Sistemi a pompa di calore: classificazione, dimensionamento, vantaggi e svantaggi

Cosa sono e come funzionano i sistemi a pompa di calore? In questo articolo approfondiamo l’argomento, analizzandone tipologie, funzionamento, normativa e quali sono i parametri principali per analizzarne la convenienza e dimensionarle. 

Entrando nel merito delle diverse classificazioni, vengono evidenziati i vantaggi e gli svantaggi di tali sistemi, con un occhio ai fattori che ne influenzano l’efficienza, per orientarne la scelta ed il corretto dimensionamento.

Inquadramento tecnologico e funzionale dei sistemi a pompa di calore

Funzionamento di una pompa di calore

La pompa di calore è una macchina ciclica in grado di trasferire energia, sotto forma di calore, da una sorgente termica a bassa temperatura (pozzo freddo) ad una sorgente termica a temperatura più elevata (pozzo caldo) attraverso la somministrazione di lavoro meccanico esterno. Grazie ad esso si rende disponibile una quantità di energia termica che viene assorbita dall’esterno a bassa temperatura e, attraverso quello che viene chiamato ciclo di Carnot inverso, utilizzata per riscaldare l’ambiente interno. 

Figura 1 - Schematizzazione di un ciclo termodinamico inverso

Dove:

• qi  è il calore asportato dalla sorgente fredda
• qs  è il calore fornito alla sorgente calda
• l    è il lavoro meccanico somministrato al sistema dall’esterno

Un ciclo inverso, così detto poiché viene eseguito non con la produzione ma con la necessaria somministrazione di lavoro dall’esterno, viene realizzato collegando tra loro, in un circuito chiuso lungo il quale circola il fluido di lavoro, quattro elementi fondamentali:

• Un compressore
• Un condensatore
• Una valvola di espansione
• Un evaporatore

Figura 2 - Ciclo teorico di una Pompa di Calore nel piano (p, h) per R134a

Le 4 diverse fasi che caratterizzano il funzionamento di una Pompa di Calore

Vediamo nel dettaglio le 4 diverse fasi che caratterizzano il funzionamento tipico di una Pompa di Calore, secondo lo schema mostrato nella Figura 2:

• Compressione (1→2) del vapore saturo: il vapore saturo a bassa pressione entra nel compressore e subisce una compressione adiabatica reversibile (compressione isoentropica), fino a diventare liquido;
• Condensazione con cessione di calore Qc (2→3): il calore viene ceduto all'ambiente alla temperatura superiore, in un processo di condensazione a pressione costante attraverso uno scambiatore di calore, il condensatore, da cui il fluido di lavoro esce come il liquido saturo;
• Laminazione attraverso una valvola di espansione (3→4): avviene il passaggio attraverso la valvola di espansione, nella quale il fluido passa dalla pressione più alta alla pressione più bassa, diminuendo contemporaneamente la propria temperatura e conservando l'entalpia che aveva inizialmente (espansione isoentalpica). Il liquido, non essendo più compresso, è tornato allo stato di vapore;
• Evaporazione con assorbimento di calore Qe (4→1): il calore viene ricevuto dal sistema a temperatura inferiore in un processo di evaporazione a pressione costante attraverso uno scambiatore di calore, l’evaporatore, chiudendo il ciclo.

In modalità macchina frigorifera (funzionamento estivo) la sorgente termica a bassa temperatura (evaporatore) è l’ambiente interno, mentre l’esterno funge da pozzo caldo.

Nella modalità pompa di calore (funzionamento invernale) la sorgente termica a bassa temperatura (evaporatore) è al di fuori dell’edificio (aria, acqua, suolo), mentre il pozzo caldo può essere l’aria dell’ambiente da climatizzare, l’acqua calda sanitaria oppure il fluido termovettore che alimenta i terminali. 

Le caratteristiche del fluido refrigerante

È fondamentale sottolineare che il fluido refrigerante debba possedere la proprietà di condensare anche a temperature ambiente e pressioni relativamente basse. Nello specifico, le sue caratteristiche devono essere le seguenti:

• Temperatura critica elevata sensibilmente maggiore della temperatura di condensazione che si verifica nel ciclo;
• Bassa temperatura di solidificazione per non solidificare durante il regolare funzionamento;
• Calore di evaporazione molto alto, in modo da realizzare un elevato effetto frigorifero; 
• Composizione chimica stabile;
• Assenza di caratteristiche tossiche o infiammabili.

Quadro normativo di riferimento per le pompe di calore

Il 29 marzo 2011 entra in vigore il Dlgs n. 28/2011 “Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE” destinato a riformare il futuro delle fonti rinnovabili nel nostro Paese. Esso ridefinisce completamente i criteri di integrazione e i tempi delle rinnovabili negli edifici di nuova costruzione e negli edifici esistenti sottoposti a ristrutturazioni rilevanti. Inoltre, all’Allegato 2, stabilisce i requisiti e le specifiche tecniche degli impianti alimentati da fonti rinnovabili ai fini dell’accesso agli incentivi nazionali. 

