Scopri Come Funziona una Pompa di Calore: Guida Completa e Facile da Seguire

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta. Vuoi saperne di più? Con questo trasferimento di energia dalla sorgente a bassa temperatura a quella ad alta temperatura, la pompa di calore è in grado moltiplicare l’energia elettrica immessa nel sistema dando come risultato un coefficiente di prestazione (COP) superiore ad uno. Grazie al suo COP elevato questa tecnologia risulta pertanto la soluzione ideale in grado di conciliare i costi energetici i consumi energetici e la sostenibilità ambientale.

A seconda della configurazione della macchina, è possibile anche invertire in ciclo termico della pompa di calore invertendo la direzione del trasferimento pertanto, prelevando calore dalla fonte calda per poi trasferirlo a quella fredda.

Componenti e funzionamento di una pompa di calore

Probabilmente vi state chiedendo come funziona la pompa di calore, di cui avete sentito parlare così bene? Un sistema pulito, efficiente ed ecologico è facile da usare, più economico rispetto ad altre fonti di energia e l'utente non ha preoccupazioni o lavoro con esso. L'efficienza è più elevata rispetto ad altre fonti di energia, il che porta a costi di riscaldamento più bassi. Con l'aiuto di una pompa di calore, è possibile riscaldare gli spazi, riscaldare l'acqua sanitaria o raffreddare gli spazi.

Pumpa di calore - come funziona? Il suo funzionamento 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 funzionano secondo il principio della dipendenza tra temperatura, pressione e volume del gas o del refrigerante. Se diminuiamo la pressione del gas, la temperatura si abbassa; se la aumentiamo, la temperatura si alza. 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:

Evaporatore: è il trasferitore di calore che consente all’energia dalla fonte di calore (aria, terra o acqua) di passare al refrigerante. L'evaporatore è un componente fondamentale di una pompa di calore e funge da scambiatore di calore nel ciclo del refrigerante del sistema. Questo processo ha inizio quando il refrigerante, che si trova in stato liquido ad alta pressione, scorre attraverso una valvola di espansione, riducendo così la sua pressione. Successivamente, entra nell'evaporatore, dove entra in contatto con aria più calda o un altro mezzo termico. Questo cambiamento di stato è cruciale poiché comporta un aumento significativo del volume del refrigerante, il che porta all'assorbimento di una grande quantità di calore. L'evaporatore è quindi essenziale per il funzionamento di una pompa di calore, poiché consente la conversione di energia a bassa temperatura (dall'aria circostante, dal suolo o dall'acqua) in energia ad alta temperatura che può essere utilizzata per il riscaldamento.
Condensatore: trasferitore di calore che fa sì che il refrigerante caldo rilasci calore nel sistema di riscaldamento.
Valvola di espansione: da un lato riduce la pressione e quindi la temperatura del refrigerante, permettendo di assorbire calore nell’evaporatore.
Refrigerante: fluido di lavoro, un mezzo responsabile del trasferimento di calore, della stabilità e della durabilità, poiché sopporta variazioni continue di temperatura e il passaggio da liquido a gas. 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 il cui funzionamento si basa sui medesimi principi. Le pompe di calore si dividono, innanzitutto, in due categorie principali:

Pompe di calore monovalenti: ossia indipendenti da altri generatori di calore.
Pompe di calore bivalenti: che vanno ad integrarsi con altri generatori di calore, particolarmente adatte per quelle aree soggette ad un consistente abbassamento delle temperature.

