di raffrescare gli ambienti.

Questi sistemi sono costituiti principalmente da due unità, una interna (il climatizzatore vero e proprio) e quella esterna, in cui si trovano il compressore, lo scambiatore di calore e la ventola. Le due unità sono collegate da tubazioni all’interno del quale scorre un fluido vettore. In questi sistemi viene prelevata l’aria come sorgente termica e trasformata in calore o fresco in base alle esigenze stagionali.

Pompe di calore aria-acqua

Le pompe di calore aria-acqua vengono usate per il riscaldamento, per il raffrescamento e per la produzione di acqua calda sanitaria e sono costituite generalmente da una pompa di calore associata ad un boiler di accumulo. Quest’ultimo serve per conservare al meglio il calore che viene prodotto dalla compressione del gas. Inoltre, questo sistema permette di ottenere calore dall’aria esterna anche a temperature molto basse.

Le pompe di calore aria-acqua sono molto usate per alimentare i sistemi domestici di riscaldamento a bassa temperatura (come i radianti a pavimento) e ad alta temperatura (come i termosifoni).

Pompe di calore ad acqua

In questo caso il sistema ottiene calore dalle acque presenti nelle falde acquifere. Tale sistema presenta un vantaggio particolare, in quanto la temperatura dell’acqua prelevata dal sistema è più o meno stabile tra i 7 e 12 gradi centigradi. È comunque un sistema abbastanza complesso da realizzare, in quanto richiede uno un’analisi specialistica e approfondita del sottosuolo e comporta un investimento significativo.

Pompe di calore geotermiche

Il loro funzionamento è analogo a quello delle pompe di calore ad acqua, ma in questo caso preleva energia dal calore del sottosuolo invece che dall’acqua di falda. La pompa estrarrà calore da una sorgente naturale già di per sé tiepida e questo incide molto positivamente sull’efficienza della stessa. Questa tipologia è sicuramente più costosa in quanto richiede l’inserimento di tubazioni in profondità e perforazioni del terreno.

Pompe di calore ibride

Uno dei limiti delle pompe di calore per riscaldamento risiede nel fatto che, in assenza di condizioni climatiche più o meno stabili, si riduce l’efficienza per il riscaldamento d’ambiente e per la produzione acqua calda sanitaria.

Proprio per questo in molti casi si preferisce accoppiare la pompa di calore con un ulteriore generatore di calore alimentato da un combustibile fossile. Si tratta del sistema a pompa di calore ibrido dove solitamente troviamo una caldaia a condensazione alimentata a gas metano (o a GPL) associata a una pompa di calore.

L’adozione di una pompa di calore ibrida è consigliata in luoghi dove vi sono forti escursioni termiche. Infatti, grazie alla caldaia, il flusso dell’acqua viene regolato automaticamente in modo che la pompa di calore riceva acqua a temperature costanti e riducendo così l’energia necessaria per portarla alla temperatura d’esercizio richiesta.

Componenti Chiave di una Pompa di Calore

Tra i componenti pompa di calore, il compressore ha la funzione di portare il gas frigorigeno proveniente dall’evaporatore a una pressione sufficiente per consentirne la liquefazione.

Le soluzioni costruttive per realizzare un compressore sono assai varie e danno origine a una classificazione piuttosto complessa e articolata.

Una prima, fondamentale distinzione riguarda le due grandi famiglie dei compressori "a flusso intermittente" da quelli "a flusso continuo".

Compressori a Flusso Intermittente

Nei compressori a flusso intermittente, la compressione avviene riducendo progressivamente lo spazio in cui è contenuto il fluido. Ciò può realizzarsi in due modi:

1. Con un pistone che, azionato da un manovellismo, scorre all’interno di un cilindro, alternativamente nei due versi (compressori alternativi). È questa una soluzione tradizionale, ben conosciuta dal personale addetto alla manutenzione. Nonostante questo vantaggio, si tende oggi ad abbandonarla, a causa della bassa affidabilità (troppi elementi costruttivi, con conseguente elevato rischio di malfunzionamenti) e della rumorosità;
2. Con elementi in rotazione, i quali, durante il moto, intrappolano il fluido e ne aumentano la pressione (compressori rotanti).

Compressori Rotanti

Tra i componenti pompa di calore, nello specifico tra i compressori rotanti occorre ancora distinguere i seguenti tipi:

