Le pompe di calore rappresentano una tecnologia all'avanguardia per il riscaldamento domestico e hanno assunto un ruolo sempre più importante durante la stagione invernale. Con il costante aumento delle temperature globali e la crescente preoccupazione per l'ambiente, queste innovative apparecchiature si sono dimostrate una soluzione efficiente e sostenibile per mantenere il comfort termico delle nostre case senza contribuire in modo significativo all'inquinamento atmosferico.
Principio di funzionamento delle pompe di calore
Il principio di funzionamento delle pompe di calore si basa sul trasferimento di calore da una sorgente a bassa temperatura a una sorgente a temperatura più elevata utilizzando un ciclo termodinamico. Le pompe di calore maggiormente diffuse sono ad assorbimento e, soprattutto, a compressione. Il ciclo di funzionamento di una pompa di calore è composto da quattro fasi: compressione, condensazione, espansione, evaporazione.
In una prima fase, il fluido allo stato di vapore viene compresso dal compressore e aumentano sia la sua pressione che la temperatura. Nella seconda fase, il vapore compresso condensa nel primo scambiatore di calore fino a diventare completamente liquido. Il calore ceduto in questa fase del processo è propedeutico ad aumentare la temperatura dell’ambiente interno durante la funzione di riscaldamento o a smaltire esternamente il calore asportato dall’ambiente interno durante la funzione di raffrescamento.
Nella terza fase la valvola di laminazione consente al liquido di diminuire la propria pressione fino al valore di ingresso al compressore, avviando al contempo il processo di evaporazione. La quarta e ultima fase si verifica nel secondo scambiatore di calore, nel quale il fluido evapora del tutto prelevando calore dall’esterno (dall’ambiente esterno durante la funzione di riscaldamento, dall’ambiente interno durante il raffrescamento).
Il ciclo descritto è invertibile, di conseguenza la pompa di calore è una macchina che naturalmente si presta a un utilizzo continuo durante tutto l’anno essendo capace sia di riscaldare che di raffrescare un ambiente.
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Come funziona la pompa di calore in inverno
In inverno la pompa di calore riscalda l’abitazione, prendendo dall’ambiente esterno il calore immagazzinato nell’aria, nell’acqua o nel suolo e trasferendolo all’interno dei locali. Nel periodo invernale, quindi, la pompa di calore preleva l’energia termica dai principali elementi presenti in natura, a basse temperature, e la trasferisce all'interno dei locali ad alta temperatura (di qui il nome di “pompa”) per ottenere il loro riscaldamento.
La chiave del funzionamento invernale delle pompe di calore aria-acqua - le più utilizzate - è la capacità di sfruttare il calore presente nell’aria esterna, anche quando è molto fredda. Il processo inizia con l’assorbimento dell’aria esterna attraverso un evaporatore. Successivamente, il refrigerante vaporizzato passa attraverso un compressore elettrico o a gas che aumenta la sua temperatura e pressione. Anche in presenza di temperature molto basse, il principio di funzionamento della pompa di calore consente di soddisfare le esigenze di riscaldamento e produzione di acqua calda.
Pompa di calore reversibile
Una pompa di calore si definisce reversibile quando è in grado di provvedere sia al fabbisogno di riscaldamento nelle stagioni invernali sia al fabbisogno di raffrescamento nelle stagioni estive. Diversamente dalle soluzioni classiche, nelle pompa di calore reversibile la grande differenza è fatta dalla presenza di una valvola a quattro vie, che permette l’inversione del ciclo di Carnot che gestisce il funzionamento della pompa di calore stessa.
Entrando più nel dettaglio su come tale macchina opera, avremo che, nel funzionamento per riscaldamento:
- il fluido refrigerante, tramite la valvola di espansione, espande e si raffredda, raggiungendo una temperatura inferiore rispetto a quella della sorgente esterna;
- nella seconda fase, il liquido freddo passa attraverso uno scambiatore di calore, l’evaporatore. Il fluido sottrae calore alla sorgente esterna e passa allo stato di vapore;
- il gas passa di seguito nella terza fase dove il compressore, va ad aumentare la pressione del gas, cosa che innesca un aumento della temperatura del fluido. Il fluido porta così ad una temperatura maggiore di quella presente nella sorgente interna;
- nella quarta fase il gas cede il calore all’ambiente interno grazie al condensatore. Raffreddandosi il fluido refrigerante passa allo stato di liquido ad alta temperatura. Il fluido a questo punto si riporta alle condizioni del punto 1 e giunge alla valvola di espansione, dove perde drasticamente pressione, e quindi temperatura, e ricomincia il ciclo.
Tipologie di pompe di calore reversibili
Le pompe di calore reversibili a circuito chiuso più comunemente impiegate sono di due tipologie:
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- Pompa di calore aria-aria: in cui l’energia viene trasferita dall’aria interna verso l’esterno o viceversa (in base al tipo di funzionamento). È il caso della maggior parte dei climatizzatori disponibili sul mercato, composti da un’unità interna ed una esterna. In inverno l’unità esterna funziona da evaporatore, sottraendo calore all’ambiente esterno e l’unità interna funziona da condensatore, cedendo il calore all’interno. In estate il funzionamento si inverte, l’unità interna, ora evaporatore, sottrae calore agli ambienti interni e cede all’esterno, dove l’unità esterna funge da condensatore.
