POMPE DI CALORE

Sistemi di riscaldamento dell'acqua e degli ambienti

Storicamente la produzione di acqua calda ad alte temperature è sempre stata prerogativa delle caldaie a gas per la loro “facilità” di produrre (dato l’utilizzo del combustibile di partenza) acqua calda, a temperature oltre i 70 °C per riscaldamento e oltre i 50 °C per usi sanitari, con due conseguenze principali:

  • L’ampia diffusione negli edifici dei caloriferi (i termosifoni, soprattutto quelli di vecchia generazione in ghisa) che richiedono temperature sopra i 60 °C;

  • La produzione in via “residuale” di ACS (Acqua Calda Sanitaria) da parte della stessa caldaia, in relazione alla quale fino a poco tempo fa non ci si è mai preoccupati del reale conto economico costi/benefici.

Nel tempo si sono poi evoluti materiali e sistemi di costruzione, tecnologie e regolamentazioni normative, abbiamo visto crescente sensibilizzazione nell’utente finale a fattori quali consumi di energia e quindi relativi costi di termoregolazione (riscaldamento e raffrescamento), sono inoltre cambiati impianti e modalità di progettazione.

Si sono quindi diffusi impianti di riscaldamento a bassa temperatura (più moderni rispetto ai tradizionali termosifoni), con sistemi radianti (a pavimento) più efficienti che lavorano tipicamente a 30/35 °C, o al massimo con termoconvettori (fancoil) a 40/45 °C.

Anche le caldaie, fermo restando però il combustibile utilizzato (il gas), hanno avuto la loro evoluzione (camera aperta, camera chiusa, a recupero fumi, a condensazione), come hanno iniziato ad essere proposte altre porzioni aggiuntive ed opzionali di impianto di riscaldamento che anni addietro non venivano nemmeno prese in considerazione (serbatoi di accumulo).

In questo contesto e con l’aggiunta dell’esperienza acquisita e la certezza dell’aumento dei costi della materia prima (gas) e certezza dall’aumento delle tasse, imposte dal sistema economico o dalla politica del momento, hanno quindi avuto sviluppo e diffusione altri sistemi di riscaldamento (legna, pellet, bioetanolo ecc.) più o meno integrati e/o integrabili e più o meno tecnologici ed efficienti

Nell’ambito di questo recente processo di aggiornamento e interesse dell’utente finale, le pompe di calore sono state via via così storicamente proposte per installazioni abbinate ad impianti a bassa temperatura (di riscaldamento a pavimento), inducendo così a ragionare di acqua calda sanitaria in modo separato dal riscaldamento, ovvero, assodato il risparmio della pompa di calore rispetto alla caldaia a gas, come produrre ACS senza installare la caldaia ?

Il quesito seguente, in relazione al quale anche il mercato ha dato e continua a dare risposte e soluzioni sempre diverse e ingegnose, diventa allora: come posso eliminare completamente la caldaia ? (ed il relativo costo del gas ?)

D’altra parte infine, sempre in tema di risparmio energetico prima, ma sempre con l’obiettivo del minor costo, rimanevano per certi versi esclusi dai benefici della tecnologia del riscaldamento con pompa di calore tutti quegli utenti che avevano i vecchi termosifoni, ovvero impianti di riscaldamento ad alta temperatura, concepiti con in tempi meno recenti.

LE POMPE DI CALORE

La pompa di calore è una macchina che produce energia termica (per riscaldare gli ambienti, per l’acqua calda sanitaria ecc.) utilizzando corrente elettrica prelevata dalla rete o meglio da fonti rinnovabili di energia o da sistemi di autoproduzione di energia rinnovabile.

Il principio base di funzionamento delle pompe di calore è il medesimo dei circuiti frigoriferi che con l’impiego di un gas prima compresso (consumo di energia e produzione di calore trasferibile) e poi lasciato evaporare (produzione di freddo trasferibile) sottraggono calore (per scambio termico) da un ambiente a bassa temperatura (l’ambiente esterno) e lo trasferiscono (per scambio termico) ad un secondo ambiente che si trova ad una temperatura più alta (l’interno di un ambiente o un serbatoio di acqua calda).

