Impianto di Climatizzazione Invernale ed Estiva a Pompa di Calore: Funzionamento e Vantaggi

L’utilizzo della pompa di calore come impianto di climatizzazione invernale ed estiva si sta diffondendo sempre più perché risulta essere una tecnologia efficiente con vantaggi economici ed ambientali. In funzione delle esigenze dell’utente, in commercio esistono diverse tipologie di pompe di calore, in base alla fonte che esse utilizzano per portare calore al fabbricato ed alla modalità in cui questo viene distribuito all’interno.

Tra quelle più comuni ricordiamo:

• Pompe di calore aria-aria
• Pompe di calore aria-acqua
• Pompe di calore acqua-acqua
• Pompe di calore geotermica
• Pompe di calore ad assorbimento

Dopo un’ampia panoramica introduttiva, ci concentreremo sugli impianti termici o di climatizzazione invernale ed estiva più diffusi in ambito residenziale, in utenze di tipo domestico, passandone in rassegna le principali tipologie esistenti (caldaia a condensazione, pompa di calore, sistemi ibridi, impianti a biomassa, collettori solari termici, microcogenerazione, teleriscaldamento), le caratteristiche ed i componenti (dal generatore ai terminali), senza dimenticare l’integrazione con le fonti rinnovabili ed i sistemi collettivi di teleriscaldamento e cogenerazione.

Cos'è una 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 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.

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Come Funziona una Pompa di Calore

Una pompa di calore funziona come un circuito chiuso ed è costituita da compressore, condensatore, valvola d’espansione ed evaporatore. Grazie all’evaporatore essa assorbe calore dall’aria esterna, che viene di seguito convogliato nel compressore. Il vapore surriscaldato, in uscita dal compressore, cede calore al condensatore che lo trasmette all’acqua sanitaria, portandola tipicamente ad un massimo di 60°C. L’acqua calda viene quindi stoccata nell’accumulatore, pronta per essere utilizzata.

Le pompe di calore aria-acqua scaldano l’acqua da usare per il riscaldamento o per usi sanitari prelevando il calore dall’aria esterna e ridistribuendolo negli ambienti interni dell’abitazione. Il funzionamento è semplice: l’aria prelevata dall’esterno viene scaldata usando la compressione del gas attraverso il compressore della pompa. Questa compressione genera calore che viene rilasciato dentro al bollitore. Il sistema aria-acqua è composto, di solito, da una pompa di calore accoppiata a un boiler. Anche questa tipologia dipende dalla temperatura esterna, con l’aria che funge da sorgente termica per riscaldare o rinfrescare gli spazi interni dell’edificio.

Le pompe di calore aria-aria sono dotate di scambiatori di calore, sistemi di filtraggio e deumidificazione dell’aria e sono composte da due o più unità, di cui una esterna. All’interno trovano posto il sistema di canalizzazione dell’aria e gli split, all’esterno sono invece collocati compressore, ventola per lo scambio d’aria e convertitore di calore. Da una parte sono sistemi con ottime prestazioni, dall’altra parte le spese di installazione sono rilevanti, in quanto prevedono la costruzione di un pozzo con sistema di aspirazione. Il sistema può essere a circuito aperto o chiuso. In ogni caso, a monte, deve essere effettuata un’analisi geologica da parte di un esperto, per assicurarsi che ci sia una fonte idrica da cui prelevare l’energia necessaria.

Anche la pompa di calore acqua-aria estrae calore dall’acqua di falda e lo restituisce all’aria interna dell’edificio. Entrambi i sistemi, dunque, si servono del sottosuolo come sorgente termica di partenza. Anche se le pompe di calore geotermiche risultano più complesse da installare a causa della necessità di eseguire lavori di perforazione del terreno, sul lungo periodo risultano più efficienti di quelle ad aria.

Componenti di una Pompa di Calore

Le componenti principali di una pompa di calore sono:

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• Compressore
• Evaporatore
• Condensatore
• Valvola di espansione

Il condensatore e l’evaporatore sono elementi formati da alcuni tubi (gli scambiatori di calore) a contatto diretto con acqua o aria (il fluido di servizio) e al cui interno è presente il fluido refrigerante.

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.

