La pompa di calore fornisce tutto l'anno energia termica per il riscaldamento e l'acqua calda sanitaria. La pompa di calore utilizza infatti l'energia dell'aria, del suolo o dell'acqua di falda e la converte in energia termica. Nessuna stregoneria, ma un semplice principio fisico.
Principio di Funzionamento di una Pompa di Calore
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.
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:
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- 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.
- Fase 2: Nel compressore, il refrigerante - ora in stato gassoso - viene compresso e riscaldato da un compressore azionato elettricamente.
- 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.
- 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.
Pompa di Calore Monoblocco e Split: Cosa Significano?
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.
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.
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.
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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.
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 con una Pompa di Calore: Cosa Significa
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.
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Come Funziona la 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.
Tipologie di Pompe di Calore
Le pompe di calore in commercio si distinguono in base alla fonte da cui prelevano calore, ovvero acqua, aria o terra.
- Pompa di calore aria-acqua: queste macchine svolgono sia la funzione di riscaldamento che quella di raffrescamento. Funzionano generando calore tramite 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: queste macchine sono composte da almeno due unità, di cui una esterna, e dotate di split e sistema di canalizzazione dell’aria. Prelevano energia dall’aria e la trasferiscono in casa, rendendo al meglio con temperature alte e perdendo efficacia come fonti di riscaldamento.
- Pompa di calore acqua-acqua: questa tipologia di macchina massimizza il proprio rendimento in caso di pompa di calore per termosifoni e subordina il proprio funzionamento alla presenza di un pozzo dotato di sistema di aspirazione, prelevando il calore da una sorgente a temperatura stabile, servendosi dell’acqua di falda. Questa entra a contatto con un fluido refrigerante sfrutta il calore per il ciclo termodinamico.
- Pompa di calore geotermica: la pompa di calore terra-acqua riscalda l’acqua servendosi del calore presente nel terreno, catturandolo tramite una sonda geotermica. Questo tipo di tecnologia ha un elevato risparmio energetico, specie se unita a sistemi di riscaldamento a bassa temperatura.
Vantaggi delle Pompe di Calore
Rispetto ai tradizionali impianti di riscaldamento, i sistemi a pompa di calore offrono numerosi vantaggi:
- Efficienza energetica: si tratta di sistemi che nella maggior parte dei casi sono in grado di produrre più energia di quella consumata.
- Flessibilità: oltre che per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria, la pompa di calore può essere utilizzata anche per il raffrescamento.
- Impatto ambientale minimo: grazie allo sfruttamento di fonti rinnovabili, il rilascio di emissioni inquinanti nell’ambiente è ridotto.
- Risparmio: nonostante il costo iniziale più elevato, i minori consumi energetici garantiscono un rientro rapido dell’investimento.
- Incentivi fiscali: l’installazione di una pompa di calore rientra tra i dispositivi il cui acquisto può beneficiare delle detrazioni fiscali e dei bonus energetici previsti dallo stato.
Incentivi per l'Installazione di una Pompa di Calore
Il costo di una pompa di calore può ridursi significativamente grazie al sistema di incentivi statali previsti. Ecco i principali:
- Ecobonus: Prevede una detrazione fiscale con una progressiva riduzione delle aliquote negli anni successivi. L’agevolazione è valida per il cambio di vecchi impianti di climatizzazione invernale con impianti ad alta efficienza.
- Bonus ristrutturazione: L'agevolazione riguarda l'installazione di una pompa di calore associata a lavori di manutenzione straordinaria o restauro e prevede detrazioni.
- Conto Termico: Questo sistema di incentivi promuove l’installazione di pompe di calore a gas, geotermiche ed elettriche di nuova generazione o in sostituzione di impianti sistemi a biomassa o a combustibili fossili. Il bonus consente di ricevere un rimborso diretto.
- Superbonus: Prevede detrazioni per l'installazione di una pompa di calore a patto che il dispositivo vada a sostituire impianti di climatizzazione invernale sulle parti comuni degli edifici residenziali in condominio o sugli edifici unifamiliari e plurifamiliari.
Pompa di Calore o Caldaia a Condensazione?
La scelta tra pompa di calore e caldaia a condensazione dipende da diversi fattori. La pompa di calore utilizza l’energia termica presente nell’ambiente (aria, acqua o suolo) e offre un rendimento molto elevato a zero emissioni, ma rende al meglio in abitazioni ben isolate e in zone climatiche temperate. In caso di inverni rigidi, la sua efficienza si riduce, specie nei modelli aria-aria o aria-acqua non progettati per basse temperature.
Una valida alternativa al riscaldamento a pompa di calore è la caldaia a condensazione, che utilizza il gas come combustibile e recupera il calore latente dei fumi di scarico, garantendo un’efficienza energetica superiore alle caldaie tradizionali.
In sintesi, la pompa di calore è la scelta ideale in ottica green e in case ben isolate, mentre la caldaia a condensazione resta una soluzione efficace, affidabile ed economica per chi vive in zone fredde o ha impianti termici tradizionali.
Tabella Comparativa Pompe di Calore
| Tipo di Pompa di Calore | Fonte di Energia | Efficienza | Costo di Installazione | Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|---|---|---|---|
| Aria-Acqua | Aria Esterna | Alta | Medio | Facile installazione, adatta per riscaldamento e raffrescamento | Efficienza ridotta in climi molto freddi |
| Aria-Aria | Aria Esterna | Media | Basso | Installazione semplice e veloce | Meno efficiente per riscaldamento centralizzato |
| Acqua-Acqua | Acqua di Falda | Molto Alta | Alto | Elevata efficienza, temperatura stabile | Necessità di accesso all'acqua di falda |
| Geotermica | Terreno | Molto Alta | Molto Alto | Massima efficienza, temperatura costante | Costi elevati di installazione, richiede perforazione |