COME SONO FATTE E COME FUNZIONANO

I componenti di una pompa di calore si possono schematizzare nei seguenti

  1. Condensatore

  2. Valvola di laminazione

  3. Evaporatore

  4. Compressore

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Il compressore nella pompa di calore si occupa quindi di creare quella differenza di pressione del gas che permette il ciclo poiché esso aspira il liquido refrigerante attraverso l’evaporatore, dove il fluido stesso evapora a bassa pressione assorbendo calore (crea il freddo), lo comprime e lo spinge all’interno del condensatore dove il fluido condensa ad alta pressione (produce calore) rilasciando il calore assorbito.

La Valvola di laminazione serve a cambiare la condizione del gas dallo stato liquido (perché compresso) allo stato gassoso (vapore a pressione minore. Quando il gas in via di espansione rientra nell’evaporatore ricomincia il ciclo che si ripete all’infinito.

Il principio di funzionamento del frigorifero (che funziona però in un solo “senso di marcia”) come della pompa di calore si basa pertanto sugli effetti fisici conseguenti ai cambi di stato del gas all’interno dei due scambiatori: nell’evaporatore sarà da liquido a gassoso, nel condensatore sarà da gassoso a liquido.

CHE COSA CONSUMANO

Questo processo presuppone l’uso dell’energia termica già disponibile in natura, generando quindi calore ad ENERGIA RINNOVABILE e tendenzialmente GRATUITA.

Grazie al suo principio di funzionamento (ricordiamo lo stesso dei frigoriferi) alcune pompe di calore possono essere predisposte per il raffreddamento degli ambienti. Questo si può ottenere invertendo il ciclo del refrigerante in modo tale che il calore presente nell’ambiente da raffrescare venga prelevato / trasferito verso un secondo ambiente (per esempio all’esterno dell’abitazione in estate).
Queste macchine sono alimentate da energia elettrica ma il loro assorbimento di elettricità è minore del calore corrispondente che riescono a produrre (ecco la convenienza tipica dei sistemi in pompa di calore, anche quando semplicemente collegati alla rete elettrica tradizionale e non all’impianto FV privato). Infatti, come sopra illustrato, la maggior parte dell’energia termica non viene prodotta con l’impiego della corrente elettrica, ma viene “recuperata gratuitamente” da una sorgente esterna.

La migliore condizione di funzionamento presuppone però che l’alimentazione elettrica di una pompa di calore sia fornita da un impianto di autoproduzione di energia rinnovabile (fotovoltaico od eolico), nell’obiettivo di utilizzare appunto energia GRATUITA E RINNOVABILE.

Il risparmio economico che si ottiene con l’utilizzo delle pompe di calore è comunque sempre elevato, in particolare per due ordini di ragioni:

  • Da una parte, anche quando alimentate da rete elettrica, in funzione delle tariffe agevolate di fornitura di energia da parte dei distributori di rete specifiche per gli impianti di produzione di calore a risparmio energetico;
  • Dall’altra, quando alimentate da energia autoprodotta, in prospettiva futura in relazione all’aumento dei costi di fornitura di energia tipici della rete in confronto con la diminuzione dei costi di autoproduzione di energia.

Esempi comuni di macchine di questo tipo sono:

POMPE DI CALORE PER IL RISCALDAMENTO

RESA E RISPARMIO

Quando si discute di pompe di calore per riscaldamento, il termine tecnico che principalmente viene pronunciato è il “COP” (che significa Coefficiente di Prestazione, in pratica un indicatore di quanto rende la macchina in oggetto), che indica il rapporto tra energia fornita ed energia consumata.
Ad esempio un valore di COP pari a 3 indica che per ogni kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore fornisce una quantità di calore pari a 3 kWh (quindi consuma 1 e rende 3), quando la classica stufetta elettrica ha un COP teorico pari a 1.

Questa importante differenza è data dalle leggi fisiche della termodinamica che postulano che serve meno energia per muovere il calore anziché per produrlo, e che attraverso un motore occorre meno lavoro o sforzo per muovere il calore da una condizione di alta temperatura verso una condizione di bassa temperatura, che il contrario (principio che limita il COP delle pompe di calore).
In base a quanto sopra l’ENEA da questa definizione della pompa di calore: “una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più̀ bassa ad un altro a temperatura più alta.”