Fasi del Funzionamento Invernale

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

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. Nel compressore, il refrigerante - ora in stato gassoso - viene compresso e riscaldato da un compressore azionato elettricamente.
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. All'interno dell'espansore, il fluido refrigerante passa attraverso la valvola e così si raffredda, tornando nuovamente a pressione e temperatura originali.

Funzionamento 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.

Tipologie di Pompe di Calore

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

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• 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.

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.

Vantaggi delle Pompe di Calore

I vantaggi principali nell’uso della PdC risiede nel ridotto consumo energetico: solo una parte dell’energia richiesta per riscaldare o raffrescare gli ambienti deve essere fornita dalla rete (elettrica o gas); la restante quota è fornita gratuitamente dall’energia prelevata dall’ambiente esterno, con considerevoli risparmi energetici.

Il privilegio delle pompe di calore elettriche sta nel poter sfruttare energia gratuita per il loro funzionamento: se abbinate infatti ad una fonte energetica rinnovabile come quella solare, in combinazione con i pannelli fotovoltaici, possono funzionare sfruttando l’energia gratuita del sole.

Installare una pompa di calore è una scelta vincente quando l’obiettivo è quello di favorire l’efficienza energetica di un edificio, riducendo i consumi, e di aumentare la sua sostenibilità. Chiaramente è consigliabile investire in questa direzione e installare una pompa di calore in combinazione con una serie di altri interventi sull’edificio. Se l’involucro non è isolato, gli infissi non sono performanti e l’impianto di distribuzione è vecchio e inefficiente, si rischia di vanificare l’investimento.

I vantaggi di una pompa di calore sono:

• Non è necessaria la combustione diretta di gas o altri materiali, ma è sufficiente la sola corrente elettrica per attivare il compressore.
• È conveniente installare questi sistemi in abbinamento a un impianto fotovoltaico: si ottimizza l’autoconsumo utilizzando l’energia elettrica prodotta dal fotovoltaico anche per alimentare la pompa di calore e quindi producendo riscaldamento e raffrescamento.
• Le pompe di calore usufruiscono dell’Ecobonus con detrazioni fiscali del 65% in 10 anni o del Conto Energia Termico.
• Considerando che si possono usare per la climatizzazione estiva, il riscaldamento invernale e la produzione di acqua calda sanitaria, sono sicuramente un investimento accessibile ed efficiente, in quanto permettono un risparmio fino a 4 volte rispetto al riscaldamento elettrico tradizionale e fino a 3 volte rispetto al gas metano.
• Le pompe di calore possono essere utilizzate anche congiuntamente ad altri impianti di riscaldamento già esistenti.

Svantaggi e Considerazioni

La resa di una pompa di calore diminuisce alle basse temperature. Sotto certe temperature è più conveniente usare la caldaia perché, a pari effetto, il costo del consumo di energia elettrica supera il costo del gas bruciato. La soluzione? Unire le due tecnologie sfruttando le potenzialità di entrambe: quello che si ottiene è un impianto ibrido, dove la caldaia e la pompa di calore lavorano in sinergia, attivandosi una o l’altra a seconda delle migliori condizioni di esercizio. Il punto di forza degli impianti ibridi, è la collaborazione tra caldaia e pdc, gas ed elettricità.

Quando Scegliere una Pompa di Calore

Altri aspetti da valutare riguardano la tipologia di edificio da riscaldare, l’uso che se ne fa, le dimensioni degli ambienti e il clima locale. Sia per le pompe di calore ad acqua che per quelle geotermiche, è necessario uno studio propedeutico del genius loci: caratteristiche della fonte idrica da utilizzare e del tipo di terreno in cui l’impianto geotermico deve essere collocato.

La scelta tra le pompe di calore presentate prima dipende da diversi fattori. Innanzitutto vanno considerate la dimensione dell’ambiente da riscaldare/raffrescare e la tipologia di impianto esistente. Va poi detto che i costi non sono gli stessi per tutte le pompe di calore viste e il budget a disposizione influenza sicuramente la scelta. Ad esempio, quelle geotermiche assicurano la massima efficienza, ma allo stesso tempo richiedono costi di acquisto e installazione maggiori rispetto alle altre, in quanto le opere di perforazione del terreno e di disposizione delle sonde incidono molto sul prezzo.

