COS’ E’ LA POMPA DI CALORE?

La pompa di calore trasforma il calore contenuto dell’ambiente esterno (energia a bassa entalpia), altrimenti inutilizzato, in energia termica per riscaldare l’aria o l’acqua.
Per funzionare la pompa di calore consuma energia elettrica, ma l’energia che produce e trasferisce all’interno dell’ambiente è maggiore di quella che consuma, permettendo un aumento dell’efficienza energetica ed una riduzione delle emissioni di gas ad effetto serra. 

Nell’aria, nell’acqua e nel suolo sono immagazzinate enormi quantità di energia, che si rinnovano continuamente grazie al calore terrestre, alla radiazione solare e alle precipitazioni atmosferiche

La pompa di calore, poiché sfrutta questa energia presente in natura, con una Direttiva RES (Renewable Energy Sources), è stata riconosciuta ufficialmente tecnologia che impiega fonti rinnovabili: per il suo funzionamento impiega circa il 75% di fonti rinnovabili. 

Il sistema a pompa di calore può essere utilizzato

• per la climatizzazione ambientale (riscaldamento + raffreddamento)
  Viene impiegato soprattutto nel settore terziario (centri commerciali, ristoranti, studi, ecc) e nel settore residenziale principalmente per raffrescare.
• per il riscaldamento degli ambienti e dell’acqua sanitaria in alternativa ai tradizionali sistemi di riscaldamento a combustione (sistema monovalente) , o con l’ausilio di un altro sistema di riscaldamento come la caldaia tradizionale (sistema bivalente) che interviene in aiuto della pompa di calore quando la temperatura della sorgente esterna è troppo bassa.

Anche le pompe di calore esistono nei modelli monoblocco e nei modelli split e multisplit. Possono essere di varia potenza , in relazione alle dimensioni dei locali da climatizzare.

COME FUNZIONA LA POMPA DI CALORE? 

La fonte esterna da cui la pompa di calore estrae calore è detta “sorgente fredda”

 

Può essere: 

L’aria esterna al locale: 

• ha il vantaggio di essere disponibile ovunque,
• la potenza di resa della pompa diminuisce al diminuire della temperatura della sorgente. Al di sotto dei 2°C il rendimento della pompa di calore è minimo

L’acqua di falda o di fiume o di lago in prossimità dei locali da scaldare e a profondità ridotta, o accumulata in serbatoi e riscaldata dal sole. 

• Garantisce prestazioni costanti della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche esterne, quindi migliori rispetto all’aria.
• Disponibilità variabile
• Necessita di opere per il prelievo e lo scarico soggette a vincoli normativi

Il terreno nel quale vengono inserite delle apposite tubazioni per lo scambio termico dà buone prestazioni energetiche

• Ha elevati costi di realizzazione delle opere per l’inserimento delle sonde

L’aria o l’acqua da riscaldare sono detti “pozzo caldo”.

 In relazione al principio di funzionamento si distinguono: 

Pompe di calore ad assorbimento 

alimentate a gas o fluidi caldi (cogenerazione, cascami termici, solare)
-Gruppi di assorbimento
-pompe di calore ad assorbimento

Pompe di calore a compressione

-pompe di calore azionate da motore elettrico
-Pompa di calore idronica
-Pompa di calore azionata da motore endometrico

Principio di funzionamento della pompa di calore a compressione

Con l’aiuto di un compressore, la pompa di calore può portare questa energia catturata dall’ambiente esterno ad una temperatura più alta, tale da renderla utilizzabile a scopo di riscaldamento.

Il ciclo di funzionamento è esattamente il contrario di quello di un frigorifero.

