Impianto a Pompa di Calore – Come Funziona

La tipologia a pompa di calore è una macchina capace di sfruttare sorgenti di calore naturali per ottenere aria o acqua calda da utilizzare in impianti di riscaldamento a bassa temperatura, oppure in impianti per il condizionamento. L’idea geniale di creare una pompa di calore per produrre riscaldamento nasce dalla considerazione che è teoricamente possibile estrarre calore dalle immediate vicinanze di un edificio (per esempio, sottraendolo da aria, terreno o acqua) e utilizzare tale calore, tramite una pompa, per riscaldare la casa e l’acqua sanitaria con sistemi convenzionali. Poiché aria, acqua e terra sono, a loro volta, riscaldati dal sole, il sistema si può perpetuare.

La pompa di calore funziona sullo stesso principio di un apparecchio già presente in tutte le case, cioè il frigorifero domestico: quando vi vengono introdotti dei cibi a temperatura ambiente, il loro calore viene “estratto” (ecco perché la serpentina si scalda), finché essi raggiungono la temperatura di circa 4-5 °C. A questo punto il motore si ferma per tutto il tempo in cui l’isolamento esterno dell’apparecchio riesce a mantenere inalterata la temperatura interna; quando essa torna a salire, il motore si riavvia. Durante questo processo, il frigorifero immette nell’ambiente della cucina una certa quantità di calore, che è superiore all’emissione di calore (sotto forma di energia elettrica o di gas) che è stata necessaria per farlo funzionare: il calore in più è appunto quello estratto dai cibi nel loro raffreddamento da 21 °C a 5 °C. Mettendo insieme le due cose, la conseguenza pratica è che, su una scala più ampia di quella del frigo da cucina, lo stesso principio può essere applicato a una casa, creando un condotto a serpentine scavato nel terreno (o esposto all’aria, o immerso in un corso d’acqua) con il quale si ricava calore a bassa temperatura; inoltre, è possibile sfruttare l’energia supplementare del sistema sotto forma di elettricità per azionare il compressore.

Funzionamento ed efficienza
Gli impianti che scaldano con pompa di calore, con differenti sistemi di funzionamento, possono essere a gas o a elettricità. L’impianto elettrico (o pompa di calore a ciclo frigorifero a compressione meccanica di vapore saturo) è un sistema chiuso, intorno al quale scorre un gas frigorigeno. Ma anche se impiega l’elettricità (cioè la fonte più pregiata di energia), la pompa di calore è un apparecchio molto efficiente, perché consente di restituire, sotto forma di energia termica a bassa temperatura, fino a oltre tre volte la potenza elettrica consumata. Come abbiamo già detto, il suo funzionamento è analogo a quello dei frigoriferi, ma avviene in senso opposto: si sottrae calore a una sorgente più fredda e lo si fornisce a una temperatura più elevata per l’utilizzo finale.

L’apparecchio può essere azionato anche in senso inverso, come un normale frigorifero a compressione: in questo caso si dice che è reversibile e viene usato anche per raffrescare. La pompa di calore fornisce temperature non superiori a 55 °C, il che la rende inadatta ad alimentare caloriferi a 70 °C, ma perfetta per i sistemi radianti a bassa temperatura, che possono essere azionati a 40-45 °C, oppure per gli impianti ad aria calda, per i quali può essere già sufficiente aria riscaldata a 30-35 °C. In pratica, un classico impianto con pompa di calore centralizzata è una macchina che, a seconda della stagione, riscalda dell’acqua intorno ai 50 °C (oppure la raffredda) e, come una normale caldaia, la distribuisce in tutta la casa, alimentando sistemi a bassa temperatura. Con temperature invernali rigide non può da sola scaldare tutta la casa, ma è una soluzione efficace nelle mezze stagioni o al Sud; inoltre, con lo stesso impianto si ottiene anche il condizionamento estivo: i pannelli vengono alimentati ad acqua refrigerata a temperatura non inferiore a 15 °C, perciò non abbastanza fredda da condensare l’umidità atmosferica (i caloriferi tradizionali, invece, non vanno utilizzati in questo modo, perché si coprirebbero di condensa). L’efficienza della pompa di calore è ottima finché la temperatura esterna non scende sotto i 5-6 °C; quando fa più freddo, la sua resa si riduce (anche se può funzionare fino a –15 °C).

Perciò (per sostituire la pompa di calore nei periodi invernali più rigidi) è necessario integrare l’impianto con una caldaia aggiuntiva di tipo tradizionale, meglio se del tipo a condensazione, che garantisce i più elevati rendimenti nell’erogazione di acqua calda a bassa temperatura. Lo Scop (Seasonal coefficient of performance) definisce l’efficienza di una pompa di calore. Il suo valore è dato dal rapporto fra l’energia termica fornita all’ambiente e l’energia elettrica consumata dall’apparecchio. Non si tratta di un valore costante, ma varia in rapporto alla temperatura dell’aria esterna: più questa è alta, più lo Scop sale; più si abbassa, più lo Scop si riduce. Il vantaggio economico è tanto maggiore quanto maggiore è lo Scop.

La sorgente fredda e il pozzo caldo
La sorgente fredda è il mezzo esterno da cui la pompa di calore estrae calore. Le principali sorgenti fredde sono:
-aria, quella esterna al locale in cui si trova la pompa o quella estratta dal locale stesso
-acqua, di falda, di fiume, di lago, nel caso sia presente presso l’edificio da riscaldare, oppure acqua accumulata in serbatoi e riscaldata dal sol
e-terreno circostante l’edificio, in cui si possono inserire apposite tubazioni per lo scambio termico

Il pozzo caldo è invece il termine con cui si indica l’aria o l’acqua che si deve riscaldare, alle quali la pompa di calore cede sia il calore prelevato dalla sorgente fredda sia quello prodotto dall’energia fornita per far funzionare la macchina.

