La tecnologia delle Pompe di Calore

La pompa di calore è un’apparecchiatura che, sfruttando un ciclo frigorifero, trasferisce energia termica da un fluido a bassa temperatura (sorgente fredda) a un fluido a temperatura più elevata (sorgente calda), elevandone il livello termico. Tale processo è inverso rispetto a quello che avviene spontaneamente in natura ed è possibile solo fornendo energia alla macchina.
I principali vantaggi ottenibili dall’impiego di una pompa di calore sono la sua elevata efficienza, maggiore rispetto al tradizionale sistema di riscaldamento basato sull’uso di combustibili fossili, e la capacità di fornire più energia di quanta ne impieghi per il suo funzionamento. La pompa di calore richiede, infatti, un apporto di energia pari a circa il 25%, in quanto per il restante 75% è alimentata dal calore gratuito e illimitato presente nell’ambiente. Per questa ragione la Direttiva RES I – Renewable Energy Sources ha inserito le pompe di calore tra le tecnologie rinnovabili.

Le pompe di calore elettriche a compressione

Le pompe di calore maggiormente diffuse sono quelle alimentate elettricamente.

Una pompa di calore elettrica a compressione è costituita da un circuito chiuso percorso da un fluido frigorigeno che, in funzione delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. Il circuito di una pompa di calore elettrica a compressione è costituito da: un compressore, un condensatore, una valvola di espansione e un evaporatore. I componenti del circuito possono essere raggruppati in un unico blocco o divisi in due parti (sistemi split) collegate dalle tubazioni nelle quali circola il fluido frigorigeno.

Il fluido frigorigeno, durante il funzionamento, subisce le seguenti trasformazioni:

• compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall’evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione si riscalda assorbendo una determinata quantità di calore;
• condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all’esterno;
• espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si
  trasforma parzialmente in vapore e si raffredda;
• evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dall’esterno ed evapora completamente.

L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore elettrica a compressione (vedi Fig. 1).

Fig. 1 – Ciclo di funzionamento di una pompa di calore elettrica a compressione

Le tipologie di pompe di calore

Esistono quattro tipologie fondamentali di pompe di calore (aria-aria, aria-acqua, acqua-aria, acqua-acqua), che derivano dalla combinazione dei due fluidi – aria o acqua – che scambiano calore con il refrigerante verso la sorgente esterna (primo termine) e verso quella interna dell’edificio (secondo termine).

Verso l’interno la pompa di calore può riscaldare – o raffreddare, se reversibile – direttamente l’aria degli ambienti oppure può farlo attraverso un fluido termovettore intermedio, normalmente acqua, che trasporta il calore nei vari ambienti, dove un ulteriore scambiatore di calore (ventilconvettori, sistemi radianti ecc.) lo trasferisce all’aria.

Verso l’esterno la pompa di calore può scambiare calore direttamente con l’aria oppure attraverso un fluido intermedio, acqua o acqua glicolata, che a sua volta lo scambierà con la sorgente esterna: acqua superficiale o di falda, terreno o rocce con sonde verticali od orizzontali.

La temperatura della sorgente termica esterna e la sua evoluzione stagionale sono di fondamentale importanza per determinare le prestazioni energetiche di una pompa di calore.

Le sorgenti termiche

Fig. 2 – Pompe di calore aria-aria e aria-acqua

L’aria esterna è senza dubbio la sorgente più utilizzata (vedi fig. 2), sia per la facilità con cui è disponibile che per i costi relativamente bassi d’investimento, ma è la meno adatta dal punto di vista termodinamico poiché al decrescere della temperatura dell’aria esterna aumenta il carico termico dell’edificio e contemporaneamente diminuiscono sia il COP (Coefficient Of Performance) che la capacità della pompa di calore.

Ciò non significa che le pompe di calore ad aria siano prodotti energeticamente poco efficienti: nel corso degli anni le loro prestazioni sono nettamente migliorate e oggi sono in grado di garantire un importante risparmio di energia primaria rispetto alle tecnologie tradizionali.

È ovvio che la scelta di sorgenti alternative caratterizzate da valori di temperatura mediamente più elevati e meno variabili consente di ottenere prestazioni energetiche medie stagionali superiori e una maggiore stabilità della potenza termica resa dalla pompa di calore.

La scelta della sorgente termica esterna e i relativi andamenti stagionali sono quindi di
estrema importanza per determinare le prestazioni di una pompa di calore e si riflettono sia sulla prestazione energetica dell’impianto, sia sul dimensionamento della pompa di calore e sull’eventuale scelta di un sistema integrativo.

Le sorgenti alternative all’aria esterna sono: le acque di falda, di fiume, di lago, di mare (vedi fig. 3) e il terreno (vedi fig.4 e 5).

Fig. 3 – Pompe di calore ad acqua (di falda, di fiume, di lago, di mare) acqua-aria e acqua-acqua

Fig. 4 – Pompe di calore a terreno con sonde orizzontali

Fig. 5 – Pompe di calore a terreno con sonde verticali

Il terreno come sorgente fredda garantisce buone prestazioni energetiche e ha il vantaggio di subire minori sbalzi di temperatura rispetto all’aria. Grazie al fatto che il terreno è a temperatura praticamente quasi costante durante tutto l’anno, le pompe di calore a terreno mantengono sempre un’elevata efficienza e, di conseguenza, non necessitano di sorgenti termiche di back up. 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 richiedono però ampie superfici in cui interrare le tubazioni, nel caso di sonde orizzontali, o comportano operazioni di perforazione, nel caso di sonde verticali.

Nella scelta di una sorgente piuttosto che di un’altra è fondamentale considerare sia agli aspetti economici sia le caratteristiche del sito di installazione.