Con la compressione (A) il fluido aumenta di pressione e temperatura. Il fluido così riscaldato attraversa uno scambiatore di calore (il condensatore) (B). È in questa fase che il fluido cede calore al pozzo caldo passando dallo stato vapore a quello liquido. Il fluido liquefatto e raffreddato attraversa una valvola di espansione (C) da cui ne esce ad una pressione e temperatura molto più bassa. A questo punto il fluido che si trova a temperature molto basse è in grado di assorbire il calore dalla sorgente fredda. Questo avviene nell’evaporatore (D) dove il fluido assorbendo calore passa dallo stato liquido a quello vapore. A questo punto il fluido è pronto a ricominciare il ciclo passando nel compressore.

In modalità di riscaldamento la pompa di calore prende energia dall’esterno dei locali da climatizzare, in modalità di raffreddamento prende il calore all’interno dei locali per disperderlo all’esterno.
Il rendimento di una Pompa di Calore è inversamente proporzionale alla differenza di temperatura tra la sorgente di energia e l'ambiente da riscaldare; in pratica più grande è la differenza fra le due temperature, meno efficiente è il sistema 

In relazione al tipo di distribuzione dell’energia si distingue: 

-ad espansione diretta: il fluido termoconvettore scambia calore con l’ aria del locale da riscaldare o raffreddare

-idronica: il fluido termoconvettore scambia il calore con l’acqua che viene usata per la distribuzione. 

Tipologie delle pompe di calore

Le pompe di calore si distinguono in base alla sorgente fredda e al pozzo caldo che utilizzano. 

Aria-Aria

Aria-Acqua 

Le pompe di calore aria-aria usano come sorgente l’aria esterna per riscaldare o per raffreddare l’ aria dei locali.
L’unità interna può essere di tipo split o canalizzabile. 
Anche l’unità esterna può essere canalizzata per permettere di collocarla sia all’ interno che all’esterno dell’edificio, in un locale tecnico. Fanno parte di questa categoria i Roof-Top, di elevata potenza, che sono macchine da esterno con canali di mandata e ripresa dell’aria interna trattata (riscaldata o raffreddata) collocate sui tetti per climatizzare grandi spazi, centri commerciali, ecc
Un’altra particolare macchina è l’Unità di Trattamento Aria (UTA), dotata di canali che trasportano l’aria trattata nei locali da climatizzare. Queste unità, oltre a riscaldare o raffreddare depurano l’aria con filtri e deumidificarla o umidificarla in riferimento al valore desiderato. 

Le pompe di calore aria-acqua (sistemi idronici) trasferiscono il calore relativo dell’aria esterna all’acqua. 

Esse possono produrre acqua calda sanitaria e per il riscaldamento e nel ciclo inverso, acqua fredda utilizzabile per il raffrescamento degli ambienti. Queste pompe svolgono dunque sia la funzione della caldaia che del condizionatore. Sono composte da un’unità esterna ed un’ unità interna che funge da caldaia. Il riscaldamento ed il raffrescamento avviene per mezzo dell’acqua e poiché essa per riscaldarsi/raffreddarsi necessita di grandi superfici di scambio termico, le pompe di calore aria-acqua sono più ingombranti rispetto quelle ad aria-aria. In ogni caso le pompe arrivano a scaldare l’acqua ad una temperatura massima di 55°. 

La distribuzione all’interno dell’ abitazione del caldo/freddo può avvenire attraverso i sistemi a pannelli radianti (pavimento/soffitto/parete) o i sistemi a ventilazione (ventilconvettori), in quanto questi sistemi utilizzano acqua a basse temperature.

