La pompa di calore

 

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta, utilizzando energia elettrica.

Esempi di macchine di questo tipo sono p.e.:

  • condizionatori d'aria;
  • pompa di calore a compressione di gas;
  • pompa di calore a scambio geotermico;

Nel condizionamento dell'aria il termine pompa di calore è riferito ad un condizionatore d'aria con valvola reversibile, che cambia la direzione di scorrimento del fluido.

Funzionamento
Le pompe di calore funzionano grazie a diversi principi fisici e sono classificate in base alla loro applicazione (trasmissione di calore, fonte di calore, dispersore di calore o macchina refrigeratrice).

Il compressore di una pompa di calore crea  la differenza di pressione che permette al ciclo di ripetersi: esso pompa il fluido refrigerante attraverso l'evaporatore, dove appunto evapora a bassa pressione assorbendo calore, in seguito lo comprime e lo spinge all'interno del condensatore, dove condensa ad alta pressione rilasciando il calore precedentemente assorbito.
Il fluido refrigerante cambia di stato all'interno dei due radiatori: nell'evaporatore passa da liquido a gassoso, nel condensatore passa da gassoso a liquido.

Efficienza
La resa di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione "COP", dato dal rapporto tra energia resa ed energia consumata. Un COP pari a tre vuol dire, ad esempio, che per ogni KWh d'energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 KWh di calore.
Quando usata per scaldare con un clima mite, una tipica pompa di calore ha un COP da 3 a 4 (3,3 a ca. 10°C e 2,3 a ca. -8,3°C), per paragone, una stufa elettrica ha un COP massimo teorico pari a 1 (senza considerare le perdite).
In termini energetici 1 joule di energia elettrica permette alla stufa di dare 1 J di calore, mentre, in condizioni ideali, una pompa di calore permette di trasferire più di 1 J di energia termica da un luogo più freddo a uno più caldo.
La maggior parte dei venditori di pompe di calore dichiarano un'efficienza maggiore del 100%, ma ciò non è esatto, questo lavoro non viene prodotto, ma il calore viene movimentato.

Macchine di Carnot in senso inverso (le si fornisce lavoro e si ottiene calore), tra sorgenti a 0°C e 20°C, hanno un rendimento teorico "COP" pari a 15, ovvero un rapporto 1:15 tra il lavoro delle resistenze elettriche e il calore ottenuto. Macchine simili sono molto efficienti ma il loro costo d'impianto è particolarmente elevato.

Il processo della pompa di calore non viola la prima legge della termodinamica, perché ci vuole meno energia per muovere il calore che per produrlo, e nemmeno la seconda legge della termodinamica, perché il lavoro richiesto per muovere il calore da bassa ad alta temperatura è maggiore del lavoro che si può ricavare muovendo la stessa energia termica, in senso opposto, attraverso un motore ideale (e questo è il principio che limita il COP).

Quando c'è una notevole differenza di temperatura, per esempio quando si vuole riscaldare una casa in una rigida giornata invernale, è necessario più lavoro per muovere il calore all'interno. Se la pompa di calore è all'esterno e l'evaporatore non è riparato, è possibile che il COP scenda sotto 1 e che l'umidità dell'aria tenda a ghiacciarsi sulle alette del dispositivo.
Pertanto, quando fuori fa molto freddo, conviene creare calore all'interno con sistemi alternativi piuttosto che cercare di portarlo dentro dall'esterno con una pompa di calore.

In fase di raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è descritta dall'EER (energy efficiency ratio) o dall'SEER (seasonal energy efficiency ratio), migliori quanto più elevati. Il costruttore dichiara  sia il COP, sia l'EER (o l'SEER).

La pompa di calore è più efficiente nel riscaldamento che nel raffreddamento, dato che la macchina spreca sempre una parte di energia in calore e questa può essere recuperata come calore di riscaldamento.

Le pompe di calore commerciali sono in rapido sviluppo: il COP è cresciuto negli ultimi  anni da 3 a 4 e per qualche modello anche 5. Di conseguenza esse stanno diventando una valida scelta per il riscaldamento domestico, dove sono utilizzate comunemente quelle ad aria e quelle geotermiche, anche in combinazione con caldaie termiche.

In molti casi conviene aumentare la taglia di un'impianto fotovoltaico previsto per alimentare così una pompa di calore abbinata. L'impianto fotovoltaico viene comunque ripagato dal conto energia, il tempo di break even point si accorcia normalmente per impianti di taglia cresente. L'energia elettrica prodotta è "gratis" a vantaggio del risparmio sulla bolletta per il riscaldamento.
Per pompe di calore vale l'incentico del 55% detrazione IRPEF.

