Pompe di calore, come funzionano?

06/11/2020 - Le pompe di calore sono dei generatori di calore che hanno fatto il loro ingresso nel mercato italiano tra gli anni 80 e 90; già all’epoca si prevedeva che sarebbero diventate delle concorrenti agguerrite per le caldaie. Infatti, secondo dati rilevati da AiCARR* dal 2005 al 2015 c’è stato un incremento del 1500% del loro impiego.

Se ne sente parlare spesso nell’ultimo periodo, perché rientrano tra gli interventi agevolati con il superbonus 110%, ma anche perché sono considerate un plus nel mercato immobiliare delle nuove costruzioni e delle ristrutturazioni.
Ma come sono fatte e come funzionano?

Le pompe di calore sono utilizzate per la climatizzazione ambientale, ossia il riscaldamento e il raffrescamento, e per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS) con accumulo.

"Naturalmente" il calore tende a spostarsi da un luogo a temperatura maggiore verso uno a temperatura minore; la pompa di calore inverte questo processo naturale trasportando il calore da un livello inferiore verso un livello superiore di temperatura.

La fonte esterna da cui la pompa di calore estrae calore è detta sorgente fredda e può essere:
- l’aria esterna all’edificio;
- l’acqua, proveniente da falde, pozzi, fiumi o laghi in prossimità dell’edificio e a profondità ridotta, o accumulata in serbatoi;
- il terreno (pompe di calore geotermiche).

L’aria o l’acqua da riscaldare sono invece detti pozzo caldo. A seconda della combinazione tra sorgente fredda e pozzo caldo, avremo i seguenti sistemi:
- aria - aria;
- aria - acqua;
- acqua - aria;
- acqua - acqua;
- terreno - aria;
- terreno - acqua.



 Foto: Pompa di calore ad aria/acqua VITOCAL 200-S, ©VIESSMANN

Pompe di calore, come funzionano?

In relazione al principio di funzionamento le pompe di calore si distinguono in due grandi famiglie:
- ad azionamento elettrico, dette anche a compressione;
- ad azionamento a gas, dette anche ad assorbimento.

Una pompa di calore è costituita da un circuito chiuso percorso da un fluido refrigerante, un liquido o un gas. Il cambiamento di stato fisico del fluido, da liquido a gas e viceversa, fa sì che la macchina sottragga o ceda calore e che vi sia quindi trasferimento di calore.

Questo processo avviene secondo dei cicli frigoriferi:
- ciclo frigorifero a compressione, utilizzato nelle pompe di calore elettriche;
- ciclo frigorifero ad assorbimento, utilizzato nelle pompe di calore a gas.

Il ciclo frigorifero a compressione è costituito da un compressore, che funziona elettricamente, da un condensatore e un evaporatore. La quota di energia elettrica necessaria al funzionamento può essere rilevata dalla rete elettrica o da fonti rinnovabili come i pannelli fotovoltaici e/o gli accumuli elettrici.

Condensatore ed evaporatore a loro volta sono formati da scambiatori di calore in cui circola il fluido refrigerante. Quando questo si trova ad alta temperatura nel condensatore cede calore all’aria o all’acqua (ciclo di riscaldamento), mentre se si trova a bassa temperatura nell’evaporatore sottrae calore all’aria o all’acqua (ciclo di raffrescamento).

Quando il calore è scambiato con l’aria si parla di pompa di calore a compressione ad espansione diretta (sistema aria-aria); quando il calore è scambiato con l’acqua si parla di pompa di calore a compressione idronica (sistemi aria -acqua).



 Foto: Pompa di calore ad acqua/acqua HSI, ©AERMEC

Il ciclo frigorifero ad assorbimento usa il gas (metano, GPL o fonte rinnovabile) come fonte principale di funzionamento.
Esso prevede l’uso di una miscela costituita da due fluidi, solvente e soluto, che in fase liquida si presentano come un composto omogeneo, mentre nelle varie fasi del ciclo stesso (riscaldamento e raffrescamento) vengono scomposti. I componenti che costruiscono una macchina ad assorbimento sono fondamentalmente i seguenti: evaporatore, assorbitore, pompa del liquido, il generatore, il condensatore, gli organi di laminazione.

Nell’ evaporatore viene sottratto il calore alla sorgente fredda a bassa temperatura. Da qui il vapore passa nell’assorbitore dove verrà a contatto con la miscela proveniente dal generatore, questo “incontro” genera calore. Nel frattempo, la pompa del liquido aumenta la pressione della soluzione per inviarla al generatore. Grazie all’apporto di energia termica proveniente dalla caldaia a gas avviene la separazione del soluto dal solvente. A questo punto la soluzione povera di soluto ritorna all’assorbitore, mentre il vapore del fluido refrigerante passa attraverso il condensatore, e il calore viene ceduto nell’ambiente.

Nel ciclo frigorifero ad assorbimento il calore prodotto dalla combustione del gas è sommato a quello recuperato dall'ambiente esterno.

Pompe di calore, come è distribuito il calore?

Il calore prodotto può essere diffuso attraverso:
- riscaldamento radiante a pavimento, detto anche a bassa temperatura;
- ventilconvettori, meglio conosciuti con il termine fan coil;
- canalizzazioni, cioè bocchette di diffusione;
- riscaldamento a radiatori tradizionali, detto anche ad alta temperatura.

Il rendimento di una pompa di calore è inversamente proporzionale alla differenza di temperatura tra la sorgente fredda e l'ambiente da riscaldare; in pratica più grande è la differenza fra le due temperature, meno efficiente è il sistema. Pertanto, bisogna prestare particolare attenzione al sistema di distribuzione da abbinare alla pompa di calore.


 Foto: Pompa di calore ad aria/acqua Altherma 3 H, © DAIKIN Heating Systems

Pompa di calore, come valutarne l’efficienza?

I parametri utilizzati per misurare l’efficienza sono il COP e il  EER.
Il COP, Coefficient Of Performance, indica l’efficienza elettrica di un climatizzatore mentre funziona in riscaldamento ed è dato dal rapporto tra resa termica (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata

L’EER, Energy Efficiency Ratio indica l’efficienza elettrica di un climatizzatore mentre funziona in raffreddamento.

Per esempio una pompa di calore con valori di EER e COP uguali 4 produrrà quattro unità di energia termica per ogni unità di energia prelevata dalla rete . Di cui 1 è fornito dall’energia elettrica consumata e 3 sono prelevati dall’ambiente esterno. Tenendo conto che l’energia prelevata dall’esterno è gratuita, si può ben dedurre che il rendimento di una pompa di calore è di circa il 110%.

Ma ci sono delle criticità da tenere in considerazione: l’EER e il COP saranno tanto maggiori quanto minore è la differenza di temperatura tra l’ambiente da riscaldare e la sorgente di calore.

Climi rigidi ed umidi possono rivelarsi un vero problema per un efficace funzionamento della pompa di calore che dovrà impiegare parte dell’energia prodotta, per esempio, per sbrinare la batteria.

In questi casi, nelle zone in cui la temperatura scende al di sotto dei 2°C, si può optare per sistemi ibridi, costituiti da un sistema primario con pompa di calore a compressione e l’apporto di una caldaia tradizionale che integra la potenza nei periodi di maggiore richiesta.
 

Acquista pompe di calore su Edilportale Shop!

*Associazione Italiana Condizionamento dell'Aria Riscaldamento e Refrigerazione