Questo per comprendere le notevoli capacità in relazione al risparmio energetico conseguibile, delle quali tali macchine sono dotate quanto in inverno si vuole riscaldare l’interno della casa (muovere calore da una zona di bassa temperatura – l’esterno – verso una zona di più alta temperatura – l’interno)

Generalmente, le pompe di calore forniscono maggiori prestazioni in termini di riscaldamento che in termini di raffreddamento puro, in conseguenza del fatto che la macchina dissipa sempre una parte di energia in calore (risultato del “lavoro” svolto), calore che nel caso del riscaldamento può essere agevolmente recuperato a vantaggio di una migliore resa.
Questo è il classico motivo del perché il frigorifero lasciato aperto in estate fa scaldare la cucina: infatti il calore assorbito dallo scomparto freddo viene riversato nel condensatore (le “alette” nel retro del frigorifero), quindi per produrre di nuovo il freddo il sistema consuma nuova energia elettrica che viene infine dissipata (ceduta) sottoforma di calore di scambio all’ambiente (la conseguenza del “lavoro” del motore del frigo, il compressore)

Oggi le pompe di calore per il riscaldamento sono in continua evoluzione e sviluppo, soprattutto a fronte delle maggiori rese che vedono COP cresciuti da 3 a 4 unità, in determinati casi anche a 5 o oltre.
In termini “calorifici”, per ogni kWh di energia elettrica consumato si producono 2.580 kcal di calore.

PRINCIPALI TIPOLOGIE

Le pompe di calore si possono categorizzare secondo la tecnologia costruttiva e gli impieghi differenti in tre tipologie distinte:

  1. Pompe di calore Aria-Aria quando il normale condizionatore è di tipo split, ovvero quando la macchina preleva il calore o il freddo da una sorgente esterna (aria) e lo trasferisce direttamente nell’aria di in un ambiente interno con un sistema di ventilazione;
  2. Pompe di calore Aria-Acqua quando la sorgente esterna rimane sempre l’aria lo scambio termico verso l’interno è destinato ad un liquido (generalmente acqua) attraverso di un circuito di riscaldamento o di produzione di acqua calda sanitaria. In questo caso il circuito interno viene detto di tipo idronico;
  3. Pompe di calore Acqua-Acqua quando la sorgente esterna è composta da acqua a temperatura mediamente costante (sonda geotermica, acqua di falda, lago, mare) e destinata ad uno scambio termico verso l’interno con un liquido come al punto che precede.

Fino a qualche tempo fa le pompe di calore proposte ed installate erano macchine ad aria o geotermiche, spesso in ausilio delle tradizionali caldaie a gas.

Le pompe di calore ad ARIA soffrono di un COP limitato se utilizzate in climi molto freddi, tradotto quando nell’aria esterna c’è meno calore da trasferire all’interno dell’edificio. In queste condizioni il COP si abbatte quando fuori la temperatura scende a temperature inferiori ai -7 / -8 °C.
Ecco perché risulta importante prestare particolare attenzione al COP e soprattutto, a quale intervallo di temperatura il COP specifico di quel prodotto si riferisce.

Questo problema viene superato dalle pompe di calore GEOTERMICHE ad ACQUA, che sfruttano la temperatura pressoché costante dell’acqua sotterranea, al prezzo però di installazioni più difficoltose, costose ed invasive (si pensi ad esempio al proprio “bel giardino”, area presa di mira dalla necessità di installare le sonde geotermiche).

FASI DI FUNZIONAMENTO

Si possono distinguere tre fasi tipiche di operatività di una macchina in pompa di calore, compatibilmente con le funzioni per le quali la stessa è stata progettata e delle quali viene conseguentemente dotata:

Riscaldamento, quando il calore viene prelevato dall’aria esterna e portato all’interno dell’edificio.

Raffreddamento, quando si inverte il ciclo di riscaldamento, ovvero quando il liquido refrigerante evapora nel radiatore interno (con conseguente deumidificazione dell’aria) e condensa nel radiatore esterno.

Sbrinamento (conseguenza in determinate condizioni della piena operatività della macchina in riscaldamento).

Quando la superficie del radiatore esterno (che ricordiamo opera durante la stagione invernale come evaporatore del gas refrigerante) risulta a bassa temperatura, in concomitanza ad una temperatura dell’aria esterna molto fredda, si può formare del ghiaccio sulla batteria di scambio (le “alette” del radiatore) dovuto all’umidità presente nell’aria esterna.

