Le pompe di calore trasferiscono calore da una sorgente a temperatura inferiore ad una a temperatura superiore, sorgente esterna ed interna. La pompa di calore utilizza circa il 75 % di energia in forma gratuita, proveniente dal sole e accumulata da aria, acqua e terra, e il 25 % di energia elettrica per garantire comfort estivo e invernale ottimali.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
La pompa di calore ha un funzionamento simile a quello di un normale frigorifero: si basa su un ciclo termodinamico di un fluido, detto gas frigorifero o fluido refrigerante, che può presentarsi sotto forma di stato liquido o gassoso, a seconda della temperatura e della pressione a cui si trova nelle condizioni di utilizzo.
[Per approfondimento si rimanda a Idraulica 33.]
La macchina è definita pompa di calore o macchina frigorifera a seconda dell’effetto utile che si vuole ottenere, cioè il riscaldamento o il raffreddamento della sorgente interna (abitazione). Le macchine che possono dirigere il fluido caldo sia verso la sorgente interna sia verso la sorgente esterna, attraverso opportune valvole, hanno la capacità di funzionare sia come pompa di calore sia come macchina frigorifera, in base alla tipologia di sorgente calda o fredda. Tali macchine sono dette a ciclo frigorifero reversibile o semplicemente reversibili lato frigorifero.
CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE DI CALORE IN BASE AL TIPO DI COMPRESSIONE
La fase in cui il fluido frigorifero viene innalzato di pressione e temperatura (fase 3, figura 6) può essere realizzata in vari modi; tutti prevedono l’apporto di energia al fluido. Il metodo attualmente più diffuso è quello dei compressori azionati da motori elettrici, tuttavia, ne esistono anche altri che, seppur in applicazioni di nicchia, presentano peculiarità sfruttabili e convenienti.
POMPE DI CALORE A COMPRESSIONE CON MOTORE ELETTRICO
Sono le pompe di calore più diffuse per la versatilità e l’economicità dei motori elettrici, oltre alla possibilità di utilizzare come vettore energetico l’elettricità. I compressori sono di varia tipologia, ma i più utilizzati sono di tipo scroll, swing, a vite o a levitazione magnetica.
Tra i vantaggi possiamo citiamo il basso costo, la poca manutenzione e l’assenza di sistemi ausiliari (poiché in genere sono autoraffreddati). Tuttavia le temperature di mandata risultano limitate e potrebbe verificarsi un elevato consumo elettrico dovuto alle forti correnti di spunto (parzialmente mitigate dall’elettronica di potenza).
POMPE DI CALORE A COMPRESSIONE CON MOTORE ENDOTERMICO
In queste pompe di calore il compressore è mosso da un motore endotermico, che generalmente è alimentato a gas ed è di derivazione automobilistica. Il vantaggio di queste macchine, dette anche GHP (Gas Heat Pump) o GEHP (Gas Engine Heat Pump), è quello di poter innalzare la temperatura di mandata sfruttando il calore disperso dal motore attraverso i gas di scarico e il circuito di raffreddamento. Per questi motivi risulta una valida alternativa nelle riqualificazioni che prevedono la sostituzione di caldaie a gas, soprattutto per potenze elevate.
Il consumo prevalentemente di gas e la produzione di acqua ad alta temperatura sono i vantaggi. Il costo di investimento e la manutenzione sono elevati, eppure risulta un sistema sfruttabile nei contesti in cui sono presenti limitazioni in termini di capacità di alimentazione elettrica.
POMPE DI CALORE AD ASSORBIMENTO
La differenza più rilevante tra le pompe di calore ad assorbimento e quelle elettriche (o a gas) è l’assenza della fase di compressione, totalmente sostituita da due fasi distinte: la generazione e l’assorbimento.
Nell’assorbitore il fluido frigorigeno, provenendo dall’evaporatore allo stato gassoso, viene assorbito da un fluido (detto assorbente) e ritorna allo stato liquido. Successivamente il fluido risultante (frigorigeno più assorbente) viene pompato nel generatore dove, grazie ad un apporto di calore esterno (proveniente ad esempio da cogeneratori, reti di teleriscaldamento o processi industriali), rilascia nuovamente il fluido frigorigeno a pressione e temperatura elevate.
CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE DI CALORE IN BASE AL TIPO DI SORGENTE TERMICA
Le sorgenti fredde (o sorgenti esterne) possono essere: l’aria, esterna o in alcuni casi aria di recupero (espulsa da impianti di ventilazione o circuiti di raffreddamento industriali), l’acqua, che può essere superficiale, di falda o derivata da circuiti dedicati come anelli di condensazione, oppure la terra, dove il calore viene assorbito tramite appositi scambiatori detti sonde geotermiche. Le sorgenti calde (cioè il fluido dell’impianto o sorgenti interne) possono essere: l’aria, quando la pompa di calore riscalda direttamente l’aria degli ambienti, oppure l’acqua, quando la pompa di calore riscalda l’acqua utilizzata come fluido vettore nei circuiti di riscaldamento.