• Ventilconvettori: armadietti che contengono tubazioni nelle quali circola l’acqua riscaldata/raffreddata dalla pompa di calore, e ventilatori che inviano l’aria riscaldata nel locale.
• Serpentine di tubazioni inserite nel pavimento (impianti radianti a pavimento, soffitto, parete), nelle quali circola l’acqua riscaldata o raffreddata dalla pompa di calore. 
  Negli impianti termici a pannelli radianti, siano essi a pavimento, parete o soffitto, se progettati per funzionare anche in raffrescamento, si utilizzano le stesse tubazioni del riscaldamento per rinfrescare in estate l’ambiente. Nei pannelli radianti viene fatta circolare acqua raffreddata dalla pompa di calore ad una temperatura compresa tra i 15°C e i 18°C. Lo scambio termico che avviene tra l'ambiente e l'impianto radiante permette di far scendere la temperatura.
  All’impianto radiante viene abbinato un deumidificatore per mantenere nell’ambiente una giusta umidità (circa 55%), ottenendo così il giusto benessere ambientale. Il deumidificatore può essere acceso indipendentemente dal condizionamento nei periodi di medio caldo.
  I vantaggi che si ottengono con il raffrescamento a pannelli radianti rispetto ai classici condizionatori/climatizzatori, sono notevoli:
  Maggior confort ambientale: non si hanno getti di aria fredda, la temperatura è uniforme in tutta la stanza, si ha una sensazione di fresco “naturale” come se si stesse in una cantina. Mentre con il condizionatore tradizionale il corpo viene rinfrescato dal getto d'aria, ma in ogni caso continua a percepire il calore d'irraggiamento delle pareti, nel condizionamento a pavimento/parete/soffitto l'irraggiamento delle pareti viene ridotto dando la sensazione di fresco naturale.
  Inoltre non si sente in sottofondo il fastidioso rumore della macchina.
  Consumi ridotti: Il consumo energetico di un impianto a pannelli radianti in raffrescamento è pari circa alla metà di quello necessario a far funzionare un tradizionale impianto di condizionamento.
• Canalizzazioni, tubazioni che mediante aria in circolazione forzata, permettono il trasferimento del calore prodotto dalla pompa di calore ai diversi locali.

Per far funzionare un impianto di distribuzione a radiatori che ha bisogno di una temperatura superiore ai 55C° si può installare una pompa di a calore aria/acqua a doppio stadio, che riesce a portare la temperatura dell’acqua fino ad 80C°. 

Se il clima invernale è molto rigido e la temperatura può scendere sotto i 0C°, è opportuna una integrazione tra la pompa di calore aria-acqua ed un altro sistema di riscaldamento, come la caldaia. La pompa di calore preriscalda l’acqua e la invia alla caldaia che fa raggiungere l’acqua alla temperatura necessaria per il riscaldamento degli ambienti. 
Il costo di un impianto a pompa di calore rispetto ad un impianto tradizionale costituito da una caldaia ed il condizione a split è maggiore. Tuttavia i costi di esercizio dell’impianto a pompa di calore sono inferiori e permettono di ottenere un risparmio rispetto a quello tradizionale, soprattutto durante l’inverno, consentendo un ritorno dell’investimento in pochi anni.

La normativa italiana prevede che le abitazioni climatizzate da pompe di calore possano usufruire di un secondo contatore parallelo dedicato con tariffa lineare per usi diversi, BTA, che permette di risparmiare sulla bolletta, però ha elevati costi fissi di installazione. 

La capacità termica (rendimento) della pompa di calore si riduce in relazione all’ abbassamento delle temperature esterne:

Le condizioni ottimali di funzionamento sono 7°C di temperatura esterna e 20°C di temperatura interna, dunque è opportuna l’installazione in zone a clima moderato.

Acqua-Acqua

Acqua-Aria

Vedi geotermia 

Nei sistemi a pompa di calore che utilizzano come sorgente l’Acqua, questa scambia il calore con un circuito idronico contenente acqua come fluido intermedio, che a sua volta scambia con la pompa di calore (scambio indiretto).Questo scambio indiretto fa perdere efficienza ma è necessario per evitare che il calcare, sedimenti inorganici o organici incrostino le superfici di scambio

L’acqua (acque superficiali, ed acque di falda ) come sorgente fredda in generale garantisce prestazioni costanti e migliori rispetto alla sorgente aria in quanto non risente delle condizioni climatiche esterne; necessita però di opere di prelievo e di scarico soggette a vincoli legislativi. Il costo d’impianto iniziale, che comprende le spese di estrazione dell’acqua e l’utilizzo di pompe per la sua circolazione, è maggiore di quelle con sorgente l’aria.

