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Pompa di Calore Funzionamento: Cosa Sapere

Le pompe di calore per la produzione di acqua calda sanitaria risultano essere una soluzione altamente competitiva per promuovere politiche energetiche sostenibili. Sfruttando una quantità limitata di energia elettrica, sono in grado di generare un considerevole surplus di energia termica o frigorifera.

Qual è il funzionamento di una pompa di calore?

È ampiamente noto che l’energia termica si sposta spontaneamente da sostanze o corpi ad alta temperatura verso quelli a temperatura più bassa. Una pompa di calore è un dispositivo progettato per invertire questo flusso termico naturale. Per ottenere tale risultato, è necessario compiere del lavoro e, di conseguenza, consumare energia. Questo processo è simile a quello delle pompe idrauliche, che spostano un fluido nella direzione opposta alla sua naturale tendenza, da cui deriva il termine "pompa". In termini pratici, la pompa di calore fa scorrere il calore "controcorrente" rispetto alla direzione naturale, creando così un ambiente termico favorevole.

Una pompa di calore, dunque, attinge calore da un mezzo naturale, chiamato "sorgente fredda" (acqua, aria, suolo) la cui temperatura è inferiore a quella del locale da riscaldare. Essa trasferisce poi tale calore a un fluido vettore (in generale, acqua oppure aria) per consentire il riscaldamento di locali (che costituiscono la "sorgente calda) e anche la preparazione di acqua calda sanitaria.

Dove prende energia la pompa di calore?

Si distinguono le seguenti fonti di calore:

  • aria esterna;
  • aria prelevata da ambienti chiusi (ad esempio, aria viziata);
  • terreno;
  • acqua (di falda o di superficie).
Non vi è alcuna differenza di principio tra una pompa di calore e un’unità di refrigerazione. Qualsiasi apparato di refrigerazione (condizionatore, frigorifero, congelatore ecc.) sottrae calore da un dato spazio che si desidera raffrescare e lo cede a un altro spazio in cui regna una temperatura più elevata. L’unica differenza consiste nell’effetto desiderato: riscaldamento nel primo caso e raffrescamento nel secondo.

Quali vantaggi offre una pompa di calore rispetto ad altri sistemi di riscaldamento?

II vantaggio fondamentale è il seguente: attraverso il suo funzionamento, la pompa di calore fornisce una quantità di calore molto superiore (anche quattro o cinque volte) all’energia che consuma per funzionare. La pompa di calore, insomma, funziona come un "moltiplicatore di energia".

La maggior parte delle pompe di calore disponibili sul mercato sono reversibili, ovvero possono essere utilizzate sia per il riscaldamento invernale che per il raffrescamento estivo. Nel primo caso, il fluido di distribuzione, noto anche come fluido "termovettore", viene riscaldato; nel secondo caso, viene raffreddato. Questo fluido termovettore viene distribuito attraverso tubature sotto il pavimento, radiatori o ventilconvettori, oppure tramite condotti d’aria in impianti canalizzati. In molti casi, una parte del calore prodotto viene impiegata per riscaldare l’acqua calda domestica, utilizzando uno scambiatore di calore refrigerante-acqua.

Chi acquista una pompa di calore lo fa di solito per disporre di un sistema di condizionamento estivo. Tuttavia, poiché il costo aggiuntivo per disporre della reversibilità è modesto, si preferisce spesso aggiungere anche questa funzionalità, anche se l’impiego prevalente resterà il raffrescamento. Ciò è vero soprattutto per le macchine di piccola taglia aria-aria, destinate alla climatizzazione di ambienti. Le pompe di calore trovano impiego, oltre che nel riscaldamento di ambienti e nella produzione di acqua calda sanitaria, anche in tutti i processi industriali che richiedono calore a bassa temperatura (ad esempio, essiccatoi industriali).