• Compressori a palette: Su un rotore cilindrico sono montate palette scorrevoli, in grado di scomparire all’interno di fessure praticate sul rotore stesso, parallelamente al suo asse. Il rotore si trova all’interno di un cilindro, in posizione "eccentrica" (l’asse del rotore non coincide con quello del cilindro esterno). A causa della rotazione e del contatto con la parete interna del cilindro, le palette, facenti parte dei componenti pompa di calore, sono costrette a rientrare periodicamente nelle rispettive fessure. Tra due palette adiacenti si crea quindi uno spazio di volume variabile: maggiore quando le palette si trovano lontano dalla parete; via via minore man mano che, ruotando, si avvicinano ad essa. Il fluido da comprimere va a occupare lo spazio tra due palette quando esso è più ampio: la successiva riduzione di tale spazio dà luogo, appunto, alla compressione, una funzione naturale all’interno di componenti impianto pompa di calore.
• Compressori a lobi: Due corpi A e B, ciascuno dotato di due lobi, ruotano in versi opposti. A causa della rotazione, ciascun lobo del corpo A viene periodicamente a trovarsi in prossimità nella nicchia formata tra i lobi del corpo B. Naturalmente quando si parla della pompa di calore componenti, lo stesso avviene per il corpo B, i cui lobi si trovano periodicamente in corrispondenza delle nicchie di A. Anche in questo caso, quindi, tra i due corpi si crea una "camera" di volume variabile, che può essere sfruttata per la compressione, in modo analogo a quello già descritto.
• Compressori a doppia vite: Quando si parla di componenti pompa di calore, possiamo vedere ancora un caso di due diversi corpi che, ruotando, fanno variare il volume a disposizione del fluido. In questo caso, la variabilità del volume è realizzata sagomando a vite i due rotori. È questa, probabilmente, la tecnica più diffusa per realizzare compressori rotanti.

Compressori a Flusso Continuo

La pompa di calore componenti di diverso tipo, tra cui i compressori a flusso continuo, troviamo i compressori dinamici, in cui il fluido viene accelerato facendolo passare attraverso un elemento rotante.

L’energia cinetica che esso acquista grazie all’accelerazione viene poi trasformata in energia di pressione durante il successivo passaggio attraverso condotti formati da palette. La forma dei condotti è tale da rallentare il fluido, aumentandone la pressione a spese, appunto, dell’energia cinetica.

La direzione del fluido in moto può essere parallela all’asse del compressore, oppure perpendicolare ("radiale") rispetto ad esso. Nel primo caso si tratterà di un compressore assiale; nel secondo, di un compressore centrifugo.

Tipi di Compressori in Base alla Realizzazione Costruttiva

In base all’uso di componenti impianto pompa di calore e in base alla realizzazione costruttiva, si distinguono tre tipi principali di compressori.

• Compressore aperto: il motore e il compressore sono tra loro separati e distinti e sono componenti pompa di calore. L’albero del compressore esce dalla carcassa ed è collegato al motore, direttamente oppure per tramite di una cinghia. Il punto in cui l’albero attraversa la carcassa deve essere impermeabile al gas frigorigeno. Il motore è di solito elettrico, ma può talvolta essere a combustione.
• Compressore semi-ermetico: il motore e il compressore formano un tutto unico. L’albero è collegato al motore, sotto la carcassa. Il raffreddamento del motore elettrico può realizzarsi con aria o acqua, oppure col gas frigorigeno stesso.
• Compressore ermetico: (da preferire, quando ciò sia tecnicamente possibile): anche in questo caso il motore e il compressore formano un tutto unico. A differenza però dell’esecuzione semi-ermetica, il compressore ermetico è montato all’interno di un involucro chiuso, saldato in modo da essere perfettamente stagno e non interferire con gli altri componenti pompa di calore. Al raffreddamento del motore provvede di solito il gas frigorigeno aspirato. In caso di guasto, è necessario sostituire l’intero compressore.

Altri Componenti Fondamentali

• Evaporatore: L’evaporatore consente al fluido frigorigeno di evaporare e quindi di sottrarre calore alla sorgente fredda.
• Condensatore: Tra i componenti pompa di calore, il condensatore serve a liquefare il gas frigorigeno proveniente dal compressore, così da fargli cedere il calore all’impianto di utilizzazione. In alcuni casi si impiegano più scambiatori di calore, a vari livelli di temperatura.
• Dispositivo di espansione: Tra i principali componenti impianto pompa di calore, il dispositivo di espansione (o, semplicemente, l’espansore) ha la funzione di modulare la portata del refrigerante e di abbassarne la pressione, in modo che esso possa passare al lato bassa pressione del circuito e sia in condizione, evaporando, di assorbire calore pur trovandosi a bassa temperatura.
• Dispositivi di sicurezza: Per il funzionamento senza rischi tra i componenti pompa di calore sono necessari, tra gli altri, alcuni dispositivi di sicurezza. Essi hanno lo scopo di evitare che i vari elementi, le condutture e i fluidi impiegati siano sottoposti a sollecitazioni troppo severe. Il tipo e la forma di questi dispositivi sono di solito fissati per legge, in funzione della taglia e del luogo di installazione dell’impianto, dei fluidi refrigeranti utilizzati ecc.

Efficienza di una Pompa di Calore

L'efficienza di una pompa di calore è misurata calcolando il rapporto tra il calore a disposizione per riscaldare l'ambiente e l'energia elettrica consumata per ottenerlo. Maggiore è il rapporto, maggiore è l'efficienza della pompa di calore.