Le acque superficiali( fiume, lago, mare, canale) , anche se risentono del clima invernale esterno hanno una temperatura superiore a quella dell’aria ma creano problemi per lo smaltimento di quelle utilizzate in quanto l’acqua non può essere reimmessa nei fiumi con un salto termico di oltre 3 k.

Le acque di falda hanno il vantaggio di avere una temperatura costante e sufficientemente elevata, ma non sono disponibili ovunque ed il loro prelievo potrebbe essere soggetto ad autorizzazioni e vincoli per lo smaltimento delle acque espulse. 

Suolo-Acqua 

Vedi Geotermia a bassa entalpia

Il terreno come sorgente fredda garantisce buone prestazioni energetiche ed ha il vantaggio di subire minori sbalzi di temperatura rispetto all’aria visto che il terreno è a temperatura costante durante tutto l’anno. Per sfruttare il terreno come sorgente è necessario installare nel sottosuolo sistemi di scambio termico a circuito chiuso all’interno dei quali circola una soluzione di acqua e antigelo o di sola acqua. Le pompe di calore a terreno se posizionate orizzontalmente devono essere interrate una profondità di 1‐2 m per non risentire troppo delle variazioni di temperatura dell’aria esterna ed è necessaria un’ampia estensione di terreno, da 2 a 3 volte superiore alla superficie dei locali da riscaldare. Nel caso di sonde verticali comportano operazioni di perforazione.

Come scegliere la pompa di calore?

I fattori principali che influiscono sulla scelta sono: 

• Disponibilità e convenienza della sorgente termica (aria-acqua-suolo) in relazione alle caratteristiche climatiche del luogo. 
  La scelta della sorgente termica esterna è fondamentale perché la sua temperatura e i relativi andamenti stagionali influiscono sia sulle prestazioni di una pompa di calore, sia sul dimensionamento della pompa di calore e sull’eventuale scelta di un sistema integrativo (caldaia a gas, resistenza elettrica).
  Le pompe di calore che utilizzano come sorgente termica esterna l’aria permettono di trovare soluzioni impiantistiche più economiche visto che l’aria ha il vantaggio di essere disponibile sempre e ovunque. Sono particolarmente adatte nelle zone climatiche miti, perché la potenza resa dalla pompa di calore decresce con il diminuire della temperatura dell’aria esterna.
  Particolarmente vantaggioso è l’impiego, come sorgente fredda, dell’aria estratta dai locali, che deve essere comunque rinnovata.
  La scelta di sorgenti termiche diverse dall’aria e caratterizzate da valori di temperatura mediamente più elevati e meno variabili consente di ottenere prestazioni energetiche superiori e una maggiore stabilità della potenza termica resa dalla pompa di calore.
  
  
• Le caratteristiche e la dimensione del locale.
  Vanno valutati gli spazi necessari per l’installazione ed eventuali vincoli
  La potenza della pompa di calore deve essere adeguata alla dimensione dei locali da climatizzare.
  Inoltre bisogna tener conto della potenza elettrica disponibile e valutare, soprattutto nelle abitazioni private , dove la potenza elettrica disponibile è di circa 3kW, se sufficiente per far funzionare altre apparecchiature elettriche. Potrebbe essere necessario in aumento della potenza elettrica.
  
  
• Il tipo di utilizzo dei locali da trattare, se si tratta di abitazione residenziale o locale destinato ad attività lavorativa, locale aperto al pubblico.
  
  

EFFICIENZA DELLA POMPA DI CALORE 

Quali sono le classi di efficienza energetica per il funzionamento in pompa di calore? Cosa sono “COP” e “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. 