POMPA DI CALORE ARIA-ARIA
Queste pompe di calore sono dotate di scambiatori aria/gas refrigerante. La sorgente fredda è a temperatura variabile, essendo aria esterna è sempre disponibile. Essendo esposte a temperature esterne molto basse, necessitano di periodici sbrinamenti (si veda “Il ciclo di sbrinamento”).
Ne esistono di due tipologie:
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SPLIT. Lo scambiatore verso la sorgente fredda e gli altri componenti del circuito frigorifero si trovano all’esterno, mentre lo scambiatore verso la sorgente calda è posizionato all’interno degli ambienti da riscaldare. Gli scambiatori sono collegati tramite tubazioni contenenti gas refrigerante.
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ROOFTOP. Tutto il circuito frigorifero è in un’unica macchina e l’aria è convogliata all’interno delle abitazioni tramite canalizzazioni.
Generalmente gli impianti aria-aria per piccoli ambienti residenziali e commerciali sono di tipo split, poiché il circuito frigorifero presenta bassi costi e ingombri ridotti.
I sistemi rooftop sono invece più utilizzati nei centri commerciali, teatri e ambienti produttivi dove vi è la possibilità di realizzare le canalizzazioni necessarie.
POMPA DI CALORE ARIA-ACQUA
La pompa di calore aria-acqua permette di estrarre l’energia gratuita presente nell’aria e trasferirla all’acqua sotto forma di calore. A differenza delle pompe di calore aria-aria, la produzione di acqua tecnica al servizio di un impianto idronico garantisce un’ampia versatilità in termini di soluzioni impiantistiche. È dunque possibile impiegare le pompe di calore aria-acqua sia nel settore residenziale (con radiatori, ventilconvettori, pavimento radiante, ecc.) sia nel settore terziario e industriale (con batterie idroniche al servizio delle unità di trattamento aria).
L’elevata applicabilità impiantistica permette inoltre di mantenere il sistema di distribuzione esistente (e talvolta anche il sistema di emissione esistente) negli impianti originariamente dotati di generatori a gas senza dover riqualificare l’intero l’impianto.
Le limitazioni sono legate alla variabilità della potenza e del rendimento e, soprattutto, alle temperature di mandata.
POMPA DI CALORE ACQUA-ARIA
Utilizzano come sorgente fredda l’acqua presente nel sottosuolo, prelevata attraverso dei pozzi, e come sorgente calda appositi circuiti idraulici, come ad esempio gli anelli di condensazione.
Viene di solito posizionata in copertura (rooftop) ma, in casi particolari, per motivi di spazio o estetici, può essere posizionata internamente e associata agli split.
Queste tipologie sono poco utilizzate poiché richiedono la realizzazione dei pozzi di prelievo dell’acqua della sorgente fredda, soggetti ad analisi geologiche e permessi di captazione.
POMPA DI CALORE ACQUA-ACQUA
Presentano entrambi gli scambi di calore delle sorgenti fredda e calda con acqua.
Il lato freddo sottrae energia all’acqua che generalmente è prelevata dalle falde nel sottosuolo (in questo caso si parla di PDC geotermiche ad acqua di falda) oppure dalle acque superficiali come laghi, fiumi o mare. Il lato caldo è utilizzato come generatore di calore nei tradizionali impianti ad acqua.
La stabilità di funzionamento e gli ottimi rendimenti sono i vantaggi di queste macchine. Inoltre, possono sviluppare grandi potenze in spazi relativamente ridotti.
Il loro limite è dato dalla presenza o meno di acqua sfruttabile ai fini termici e dai permessi relativi.
Esistono anche applicazioni limitate dove queste macchine sono sfruttate per recuperare calore come, ad esempio, i circuiti di raffreddamento dei processi industriali.
POMPA DI CALORE TERRA-ACQUA
Sono PDC acqua-acqua, chiamate anche pompe di calore geotermiche, dove l’acqua della sorgente fredda è utilizzata come fluido intermedio per scambiare calore con il terreno.
Gli scambiatori sono costituiti da tubazioni in materiale plastico annegate nel terreno chiamate “sonde geotermiche”: si estendono in profondità (sonde verticali) oppure sfruttano la superficie (sonde orizzontali).
Le PDC geotermiche, come le acqua-acqua, funzionano in condizioni di scambio termico stabile con la sorgente fredda e, pertanto, non necessitano di cicli di sbrinamento (si veda “Il ciclo di sbrinamento”).
Non necessitano di disponibilità di acqua di scambio, a differenza delle macchine acqua-acqua.
I costi per la realizzazione delle sonde sono molto alti.
LE POMPE DI CALORE ARIA-ACQUA
Le pompe di calore aria-acqua sono le più utilizzate per il riscaldamento domestico. La loro maggiore diffusione rispetto agli altri sistemi a ciclo frigorifero è dovuta, principalmente, ai seguenti motivi:
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Versatilità. Possono essere collegate ai sistemi di distribuzione idronici tradizionali, sia di nuova realizzazione sia esistenti. Lo sfruttamento dell’aria come sorgente fredda le rende utilizzabili in ogni contesto dove sia possibile installare un’unità esterna o realizzare opportune canalizzazioni dell’aria.
