La pompa di calore è una macchina che, servendosi di diverse forme di energia, è in grado di estrarre e trasferire energia termica. La pompa di calore è una macchina che utilizza l’energia dell’aria, del suolo o dell’acqua di falda e la converte in energia termica. Spesso si tende a considerare il solo concetto di pompa di calore per acqua calda, ma in realtà questa macchina ha un funzionamento più ampio. Oltre al riscaldamento invernale e alla fornitura di acqua calda a uso sanitario, infatti, invertendo il ciclo garantisce anche il raffrescamento degli ambienti.
Cos'è una Pompa di Calore?
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. Per individuare la pompa di calore più idonea ad aumentare l’efficienza energetica dell’edificio, potrebbe tornare utile un software termotecnico grazie al quale hai a disposizione una vasta libreria comprendente oltre 1000 oggetti BIM, accuratamente definiti per proprietà e caratteristiche tecniche, comprensiva anche di strutture di pompe di calore direttamente definite dalle aziende produttrici.
Come Funziona una Pompa di Calore
Il principio di funzionamento della pompa di calore si basa sul fenomeno dell’espansione Joule-Thomson di un fluido refrigerante molto freddo ma che vaporizza a basse temperature. Tale fluido, compiendo dei cicli di compressione ed espansione, permette alla pompa di calore di trasferire calore all’acqua calda sanitaria. Per riscaldare l’ambiente, la pompa di calore estrae il calore da una fonte naturale (come l’aria, l’acqua o il terreno) lo porta alla temperatura desiderata e lo trasporta all’interno dell’edificio dove verrà irradiato nell’ambiente per mezzo di impianti radianti a pavimento o terminali come termosifoni o fan coil.
In sostanza, un funzionamento simile, ma opposto, a quello del frigorifero. Quest’ultimo, infatti, tende ad espellere il calore dall’interno verso l’esterno mentre la pompa di calore lo cattura dall’esterno e, dopo averlo portato a temperatura, lo immette all’interno. Per rinfrescare l’ambiente, invece, il calore viene estratto dall’aria presente all’interno dell’edificio ed espulso, in modo del tutto analogo al frigorifero.
Componenti Principali di una Pompa di Calore
La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. Il circuito chiuso è costituito da:
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- Un compressore
- Un condensatore
- Una valvola di espansione
- Un evaporatore
Il condensatore e l’evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè tubi posti a contatto con un fluido di servizio (che può essere acqua o aria) nei quali scorre il fluido frigorigeno. Questo cede calore al condensatore e lo sottrae all’evaporatore. I componenti del circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due parti (sistemi split) raccordate dai tubi nei quali circola il fluido frigorigeno.
Fasi del Funzionamento
Nel funzionamento il fluido frigorigeno, all’interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni suddivise in 4 fasi:
- Fase 1 - compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall’evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore.
- Fase 2 - condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all’esterno.
- Fase 3 - espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda.
- Fase 4 - evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dall’esterno ed evapora completamente.
L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia con il compressore, al fluido frigorigeno, questo, nell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.
Schema di Funzionamento
Si parte da una fonte di calore (aria, terra, acqua), che tramite l’evaporatore fornisce calore al liquido refrigerante che evapora. Successivamente si passa attraverso il compressore che comprime il gas refrigerante aumentandone la temperatura. Si arriva al condensatore nel quale i gas caldi cedono calore all’acqua dell’impianto di riscaldamento condensando. Il liquido, poi, passa attraverso la valvola di espansione, in cui si espande riducendo la propria temperatura.
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:
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- 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: 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: 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.
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.
- 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.
- Sistema monoblocco: 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:
- 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.
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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.
Come Funziona una 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.
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.
Come Funziona una 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 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
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%.
Come Sostituire la Caldaia con una Pompa di Calore Senza Cambiare l’Impianto?
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.
Normative di Riferimento
- Dlgs n. 28/2011: “Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili".
- UNI/TS 11300-4:2016: “Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria”.
- Norma UE 517/2014: Normativa F-Gas.
- Norma UNI EN 378:2017: “Sistemi di refrigerazione e pompe di calore - Requisiti di sicurezza e ambientali”.
- D.M. 26/06/2015 c.d.
- UNI EN 14825:2019: “Condizionatori d'aria, refrigeratori di liquido e pompe di calore, con compressore elettrico, per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti - Metodi di prova e valutazione a carico parziale e calcolo del rendimento stagionale”.
Tabella Riassuntiva dei Vantaggi e Svantaggi
| Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|
| Risparmio energetico | Costi iniziali elevati |
| Elevata efficienza (alto COP) | Richiede manutenzione regolare |
| Raffrescamento estivo | Efficienza variabile in climi freddi |
| Lunga durata (circa 25 anni) | Restrizioni normative in alcune aree |
| Basso impatto ambientale | Ingombro |
| Accesso agli incentivi fiscali |
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