Sia l’EER che il COP sono mediamente prossimi al valore 3. Questo significa che per un kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore cederà 3kWh d’energia termica all’ambiente da riscaldare, di cui uno di questi è fornito dall’energia elettrica consumata e gli altri due sono prelevati dall’ambiente esterno. Tenendo conto che l’energia prelevata dall’ambiente esterno è gratuita, e che l’energia elettrica è prodotta, mediamente, con un rendimento del 36%, possiamo dire che il rendimento complessivo della pompa di calore è di circa il 110%. Questo valore è sensibilmente più alto dei migliori impianti a caldaia tradizionale che hanno rendimenti intorno al 90%.
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. Essi hanno valori prossimi a 3 quando viene utilizzata aria esterna a temperature non inferiori ai 7°C. Al di sotto dei 2°C le prestazioni della pompa di calore decadono significativamente

Più i valori di SEER e di SCOP sono alti, e più l'unità di condizionamento dell'aria è efficiente.

Sono 7 le classi disponibili in etichetta. Quindi se una macchina ha valori compresi tra "A+++" e "D", i colori corrispondenti saranno quelli della colonna sinistra. Se una macchina rientra tra quelle con valori da "A++" a "E", "A++" prenderà il colore di "A+++" e cosi via (colonna centrale).

La Nuova Etichetta Energetica (Regolamento della Commissione europea n. 206 del 6 marzo 2012)

La potenza refrigerante della pompa di calore è espressa in BTU - vedi potenza ed efficienza del condizionatore

Come la classe energetica influenza la spesa

L'acquisto di un condizionatore di classe energetica alta comporta unamaggiore spesa iniziale, ma anche un buon risparmio sulla bolletta elettrica .
Scegliendo un modello di condizionatore di classe energetica A si può spendere circa il 30% in meno per l'energia elettrica rispetto a un apparecchio di classe C, addirittura quasi la metà rispetto ad un modello di classe E, F o G utilizzato per lo stesso tempo, questo permette di recuperare il maggior costo in pochi anni.

Quali sono in sintesi i vantaggi della pompa di calore? 

• Utilizza fonti di energia rinnovabili (aria-acqua-terra)gratuite e pulite presenti in natura
• La pompa di calore Incrementa l’efficienza energetica in quanto trasforma le energie rinnovabili in energia termica da utilizzare per il riscaldamento e la produzione di acqua calda. Generalmente utilizza dal 20% al 25% di energia elettrica per produrre il 100% di energia termica. 
• Attraverso l’uso di fonti rinnovabili, la pompa di calore contribuisce alla riduzione della domanda di energia primaria da fonti fossili 
• Risparmio sulla bolletta energetica I costi energetici relativi al riscaldamento e di esercizio di una pompa di calore sono bassi. 
• L’incremento dell’efficienza energetica fa salire la classe energetica dell’immobile e di conseguenza il suo valore; 
• Permette una riduzione delle emissioni inquinanti di gas ad effetto serra, durante il suo funzionamento non vi è nessuna combustione. Le emissioni di CO2 si riducono di circa il 75% rispetto al calore prodotto dagli impianti di riscaldamento a combustibili fossili. 
• E’ l’unica tecnologia che è in grado di riscaldare e raffrescare gli ambienti, attraverso l’inversione del ciclo di funzionamento.Durante le stagioni intermedie è il sistema di riscaldamento più efficace oggi presente sul mercato, nei mesi estivi, è un sistema perfetto per raffrescare gli ambienti desiderati. 
• Ha bassi costi di gestione e di manutenzione, le macchine più recenti hanno un alto grado di efficienza ed affidabilità. 
• E’ integrabile con altre fonti energetiche rinnovabili, come il fotovoltaico che produce energia elettrica per il suo funzionamento, l’impianto geotermico e con altri sistemi di riscaldamento tradizionali come la caldaia a gas ecc 
• Usufruisce delle detrazioni fiscali del 65% per riqualificazione energetica per spese sostenute dal 6/6/2013 al 31 dicembre 2014 e nella misura del 50%, per spese sostenute dal 1° gennaio 2015 al 31 dicembre 2015. Nel caso di interventi relativi a parti comuni di edifici condominiali o che interessino tutte le unità di un condominio, queste detrazioni sono prorogate nella misura del 65%, per spese sostenute dal 6/6/2013 al 30 giugno 2015. E nella misura del 50%, per spese sostenute dal 1° luglio 2015 al 30 giugno 2016. 

