La Pompa di Calore

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Oggi più che mai termini come risparmio energetico, utilizzo di fonti rinnovabili, disincentivazione nell’uso di combustibili fossili,.. sono sulla bocca di tutti. È evidente come il nostro pianeta stia andando incontro a mutamenti climatici che stanno causando disastri ambientali, accentuando l’intensità dei fenomeni atmosferici. Una delle possibili soluzioni è l’utilizzo delle pompe di calore le quali, in determinate condizioni, permettono si conseguire un risparmio energetico e nel contempo, limitare l’impatto ambientale. I sistemi a pompa di calore sono dunque una valida alternativa ai tradizionali sistemi di riscaldamento a combustione, che tanto inquinano. Le pompe di calore hanno anche il vantaggio, rispetto ai sistemi termici a combustione, di poter essere utilizzati come climatizzatori durante la stagione calda. Questo lo si ottiene invertendo il loro funzionamento e trasferendo il calore dall’ambiente verso l’esterno, raffrescandolo.

Le pompe di calore sono particolarmente indicate in zone caratterizzate da un elevato carico termico di raffrescamento durante la stagione calda e da un carico termico relativamente basso durante la stagione fredda. In queste zone le pompe di calore possono soddisfare interamente i carichi termici di riscaldamento e di raffrescamento in edifici sia residenziali che commerciali. Al contrario, le pompe di calore sono meno indicate in zone caratterizzate da un significativo carico termico di riscaldamento e un carico termico di raffrescamento molto piccolo.

Che cos’è la pompa di calore
La pompa di calore è una macchina che trasferisce calore da un ambiente a temperatura più bassa ("Sorgente fredda") ad un altro a temperatura più alta ("Pozzo caldo"), in modo da riscaldarlo, con il solo apporto dell’energia elettrica (nel caso di Pompe di Calore elettriche a compressione) o del gas (nel caso di Pompe di Calore ad assorbimento a gas). La pompa di calore opera con lo stesso principio del frigorifero e del condizionatore d’aria, ma l’effetto utile che si ottiene sarà quello della condensazione del refrigerante ad alta pressione che fornirà calore all’ambiente o all’acqua. La Sorgente fredda da cui viene estratto calore può essere l’aria esterna, l’acqua (acqua di falda) o il terreno. I fluidi che vengono riscaldati dalla PdC sono normalmente l’aria interna o l’acqua che viene utilizzata dai terminali per il riscaldamento dei locali (pannelli radianti, termosifoni, ventilconvettori). Le PdC vengono classificate in base al tipo di sorgente fredda e al tipo di fluido riscaldato:

• aria/aria
• aria/acqua
• acqua/acqua
• acqua/aria

Principio di funzionamento della pompa di calore
La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso percorso da un fluido refrigerante che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore, come riportato nell’immagine seguente:

Come si vede dalla figura i componenti della pompa di calore sono:

• un compressore
• un condensatore
• una valvola di espansione
• un evaporatore

I componenti del circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due parti (sistemi "SPLIT") raccordate dai tubi nei quali circola il fluido frigorigeno.

Efficienza di una pompa di calore
Una pompa di calore ha la capacità di fornire una quantità di energia (calore) superiore di quella elettrica utilizzata per il suo funzionamento (consuma energia elettrica nel compressore), essendo in grado di estrarre calore dall’ambiente esterno. L’efficienza di una pompa di calore elettrica, o meglio la sua "resa", è espressa dal C.O.P. (Coefficient of Performance), dato dal rapporto tra l’energia fornita (calore ceduto) e l’energia elettrica consumata. Un valore del C.O.P. pari a 3 indica che per ogni kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore fornisce calore pari a 3 kWh. In condizioni climatiche non estreme (ad esempio con una temperatura esterna di 10ºC), una pompa di calore ha un valore di C.O.P. pari a 3/4 e può arrivare fino a 5. La pompa di calore ha un Coefficiente di Prestazione tanto più elevato quanto più bassa è la differenza di temperatura tra sorgente e fluido da riscaldare. Per questo motivo risultano molto interessanti dal punto di vista del rendimento globale i sistemi bivalenti, cioè i sistemi che utilizzano una caldaia a condensazione accoppiata ad una pompa di calore con un sistema di gestione che decide quando sia più conveniente usare la caldaia rispetto alla pompa di calore. Al di sotto di una temperatura compresa tra - 2ºC e 2ºC la pompa di calore si disattiva in quanto le sue prestazioni si ridurrebbero significativamente. Le pompe di calore aria-aria e aria-acqua sono le tipologie più semplici da installare, ma la loro efficienza dipende dalla temperatura dell’aria esterna: sotto ai 5-7 ºC le prestazioni calano notevolmente. La macchina riesce comunque a riscaldare, ma consuma di più. Non sono dunque consigliate per le fasce climatiche più fredde. Le pompa di calore acqua-acqua hanno prestazioni migliori, perchè prelevano da una sorgente a temperatura più stabile, ma ovviamente sono più complesse e costose da installare perchè bisogna scavare un pozzo e per questo costano circa il 15-30% in più. Il rendimento per le pompe di calore ad assorbimento a gas è invece espressa invece dal GUE (Gas Utilization Efficiency). Normalmente, i valori GUE di una buona pompa di calore a gas si aggirano tra 1,3 e 1,6, quelli delle pompe elettriche raggiungono e superano il valore di 3.

