La pompa di calore è una macchina che, servendosi di diverse sorgenti, è in grado di estrarre e trasferire energia termica. A seconda della fonte energetica da cui prelevano energia, le pompe di calore si differenziano in 4 tipologie: aria-aria, aria-acqua, acqua-acqua, terra-acqua. In particolare, la pompa di calore acqua-acqua utilizza l’acqua di falda come fonte da cui viene prelevata l’energia.
Per via della natura della fonte energetica le ultime 2 categorie ricadono nella categoria delle pompe di calore geotermiche. Nello specifico, la pompa di calore acqua-acqua è un generatore di calore utilizzato per riscaldare e raffreddare, sfruttando le acquee di falda, come laghi e fiumi sotterranei. Questa soluzione tecnologica utilizza, quindi, l’acqua sia come sorgente fredda che come sorgente calda. Nelle più comuni soluzioni lo scambio termico all’evaporatore e al condensatore avviene tramite uno scambiatore tra un fluido refrigerante e, rispettivamente, l’acqua della falda e dell’impianto.
Cos'è una Pompa di Calore
Prima di analizzare le caratteristiche di una pompa di calore acqua-acqua, occorre dare prima una definizione di pompa di calore. La pompa di calore è una macchina capace di trasferire energia da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più elevata.
In funzione del fluido con cui scambiano calore, le pompe di calore possono essere classificate in:
- pompe di calore aria-aria;
- pompe di calore aria-acqua;
- pompe di calore acqua-acqua;
- pompe di terra-acqua.
Come Funziona una Pompa di Calore Acqua-Acqua
La pompa di calore acqua-acqua è un generatore di calore che utilizza l’energia delle acque del sottosuolo. In primis bisogna sottolineare che queste tipologie di macchine possono lavorare a circuito aperto o a circuito chiuso. Nel primo caso l’acqua è estratta dalla falda per poi essere reimmessa nella falda stessa o smaltita in corpo idrico superficiale mentre, nel secondo caso, si sfrutta una sonda per interagire energeticamente con la falda acquifera.
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Volendo schematizzare cosa accade in una comune configurazione a circuito aperto per riscaldamento:
- L’acqua viene prelevata da una fonte, come un fiume o un lago sotterraneo, attraverso un apposito pozzo di estrazione e convogliata alla pompa di calore.
- L’acqua prelevata dalla falda ha, genericamente, una temperatura inferiore a quella necessaria per il riscaldamento dell’edificio. Per questo motivo, all’interno della pompa di calore, l’acqua passa attraverso uno scambiatore di calore, trasferendo l’energia termica ad un fluido refrigerante. Ceduta l’energia e raffreddatasi l’acqua viene, a questo punto, reimmessa nella falda attraverso pozzi di assorbimento o iniezione.
- Il refrigerante, assorbendo il calore, si trasforma in vapore. Questo vapore viene quindi compresso, aumentando di temperatura. Sebbene il processo di compressione richieda energia elettrica, l’efficienza complessiva della pompa di calore acqua-acqua permette di generare molta più energia termica rispetto all’energia elettrica consumata.
- Il refrigerante, compresso ad alta temperatura, passa attraverso un secondo scambiatore di calore, dove cede l’energia termica assorbita in precedenza, riscaldando l’acqua che circola negli impianti di riscaldamento.
- Dopo aver ceduto energia, il fluido refrigerante abbassa la propria temperatura, riportandosi allo stato liquido originario.
Il ciclo appena descritto si ripete fintanto che la pompa di calore rimane attiva e funzionante.
Schema di una Pompa di Calore Acqua-Acqua
Un sistema acqua-acqua è formato dalle seguenti componenti:
- pozzi di estrazione e assorbimento;
- scambiatori;
- pompa;
- valvola di espansione;
- evaporatore;
- compressore elettrico;
- condensatore.
Di seguito uno schema della pompa di calore acqua-acqua:
Installazione di una Pompa di Calore Acqua-Acqua
Installare una pompa di calore acqua-acqua richiede un’attenta analisi preliminare sull’edificio, sull’acqua di falda disponibile e sui possibili impatti ambientali a lungo termine. A mero titolo di esempio, flussi e temperature dell’acqua potrebbero risultare non idonei per lo sfruttamento, oppure, la sorgente acquifera potrebbe essere non sufficientemente “pura” per un utilizzo sicuro. Generalmente si affronta quest’ultima problematica con l’impiego di una sonda a circuito chiuso, in cui circola una miscela di acqua-glicole che interagisce solo energeticamente con la falda.
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Successivamente, se non esiste già, è fondamentale progettare e realizzare correttamente il pozzo. Come abbiamo visto, esistono due tipologie di pozzi:
- quello di aspirazione, chiamato anche pozzo di estrazione che ha il compito di prelevare l’acqua di falda e portarla in superficie, dove viene diretta verso lo scambiatore di calore della pompa di calore acqua-acqua;
- quello di assorbimento, chiamato anche pozzo di drenaggio: che reintroduce l’acqua di falda raffreddata nel sottosuolo, permettendole di reintegrarsi nel ciclo naturale dell’acqua.
Requisiti per l'Esercizio di una Pompa di Calore Acqua-Acqua
Autorizzazioni necessarie
Per riscaldare e produrre acqua calda utilizzando una pompa di calore acqua-acqua è necessario ottenere l’autorizzazione dalle autorità competenti per le risorse idriche. Questo permesso varia a seconda della Regione e richiede un esame dettagliato del sistema idraulico.