Per le pompe di calore che sfruttano l'aria il COP è limitato quando operano in climi molto freddi, dove c'è meno calore all'esterno da trasferire all'interno di un edificio. Il  COP cade quando fuori la temperatura scende attorno a -5°C o -10°C. Quando si compra una pompa di calore è importante prestare attenzione al COP, a quale intervallo di temperatura tale COP si riferisce, al costo di installazione della pompa, a quanto calore può trasferire, al rumore generato.

Considerata, invece, una pompa di calore che sfrutta il sottosuolo (di solito l'acqua sotterranea), che rimane a una temperatura relativamente costante durante l'anno sotto a una profondità di 2,5 m, il suo COP è maggiore rispetto alla pompa che sfrutta l'aria ed è costante durante l'anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa, più cara e non sempre applicabile.

Pompa di calore ad aria per condizionamento

L'unità esterna
Ci sono due tipi di pompe di calore ad aria; la più comune è quella aria-aria, che estrae calore dall'aria e lo riversa all'interno o all'esterno di un edificio, a seconda della stagione; segue poi quella aria-acqua, che è utilizzata in ambienti con la distribuzione idronica del calore.
Le pompe di calore ad aria possono essere:

  • progettate per lavorare in unione con una fonte supplementare di riscaldamento, come una caldaia elettrica, a gas, a gasolio...
  • già dotate di resistenza elettrica in funzione di riscaldatore supplementare;
  • bivalenti, se sono dotate di un riscaldatore a propano per innalzare la temperatura dell'aria in ingresso dall'esterno.

   

La fase di riscaldamento

  • Il calore è prelevato dall'aria esterna e portato all'interno dell'edificio.
  • Il fluido refrigerante attraversa la valvola di laminazione e diventa una miscela liquido-vapore a bassa pressione. Quindi entra nell'evaporatore, posto all'esterno, dove assorbe calore fino a diventare vapore a bassa temperatura.
  • Il vapore attraversa l'accumulatore, dove è raccolto anche ogni rimanente liquido. Quindi viene compresso, con conseguente innalzamento della temperatura.
  • Il vapore caldo giunge nel condensatore, che è il radiatore posto all'interno dell'edificio (vicino all'eventuale caldaia), e cambia di fase rilasciando il calore di liquefazione. Il liquido ottenuto ritorna alla valvola di laminazione e il ciclo si ripete.
  • Alla temperatura esterna di equilibrio la capacità di riscaldamento della pompa pareggia le dispersioni termiche dell'edificio, mentre sotto ad essa è necessario l'apporto di una caldaia tradizionale.
  • La pompa di calore produce aria in grandi quantità (50-60 l/s per kW) a temperature tra i 25°C e i 50°C, tendendo ad operare per periodi più lunghi rispetto a una normale caldaia, che rilascia aria tra i 55°C e i 60°C.

La fase di raffreddamento
D'estate si inverte il ciclo appena descritto in modo da cambiare direzione al flusso di calore: il liquido refrigerante evapora nel radiatore interno e condensa nel radiatore esterno. L'aria interna viene inoltre deumidificata.

Pompe di calore adatte anche al raffrescamento vengono considerate come pompe di calore per energia termica e pertanto soggette anche esse alla detrazione IRPEF del 55%. Con leggero sovrapprezzo si ottiene un'ottima combinazione, massimizzando così l'investimento.

La fase di sbrinamento
Quando il radiatore esterno opera come evaporatore, la sua superficie risulta a bassa temperatura quando anche l'aria esterna è fredda. Questo comporta la formazione di ghiaccio su di esso, dovuta alla presenza di umidità nell'aria esterna, e di conseguenza una riduzione dell'efficienza dello scambio. Per disciogliere lo strato di ghiaccio la valvola reversibile inverte il ciclo e la ventola dell'evaporatore esterno si ferma, in modo da ridurre l'energia termica necessaria per lo sbrinamento. Mentre la macchina è in questa fase, il radiatore interno raffredda l'aria dell'edificio e quindi vi è la necessità di riscaldarla prima di immetterla in circolo.

I metodi per stabilire quando effettuare lo sbrinamento sono:

  • Un sensore di temperatura esterno e un timer che inverte il ciclo in intervalli stabiliti;
  • Un sistema di controllo più raffinato, che monitora il flusso d'aria, la pressione del refrigerante, la temperatura dell'aria.

Il secondo metodo, seppur più caro, è preferibile in quanto evita sbrinamenti non necessari e quindi migliora l'efficienza della macchina.