Classificazione delle pompe di calore: funzionamento e natura delle sorgenti

Si usa classificare le pompe di calore secondo la natura delle sorgenti, rispettivamente calda e fredda, con le quali il fluido frigorigeno scambia direttamente calore.

Possono aversi quindi, ad esempio:

  • pompe acqua-acqua: riscaldano acqua a spese di altra acqua;
  • pompe acqua-aria: riscaldano aria prelevando calore dall’acqua;
  • pompe aria-aria: riscaldano aria trasferendo calore da altra aria;
  • pompe aria-acqua: riscaldano acqua attingendo calore da aria.
La categoria delle pompe di calore SIC rientra nella tipologia pompe aria-acqua. Questo tipo di pompe di calore costituisce un efficace metodo per generare calore con un consumo energetico ridotto. Utilizzano l’aria esterna in un ciclo termico che trasferisce il calore da un fluido più freddo, ovvero l’aria esterna stessa, a uno più caldo, ossia l’acqua destinata all’uso sanitario. La pompa di calore mantiene alte prestazioni anche a basse temperature esterne grazie al basso punto di ebollizione del fluido refrigerante. L’efficienza della pompa dipende dalla differenza di temperatura tra l’aria esterna e il fluido refrigerante: maggiore è la differenza, minore è l’energia richiesta per il funzionamento.

SIC offre due modelli avanzati:

  • Pompe di calore Compact CRE: queste sfruttano l’energia termica dell’aria per produrre acqua calda per scopi igienici. Il loro funzionamento è efficiente, rispettoso dell’ambiente e si basa sulla comprovata tecnologia delle pompe di calore.
  • Pompe di calore Helio Compact : questo sistema combina una pompa di calore e un pannello solare termodinamico all’avanguardia per la produzione di acqua calda sanitaria. Utilizza in modo efficiente l’energia solare e termica dell’ambiente, garantendo rendimenti elevati e stabili.
Entrambi i modelli SIC Sistemi condividono vantaggi significativi, sia dal punto di vista energetico che non, tra cui: facilità di installazione, funzionamento silenzioso, affidabilità e la necessità limitata di manutenzione.

Generalmente, a seconda del principio di funzionamento l’energia necessaria può essere fornita a una pompa di calore, in forma di energia meccanica oppure di calore. Nel primo caso, si tratterà di una pompa di calore "a compressione", nel secondo, di una pompa di calore "ad assorbimento".

Qual è il funzionamento di una pompa di calore a compressione?

Nelle pompe di calore a compressione il fluido di lavoro (normalmente indicato come "refrigerante" o "fluido frigorigeno"), percorrendo ciclicamente un circuito idraulico, subisce un processo periodico che consiste essenzialmente in quattro fasi: evaporazione, compressione, condensazione ed espansione.

Il prelievo di calore a bassa temperatura ha luogo in uno scambiatore di calore detto "evaporatore". Qui il refrigerante si trova a temperatura leggermente inferiore a quella della sorgente fredda, è quindi in condizione di sottrarre ad essa la quantità di calore necessaria per evaporare.

Dopo l’evaporazione, il refrigerante ha assorbito calore ma non può rilasciarlo, poiché rimane a bassa temperatura (l’evaporazione avviene a temperatura costante). Il compressore aumenta la sua pressione, riscaldandolo fino a superare leggermente la temperatura della sorgente calda. Il refrigerante, ora riscaldato, può sfruttare la differenza di temperatura per cedere calore alla sorgente calda. Questo avviene in un secondo scambiatore chiamato "condensatore", dove il fluido, rilasciando calore, ritorna allo stato liquido.

All’uscita dal condensatore, il liquido refrigerante si trova ad alta pressione e alta temperatura (anche la condensazione avviene a temperatura costante). Per completare il ciclo, passa attraverso una valvola di espansione che riduce la pressione e la temperatura, riportandolo alle condizioni iniziali. Il refrigerante è ora pronto per ritornare all’evaporatore e iniziare un nuovo ciclo.

Qual è il funzionamento di una pompa di calore ad assorbimento?

