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La tecnologia delle pompe di calore

L'impianto a pompa di calore
Una pompa di calore è un dispositivo in grado di trasferire l'energia termica da un ambiente a bassa temperatura ad uno a temperatura più elevata.
La sua denominazione deriva dall’analogia con le pompe idrauliche che trasferiscono l’acqua da un punto ad una certa quota ad un punto che si trova ad una quota più elevata.
Le pompe di calore possono trasferire energia termica in una direzione opposta alla direzione del flusso di calore spontaneo. Infatti il calore si trasmette naturalmente da una fonte ad alta temperatura ad una a più bassa temperatura (ad es. attraverso i muri di una casa in inverno).
La macchina per operare questo trasferimento “innaturale” del calore deve spendere una certa quantità di energia, ossia compiere un lavoro (lavoro di compressione).
Questo lavoro può essere compiuto in due modi diversi:
•   con un compressore (azionato generalmente da energia elettrica): pompe di calore elettriche a compressione
•   con un processo di assorbimento (generalmente innescato dalla combustione di gas naturale o gpl): pompe di calore ad assorbimento il vantaggio della macchina ‘pompa di calore’ sta nel fatto che l’energia termica resa è pari ad almeno tre-quattro volte l’energia spesa.
Utilizzi della pompa di calore
La maggior parte delle pompe di calore vendute in Italia permette due tipi di utilizzo:
•   riscaldamento invernale degli ambienti abitati
•   raffrescamento estivo
•   contemporaneo riscaldamento e raffreddamento degli ambienti.
Nel primo caso, la macchina è in grado di realizzare un trasferimento di energia termica da una sorgente di calore fredda ad un pozzo di calore caldo.
Infatti il sistema è in grado di trasferire, all’ambiente da riscaldare (pozzo caldo), il calore (totalmente gratuito) assorbito dall’ambiente esterno freddo (sorgente di calore fredda), insieme alla parte di lavoro compiuto dalla macchina (lavoro di compressione) convertita in calore (cioè l’effettivo consumo di energia, l’unico che viene effettivamente pagato). Quindi, nell’utilizzo relativo al riscaldamento degli ambienti, la pompa di calore è un sistema che permette di risparmiare energia primaria, diventando anche economicamente conveniente per l’utente finale.
Nel secondo caso, nel funzionamento estivo, si invertono i ruoli della sorgente di calore e del pozzo di calore. Infatti in questo caso la sorgente di calore è l’ambiente da raffrescare (da cui viene sottratto calore), mentre il pozzo caldo è l’ambiente esterno più caldo.
Nel terzo caso, tramite una valvola a tre vie, la macchina è in grado di funzionare in entrambe le modalità.
Le pompe di calore sono anche in grado, se richiesto, di produrre acqua calda sanitaria (ACS).
Macchine a compressione e macchine ad assorbimento
In tutti i modi di utilizzo appena illustrati deve essere spesa dell’energia, ossia la macchina deve compiere un lavoro (lavoro di compressione).
Questo lavoro può essere compiuto in due modi diversi:
•   con un compressore (azionato generalmente da energia elettrica): pompe di calore elettriche a compressione
•   con un processo di assorbimento (generalmente innescato dalla combustione di gas naturale o gpl): pompe di calore ad assorbimento
Pompe di calore a compressione
La pompa di calore a compressione è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato liquido o di vapore.
Il circuito chiuso è costituito da:
A.   un compressore in cui il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall’evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione il fluido si riscalda assorbendo una certa quantità di calore
B.   un condensatore, ossia uno scambiatore di calore, dove il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all’ambiente interno da riscaldare (nel funzionamento invernale)
C.   una valvola di espansione (o di laminazione): il fluido frigorigeno liquido subisce un’espansione passando da alta a bassa pressione: questo passaggio è causa di una brusca diminuzione di temperatura ed il processo può avvenire nuovamente poiché sono state ripristinate le condizioni iniziali
D.   un evaporatore, ossia uno scambiatore di calore, dove, nel funzionamento invernale, il fluido frigorigeno viene fatto evaporare a bassa pressione e bassa temperatura utilizzando l’energia della sorgente di calore esterna.
