Le pompe di calore rientrano tra le nuove soluzioni per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti. Si tratta di una macchina elettrica che produce riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria, utilizzando energia termica proveniente da fonti rinnovabili esterne (come l’aria, l’acqua e il sottosuolo).
Cosa vuol dire pompa di calore monoblocco?
La pompa di calore monoblocco è un apparecchio unico che racchiude al suo interno tutti i componenti necessari al funzionamento. I sistemi per il riscaldamento o il raffrescamento di un edificio sono costituiti da gruppo frigo, che permette di recuperare o disperdere calore con l’esterno, e da un terminale idronico, in grado di trasferire il calore all’acqua che circola nell’impianto. In una pompa monoblocco questi due elementi (gruppo frigo e terminale idronico) sono contenuti nella stessa unità e il circuito del gas refrigerante è chiuso ermeticamente.
Esistono anche le pompe di calore splittate dove i gruppi di componenti sono separati. Il circuito frigo è collocato all’esterno dell’edificio e lo scambiatore all’interno. Le due parti sono collegate tramite tubazioni esterne dove passa il gas refrigerante.
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 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.
Un altro termine molto utilizzato quando si parla delle caratteristiche e delle modalità di funzionamento di una pompa di calore è “inverter”. La tecnologia inverter, compensa la minore resa termica alle basse temperature, aumentando la velocità di rotazione del compressore. Inversamente, quando la temperatura dell’aria esterna aumenta, il sistema inverter della pompa di calore modula la frequenza, adeguando la potenza erogata al fabbisogno termico richiesto e diminuendo drasticamente i consumi elettrici.
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Componenti 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:
- 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.
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:
- 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
Le pompe di calore idroniche inverter si possono distinguere in Monoblocco e Splittate. È split la pompa di calore composta da due unità costruite per lavorare insieme: una, motocondensante, va posizionata all’esterno, l’altra all’interno. L'unità interna funge da serbatoio di accumulo sanitario con posizionamento a pavimento. Il collegamento tra unità esterna e quella interna avviene tramite gas refrigerante. Per questo motivo l'installatore che si occuperà di realizzare l'impianto dovrà essere munito di apposito patentino F-Gas.
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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.
Nel 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.
Nel sistema monoblocco, invece, 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.
Vantaggi della monoblocco rispetto alla splittata
La pompa di calore monoblocco è più facile da installare perché consiste in un’unica unità. Non richiede di eseguire tubazioni refrigeranti tra l’unità interna e quella esterna, riducendo così il rischio di perdite di refrigerante. Inoltre il circuito frigorifero è molto delicato e fornisce i migliori rendimenti se correttamente realizzato. Nelle monoblocco tutto è assemblato e collaudato direttamente in fabbrica. Nelle pompe splittate viene completato in cantiere, dove ci possono essere condizioni non ottimali o il rischio di commettere errori.
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La monoblocco esterna è più silenziosa rispetto alla termopompa splittata, proprio perché non ci sono componenti dentro l’abitazione che possano produrre rumori fastidiosi. Dal punto di vista del rendimento i due sistemi sono sostanzialmente equivalenti. La pompa di calore monoblocco ha una efficienza leggermente superiore che viene compensata da una dispersione del calore lievemente maggiore nei modelli da esterno, dovuta al passaggio dell’acqua nelle tubazioni poste fuori dell’abitazione.
Dove installare una pompa di calore monoblocco
Le pompe monoblocco possono essere posizionate totalmente all’esterno o totalmente all’interno, a seconda dei modelli. Questa configurazione permette una maggiore flessibilità di installazione, soprattutto nei contesti più difficili. Le versioni da esterno sono convenienti quando gli spazi a disposizione in casa sono ridotti. Tutti gli elementi della termopompa sono nell’unità esterna e dentro l’edificio vengono posizionati solo il bollitore e i vasi di espansione.
I modelli da interno sono molto utili nelle situazioni in cui non è permessa l’installazione di una unità esterna, come ad esempio nei centri storici o negli edifici sottoposti a vincoli sul decoro architettonico. L’unità interna della pompa di calore monoblocco comprende tutti i componenti ed esternamente è praticamente invisibile.
Decidere dove installare una pompa di calore aria-acqua per riscaldare un’abitazione non è così banale come si può pensare. Non si tratta, insomma, di smontare la vecchia caldaia a gas e montare al suo posto il nuovo generatore di calore. Rispetto a una caldaia, infatti, una pompa di calore è costituita da più componenti e, in più, necessità di un grande afflusso di aria esterna, che costituisce la fonte rinnovabile di energia termica da cui il calore viene estratto.
Solo una posizione corretta dell’unità esterna può assicurare che il sistema sia in grado di “pescare” sempre aria a sufficienza, ma allo stesso tempo il sistema non deve causare rumore eccessivo e non deve incidere negativamente sull’aspetto estetico dell’edificio. Le componenti interne della pompa di calore, invece, hanno bisogno generalmente di un locale tecnico con lo spazio necessario.
Fattori da considerare per l'installazione esterna
- Inquinamento acustico: i ventilatori e i compressori presenti nelle unità esterne e in quelle monoblocco producono rumore durante il funzionamento ed è quindi sconsigliata l’installazione in prossimità di camere da letto, di pareti perimetrali sottili o di altri edifici, per non arrecare disturbo a se stessi o al vicinato. Bisogna considerare, infatti, che a pieno regime e a una distanza ravvicinata il rumore può raggiungere i 40-50 decibel. È consigliabile una distanza minima di tre o quattro metri da un edificio, rispettando le indicazioni del produttore sulle emissioni acustiche.
- Alimentazione dell’aria: se lo spazio disponibile è scarso, l’unità potrebbe aspirare o espellere l’aria con difficoltà, causando problemi durante il funzionamento della pompa di calore. L’aria che viene espulsa, inoltre, è molto fredda, quindi si consiglia una distanza minima di alcuni metri (almeno tre) da terrazzi, piante o zone di transito, per non penalizzare il comfort e causare la formazione di ghiaccio sui passaggi. Inoltre, un flusso d'aria sfavorevole può causare un “cortocircuito termico”, perché l’unità aspira aria già raffreddata.
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.
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.
Pompa di calore e temperature rigide
In presenza di temperature rigide e al di sotto dello zero, la pompa di calore può attivare automaticamente una resistenza aggiuntiva integrata che impiega corrente elettrica. Proprio per questo motivo, in zone caratterizzate da inverni freddi, si può valutare di abbinare la pompa di calore alla caldaia a condensazione, creando un sistema ibrido. Il sistema ibrido di fatto mette in collegamento, in modo intelligente, caldaia a condensazione e pompa di calore e sceglie, istante per istante e in modo autonomo, quale tecnologia è meglio sfruttare, tenendo in considerazione la temperatura esterna e le condizioni di funzionamento delle unità, con l’obiettivo di risparmiare e mantenere il comfort inalterato.
Per garantire il funzionamento anche a basse temperature, si possono utilizzare:
- Apposite resistenze elettriche
- Attenta coibentazione delle tubature
- Eventuale impiego di sostanze chimiche con apposite funzioni antigelo
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.