È stato dimostrato precedentemente che le pompe di calore richiedono una fonte di energia per operare. Questa fonte è solitamente energia elettrica, utilizzata per alimentare un compressore. Tuttavia, esistono macchine meno diffuse che sfruttano energia termica, ovvero il calore. Quest’ultimo può derivare dalla combustione di gas, come il metano o il GPL, o dall’uso di olio combustibile. In altre situazioni, il calore può provenire da fonti residue o dall’ambiente circostante.

Questi dispositivi, che rientrano nella categoria delle pompe di calore "ad assorbimento", sono noti per il loro costo iniziale elevato, ma vantano costi operativi contenuti. Trovano particolare impiego quando c’è una costante disponibilità di calore, come nel caso del calore residuo proveniente da processi industriali.

Quali sono le diverse modalità di funzionamento di una pompa di calore?

Una pompa di calore, sia essa a condensazione o ad assorbimento, ha la capacità di operare in diverse modalità a seconda della presenza o assenza di sistemi di riscaldamento integrativi. Qui di seguito sono descritte le principali modalità di funzionamento.

Pompa di calore: funzionamento monovalente

In questo caso, la pompa di calore è in grado di soddisfare da sola l’intero fabbisogno termico. Questa modalità di funzionamento è praticabile solo se la fonte di freddo presenta variazioni di temperatura stagionali molto limitate ed è quindi disponibile durante tutto l’arco dell’anno. Un esempio di ciò sono le pompe di calore che impiegano il terreno o l’acqua di falda come fonte di calore.

Pompa di calore: funzionamento monoenergetico

Con questo tipo di funzionamento, la pompa di calore elettrica è affiancata da un sistema addizionale di riscaldamento, composto da resistenze elettriche con una potenza dell’ordine di alcuni chilowatt (kW). Questa integrazione è essenziale soprattutto per le pompe di calore che utilizzano l’aria esterna come fonte (come le pompe aria-aria e aria-acqua) per garantire il riscaldamento anche in condizioni di temperatura esterna particolarmente bassa. Le resistenze supplementari entrano in funzione insieme alla pompa di calore quando la temperatura esterna scende al di sotto di una determinata soglia, aumentando significativamente il consumo elettrico e di conseguenza i costi operativi dell’intero impianto.

Il valore della temperatura esterna al di sotto del quale le resistenze elettriche entrano in funzione è comunemente chiamato "punto di bivalenza". Questa scelta tiene conto di vari fattori, tra cui la potenza elettrica disponibile e la massima potenza termica che può essere estratta dalla fonte esterna (aria, suolo, ecc.). Per motivi economici, è conveniente selezionare un punto di bivalenza basso, in modo da affidare la maggior parte del carico termico alla pompa di calore anziché alle resistenze.

Pompa di calore: funzionamento bivalente alternativo

La pompa di calore gestisce autonomamente il riscaldamento fino a un certo livello di temperatura esterna prestabilito (ad esempio 0 °C). Se la temperatura scende al di sotto di questo valore, la pompa di calore si ferma e contemporaneamente entra in funzione una caldaia tradizionale. Quest’ultima deve essere in grado di gestire da sola l’intero carico termico. La scelta del punto di bivalenza segue criteri simili a quelli discussi in merito al funzionamento monoenergetico. È essenziale considerare i valori di potenza (elettrica e termica) coinvolti e limitare l’uso della caldaia per evitare possibili aumenti dei costi operativi. Nel caso di una pompa di calore che utilizza l’aria esterna come sorgente, occorre anche valutare la possibilità di dover eseguire sbrinamenti periodici. La frequenza e la durata dei quali influiscono sulla scelta più opportuna del punto di bivalenza.

