Le pompe di calore aria-acqua rappresentano una soluzione sostenibile e semplice da installare per il riscaldamento, il raffrescamento e la produzione di acqua calda. Sfruttano una fonte di energia rinnovabile, l'aria esterna, per trasformarla in calore. Questo processo rende la pompa di calore un’alternativa green rispetto alle classiche soluzioni di riscaldamento.
Cos’è una Pompa di Calore Aria-Acqua?
Una pompa di calore aria-acqua è un sistema che sfrutta l'energia termica presente nell'aria esterna per trasferirla all'acqua. Quest’acqua funge da "conduttrice" di calore, e viene poi utilizzata per riscaldare gli ambienti tramite termosifoni, pannelli radianti a pavimento o ventilconvettori. Se è presente un puffer, può anche produrre acqua calda sanitaria. Non utilizzando gas, è la scelta ideale qualora si volesse rendere la propria casa completamente elettrica.
È importante sapere che ne esistono anche di altri tipi, a seconda dell’energia naturale utilizzata:
- Pompa di calore geotermica
- Pompa di calore aria-aria
- Pompa di calore acqua-acqua
Le pompe di calore sono sempre più diffuse nelle case degli italiani: sono unità in grado di riscaldare in inverno e, se reversibili, possono anche raffreddare in estate. Spesso nella terminologia comune il termine “reversibile” è omesso e viene indicato “solo riscaldamento” nel caso in cui la pompa di calore non sia in grado di raffrescare.
Componenti della Pompa di Calore Aria-Acqua
Una pompa di calore aria-acqua ha diversi componenti. I principali sono l’unità interna e quella esterna.
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- Unità esterna - contiene la ventola che aspira l'aria esterna, l'evaporatore, il compressore, la pompa di circolazione e diverse valvole dove il refrigerante a bassa pressione assorbe il calore dall'aria
- Unità interna - ospita il condensatore, lo scambiatore di calore, la pompa di circolazione che permette di far circolare l’acqua nel circuito di riscaldamento e la centralina elettronica
All’interno della pompa di calore circola un fluido refrigerante, che ha la capacità di assorbire e rilasciare calore a diverse temperature e pressioni. Il calore generato verrà trasportato attraverso il circuito idraulico: il sistema di tubazioni che trasporta l'acqua riscaldata (o raffreddata) all'interno del locale di destinazione.
Quasi tutti i produttori, inoltre, forniscono anche una piattaforma per monitorare da remoto lo stato della pompa di calore, come Chaffolink di Chaffoteaux, così da individuare tempestivamente eventuali blocchi o malfunzionamenti.
Come Funziona la Pompa di Calore Aria-Acqua
Il funzionamento di una pompa di calore aria-acqua si basa sul principio della termodinamica, sfruttando il ciclo frigorifero. In parole semplici, la pompa di calore estrae l’energia da una fonte naturale (in questo caso, l’aria), che viene poi portata alla temperatura desiderata per riscaldare l’ambiente di destinazione e trasportata per mezzo di un impianto radiante, come il riscaldamento a pavimento o i termosifoni.
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 4 Fasi Fondamentali del Funzionamento
- Evaporazione - il refrigerante a bassa pressione e bassa temperatura circola nell'evaporatore dell'unità esterna. La ventola aspira l'aria esterna, e il calore presente in quest'aria (anche a basse temperature) viene assorbito dal refrigerante, facendolo evaporare.
- Compressione - il vapore di refrigerante a bassa pressione viene aspirato dal compressore (nell’unità esterna) e compresso. Questo processo aumenta la sua pressione e, così, anche la sua temperatura.
- Condensazione - il vapore di refrigerante ad alta pressione entra nel condensatore (nell'unità interna). Qui, il refrigerante cede il suo calore all'acqua del circuito di riscaldamento/raffrescamento. Durante questo scambio termico, il refrigerante si raffredda e condensa, tornando allo stato liquido.
- Espansione - il refrigerante liquido ad alta pressione passa attraverso una valvola di espansione (o un altro dispositivo di laminazione). Questa valvola riduce la pressione del refrigerante e provoca un abbassamento di temperatura. Il refrigerante a bassa pressione è ora pronto per tornare all'evaporatore e ricominciare il ciclo.
Questo processo spiega anche perché la pompa di calore consuma e inquina di meno rispetto alla classica caldaia a gas: il processo di riscaldamento non è provocato dalla combustione ma da un principio puramente termodinamico.
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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. 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.
Schema del Funzionamento
Facciamo un riepilogo: l'aria esterna cede calore al refrigerante nell'evaporatore. Il compressore aumenta la pressione e la temperatura del refrigerante gassoso. A questo punto, il refrigerante caldo cede calore all'acqua nel condensatore, riscaldandola. La valvola di espansione riduce la pressione e la temperatura del refrigerante liquido.
Questo ciclo si ripete continuamente per fornire riscaldamento o raffrescamento all'abitazione in modo efficiente, sostenibile e senza eccessivi sbalzi di 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:
- 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):
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- 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.
- 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.
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.
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.
Efficienza e Rendimento 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.
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.
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.
È importante guardare il COP, che 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.
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.
In questo caso, la pompa di calore estrae il calore dagli spazi abitativi e lo trasferisce all’ambiente circostante (aria, terra o acqua) attraverso il circuito di recupero del calore precedentemente descritto.
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.
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.
- 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.
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.
Incentivi e Agevolazioni Fiscali
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.
Tabella Comparativa Pompe di Calore
| Tipologia | Sorgente di Calore | Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|---|---|
| Aria-Acqua | Aria esterna | Installazione semplice, costo iniziale inferiore | Efficienza variabile con la temperatura esterna |
| Geotermica | Terreno | Alta efficienza, temperatura stabile | Costo iniziale elevato, installazione complessa |
| Acqua-Acqua | Acqua di falda | Alta efficienza, temperatura stabile | Necessità di accesso all'acqua di falda, permessi |
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