I diversi tipi di pompe di calore
A seconda della sorgente fredda e del pozzo caldo che utilizzano, si distinguono diversi tipi di pompe di calore:
-aria-acqua (sono le più diffuse)
-aria-aria
-acqua-acqua
-terra-acqua.

Essendo il sistema più pratico da applicare, la maggioranza delle pompe di calore in commercio (e dei climatizzatori con pompe di calore) impiega l’aria esterna come ponte da cui prendere (o a cui cedere) energia per riscaldare e raffreddare. Benché siano le più diffuse, sono le meno efficienti, perché, quando in inverno l’aria esterna si raffredda molto, il divario tra la sorgente fredda e quella calda sale notevolmente, riducendo l’efficacia e perciò anche la convenienza economica. Se la situazione lo consente si possono applicare altri sistemi che, per fornire o prelevare calore, usano l’acqua (per esempio, quando non si possono utilizzare unità esterne condensanti). Questo è più conveniente, perché i rendimenti migliori si ottengono quando è ridotta la differenza di temperatura tra la sorgente fredda (che cede calore) e la zona calda (che lo riceve). È il caso, per esempio, che si presenta quando la sorgente fredda è costituita da acqua (di un lago o un fiume vicino) che ha temperatura abbastanza costante tutto l’anno, intorno ai 5-10 °C anche in inverno, mentre la temperatura finale da produrre non supera i 45-50 °C. In queste condizioni la pompa raggiunge il Scop ottimale di 3,5.

Nelle sue varie versioni la pompa di calore può essere utilizzata con vantaggio sia per climatizzare gli ambienti sia per riscaldare l’acqua sanitaria. Il suo uso per climatizzare gli ambienti è ormai largamente diffuso in alternativa ai sistemi convenzionali composti da un impianto refrigerante e uno di riscaldamento. Nel caso del riscaldamento dell’acqua sanitaria bisogna ricordare che, dato che la temperatura dell’acqua prodotta non supera i 55 °C, sono necessari serbatoi di accumulo più grandi di quelli impiegati negli apparecchi elettrici o a gas.

Pompa di calore a energia geotermica
Detta anche impianto geotermico, è l’applicazione della pompa di calore che sfrutta il calore naturale accumulato dal terreno, che già a pochi metri di profondità si mantiene più o meno costante tutto l’anno, per fornire riscaldamento e condizionamento. È un sistema già diffuso negli Stati Uniti, in Canada, in Australia e nel Nord Europa. È attualmente presente anche in Italia, sia su piccola sia su media grande scala.

I suoi componenti sono
-una pompa di calore a bassa temperatura installata all’interno dell’edificio
-un insieme di sonde geotermiche, cioè di tubi interrati orizzontalmente o verticalmente, quando lo spazio è limitato, oppure installati in acqua
-un sistema per lo scambio di calore con l’interno (tramite bocchette per il passaggio di aria riscaldata oppure con sistemi radianti), un apparecchio elettrico a basso consumo e temperatura in grado di trasferire energia agli impianti di riscaldamento e raffrescamento
-un serbatoio di accumulo per la produzione di acqua calda.

Nel caso di un impianto in orizzontale, le sonde geotermiche sono interrate a una profondità di circa 60 cm e occorre una certa ampiezza di terreno (qualche decina di metri quadrati, dato che ci vogliono circa 3 m2 per ogni kW di energia da produrre). Nel caso di un impianto in verticale, le sonde devono scendere in profondità, fino a 100 m, a volte addirittura a 150-200 m; bisogna perciò accertarsi che non ci siano vincoli per la perforazione del terreno. I terreni migliori sono quelli a elevata conducibilità di calore; per esempio, quelli sabbiosi e con ghiaia, essendo molto secchi, risultano poco indicati. Se è presente un lago, per scambiare calore i tubi si possono posizionare anche nell’acqua (oltre che nel terreno). Nel caso, invece, si voglia sfruttare l’acqua della falda freatica (un tipo di falda acquifera), bisogna verificare che non sia soggetta a tutela idrica.

Come funziona il sistema? In inverno, quando il calore dei tubi proveniente dal terreno giunge alla pompa di calore, viene a contatto con le spire di un evaporatore contenenti un liquido refrigerante che, per effetto del calore dei tubi, evapora e viene inviato a un compressore. Qui, altamente compresso e surriscaldato, passa allo scambiatore e cede il suo calore all’ambiente interno. Una volta raffreddato, il refrigerante torna allo stato liquido e si riavvia il ciclo. In estate il ciclo si inverte, in modo che il sistema, anziché riscaldarlo, raffreschi l’ambiente, cedendo al terreno il calore estratto dai locali interni. Il calore recuperato può anche essere riutilizzato per scaldare l’acqua sanitaria. In genere, il sistema sfrutta tubi a circuito chiuso (esistono però, come abbiamo visto, anche conformazioni che pescano acqua da una falda). Se ben realizzato, il sistema presenta un’efficienza ancora superiore a quella delle pompe di calore convenzionali. La manutenzione è semplice e limitata ai filtri dell’aria; le sonde durano circa 25 anni e non hanno bisogno di manutenzione; i costi di gestione sono molto inferiori a quelli dei sistemi tradizionali. Così come i sistemi solari, i sistemi geotermici sono indicati per alimentare impianti di riscaldamento a bassa temperatura; inoltre, richiedono un edificio a buone prestazioni energetiche, cioè ben isolato, perché in caso contrario perdono molta della loro efficacia.