Pompe di calore

Tra le tecnologie impiantistiche, un ruolo di rilievo è giocato dalle pompe di calore, apparecchiature impiegate per il riscaldamento di un fluido – aria o acqua – che trasformano in energia utile il calore (energia a bassa entalpia), altrimenti inutilizzato, presente nell’ambiente. Per funzionare, una pompa di calore necessita ovviamente di energia, ma quella che trasferisce all’interno dell’ambiente sotto forma di calore è maggiore di quella che consuma, garantendo così un notevole risparmio. La pompa di calore sfrutta, infatti, il calore gratuito e illimitato immagazzinato nell’aria, nell’acqua superficiale, nelle falde acquifere sotterranee e nel terreno.
Per questo motivo, con la Direttiva RES (Renewable Energy Sources) le pompe di calore sono state riconosciute ufficialmente tecnologie che impiegano energie rinnovabili.
I sistemi a pompa di calore sono una valida alternativa ai tradizionali sistemi di riscaldamento a combustione, costituiscono uno dei sistemi di climatizzazione a ciclo annuale attualmente più efficiente ed efficace e sono in grado di contribuire al raggiungimento degli obiettivi 20-20-20 di riduzione dei consumi di energia, di riduzione delle emissioni di gas climalteranti e di incremento dell’utilizzo di fonti rinnovabili: consentono, infatti, risparmi dal 40 al 60% di energia primaria, con pari riduzione della CO2 e impiegano per il loro funzionamento circa il 75% di energia rinnovabile.

Le pompe di calore, a differenza dei sistemi termici a combustione, offrono anche il vantaggio di poter essere utilizzate come climatizzatori durante la stagione calda in estate invertono il loro funzionamento e trasferiscono il calore dall’edificio verso l’esterno, raffrescando gli ambienti. La soluzione con le sole pompe di calore comporta pertanto costi d’installazione inferiori rispetto all’applicazione di una caldaia e di un condizionatore e la conseguente riduzione dei costi gestionali e manutentivi dell’impianto.

L’adozione di un impianto di climatizzazione con pompa di calore fa anche crescere la classe energetica dell’edificio, permettendo il raggiungimento di classi elevate tanto nelle nuove costruzioni che in quelle esistenti; inoltre viene migliorata la qualità dell’aria nelle grandi aree urbane perché, nel caso delle pompe di calore elettriche, l’inquinamento dovuto alla produzione di energia per il loro funzionamento è delocalizzato ed è in ogni caso ridotto grazie alla componente di energia rinnovabile che tutte le pompe di calore sono in grado di utilizzare.
Incentivando l’uso delle pompe di calore per il riscaldamento, soprattutto nei centri urbani, si otterrebbero importanti risultati in termini di riduzione di PM10, con ricadute positive sulla salute dei cittadini.

Ciclo di funzionamento
Ciclo_pompadicaloreLa pompa di calore è una macchina a ciclo inverso in grado di rendere disponibile calore ad una temperatura più alta rispetto al bacino termico da cui attinge. Si utilizza per la produzione di energia termica a scopo riscaldamento. Normalmente lo scambio termico avviene in due scambiatori in cui la macchina scambia con fluidi esterni in genere aria o acqua.
Il principio di funzionamento è rappresentato in figura.
Quando si utilizza per riscaldare, il fluido circolante assorbe calore dall’esterno e lo cede all’interno della struttura. Tale fluido frigorigeno è usualmente un vapore a bassa pressione caratterizzato dalla proprietà di evaporare a temperature relativamente basse (anche sotto i zero gradi) che, contenuto in una serpentina al di fuori della struttura, assorbe calore dall’aria, dall’acqua o dalla terra. Il gas viene quindi compresso ed entra nella struttura come vapore caldo ad alta pressione. All’interno il gas condensa diventando liquido e cede l’energia interna accumulata. Quando si utilizza come condizionatore il ciclo è invertito.
In sintesi si distinguono 4 fasi:

  • Il fluido frigorigeno nell’evaporazione assorbe calore dall’aria o dall’acqua ( o altra sorgente)
  • Nel compressore attraverso la conversione di un lavoro meccanico in termico il fluido incrementa il suo calore
  • Nella fase di condensazione il fluido cede il calore assorbito
  • Nella fase di espansione il fluido riduce la propria pressione e temperatura ritornando allo stato iniziale.