In alternativa usufruisce delle agevolazioni del conto termico. 

Pompa di Calore    Efficienza Energetica

ALTRI SISTEMI PER RAFFRESCARE GLI AMBIENTI: 

IL RAFFRESCAMENTO PASSIVO

Il raffrescamento passivo fa riferimento alle accortezze da adottare per tenere freschi gli ambienti interni agli edifici senza l’uso dei climatizzatori. riducendo il più possibile le fonti di riscaldamento interne ed esterne. 

Si può riuscire ad ottenere temperature estive accettabili nei locali: 

• Favorendo una moderata ventilazione naturale. Posizionando in modo adeguato le finestre e le porte, si può ottenere un movimento d’aria tra le stanze che abbassa l’afa dando una sensazione di benessere; 
• Circondando, dove possibile, l’immobile con la vegetazione. Gli alberi, i pergolati, i rampicanti sulle pareti esposte al sole, forniscono ombra e riducono la temperatura di circa 2-3°;
• Isolando adeguatamente le pareti dell’edificio, scegliendo colori chiari per le pareti che riflettano i raggi del sole , schermando le finestre, ecc si possono ridurre notevolmente le fonti di calore esterne;
• Riducendo le fonti di calore interne cercando di utilizzare elettrodomestici ad alta efficienza energetica e per il tempo strettamente necessario, posizionandoli in modo da permettere loro il ricambio dell’aria, usando lampade a led che non riscaldano l’ambiente, ecc ;

Con il raffrescamento passivo si possono ridurre notevolmente i consumi di energia per il condizionamento estivo e quindi la spesa per la bolletta elettrica a beneficio dell’ambiente.

FREE-COOLING VEDI GEOTERMIA

Per raffreddamento libero o free cooling s'intende un sistema a libero raffreddamento, che permette di ottenere un notevole risparmio energetico.

Questo sistema viene applicato solitamente nell’industria, centri commerciali , centri elaborazione dati, o strutture sportive, ma si sta sempre più diffondendo l’uso anche per le abitazioni civili.

Questi impianti di climatizzazione sfruttano come sorgenti l’aria dell’ambiente esterno o fonti geotermiche per raffreddare l’aria o un fluido, senza utilizzare sistemi di refrigerazione o ventole e quindi senza sprecare energia.

Il free cooling diretto si ha quando si immette in un ambiente aria esterna con una temperatura più bassa rispetto all’ambiente interno. È possibile con tutti gli impianti a tutta aria (sia a portata variabile, sia costante). I risparmi sono notevoli soprattutto con impianti di raffreddamento adiabatico per il trattamento dell’aria esterna.

Il free cooling indiretto si ha quando si invia acqua fredda all’interno dell’impianto. Le sorgenti possono essere: geotermiche, aria esterna. Negli impianti geotermici con distribuzione a pannelli radianti, si può raffrescare naturalmente gli ambienti facendo circolare nei pannelli radianti l’acqua di ritorno dalle sonde geotermiche, isolando con un bye-pass la pompa di calore. La temperatura acquisita dal terreno viene trasferita al circuito di distribuzione grazie ad un semplice scambiatore di calore. Anche l’aria esterna può essere utilizzata per raffreddare l’acqua dell’impianto, ma ci devono, in questo caso, essere delle condizioni climatiche favorevoli. Si tratta dunque di un sistema di condizionamento economico ed ecologico

SOLAR COOLING VEDI SOLARE TERMICO

Il solar cooling o raffrescamento solare, è un impianto che utilizza l'acqua calda prodotta da collettori solari per produrre freddo sotto forma di acqua refrigerata o aria condizionata, per essere distribuita nell'edificio o nel processo produttivo mediante canalizzazione o tubazioni.