Qualità dell’acqua di falda
Per garantire il corretto funzionamento dell’impianto, è essenziale eseguire analisi dell’acqua per rilevare la presenza di sostanze che potrebbero danneggiare il sistema nel tempo, come sali o altri contaminanti. Quindi, è fondamentale determinare la qualità della falda acquifera per verificare la sua idoneità all’uso in un sistema acqua-acqua. Il flusso d’acqua deve essere costante e privo di significative fluttuazioni stagionali per garantire un rendimento ottimale della pompa di calore durante tutto l’anno.
È preferibile che la temperatura della falda rimanga stabile, riducendo così il fabbisogno energetico per il riscaldamento. La profondità della falda dovrebbe variare tra i 3 e i 30 metri sotto la superficie, evitando perforazioni troppo complesse. Inoltre, il volume d’acqua deve essere sufficiente a soddisfare le esigenze dell’impianto, accessibile in modo sicuro e conforme alle normative locali.
Considerazioni sull’edificio
Prima di mettere in esercizio una pompa di calore acqua-acqua, è importante valutare anche l’edificio in cui sarà installata. Per un funzionamento efficiente della pompa di calore, è essenziale che l’edificio sia ben isolato termicamente e che la temperatura di mandata dell’impianto di riscaldamento sia la più bassa possibile, la soluzione ideale vede l’accoppiamento di una pompa acqua-acqua con un impianto a pannelli radianti.
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Vantaggi e Svantaggi derivanti dall'installazione di una Pompa di Calore Acqua-Acqua
Le pompe di calore acqua-acqua presentano numerosi vantaggi, ma anche alcuni svantaggi.
Vantaggi
- Risparmio energetico: utilizzano l’energia termica dell’acqua sotterranea o di un lago, una fonte gratuita e rinnovabile con costi operativi ridotti.
- Elevata efficienza: hanno un alto coefficiente di prestazione (COP), producendo più energia termica di quella elettrica consumata.
- Raffrescamento estivo: possono essere impiegate anche per raffrescare ambienti durante l’estate, rendendole versatili sia per il riscaldamento che per il raffrescamento.
- Lunga durata: con una vita media di circa 25 anni, queste pompe sono robuste e prive di parti soggette a usura meccanica.
Svantaggi
- Costi iniziali: l’installazione è costosa, soprattutto per gli scavi necessari per accedere all’acqua sotterranea.
- Requisiti specifici: necessitano della presenza di un corso d’acqua o di una falda acquifera nelle vicinanze, un requisito che può essere difficile da soddisfare in aree urbane.
- Manutenzione: richiedono manutenzione regolare per evitare problemi di intasamento degli scambiatori di calore, comportando costi aggiuntivi.
- Restrizioni normative: in alcune regioni, le autorità locali possono imporre restrizioni sull’uso di queste pompe a causa di potenziali impatti ambientali, limitando la possibilità di installazione.
COP di una Pompa di Calore Acqua-Acqua
Quando si considera l’installazione di una pompa di calore acqua-acqua, un fattore importante da valutare per capire se la pompa di calore scelta consumerà di più o meno rispetto ad un’altra è l’efficienza di funzionamento, espressa attraverso il Coefficiente di Prestazione (COP). Il COP rappresenta il rapporto tra l’energia termica generata e l’energia elettrica assorbita. Indica la quantità di energia impiegata dalla macchina per ottenere una certa quantità di calore ed è presente all’interno della cosiddetta scheda tecnica.
Oltre al COP va considerato l’indice SCOP (coefficiente di prestazione stagionale) che valuta il funzionamento in base a diverse temperature dell’aria esterna ed indica il rapporto tra il fabbisogno annuo e il consumo elettrico annuo dedicato al riscaldamento. L’indice SCOP può essere stimato da un progettista, utilizzando un software termotecnico in cui si mettono in correlazione i dati di progetto dell’abitazione, le condizioni climatiche della località di installazione e le prestazioni della pompa di calore alle diverse condizioni di esercizio.
Pompa di Calore Acqua-Acqua: Costi
Il costo di una pompa di calore acqua-acqua può variare considerevolmente a seconda di diversi fattori, inclusi le dimensioni dell’unità, la complessità dell’installazione e la disponibilità di una fonte d’acqua adatta. In generale, l’acquisto e l’installazione di una pompa di calore acqua-acqua possono risultare più costosi rispetto ai sistemi di riscaldamento convenzionali come le caldaie a gas, ma garantiscono un notevole risparmio in bolletta.
Il costo di una pompa geotermica si aggira sugli 800/1700 EUR per kW; quindi, per soddisfare le esigenze di una villetta unifamiliare, possiamo stimare un investimento iniziale di circa 18-20.000 EUR.
Di seguito una tabella riassuntiva dei vantaggi e svantaggi:
| Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|
| Elevata efficienza energetica (alto COP) | Costi iniziali di installazione elevati |
| Utilizzo di fonti rinnovabili (acqua di falda) | Necessità di analisi preliminari e autorizzazioni |
| Possibilità di riscaldamento e raffreddamento | Requisiti specifici del sito (presenza di falda acquifera) |
| Lunga durata e bassa manutenzione | Possibili restrizioni normative |
| Risparmio sui costi operativi a lungo termine | Complessità nella costruzione dei pozzi |