A seconda della fonte di calore (aria, terra o acqua), un impianto di riscaldamento può produrre fino a 5 chilowattora di calore con 1 chilowattora di elettricità.

I fornitori di pompe di calore documentano il valore COP (Coefficient of Performance, coefficiente di prestazione) e/o un valore SCOP (Seasonal Coefficient of Performance, coefficiente di prestazione stagionale) per i loro sistemi. Come anticipato, questi valori mettono in rapporto la produzione di calore e l'energia elettrica da utilizzare per la produzione di calore. COP e SCOP sono valori determinati in condizioni di prova specifiche in laboratorio.

Per esempio una pompa di calore con valori di EER e COP uguali 4 produrrà quattro unità di energia termica per ogni unità di energia prelevata dalla rete . Di cui 1 è fornito dall’energia elettrica consumata e 3 sono prelevati dall’ambiente esterno.

Come Funziona una Pompa di Calore in Inverno?

Parlare di calore ambientale in inverno può sembrare un po' azzardato. Tuttavia, finché la temperatura della fonte di calore (aria, terra o acqua) è superiore al punto di ebollizione del refrigerante che trasporta l'energia termica, il calore ambientale può essere utilizzato in modo efficiente per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda.

Le pompe di calore Vaillant, per esempio, possono funzionare anche con una temperatura esterna di -25°C.

Sistema Monovalente e Bivalente

Esistono due modalità di funzionamento per le pompe di calore: funzionamento monovalente e bivalente. La scelta della modalità di funzionamento dipende principalmente dalla situazione strutturale.

Nel funzionamento monovalente, la pompa di calore è utilizzata come unica fonte di energia per il riscaldamento. In questo caso, le condizioni di installazione giocano un ruolo importante: migliore è l'ottimizzazione energetica di un edificio (isolamento dell'involucro edilizio e delle tubature che trasportano l'acqua calda) e minore è la temperatura di mandata richiesta, maggiore sarà l'efficienza energetica della pompa di calore.

Nel funzionamento bivalente, la pompa di calore è combinata con altre soluzioni di riscaldamento. Questa modalità di funzionamento è particolarmente richiesta quando un edificio, soprattutto se vecchio, non è o non può essere ottimizzato in termini di prestazioni energetiche complessive (migliorandone l'isolamento, per esempio) e richiede quindi temperature di mandata particolarmente elevate. Tutte le tecnologie convenzionali sono adatte come sistemi di riscaldamento supplementare, sia che si tratti di riscaldamento a gas, a pellet oppure a legna. È particolarmente interessante la combinazione con un sistema solare termico per la fornitura di acqua calda.

Pompa di Calore per il Raffrescamento

A differenza di tutte le altre tecnologie di riscaldamento, le pompe di calore possono essere utilizzate anche per raffreddare gli spazi abitativi in estate. Il presupposto è che la pompa di calore sia progettata per essere reversibile, cioè che il processo termodinamico dell'unità possa funzionare anche al contrario: In questo caso, la pompa di calore estrae calore dagli spazi abitativi e lo trasferisce all'ambiente (aria, terra o acqua). L'umidità dell'ambiente deve essere monitorata tramite il sistema di controllo per evitare la formazione di condensa.

Un'altra soluzione disponibile è rappresentata dal raffrescamento passivo, che può essere realizzato solo con una pompa di calore acqua glicolica-acqua o acqua-acqua. La pompa di calore non è completamente attiva e il calore dell'edificio viene trasferito alla fonte di energia solo dalla pompa di circolazione.

Vantaggi delle Pompe di Calore

I principali vantaggi dell’uso di una pompa di calore per il riscaldamento e l’acqua calda sanitaria sono legati alle fonti di energia rinnovabili e gratuite da cui la pompa trae il calore da destinare agli edifici.

Altri vantaggi sono:

• Notevole risparmio sulle bollette;
• Costi bassi di manutenzione;
• Basso impatto ambientale;
• Accesso agli incentivi fiscali.

Svantaggi delle Pompe di Calore

Gli svantaggi delle pompe di calore sono legati essenzialmente ai costi di installazione, che comunque possono essere recuperati usufruendo degli incentivi fiscali, e all’ingombro. Più che di svantaggi bisogna parlare di accorgimenti nella scelta dei modelli.

Incentivi Fiscali

Per usufruire del Superbonus al 90% per l’installazione di una pompa di calore è necessario aver effettuato un doppio salto di classe energetica, così da godere della detrazione dall’Irpef nei successivi 5 anni. L’ecobonus è applicabile per tutti i sistemi di climatizzazione con pompa di calore ad alta efficienza, per portare in detrazione dall’Irpef o dall’Ires il 65% della spesa, per i successivi 10 anni. Questa detrazione per le ristrutturazioni edilizie è prevista per qualsiasi pompa di calore, anche non ad alta efficienza, purché finalizzata al risparmio energetico.

tags: #componenti #pompa #di #calore #funzionamento