- Pompa di calore aria-acqua: in cui il calore prelevato o ceduto all’aria esterna, a seconda del funzionamento, viene utilizzato per il riscaldamento o raffrescamento dell’acqua. Queste pompe di calore sono molto utilizzate per alimentare impianti a radiatori o a pavimento radiante.
Vantaggi dell'utilizzo di una pompa di calore in inverno
Il principale vantaggio deriva dal fatto che con un’unica macchina si possano gestire le richieste sia per il caldo che per il freddo. Una pompa di calore reversibile, inoltre, è generalmente caratterizzata da ottime prestazioni in tutte le stagioni, garantendo un comfort completo e consentendo un notevole risparmio di energia e di costi in bolletta.La soluzione tecnica inoltre risulta essere sostenibile con l’abbattimento delle emissioni inquinanti, dal momento che sfrutta una fonte di energia rinnovabile.
Alla luce dell’attuale crisi energetica e della crescente preoccupazione per la sostenibilità ambientale, le pompe di calore offrono numerosi vantaggi anche durante la stagione invernale.
- Efficienza energetica: producono più calore di quello che consumano in energia elettrica.
- Ecologiche: contribuiscono alla riduzione delle emissioni di gas serra.
- Risparmio sui costi: se integrate a un impianto fotovoltaico, garantiscono un risparmio in bolletta di oltre l’80%.
Integrazione con sistemi ibridi e fotovoltaici
Un approccio sempre più comune per ottimizzare il funzionamento invernale delle pompe di calore è l’installazione di un sistema ibrido che combina una pompa di calore con una caldaia a condensazione. L’uso di un impianto fotovoltaico in combinazione con una pompa di calore può essere altamente vantaggioso in termini di efficienza energetica e risparmio sui costi.
Questo approccio ibrido non solo massimizza l'efficienza complessiva del sistema di riscaldamento, ma consente anche di ridurre ulteriormente i consumi energetici e le emissioni inquinanti, contribuendo così a preservare l'ambiente e a ridurre l'impatto ambientale dell'abitazione.
Manutenzione della pompa di calore in inverno
È importante pulire l'evaporatore e la ventola della pompa di calore almeno una volta all'anno, preferibilmente in autunno e anche in primavera. Per la pulizia, evita l'uso di idropulitrici o solventi. Puoi utilizzare uno spruzzino con acqua e sapone neutro liquido a bassa pressione. Delicatamente, pulisci le superfici esterne e rimuovi le ragnatele sul retro dove si trova lo scambiatore a piastre (evaporatore), facendo attenzione a non danneggiare le delicate alette in alluminio.
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Verifica che l'unità esterna della pompa di calore sia saldamente ancorata alla struttura portante e, nel caso ci siano antivibranti esterni, assicurati che funzionino correttamente. Controlla l'isolamento delle tubazioni esterne e, se sono usurate o danneggiate, sostituiscile. Proteggi con isolante qualsiasi elemento metallico esterno alla pompa di calore che possa entrare in contatto con le tubazioni calde per ridurre al minimo le dispersioni termiche durante il riscaldamento invernale.
Controlla la centralina della pompa di calore per assicurarti che sia configurata per l'inverno. Verifica le impostazioni di commutazione tra modalità estate e inverno, permettendo alla pompa di calore di passare automaticamente in riscaldamento al di sotto di una temperatura esterna specifica, tipicamente 17-18°C. In alternativa, puoi impostare manualmente la modalità sempre riscaldamento per garantire che la pompa di calore funzioni come dovrebbe durante l'inverno.
Consumi e COP (Coefficient of Performance)
Il consumo di una pompa di calore dipende da vari fattori come la tipologia dell’impianto (aria-aria, aria-acqua, geotermico), il clima della zona, il livello di isolamento dell’edificio e la temperatura di mandata. In una casa ben coibentata di circa 100 m², una pompa di calore aria-acqua consuma mediamente tra 1.400 e 1.800 kWh all’anno, ma in zone fredde può arrivare anche a 2.800 kWh. Questo significa una spesa tra i 300 e i 1.000 euro, a seconda del costo dell’energia elettrica. L’efficienza dell’impianto è espressa dal COP (Coefficient of Performance), che in condizioni favorevoli può superare il valore di 4, mentre cala sotto i 2 con temperature molto basse.
Il COP indica l’efficienza della pompa di calore. Come esempio, un valore COP=4 è ormai “comune”; questo significa che per ogni kW di energia consumato (=energia elettrica) ben 4 kW sono resi all’interno della casa.
Tabella riassuntiva dei consumi medi
| Fattore | Influenza sul consumo |
|---|---|
| Tipologia impianto | Aria-aria, aria-acqua, geotermico |
| Clima della zona | Zone fredde aumentano il consumo |
| Isolamento edificio | Scarsa coibentazione aumenta il consumo |
| Temperatura di mandata | Temperature elevate aumentano il consumo |
Le pompe di calore sono notevolmente efficienti durante l'inverno poiché utilizzano l'energia termica presente nell'ambiente circostante per riscaldare gli spazi interni.