Dimensionamento

Anche se la pompa di calore può fornire tutto il calore necessario ad un edificio, non è conveniente quando i carichi per il riscaldamento sono molto maggiori di quelli per il raffreddamento: la pompa, dimensionata per la stagione invernale, d'estate funzionerebbe intermittentemente, con minore efficienza e minore capacità di deumidificazione. Un buon compromesso tra costi e prestazioni stagionali comporta che la pompa di calore fornisca non più del 125% del carico estivo e non più del 90% del carico invernale. Così facendo, la temperatura di equilibrio (quella a cui la pompa fornisce tutto e solo il calore che l'edificio disperde) risulta compresa tra 0°C e -5°C.

Pompa di calore geotermica per condizionamento

La pompa di calore geotermica utilizza il terreno o l'acqua che si trova nel terreno come fonte o come dispersore di calore. Il trasporto dell'energia termica è effettuato mediante la stessa acqua o mediante un liquido antigelo, eccetto nelle pompe di calore a espansione diretta, in cui si usa un fluido refrigerante che circola nello scambiatore posto nel terreno.
A differenza delle pompe di calore ad aria, quelle geotermiche possono funzionare in raffreddamento anche in modalità passiva: esse estraggono calore dall'edificio pompando nel sistema l'acqua fredda o il liquido antigelo, senza l'azione della pompa di calore vera e propria.
Il sistema di tubazioni che percorre il terreno può essere aperto o chiuso. Nel sistema aperto si estrae l'acqua da una falda sotterranea, la si porta fino allo scambiatore di calore e quindi la si scarica in un corso d'acqua, di nuovo nella medesima falda o in un bacino appositamente. Nel sistema chiuso il calore è intercettato dal terreno per mezzo di una tubazione continua sotterrata, con al suo interno un fluido refrigerante o liquido antigelo mantenuto a bassa temperatura e pressurizzato.

Il ciclo di riscaldamento

Nelle pompe di calore a espansione diretta il fluido refrigerante raccoglie il calore dal sottosuolo e quindi entra direttamente nel compressore. Nelle pompe di calore che usano l'acqua o un liquido antigelo si ha una cessione di calore intermedia (dai liquidi detti prima al fluido refrigerante) in un primo scambiatore di calore. In seguito il ciclo prosegue come nelle pompe di calore ad aria.

Il ciclo di raffreddamento

A differenza delle pompe di calore ad aria, non è necessaria l'operazione di sbrinamento, in quanto la temperatura nel sottosuolo è molto più stabile e il compressore è sistemato all'interno dell'edificio.

Efficienza

Le pompe di calore geotermiche funzionanti con acqua sotterranea o a sistema aperto hanno un COP variabile da 3,6 a 5,2 e un EER tra 3,4 e 5,0; quelle con circuito chiuso hanno un COP tra 3,1 e 4,9, mentre EER tra 2,9 e 4,5.

Dimensionamento

Come per le pompe di calore ad aria, non è conveniente dimensionare la pompa geotermica per soddisfare tutte le richieste di energia termica di un edificio; conviene dimensionarla per il 60-70% del massimo carico (somma dell'energia termica per riscaldare l'intero edificio e l'acqua calda richiesta dalle utenze), lasciando a un sistema supplementare le richieste occasionali. Così facendo, la pompa viene a fornire il 95% della totale energia termica utilizzata.
La necessità di acqua dal terreno per una pompa di 10 kW è tra 0,45 l/s e 0,75 l/s.

Sistema a circuito chiuso

Quando gli spazi sono ristretti, la tubazione è posta verticalmente, in fori di 150 mm (più stretti invece per il sistema a espansione diretta), a una profondità tra i 18 e i 60 m. Di solito sono necessari tra gli 80 e i 110 m di tubazione ogni 3,5 kW di capacità della pompa.
Quando gli spazi sono maggiori, la tubazione è posta orizzontalmente a una profondità compresa tra 1 e 1,8 m. Di solito sono necessari tra i 120 e i 180 m di tubazione ogni 3,5 kW di capacità della pompa.
La tubazione, a parte nel caso dell'espansione diretta in cui è di rame, conviene sia di polietilene o polibutilene serie 100, con i giunti saldati termicamente, così che la durata possa essere tra i 25 e i 75 anni; sempre che il contatto col terreno sia accurato, questi materiali assicurano una buona conduzione termica.

 

Considerazioni sull'installazione

Il costo di installazione può essere fino a 2-3 volte maggiore di quello di una caldaia tradizionale e dovrebbe essere recuperato, grazie ai risparmi energetici, in un tempo attorno ai 5-6 anni per essere economicamente attraente. Si tenga presente che le pompe geotermiche permettono mediamente un risparmio del 40% di energia rispetto a quelle ad aria ed hanno un'aspettativa di vita di circa 20-25 anni (maggiore rispetto a quelle ad aria in quanto il compressore è sottoposto a minori sollecitazioni meccaniche ed è protetto dall'ambiente).