La macchina viene quindi definita ad esempio acqua-acqua o aria-aria indicando per primo il fluido usato come sorgente calda. Essendo una macchina reversibile può essere utilizzata anche come refrigeratore.
I fluidi frigorigeni utilizzati nelle pompe di calore presentano un elevato calore latente di vaporizzazione in modo ottenere lo stesso effetto frigorigeno con una quantità minore di fluido. Oltre alle caratteristiche termiche del fluido è necessario che il fluido non sia infiammabile, non sia tossico e non presenti effetti corrosivi. Per ottenere delle caratteristiche ottimali sono stati sintetizzati chimicamente diversi composti che si possono dividere in Clorofluorocarburi(CFC), Idroclorofluorocarburi (HCFC), Halon, Idrofluorocarburi (HFC) R-134a e R-152a, e le Miscele R-410a e R-407c.
Per valutare le prestazioni delle macchine viene definito per l’impiego frigorifero il coefficiente di effetto utile, mentre per l’impiego come pompa di calore il COP (coefficient of performance).
In termini di potenza resa e in termini di efficienza energetica la macchina a ciclo inverso lavora tanto meglio quanto più elevata è la temperatura di evaporazione e quanto più bassa è quella di condensazione.
Più queste temperature sono lontane tra loro più il COP si abbassa, mentre quando si avvicinano il COP si alza fino a raggiungere massimi pratici di 5 – 7 (Pompe di calore geotermiche).
Il COP dipende principalmente dalle temperature di evaporazione e condensazione.
Per valutare il risparmio energetico nel confronto con le caldaie tradizionali bisogna pero fare una precisazione. Bisogna tenere in considerazione che la pompa di calore è azionata da un motore elettrico e quindi è opportuno verificare quanta energia termica è stata realmente utilizzata per produrre una unità di energia elettrica. Il sistema nazionale fissa a 0,4 il rapporto di trasformazione che comprende una media complessiva dell’efficienza di generazione e distribuzione. Pertanto si considera l’indice detto Rapporto di Energia Primaria (REP) ovvero il rapporto tra l’energia termica resa disponibile e l’energia primaria spesa.
Confrontando i dati delle pompe di calore si evidenzia che per competere con le caldaie tradizionali bisogna avere COP elevati per avere un effettivo risparmio energetico.

 Sistema  Efficienze  COP equivalente
 Caldaie normali  0,75-0,88  1,87- 2,2
 Caldaie ad alta efficienza  0,9-0,93  2,25-2,32
 Caldaie a condensazione  0,93-1,06  2,32-2,65

Sorgente: ARIA ESTERNA
L’aria esterna costituisce una fonte sempre disponibile ma il suo utilizzo è legato all’impiego di opportuni ventilatori per movimentarla e al limite dato dalla variabilità della sua temperatura, il cui calo riduce le prestazioni della macchina proprio quando è presente un carico termico maggiore. Un altro fattore da considerare nell’uso dell’aria esterna come sorgente calda è quello dello sbrinamento. Questo aspetto rende critico l’intervallo di temperatura tra 0 e 5 °C, mentre per temperature inferiori il contenuto di umidità è modesto e risulta lo sbrinamento meno critico.

Sorgente: ACQUA
Considerando la temperatura alla quale l’acqua è normalmente disponibile e considerando la ridotta variazione di temperatura che presenta al variare delle condizioni climatiche stagionali l’utilizzo dell’acqua come sorgente calda consente prestazioni più stabili ed efficienti. L’acqua utilizzata può essere di falda o superficiale ( di fiume, di lago o di mare) e le variazioni di temperatura nel corso dei mesi si riducono in base al volume d’acqua complessivo. In particolare le acque di falda sono disponibili a temperature tra i 10 e 15 °C e rimangono pressoché costanti durante l’anno. L’utilizzo dell’acqua consente di ottenere COP medi stagionali superiori a 3 e per questo è evidente la miglior resa in termini di efficienza energetica delle pompe di calore acqua-acqua rispetto a quelle aria-aria. Anche in questo caso l’utilizzo di pompe di calore, dunque di elettricità si pone in competizione con uso termico dei combustibili. Il risparmio che dunque si propone è riferito all’energia primaria.