Il funzionamento appena descritto è relativo al funzionamento in riscaldamento; una valvola a quattro vie permette di invertire il ciclo appena descritto scambiando le funzioni dell’evaporatore e del condensatore permettendo il funzionamento in raffrescamento.
Pompe di calore ad assorbimento
Questo tipo di macchine non è a tutt’oggi molto diffuso, ma i dati di vendita prevedono una maggiore penetrazione di questa tecnologia nei prossimi anni.
Nelle macchine frigorifere ad assorbimento, come in quelle a compressione, il fluido evolve tra due livelli di pressione.
I due tipi di macchine differiscono per il modo in cui viene creata tale differenza di pressione.
Nelle macchine ad assorbimento, si sostituisce il gruppo motore-compressore con un “compressore termico” composto da due scambiatori di calore (generatore ed assorbitore), una seconda valvola di strozzamento ed una pompa. In questo ciclo il vapore di refrigerante ad alta pressione che deve seguire il percorso condensatore-valvola V1-evaporatore per creare l’effetto utile frigorifero (-10 ~ +5 °C), viene creato da una caldaia (generatore) dove bolle una soluzione di refrigerante e di sostanza assorbente.
Tale operazione viene condotta per mezzo di energia termica QG ad alta temperatura (90~180 °C) ceduta da un bruciatore a gas oppure da un serpentino percorso da vapore od acqua calda. Il vapore a bassa temperatura prodotto dall’evaporatore viene invece inviato nell’assorbitore, dove viene ceduto calore QA al pozzo caldo al pari del condensatore (40~60 °C), per miscelarsi con la corrente di soluzione povera di refrigerante che proviene dal fondo del generatore.
La soluzione ricca di refrigerante così ricostituita viene inviata al generatore per mezzo di una pompa elettrica a basso consumo. Quindi in questo secondo ciclo, con una coppia di fluidi opportunamente scelti, è possibile ottenere un effetto utile frigorifero utilizzando energia termica ad alta temperatura.
Le pompe di calore ad assorbimento più comuni utilizzano come refrigerante l’ammoniaca e come assorbente l’acqua.
Scaldacqua a pompa di calore
Un’applicazione particolare della tecnologia delle PdC elettriche a compressione è rappresentata dagli scaldacqua a PdC, che sono in grado di sostituire gli scaldabagni classici (elettrici o a gas).
Gli scaldacqua a pompa di calore si possono classificare in base alla disposizione degli organi meccanici della macchina: compressore, ventilatore, e dell’evaporatore, ecc. Si possono così distinguere: unità monoblocco e unità split
Nel primo caso tutti gli organi sono integrati in un’unica unità con il vantaggio di avere un impatto visivo nullo sull’esterno dell’edificio e di poter utilizzare come fonte rinnovabile l’aria esterna o l’aria interna al locale. Quest’ultimo è un grande vantaggio soprattutto per le utenze commerciali che necessitano anche di raffrescamento e deumidificazione dei locali durante la gran parte dell’anno (lavanderie, cucine di mense e ristoranti, ecc.).
Le unità split, invece, si caratterizzano per il fatto di essere formate da due parti separate, esattamente come le pompe di calore split a cui ormai siamo tutti abituati. In questo caso non è possibile prelevare calore dall’aria interna, ma il comfort acustico all’interno del locale risulta maggiore, in quanto tutti gli organi meccanici rumorosi sono nell’unità esterna. Inoltre anche la manutenzione e l’installazione sono in questo caso più semplici.
Il COP degli scaldacqua a PdC è inferiore a quello delle pompe di calore per il riscaldamento. Il COP delle PdC ha infatti valori dell’ordine del 3-4-5 circa (a 7°C), mentre per uno scaldacqua esso ha valori intorno a 2,6-3,0 per una temperatura dell’aria di 7°C.
Tuttavia un COP così basso non è indice di bassa efficienza. Infatti, la ragione sta soprattutto per il più impegnativo compito degli scaldacqua che devono portare la temperatura dell’acqua a valori più elevati rispetto a quelli di un sistema di riscaldamento. Quest’ultimo aspetto influenza molto la prestazione degli scaldacqua a PdC in quanto devono portare la temperatura dell’acqua da 10-15°C (temperatura dell’acquedotto) fino a 55°C, mentre il salto termico richiesto alle pompe di calore per riscaldamento è molto inferiore (con un impianto radiante a pavimento l’acqua deve essere portata da circa 25°C fino a circa 35°C).