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Costi contenuti. Rispetto ad altre tipologie di PDC hanno il costo di installazione minore in quanto non necessitano di impianti ausiliari complessi come le opere di presa e restituzione di acqua, pozzi o sonde geotermiche.
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Continua evoluzione tecnica. Negli ultimi anni hanno avuto le maggiori innovazioni tecniche: gestione della potenza erogata ottimizzata per un rendimento maggiore, aumento della temperatura massima raggiunta e migliore affidabilità.
Tuttavia, queste macchine presentano alcune limitazioni:
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Elevati consumi elettrici di picco. Il dimensionamento è, di solito, legato alle condizioni più sfavorevoli (temperatura dell’aria esterna) che porta ad un sovradimensionamento e soprattutto a consumi elettrici di picco maggiori rispetto ad altre tipologie di pompe di calore. Pertanto, in genere, è richiesta maggiore potenza elettrica rispetto alle pompe di calore equivalenti che sfruttano altre tecnologie (si rimanda all’approfondimento “Impianto monofase o trifase?”)
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Cicli di sbrinamento indispensabili. In certe condizioni l’umidità presente nell’aria esterna congela sullo scambiatore della macchina compromettendone lo scambio termico e il regolare funzionamento. Per ripristinare il normale funzionamento, si eseguono inversioni di ciclo che scaldano lo scambiatore e sciolgono lo strato di ghiaccio depositato. Questi cicli comportano un dispendio di energia a scapito del rendimento e dei costi (si rimanda al capitolo “Il ciclo di sbrinamento”).
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Rendimento influenzato da temperatura di aria e acqua. Il rendimento e le spese di gestione delle pompe di calore aria-acqua dipendono dalla temperatura alla quale viene prodotta l’acqua calda in mandata all’impianto e dalla temperatura dell’aria esterna. Una progettazione non attenta degli impianti associati a queste macchine o un’errata regolazione possono comportare consumi elevati (si rimanda all'articolo ”Efficienza energetica e convenienza economica”).
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Rumorosità. Le unità esterne necessitano di uno spazio idoneo che garantisca un corretto ricambio d’aria. Inoltre, la rumorosità di queste unità deve essere opportunamente valutata e, in alcuni casi, è necessario prevedere opportuni accorgimenti di schermatura acustica (si rimanda all'approfondimento “Il controllo della rumorosità nelle pompe di calore”).
PDC MONOBLOCCO DA ESTERNO
La pompa di calore monoblocco è costituita da un’unica apparecchiatura che contiene tutti gli elementi del circuito frigorifero al suo interno: lo scambiatore a piastre acqua/refrigerante, il compressore, la valvola di espansione e il ventilatore che permette lo scambio termico aria/ refrigerante nell’evaporatore.
Possono essere integrati nella macchina alcuni elementi del circuito idraulico come il circolatore, il flussostato, il vaso di espansione, la valvola sfogo aria e la valvola di sicurezza.
L’unità, collocata all’esterno, è collegata direttamente all’impianto attraverso le tubazioni che convogliano l'acqua tecnica dalla macchina all'edificio.
La macchina monoblocco risulta vantaggiosa in tutte quelle situazioni in cui è necessario risparmiare spazio tecnico all’interno degli edifici.
PDC MONOBLOCCO DA INTERNO
È una pompa di calore monoblocco che dispone di ventilatori (sullo scambiatore dell’aria) con una prevalenza tale da poter essere canalizzata.
Alcuni modelli possono essere canalizzati sia sulla ripresa sia sulla mandata; in altri, invece, si canalizza solo l’espulsione riprendendo l’aria dall’ambiente dove sono installate. Questi ambienti devono essere dotati di opportune aperture per garantire il giusto apporto dell’aria di rinnovo utilizzata dalla macchina.
Vengono impiegate dove non è possibile installare le unità esterne principalmente per motivi estetici.
POMPE DI CALORE A DUE SEZIONI
La pompa di calore split (dall’inglese “divisa”) è, diversamente dalla monoblocco, composta da un modulo idronico collocato all’interno dell’edificio e da un’unità esterna che scambia calore con l’aria. I componenti principali che caratterizzano l’unità interna sono: lo scambiatore a piastre acqua/refrigerante, il circolatore per il circuito primario, il flussostato, il vaso d’espansione, la valvola sfogo aria e la valvola di sicurezza. Nell’unità esterna rimangono invece il compressore, la valvola di espansione e il ventilatore che scambia calore con il fluido refrigerante, per mezzo dell’aria esterna.
Il collegamento termico tra le due unità è realizzato mediante delle tubazioni di refrigerante ad alta pressione.
POMPE DI CALORE HYDROSPLIT
La pompa di calore Hydrosplit è concettualmente assimilabile ad una PDC monoblocco associata a un modulo interno idronico che integra tutti i componenti idraulici ed elettronici della macchina in modo tale da convogliarli in un unico luogo e renderli accessibili più facilmente alla manutenzione. Tali componenti risultano anche maggiormente protetti rispetto a un posizionamento esterno.
Il collegamento tra le due unità è realizzato attraverso delle tubazioni idroniche.