Abbiamo accennato come la pompa di calore può sia riscaldare che raffreddare. La pompa di calore è solitamente più efficiente nel riscaldamento che nel raffreddamento, dato che la macchina dissipa sempre una parte di energia in calore, calore che può essere usato per il riscaldamento. In fase di raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è descritta dall’EER (Energy Efficiency Ratio) o dal SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio). Più i valori di SEER sono alti, migliori sono le prestazioni dell’unità di condizionamento dell’aria. Il costruttore dichiara quindi sia il COP, sia l’EER (o il SEER). Il valore del SEER può raggiungere, per sistemi altamente performanti, valori pari a 17, ma normalemente siamo tra gli 8 ed i 10. Dal 2013 per misurare l’efficienza di una pompa di calore in riscaldamento è stato introdotto lo SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) che rappresenta il coefficiente complessivo del rendimento dell’unità, rappresentativo dell’intera stagione di riscaldamento indicato.

Applicazioni della pompa di calore
Le possibile applicazioni di una pompa di calore sono fondamentalmente 3:

• climatizzazione degli ambienti (riscaldamento + raffrescamento);
• riscaldamento degli ambienti;
• riscaldamento acqua sanitaria.

Riscaldamento ambienti e acqua sanitaria: La pompa di calore può essere utilizzata anche per la sola produzione di calore per il riscaldamento degli ambienti e dell’acqua sanitaria. Per il riscaldamento degli ambienti gli impianti possono essere costituiti da:

• solo Pompa di calore, se sufficiente a coprire il fabbisogno termico per il riscaldamento degli ambienti. Se come sorgente fredda si utilizza l’aria, questa soluzione è adottabile nelle zone climatiche dove la temperatura minima esterna scende raramente sotto ai 0 ºC;
• Pompa di calore abbinata ad una caldaia tradizionale nelle zone climatiche dove la temperatura minima dell’aria esterna scende con frequenza sotto ai 0 ºC.

Scelta e dimensionamente della pompa di calore
Il dimensionamento dell’impianto a pompa di calore richiede una valutazione precisa dei fabbisogni di calore: una valutazione in eccesso, con sovradimensionamento della pompa di calore, comporta un incremento dei costi di impianto e quindi una riduzione dei vantaggi economici che derivano dal suo impiego. Nel caso di CLIMATIZZAZIONE una pompa di calore a ciclo invertibile ha una capacità di raffrescamento di poco inferiore a quella di riscaldamento, pertanto il dimensionamento dell’impianto di climatizzazione va fatto, in generale, sulle esigenze di raffrescamento. Per il RISCALDAMENTO DEGLI AMBIENTI il fabbisogno di calore dipende dalla localizzazione geografica dell’abitazione. Come abbiamo già visto le pompe di calore che utilizzano l’aria come sorgente esterna perdono di efficienza al diminuire della temperatura dell’aria. Infine per il RISCALDAMENTO DELL’ACQUA SANITARIA per il dimensionamente occorre tenere conto del fabbisogno medio giornaliero di acqua calda sanitaria a 45 ºC espresso in litri/giorno. Questo dipende dal numero di occupanti dell’abitazione (indicativamente dai 50 ai 70 litri per persona).

La nuova etichetta energetica
Volevo concludere l’articolo accennando alla nuova etichettatura energetica. La nuova Direttiva ERP (Energy Related Products) EN14825, ha introdotto nuovi indici di efficienza stagionale (SEER e SCOP) per i climatizzatori fissi con potenza inferiore a 12 kW, su cui si basano i requisiti minimi di eco-progettazione da integrare su tutti i prodotti che utilizzano energia. L’efficienza stagionale mostra il grado di efficienza reale di un climatizzatore che funziona nell’arco di un’intera stagione in raffrescamento o riscaldamento. La metodologia che veniva utilizzata in precedenza, basata su COP e EER, comportava una differenza notevole tra prestazioni previste e quelle reali.

Il cambio di metodologia ha modificato sostanzialmente l’etichetta energetica. Dal 1º gennaio 2013 è entrata infatti in vigore la nuova etichetta energetica che riporta la classe di efficienza misurata sulla base dei nuovi indici di efficienza stagionale. Per i condizionatori di tipo split la classificazione energetica è basata su un indice di efficienza energetica stagionale SEER per il funzionamento in raffrescamento e SCOP per quello in riscaldamento calcolati nell’arco di un intero anno nelle tre principali fasce climatiche esistenti nell’UE: media, più calda e più fredda.

Vediamo di fare un pò di chiarezza sulle diverse etichette energetiche per i condizionatori d’aria, che cambiano a seconda del tipo di sistema per il raffrescamento e/o riscaldamento. La classificazione viene fatta sulla base delle diverse tipologie:

• condizionatori d’aria a singolo o a doppio condotto, con sola funzione raffreddamento
• condizionatori d’aria a singolo o a doppio condotto, reversibili
• condizionatori d’aria a singolo o a doppio condotto, con sola funzione riscaldamento
• condizionatori d’aria con sola funzione raffreddamento
• condizionatori d’aria con sola funzione riscaldamento
• condizionatori d’aria reversibili con sola funzione riscaldamento

In figura viene riportata la nuova etichetta energetica applicata sui condizionatori d’aria reversibili con sola funzione riscaldamento, che sono quelli più comunemente installati nelle nostre abitazioni:

Non hanno l’obbligo di etichetta gli apparecchi alimentati da fonti di energia non elettriche e quelli che utilizzano un fluido termovettore diverso dall’aria. Per approfondire il discorso sulle etichette energetiche potete scaricare la guida dell’ENEA al seguente link: L’Etichetta Energetica.

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