Una valutazione del risparmio economico conseguibile si può trovare nella Scheda tecnico-economica scaricabile da questa pagina, Area Dowload.

La sorgente termica
Le pompe di calore possono essere distinte in funzione delle tipologie di sorgenti termiche che vengono utilizzate: aria, acqua, suolo.
Si possono avere i seguenti accoppiamenti:
-  aria   –   aria
-  aria   –   acqua
-  acqua – aria
-  acqua – acqua
-  suolo  -  aria
-  suolo  –  acqua.
Dove, ad esempio nel funzionamento invernale, il primo termine indica la cosiddetta sorgente fredda, cioè il mezzo esterno da cui si estrae calore.
Il secondo termine, detto pozzo caldo, rappresenta il fluido da riscaldare (per esempio l'aria dell'ambiente da climatizzare o l'acqua dell'impianto di riscaldamento).
•   L’aria come sorgente fredda ha il vantaggio di essere disponibile ovunque, tuttavia la potenza resa dalla pompa di calore diminuisce con la temperatura della sorgente. Nel caso si utilizzi l’aria esterna, è necessario (intorno a 0 °C) un sistema di sbrinamento che comporta un ulteriore consumo di energia.
Diverso e più vantaggioso è l’impiego come sorgente fredda dell’aria interna viziata (aria estratta), che deve essere comunque rinnovata.
• L’acqua come sorgente fredda garantisce le prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche esterne, tuttavia richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione.
• Il terreno come sorgente fredda garantisce ottime prestazioni alla pompa di calore. Infatti alla profondità di 10 metri circa il terreno presenta una temperatura costante tutto l’anno, che oscilla dai 12 ai 14 gradi centigradi; infatti a queste profondità le condizioni climatiche esterne non influiscono sulle condizioni termiche del sottosuolo. In questo contesto tecnologico risulta essere importante l’analisi del sottosuolo in riferimento alle diverse stratigrafie presenti e della presenza o meno di falde acquifere, per il giusto dimensionamento delle sonde geotermiche e della pompa di calore che gestirà termicamente gli spazi dell’edificio.
Schema impiantistico di un impianto a pompa di calore
Un impianto a pompa di calore può essere di due tipi:
•   a fluido intermedio (o idronici) se i terminali sono alimentati da acqua, raffreddata o riscaldata da un generatore di calore indipendente.
•   a espansione diretta se sono alimentati direttamente dal refrigerante del circuito frigorifero.
La principale differenza tra un impianto ad espansione diretta ed uno a fluido intermedio è data dalla posizione dell’evaporatore (o condensatore nel funzionamento invernale) rispetto all’ambiente da climatizzare.
Nei sistemi ad espansione diretta l’evaporatore e/o condensatore, è posto a contatto con l’ambiente da climatizzare e lo scambio di calore avviene tra il refrigerante e l’aria.
Nei sistemi a fluido intermedio l’evaporatore e/o condensatore è separato dall’ambiente da climatizzare dal circuito idrico. Lo scambio termico è doppio: l’ambiente scambia calore con l’acqua del circuito di distribuzione attraverso il terminale dell’impianto e questa scambia calore con il refrigerante del circuito attraverso lo scambiatore refrigerante – acqua.
Osservando la figura si possono dedurre alcune caratteristiche fondamentali che differenziano i due sistemi:
- nei sistemi a fluido intermedio ogni elemento del gruppo frigorifero è completamente svincolato dall’ambiente da climatizzare e, pertanto, non viene da questo direttamente influenzato; analogamente il terminale dell’impianto vive una vita autonoma rispetto al gruppo frigorifero e può essere alimentato a temperatura costante, indipendentemente dalle condizioni termoigrometriche dell’ambiente da climatizzare;
- al contrario, nei sistemi ad espansione diretta uno degli scambiatori di calore è a contatto con l’ambiente da climatizzare che, di conseguenza, influenza pesantemente, soprattutto in regime estivo, le prestazioni del circuito frigorifero.
Gli impianti ad espansione diretta trovano applicazione in piccoli impianti di climatizzazione (max 20-25 m di tubazione tra unità esterna e unità interna). Il superamento di questi limiti può comportare:
•   perdita di efficienza energetica
•   aumento del rischio di fughe di gas refrigerante
•   pericolo di “grippaggio” del compressore.
Benefici economici

L’evoluzione delle tecnologie e l’abbassamento dei costi delle macchine hanno reso economicamente conveniente la realizzazione di sistemi che utilizzano tali macchine sia nella realizzazione al nuovo nel settore civile, residenziale e soprattutto dei servizi, sia negli interventi di retrofit in occasione di importanti ristrutturazioni del patrimonio edilizio esistente; ciò anche in ragione degli incentivi economici in vigore.

Verranno esaminati gli aspetti tecnico-economici relativi a due casi significativi, tra i molteplici che possono presentarsi nella pratica corrente:

A) Confronto tra l’installazione in retrofit di un impianto di condizionamento a pompa di calore e di un impianto di riscaldamento con caldaia a gas metano
B) Sostituzione di un vecchio generatore di calore a gas esistente con un sistema innovativo di riscaldamento a pompa di calore

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Il mercato
Il mercato italiano è attualmente influenzato da tre fattori principali:
1. Il rapporto di prezzo delle diverse fonti di energia e le tecnologie (confrontato con il corrispondente costo di investimento dell'impianto di riscaldamento)
2. Le condizioni delle costruzioni, in particolare il mercato dei nuovi edifici e delle ristrutturazioni
3. Un quadro politico e (ancora più importanti) sistemi di sovvenzione finanziaria e fiscale a livello nazionale, che favoriscano l’efficienza energetica degli edifici e i prodotti che utilizzano vantaggiosamente le fonti di energie rinnovabili.
E’ opportuno sottolineare che recentemente si stanno intensificando le misure politiche di incentivazione, alimentate da una crescente consapevolezza dei rischi associati alla sicurezza dell'approvvigionamento energetico nazionale, all'aumento dei costi energetici e all'impatto ambientale delle fonti energetiche non rinnovabili.
La maggior parte delle pompe di calore sono installate nel segmento dei nuovi edifici, sebbene in proiezione si preveda una leggera flessione fino al 2014, a causa della contrazione del mercato dell’edilizia. Il mercato delle ristrutturazioni in edilizia è invece previsto in aumento, in particolare grazie all’utilizzo di unità ad aria capaci di alte temperature dell’acqua in uscita. Inoltre, non dovrebbe essere trascurato il fatto che il 76% degli edifici in Italia deve essere ristrutturato con la favorevole conseguenza di mettere a disposizione delle pompe di calore un vasto parco di impianti oggi serviti da sistemi di riscaldamento tradizionale.
Schede Tecnico - economiche

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