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.
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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.
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.
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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.
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
I principali tipi di pompe di calore sono le pompe di calore aria-aria, aria-acqua, geotermiche e acqua-acqua. I modelli aria-aria trasferiscono calore tra l'aria esterna e interna all’abitazione, le pompe aria-acqua riscaldano e raffrescano invece l'acqua di impianto (o l’acqua calda sanitaria) utilizzando l'aria esterna all’abitazione. Le pompe geotermiche invece, anziché l’aria esterna sfruttano il calore del sottosuolo, e le pompe acqua-acqua, infine, utilizzano l'acqua di falda o di superficie per il trasferimento di calore.
Esistono anche le pompe di calore ad assorbimento si differenziano dalle altre tipologie poiché utilizzano un liquido refrigerante per trasferire il calore da una sorgente di calore a un sistema di riscaldamento o raffreddamento. Queste pompe di calore funzionano sfruttando la capacità di alcuni liquidi di assorbire il vapore acqueo presente nell’aria o in altri liquidi.
Manutenzione e durata
La durata media di una pompa di calore varia generalmente tra i 15 e i 20 anni. Tuttavia, una manutenzione regolare e un utilizzo appropriato possono contribuire ad estenderne la vita utile. Sì, la manutenzione regolare delle pompe di calore è fondamentale per garantirne l'efficienza e la longevità. Un controllo annuale da parte di un professionista può prevenire guasti, migliorare le prestazioni e ridurre i consumi energetici.
Incentivi disponibili
In Italia puoi usufruire degli incentivi Ecobonus, che offre detrazioni fiscali per interventi di efficientamento energetico. Inoltre, sono disponibili anche detrazioni Irpef per interventi di ristrutturazione edilizia e manutenzione ordinaria e straordinaria, racchiuse all’interno del Bonus Casa. Infine, il Conto Termico è un contributo statale messo a disposizione di aziende e privati che incentiva interventi sia per l'incremento dell'efficienza energetica che per la produzione di energia da fonti rinnovabili.
Rimane tuttavia importante verificare i requisiti specifici e le normative vigenti, poiché possono variare nel tempo.
Fattori che influenzano l'efficienza
La temperatura esterna è sicuramente il primo fattore che incide sull’efficienza, in particolare con la tecnologia ad aria (aria-aria o aria-acqua), ma intervengono anche la qualità dell'installazione e manutenzione, e l'uso di termostati programmabili per ottimizzare il consumo energetico. Altri elementi rilevanti includono il grado di isolamento dell'edificio che influisce sulla dimensione corretta dell'unità e il coefficiente di prestazione (COP) dell'apparecchio.
Pompa di calore e sistema solare termico
Le pompe di calore e i sistemi solari termici possono lavorare bene insieme per aumentare l'efficienza energetica di un'abitazione. Il sistema solare termico raccoglie l'energia solare per riscaldare l'acqua o supportare il riscaldamento, riducendo il lavoro necessario alla pompa di calore. Nei periodi di scarsa insolazione, la pompa di calore può entrare in funzione per garantire il comfort necessario. Questa combinazione può ridurre i costi energetici e l'impatto ambientale complessivo.
Dimensionamento della pompa di calore
Per scegliere la giusta dimensione di una pompa di calore per la tua casa, entrano in gioco diversi elementi: la grandezza della casa, il livello di isolamento termico, il numero di finestre, l'altezza dei soffitti e il clima della tua zona sono sicuramente i principali. Con l’aiuto di un professionista, sarà necessario effettuare un calcolo del carico termico, per determinare le esigenze specifiche della tua abitazione e procedere al dimensionamento. In questo modo, garantirai un'installazione corretta e risparmierai sui costi energetici a lungo termine.
Impatto ambientale
Le pompe di calore sono considerate una soluzione ecologica per il riscaldamento e il raffreddamento perché sfruttano l'energia rinnovabile dall'aria, acqua o suolo. Tuttavia, nella valutazione complessiva, è comunque importante considerare l'efficienza energetica del sistema, l'origine dell'elettricità utilizzata e i potenziali impatti ambientali dei refrigeranti. I modelli più recenti usano refrigeranti con un basso potenziale di riscaldamento globale, riducendo ulteriormente l'impatto ambientale.
La pompa di calore aroTHERM plus di Vaillant per esempio utilizza il refrigerante naturale R290, con GWP (Global Warming Potential) pari a solo 0,02.
Pompa di calore aria-aria: vantaggi e svantaggi
La pompa di calore aria-aria non è altro che il nome tecnico dei condizionatori, il sistema per la climatizzazione più diffuso. Viene definito pompa di calore quando, oltre a far circolare aria fredda per il raffrescamento, emette anche aria calda per riscaldare casa.
Pro
- Efficienza energetica: questi sistemi possono essere altamente efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai tradizionali metodi di riscaldamento.
- Condizionamento dell’aria: molte pompe di calore aria-aria offrono anche funzionalità di raffreddamento, fornendo un sistema integrato di riscaldamento e condizionamento dell’aria durante i mesi più caldi.
- Facilità di installazione: poiché non richiedono il collegamento a una fonte di combustibile, come il gas o il petrolio, le pompe di calore aria-aria possono essere relativamente facili da installare.
- Emissioni ridotte di gas serra: grazie al loro funzionamento elettrico, queste pompe di calore contribuiscono a ridurre le emissioni di gas serra, come l’anidride carbonica, rispetto ai sistemi che utilizzano combustibili fossili.
Contro
- Dipendenza dalle condizioni atmosferiche: poiché dipendono dall’energia termica presente nell’aria esterna, l’efficienza delle pompe di calore aria aria può essere influenzata dalle variazioni stagionali delle temperature esterne.
- Rumorosità: alcune pompe di calore aria aria, specialmente le più datate, possono essere rumorose.
- Costi: pur avendo visto una diminuzione dei costi negli ultimi tempi, le pompe di calore aria-aria possono ancora essere costose rispetto ad altre soluzioni di riscaldamento e raffreddamento.
- Impatto sul microclima esterno: una cattiva progettazione dell’installazione dell’unità esterna potrebbe causare disturbi nel microclima dell’area circostante a causa delle correnti d’aria prodotte durante il funzionamento della pompa di calore.
Costi
I costi associati alle pompe di calore aria-aria possono variare notevolmente in base alla marca, al modello e alla capacità di riscaldamento. Inoltre, è importante tenere presente che, oltre al costo iniziale, bisogna considerare il risparmio energetico che una pompa di calore può garantire nel lungo periodo. Grazie alla maggiore efficienza, queste pompe possono ridurre significativamente i costi di riscaldamento rispetto ad altre soluzioni tradizionali, offrendo un vantaggio economico a lungo termine.
Tabella riassuntiva dei vantaggi delle pompe di calore
| Vantaggi | Descrizione |
|---|---|
| Efficienza energetica | Producono più energia termica di quanta ne consumano, riducendo i costi di riscaldamento e raffrescamento. |
| Versatilità | Possono essere utilizzate sia per riscaldare che per raffrescare gli ambienti. |
| Sostenibilità | Sfruttano fonti di energia rinnovabile, riducendo l'impatto ambientale. |
| Incentivi | Sono disponibili incentivi statali per l'installazione, rendendo l'investimento più conveniente. |
| Silenziosità | I modelli moderni sono progettati per essere molto silenziosi. |