Pompa di calore: come funziona

La pompa di calore sarà sempre più protagonista del mercato energetico del futuro. Si tratta di una delle applicazioni più efficaci per conseguire reali risparmi energetici, limitare l’inquinamento atmosferico e l’effetto serra, nonché per contenere i costi dell’energia necessaria per la climatizzazione degli ambienti.

L’addio alle vecchie caldaie sembra dunque avvicinarsi di più ogni giorno che passa.

In questo nuovo articolo di Inforedil Accademia, analizziamo le pompe di calore soprattutto dal punto di vista tecnico, cercando di capire meglio il loro funzionamento e tutti i vantaggi che ne derivano.

Cos’è una pompa di calore

Le pompe di calore sono macchine frigorigene che possono essere utilizzate sia in inverno che in estate. Per poterle utilizzare in tutte e due le modalità è necessario provvedere a un’inversione che può essere attuata sul ciclo o sull’impianto.

Da un’indagine eseguita dall’ASHRAE, è emerso che la vita media attesa delle pompe di calore, secondo i tipi, è la seguente:

pompe di calore residenziali aria-aria, 15 anni
pompe di calore commerciali aria-aria, 15 anni
pompe di calore commerciali acqua-aria, 19 anni

Si tratta di valori apprezzabili, che confermano la qualità raggiunta da queste macchine.

Come funziona una pompa di calore

Un ciclo termodinamico è un insieme di trasformazioni fatte subire a un fluido; le trasformazioni comportano scambi di calore e lavoro tra il fluido e l’ambiente esterno.

Se il ciclo ha la funzione di trasformare calore in lavoro si dice diretto; viceversa, se trasferisce calore da un ambiente a temperatura più bassa a un altro a temperatura più alta si chiama ciclo inverso e, per il secondo principio della termodinamica, questo ciclo è realizzabile solo somministrando energia meccanica.

Se questo ciclo inverso viene utilizzato per sottrarre calore a un ambiente che deve essere mantenuto a temperatura inferiore all’ambiente circostante si parla comunemente di ciclo frigorifero; se, viceversa, il ciclo viene utilizzato per mantenere un ambiente a temperatura più alta di quella circostante, si parla di ciclo a pompa di calore.

In entrambi i casi il funzionamento è sempre lo stesso: fornendo lavoro si sottrae calore a un ambiente a più bassa temperatura e lo si riversa, incrementato dell’equivalente termico del lavoro compiuto, all’ambiente a temperatura più elevata (fig. 1).

Fig. 1 – Schema di una pompa di calore

Tipologie di pompe di calore

Esistono essenzialmente due tipi di pompa di calore:

a compressione
ad assorbimento

Schematicamente, una pompa di calore a compressione di vapore saturo è costituita da un compressore, da un evaporatore, da un condensatore e da un organo di espansione.

Nella fig. 2 è riportato il ciclo di funzionamento nel piano temperatura-entropia:

il fluido frigorigeno evapora lungo AB a temperatura e pressione costante
entra, quindi, nel compressore e la trasformazione BC non è isoentropica
all’uscita dal compressore il fluido è surriscaldato e passa al condensatore dove prima si desurriscalda (CD) e, quindi, condensa a pressione e temperatura costante (DE)
nel tratto EA, il fluido passa attraverso l’organo di laminazione si raffredda e il ciclo riprende.

Fig. 2 – Ciclo di una pompa di calore

COP: coefficiente di prestazione

Per valutare le prestazioni e l’efficienza di una pompa di calore si utilizza spesso il COP (Coefficient Of Performance, in italiano coefficiente di prestazione). Esso è espresso dal rapporto tra il calore generato e l’energia elettrica utilizzata. Più elevato è il COP, più efficiente è la pompa di calore.

La pompa di calore genera calore con l’ausilio di un mezzo di lavoro, comprimendolo (Vedere “Come funziona una pompa di calore?”). Per fare questo è necessaria energia elettrica. Il rapporto tra la potenza termica generata Qth e la potenza elettrica applicata Pel fornisce il coefficiente di prestazione (COP ):

COP = Qth / Pel

Per esempio, con un COP di 4 è necessario 1 kW di elettricità per generare 4 kW di potenza di riscaldamento. Il coefficiente di prestazione dipende dal punto di esercizio della pompa di calore e quindi direttamente dalla temperatura della fonte. La potenza di riscaldamento Q_th varia in modo corrispondente. Il COP rappresenta perciò un valore istantaneo e quindi lo stato di efficienza attuale della pompa di calore.

Il COP delle pompe di calore elettriche moderne è molto elevato, intorno a 4. Per ogni kWh di energia elettrica usata vengono rilasciati 4 kWh di energia sotto forma di calore.

Le sorgenti fredde

I principali e più comuni tipi di pompe di calore sono:

aria-aria;
aria-acqua;
acqua-aria;
acqua-acqua.

Oltre a queste, per dovere d’informazione, vanno citate quelle suolo-aria e suolo-acqua.