La formazione di ghiaccio nella batteria esterna riduce fortemente il rendimento dello scambio termico semplicemente perché il ghiaccio si comporta come un isolante (si pensi agli iglù)

Per disciogliere questo strato di ghiaccio la macchina esegue una inversione del ciclo di funzionamento andando così a condensare il gas refrigerante con conseguente rilascio di calore nella batteria esterna, e fermando la ventola dell’evaporatore esterno. Il prezzo da pagare per il sistema di sbrinamento è il temporaneo raffreddamento dell’aria nell’edificio da parte del radiatore interno (perché ricordiamo che i 2 radiatori funzionano sempre al contrario, uno rilascia calore, l’altro raffredda o viceversa).

La scelta delle modalità (sensori di temperatura, monitoraggio di flussi e temperature dell’aria, pressione del refrigerante) e delle tempistiche di sbrinamento (ciclica, con controllo logico) sono fattori fondamentali per l’ottenimento del miglior COP termico delle macchine in pompa di calore attualmente in commercio.

Oggi esistono macchine idroniche la cui progettazione è tipica dei paesi nordici che vantano doppia componentistica e che ovviano anche al temporaneo problema dello sbrinamento del ghiaccio nella batteria esterna.

POMPE DI CALORE PER LA PRODUZIONE DI ACQUA CALDA

Nella formulazione più semplice e meno integrata, la soluzione permette all’unità in pompa di calore, attraverso una sonda di funzionamento sanitario presente nell’accumulo, di controllare costantemente la temperatura all’interno del serbatoio per avere sempre a disposizione la quantità di acqua calda sanitaria necessaria a soddisfare le esigenze dell’utente.
Quando la temperatura dell’acqua all’interno del serbatoio scende al di sotto di una soglia stabilita, il controllo gestisce la produzione di acqua sanitaria, ed una volta che la temperatura all’interno del serbatoio dell’acqua sanitaria ha raggiunto il valore impostato, la macchina si ferma.

Una soluzione maggiormente integrata prevede invece il collegamento del serbatoio accumulo all’impianto di riscaldamento esistente, cosicché da mettere a disposizione della caldaia tradizionale la produzione di acqua calda realizzata dalla macchina in pompa di calore.
La differenza rispetto alla prima versione, comporta la gestione di una valvola a 3 vie che consente di impostare le priorità di produzione della macchina in pompa di calore (che vengono sempre impostate per la produzione di acqua calda ad uso sanitario) e le sorgenti di produzione del calore (pompa e/o caldaia).

La pompa di calore opera quindi in condizioni standard per soddisfare le esigenze di comfort dell’edificio (riscaldamento dell’acqua nell’accumulo, collegato all’impianto di riscaldamento), con il duplice vantaggio del risparmio energetico per la produzione di ACS (che viene integralmente sottratta alla caldaia) e la limitazione dei tempi di accensione della caldaia durante il periodo invernale, perché l’accumulo mantenuto in temperatura dalla pompa di calore, non fa altro che preriscaldare l’acqua in ingresso alla caldaia, che a questo punto entrerà in funzione solo quando effettivamente necessario e per un gap termico inferiore.

Nella stagione invernale infatti si verifica richiesta di riscaldamento ogni qual volta la temperatura dell’acqua in ingresso proveniente dall’impianto è inferiore a quella attesa, quindi il controllo accende il compressore e l’unità funzionerà fino a che non verrà raggiunta la temperatura preimpostata per l’accumulo.
Nel momento in cui l’unità riceve la richiesta di acqua calda dalla sonda di funzionamento sanitario posta nel serbatoio di accumulo, il controllo eseguirà la commutazione della valvola 3 vie, per fornire immediatamente ACS, lasciando invece per il tempo necessario, l’intera produzione di acqua per riscaldamento alla caldaia.
Cessata la richiesta di ACS, l’impianto torna in modalità di funzionamento standard (produzione di acqua calda per l’accumulo a doppio scambiatore, principalmente utilizzato per confort termico dell’edificio, e mantenimento della temperatura impostata con priorità di produzione da parte della pompa in ausilio alla caldaia).