Pompa di calore: funzionamento bivalente parallelo

Fino a quando la temperatura esterna rimane al di sopra di un determinato valore, la pompa di calore soddisfa da sola l’intero fabbisogno termico. Quando la temperatura esterna scende al di sotto di questo valore, entra in funzione una caldaia di supporto insieme alla pompa (che però rimane in funzione). Se la temperatura esterna continua a diminuire e supera una seconda soglia critica, la pompa di calore si ferma e la caldaia si occupa autonomamente della fornitura totale di calore.

Reversibilità delle pompe di calore

Si è già accennato alla possibilità (ed alla convenienza) di invertire il funzionamento di una pompa di calore, così da impiegarla sia per il riscaldamento invernale che per il raffrescamento estivo. Di seguito, le tecniche principali per realizzare la reversibilità.

Inversione del ciclo nella pompa di calore

Consideriamo una pompa di calore impiegata per il riscaldamento di un edificio. Mediante la manipolazione strategica di una valvola a quattro vie, il refrigerante in uscita dal compressore, in direzione del condensatore, viene dirottato verso l’evaporatore. Allo stesso tempo, il refrigerante che esce dalla valvola di espansione viene convogliato verso il condensatore anziché verso l’evaporatore. In queste circostanze, il condensatore e l’evaporatore scambiano i propri ruoli. Il condensatore, precedentemente responsabile della cessione di calore, ora estrae calore, contribuendo al raffreddamento dell’ambiente interno. L’evaporatore, invece di prelevare calore dall’ambiente esterno, lo riceve dall’interno.

Questa configurazione offre il beneficio di costi aggiuntivi relativamente bassi rispetto a una pompa di calore non reversibile e fornisce una notevole potenza di raffreddamento. Tuttavia, richiede una pompa di calore con un design specifico.

Inversione del ciclo nei circuiti idraulici

Anche in questo caso, le funzioni del condensatore e dell’evaporatore vengono invertite mediante valvole ad hoc. L’inversione, tuttavia, avviene sui circuiti idraulici esterni alla pompa, diversamente dal caso precedente in cui avveniva sul circuito del refrigerante. Il circuito interno all’edificio (il circuito di riscaldamento) viene collegato all’evaporatore, mentre quello esterno (il circuito della sorgente di calore) viene collegato al condensatore.

Il principale vantaggio di questo sistema è il fatto che non richieda configurazioni speciali (è sufficiente equipaggiare la pompa con alcune valvole termostatiche specifiche). Tuttavia, non è applicabile alle pompe che impiegano due fluidi termovettori distinti, come ad esempio le pompe aria-acqua.

Quanto consuma una pompa di calore e che cos’è il COP?

Per le pompe di calore utilizzate per il riscaldamento, l’efficienza energetica viene quantificata attraverso il "coefficiente di prestazione" (COP). Questo valore rappresenta il rapporto tra la potenza termica generata dalla pompa e la potenza totale (elettrica o derivante da combustibili) impiegata per il suo funzionamento. Per esemplificare, se consideriamo una pompa di calore con compressore elettrico che ha un COP di 3, ciò significa che consuma 1 kW di energia elettrica per produrre 3 kW di calore per il riscaldamento dell’ambiente.

Nel caso dell’utilizzo della pompa di calore per il raffrescamento, l’efficienza è misurata tramite un altro indicatore chiamato EER (Energy Efficiency Ratio). Questo parametro rappresenta il rapporto tra l’effetto refrigerante generato dalla pompa e l’energia in ingresso (elettrica o da combustibile) necessaria per il suo funzionamento.

Sia il COP che l’EER dipendono da vari fattori, tra cui la differenza di temperatura tra la fonte di calore e l’ambiente da climatizzare, il tipo di fluido di lavoro impiegato, le caratteristiche costruttive dell’impianto (dimensionamento) in relazione alle esigenze termiche, il consumo energetico delle apparecchiature ausiliarie (come le pompe idrauliche) e le condizioni effettive di funzionamento.

Fonte: “Geotermia e pompe di calore – L’ambiente come fonte di energia sostenibile” di Giuseppe Dell’Olio.