Allo stato attuale si può affermare che:

i tipi aria/aria e aria/acqua hanno il loro maggior campo di applicazione nel condizionamento e riscaldamento civile e residenziale;
i tipi acqua/aria e acqua/acqua sembrano i più adatti per impianti industriali e civili e per l’applicazione dei principi del “recupero di energia”;
i tipi suolo/aria e suolo/acqua, cosiddette pompe di calore geotermiche, trovano oggi impiego in America e nel nord Europa (Germania, Austria, Svizzera, Svezia).

Fig. 3 – Le sorgenti fredde per impianti a pompa di calore

I vantaggi di una pompa di calore

Una pompa di calore offre tantissimi vantaggi rispetto alla maggior parte delle tecnologie di riscaldamento:

ecologia
risparmio
efficienza
manutenzione
affidabilità
investimento sicuro
flessibilità

Ecologia

Le emissioni di CO2 di una pompa di calore sono inferiori di circa il 90% rispetto a quelle emesse da un sistema di riscaldamento a gas o a gasolio. Inoltre, non ci sono emissioni di particolato, come invece accade per tutti i tipi di sistemi di riscaldamento che producono calore attraverso la combustione (gas, gasolio, pellet, legna).

Indipendentemente dalla sua tipologia, tutte le pompe di calore utilizzano come fonte di energia risorse rinnovabili (aria, terra, acqua). Se l’elettricità utilizzata proviene da fonti di energia rinnovabili, l’ecobilancio della pompa di calore è ulteriormente migliorato.

Risparmio

Sebbene il prezzo di acquisto di una pompa di calore sia più elevato rispetto ai sistemi di riscaldamento tradizionali a gas, il loro costo operativo è estremamente basso.

L’energia primaria utilizzata dalla pompa di calore (calore dell’aria, del suolo o dell’acqua) è disponibile in quantità illimitata e gratuita, e grazie al modesto consumo di elettricità i costi di esercizio sono estremamente competitivi.

Efficienza

La pompa di calore è straordinariamente efficiente dal punto di vista energetico: converte l’energia elettrica utilizzata in una quantità di energia termica da tre a quattro volte superiore.

L’efficienza effettiva, espressa dai coefficienti COP (coefficiente di prestazione) e SCOP (Coefficiente di prestazione stagionale), varia a seconda delle condizioni di funzionamento.

Affidabilità

Le pompe di calore sono estremamente affidabili e grazie a questo forniscono riscaldamento e acqua calda per la casa senza interruzioni.

Investimento sicuro

La pompa di calore è il futuro del riscaldamento domestico. Un edificio riscaldato con una pompa di calore aumenta quindi il suo valore, poiché la sua installazione significa avere il sistema di riscaldamento più moderno e al passo con le normative ambientali e di risparmio energetico più severe.

Flessibilità

Le diverse soluzioni in pompa di calore disponibili rendono questa tecnologia molto flessibile e adattabile a diverse soluzioni di installazione, in basa a posizione, tipologia di edificio, temperature di mandata richieste e combinazioni con altre tecnologie moderne ed ecologiche (come il fotovoltaico e il solare termico).

Energie rinnovabili e pompe di calore

Quando si parla di energie rinnovabili, si trascura spessissimo la disponibilità di risorse idriche superficiali: si tratta di risorse che risultano reperibili con facilità sul territorio e a cui è generalmente possibile sottrarre una potenza termica significativa gratuita mediante l’impiego di un sistema a pompa di calore. Tali risorse possono essere rappresentate anzitutto da acqua di fiume, di roggia, di lago e di mare.

Esistono tuttavia in molte zone anche disponibilità di acqua di falda oppure di acqua geotermica a bassa temperatura. Addirittura vi sono zone in cui l’acqua di falda già oggi viene captata e deve essere sistematicamente pompata dal sottosuolo ed evacuata per impedire fenomeni di allagamento dei piani sotterranei degli edifici.

Le sorgenti fredde da cui è possibile attingere calore sono diversissime e dal prospetto schematico riportato (fig. 3), si possono avere indicazioni che non hanno affatto la pretesa di esaurire tutti i possibili casi che si possono presentare in pratica.

È evidente, altresì, che si dovranno sempre eseguire calcoli accurati di convenienza energetica ed economica, per evitare il rischio di affrontare spese ingenti (sia di costruzione sia, poi, di gestione) senza alcun ritorno dell’investimento.

La proposta di revisione F-Gas

Il Regolamento n. 517 del 2014 è attualmente in fase di revisione presso il Parlamento Europeo (clicca qui per un approfondimento).

Questa proposta di revisione riguarda anche gli obblighi in materia di formazione e certificazione per i soggetti che agiscono su apparecchiature contenenti gas usati in sostituzione dei gas fluorurati a effetto serra (gas alternativi), in modo tale da promuoverne un utilizzo sicuro.

Non da ultimo, i programmi di formazione e certificazione dovrebbero riguardare anche gli aspetti dell’efficienza energetica.

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