La pompa di calore aria aria, invece, ha costi decisamente inferiori, anche rispetto a quella ad acqua. Inoltre, è bene valutare l’impianto di distribuzione a cui si vuole abbinare la pompa di calore. Nel caso non si vogliano sostituire i radiatori esistenti, ad esempio, è bene valutare specifiche soluzioni tecnologiche, quali le pompe di calore ad alta temperatura, che possono portare l’acqua a temperature maggiori, senza perdere di efficienza.

Incentivi e Detrazioni Fiscali

Per quanto riguarda le detrazioni fiscali per gli interventi di riqualificazione energetica, le pompe di calore permettono l’accesso all’Ecobonus al 65% fino al 31 dicembre 2024 e al Bonus Casa, nel caso si stiano eseguendo interventi di ristrutturazione o manutenzione straordinaria. In questo caso, la percentuale di spesa detraibile è del 50% fino al 31 dicembre 2024.

Infine, le pompe di calore, installate in sostituzione di un impianto di riscaldamento preesistente, rientrano nel sistema di incentivi previsti dal GSE e annoverati nel Conto Termico 2.0. Il GSE, entro circa due mesi dalla convenzione, arriva a rimborsare il 65% della spesa tramite bonifico. Per verificare se un modello di pompa di calore possiede i requisiti per accedere agli incentivi del conto termico si può consultare il catalogo degli apparecchi domestici del GSE, le pompe di calore si trovano nella tipologia 2A e 2E per i sistemi ibridi.

La Legge di Bilancio recentemente bollinata alla Camera e che dovrà essere pubblicata in Gazzetta Ufficiale entro il 31/12/2024 ha confermato il bonus ristrutturazioni al 50% ma solo per le prime case. L’ecobonus, che incentiva le tecnologie di efficientamento energetico, scende dal 65 al 50%, anche in questo caso per le prime case; per le seconde case entrambi passano al 36%.

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.

Costi di Gestione

Chi desidera installare una pompa di calore mira ovviamente al risparmio energetico e a ridurre l’inquinamento. E infatti uno dei vantaggi principali nell’uso di una caldaia a pompa di calore è quello di limitare al minimo il consumo di energia primaria da fonte fossile.

Sui consumi incidono compressore e pompa di circolazione, ma questi non sono costanti. Bisogna dunque fare riferimento alla potenza assorbita (riportata nel libretto delle istruzioni) o servirsi di un wattmetro, ossia uno strumento per la misura della potenza elettrica attiva generata su una sezione di una linea elettrica.

Pompe di Calore e Obiettivi Europei

Del resto, gli obiettivi europei per lo sviluppo sostenibile e l’efficienza energetica prevedono di ridurre le emissioni di gas a effetto serra di almeno il 55% entro il 2030 rispetto ai livelli del 1990, in modo che l’Europa possa diventare il primo continente a impatto climatico zero entro il 2050.

Le pompe di calore consentono di riscaldare e raffrescare il proprio immobile in maniera sostenibile, efficiente ed economicamente conveniente. Trattandosi di generatori di calore gas-free, sono perfettamente in linea con gli obiettivi di decarbonizzazione, efficienza e sicurezza energetica dell’European Green Deal.

Tabella incentivi

Incentivo	Descrizione	Dettagli	Scadenza
Ecobonus 65%	Detrazione IRPEF o IRES per interventi di risparmio energetico	Detrazione in 10 rate annuali di pari importo	Fino al 31 dicembre 2024 (con possibili modifiche)
Super-Ecobonus 110%	Detrazione elevata per interventi di efficientamento energetico.	Obbligo di interventi "trainanti" e miglioramento di almeno due classi energetiche.	Scadenze variabili a seconda dei soggetti beneficiari e della tipologia di intervento (verificare le proroghe).
Conto Termico 2.0	Incentivi per interventi di incremento dell'efficienza energetica e produzione di energia termica da fonti rinnovabili.	Rimborso fino al 65% della spesa tramite bonifico.	Verificare i requisiti specifici e le scadenze sul sito del GSE.
Bonus Casa	Detrazione per interventi di ristrutturazione edilizia o manutenzione straordinaria.	Percentuale di spesa detraibile del 50%.	Fino al 31 dicembre 2024 (con possibili modifiche).

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