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: Questa tipologia di pompa di calore sfrutta come fonte energetica l’aria esterna. Il calore viene assorbito dall’aria esterna mediante uno scambiatore a tubi alettati ed una ventola per essere successivamente ceduto all’acqua del circuito di riscaldamento. Risulta pertanto facile intuire che la potenza energetica assorbibile dalla pompa di calore dipenda dalle condizioni climatiche esterne e che la sua efficienza sarà minore tanto più rigide sono le condizioni climatiche. Questa tipologia di Pompa di Calore è disponibile in svariate configurazioni sia a livello impiantistico (monoblocco, split, con accumulo integrato) che a livello prestazionale (standard, per climi rigidi, per acqua ad alta temperatura). A seconda della zona climatica nella quale la macchina dovrà operare ed a seconda della temperatura richiesta per un corretto funzionamen- to dell’impianto di riscaldamento ad essa abbinato, è possibile scegliere tra tre diverse versioni di macchine che differiscono tra di loro per il tipo di compressore, la relativa mappatura del ciclo di funzionamento e talvolta anche il gas refrigerante utilizzato. A livello impiantistico la configurazione di macchina più comunemente utilizzata è quella split poiché essendo dotata di un modulo idronico installabile a parete all’interno dell’abitazione, consente di minimizzare la parte esterna. Questa tipologia di pompa di calore sfrutta come fonte energetica l’aria esterna. 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. 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: Questa tipologia di pompa di calore sfrutta come fonte energetica dell’acqua che può sia arrivare da falde o pozzi che da ulteriori circuiti di scambio termico quali sonde geotermiche. Essendo sempre presente nel terreno del calore anche in inverno, grazie alle sonde geotermiche che possono raggiungere notevoli profondità è possibile captare questo calore con un circuito per poi trasferirlo all’acqua del circuito di riscaldamento. Avendo l’acqua una temperatura più stabile nel corso dell’anno, la sua presenza garantisce il mantenimento di ottime prestazioni in qualsiasi stagione. Per contro, questa tipologia di pompa di calore necessita sempre di un’accurata analisi idrogeologica prima di poterne definire fattibilità e redditività. 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. 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. 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).

Pompa di calore monoblocco e splittata: differenze

Per le pompe di calore aria-acqua, si sono sviluppati due sistemi distinti: il sistema monoblocco e il sistema split a seconda di dove avviene lo scambio di energia tra quanto recuperato dall’aria esterna e il fluido che circola nell’impianto di riscaldamento.

Nel sistema splittato il trasferimento di energia avviene in uno scambiatore gas-acqua posto in un involucro distinto dall’unità esterna che ha assorbito calore dall’aria. Questo scambiatore viene normalmente posto all’interno dell’abitazione ed è contenuto in un modulo che assomiglia, per ingombro, ad una caldaia.
Nel sistema monoblocco, invece, lo scambiatore è contenuto nell’unità esterna stessa, creando un tutt’uno.

Dunque, la differenza principale tra i due sistemi risiede nel fatto che nella pompa di calore monoblocco tutti i componenti sono raggruppati insieme, mentre in quella split sono distribuiti su due unità separate, un’unità interna e una esterna.

Efficienza e rendimento di una pompa di calore

Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore:

Leggi anche: Vantaggi Caldaie a 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.

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.

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.

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.

Vantaggi e svantaggi della pompa 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.

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.

Costi di una pompa di calore

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%.

Sostituzione della caldaia con una pompa di calore

La sostituzione di una caldaia classica con una moderna pompa di calore richiede un’analisi preliminare di fattibilità che valuti diversi fattori, tra cui il tipo di impianto esistente, le caratteristiche dell’edificio, il clima locale e le personali necessità di riscaldamento, e un’attenta pianificazione degli interventi.

A questa esigenza tenta di rispondere l’applicazione gratuita PDC_RISC sviluppata da ENEA , in collaborazione con l’Università degli Studi di Padova, nell’ambito della Ricerca di Sistema Elettrico Nazionale (RdS).

Il tool è stato progettato per immobili abitati, oggetto di interventi di riqualificazione energetica da almeno un anno e dotati di un sistema di riscaldamento autonomo con caldaia tradizionale accoppiata a radiatori.

Tra le informazioni da inserire nell’applicazione, gli importi delle bollette di un anno del combustibile utilizzato (ad esempio gas naturale o gasolio).

Grazie all’interfaccia semplice e intuitiva, l’app limita al massimo possibili errori. Tra i dati di input richiesti: anagrafica dell’immobile, caratteristiche dell’involucro (geometria e tipologia serramenti), dati della caldaia e dei radiatori già istallati, consumi energetici.

Una volta inseriti i dati, il web tool valuterà la fattibilità della sostituzione senza modificare il circuito idraulico o i radiatori, restituendo una stima dei risparmi ottenibili sia in termini di energia che economici, ma anche delle emissioni di CO2 evitate.

Il tool, inoltre, fornisce indicazioni anche sui dati tecnici dell’eventuale impianto.

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