La prestazione delle macchine deve essere misurata in conformità alle seguenti norme:

• per le pompe di calore elettriche in base alla UNI EN 14511:2018 “Condizionatori, refrigeratori di liquido e pompe di calore con compressore elettrico per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti e refrigeratori per cicli di processo con compressore elettrico”;
• per le pompe di calore a gas ad assorbimento in base alla UNI EN 12309-2 (valori di prova sul p.c.i.);
• per le pompe di calore a gas endotermiche non essendoci una norma specifica, si procede in base alla UNI EN 14511:2018.
• Un’altra norma fondamentale è la specifica tecnica UNI/TS 11300-4:2016 “Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria”. Essa calcola il fabbisogno di energia per la climatizzazione invernale e la produzione di acqua calda sanitaria nel caso vi siano sottosistemi di generazione che forniscono energia termica utile da fonti rinnovabili o con metodi di generazione diversi dalla combustione a fiamma di combustibili fossili trattata nella UNI/TS 11300-2. 

La UNI/TS 11300-4:2016 fornisce la classificazione delle tipologie di fonti di energia da cui si estrare calore tramite pompe di calore (on site, off site), la definizione dei diversi tipi di servizio (riscaldamento, acqua calda sanitaria, oppure i due combinati), la classificazione degli impianti in monovalenti, bivalenti monoenergetici e bivalenti bienergetici, la classificazione degli impianti in funzione dei vettori energetici, la priorità di funzionamento dei generatori.

Vengono inoltre definite, all’interno dello standard: 

• le condizioni climatiche di riferimento per i dati prestazionali che dovranno essere forniti dal costruttore della pompa di calore;
• i metodi per la determinazione delle prestazioni delle pompe in condizioni diverse da quelle dichiarate;
• i metodi per la determinazione delle prestazioni delle pompe in condizioni di carico ridotto.

La diffusione sul mercato delle unità funzionanti a gas refrigerante, chiller e pompe di calore, ha spinto la comunità internazionale ad introdurre nuove norme e vincoli che regolamentassero gli utilizzi dei fluidi refrigeranti, in quanto, il rilascio in atmosfera di questi ultimi contribuisce significativamente al surriscaldamento globale e al depauperamento dell’ozono. In tal senso, è opportuno ricordare le due normative di riferimento.

• La norma UE 517/2014: Normativa F-Gas. La necessità di ridurre le emissioni di gas serra ha obbligato la comunità europea ad emanare una norma che regolamentasse l’uso, il recupero e la distruzione dei gas fluorati ad effetto serra. 
• La norma UNI EN 378:2017, “Sistemi di refrigerazione e pompe di calore - Requisiti di sicurezza e ambientali”, specifica i requisiti per la sicurezza delle persone e dei beni e fornisce una guida per la tutela dell’ambiente, stabilendo le procedure per l’esercizio e la manutenzione degli impianti a gas refrigerante. Tale norma si presenta in 4 blocchi.

Il D.M. 26/06/2015 c.d. Requisiti Minimi “Adeguamento linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici” impone i requisiti specifici per gli edifici esistenti soggetti a riqualificazione energetica ed all’Appendice B, stabilisce i valori dei parametri caratteristici degli impianti tecnici, presentati di seguito.

Per quanto riguarda, invece, il calcolo e l’analisi delle prestazioni stagionali delle pompe di calore la normativa di riferimento è la UNI EN 14825:2019 recante “Condizionatori d'aria, refrigeratori di liquido e pompe di calore, con compressore elettrico, per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti - Metodi di prova e valutazione a carico parziale e calcolo del rendimento stagionale”. Questa normativa europea definisce il metodo per la determinazione del coefficiente di prestazione energetica stagionale in raffrescamento (SEER) e in riscaldamento (SCOP). In tale norma non è considerato il caso in cui la pompa di calore produca energia termica per usi sanitari (ACS).

Fatta questa breve ma dovuta premessa, vediamo nel dettaglio i parametri principali che caratterizzano il funzionamento dei sistemi a pompa di calore.

Parametri che influenzano l’efficienza energetica di una pompa di calore

L’efficienza dei refrigeratori d’acqua e pompe di calore è determinata da numerosi fattori, tra i più importanti vi sono:

• Le temperature delle sorgenti calda e fredda (i salti di temperatura si traducono in salti di pressione. Al di fuori del campo di lavoro la pompa si blocca)
  
  
• Le modalità di parzializzazione dei circuiti frigoriferi (il COP delle macchine con regolazione ON-OFF del singolo circuito ha un andamento sempre decrescente, a differenza dei modelli con circuito parzializzabile in cui il COP sale al diminuire del carico fino al 25%, per poi riscendere se il carico si riduce ancora)
  
  
• Il contenuto d’acqua dell’impianto (influisce sul numero di avviamenti e sui tempi di funzionamento di un compressore).

Per una macchina frigorifera a compressione si definiscono:

• EER (Energy Efficiency Ratio): rapporto tra la potenza frigorifera prodotta (Pf) e la potenza elettrica assorbita (Pe) nel funzionamento come refrigeratore
  
  
• COP (Coefficient Of Performance): rapporto tra la potenza termica prodotta (Pt) e la potenza elettrica assorbita (Pe) nel funzionamento come pompa di calore.

EER=  Pf/Pe                         COP=  Pt/Pe 

In determinate condizioni di funzionamento      Pt=Pf+Pe      per cui si ottiene: COP=EER+1

Riprendendo il concetto del ciclo inverso ideale di Carnot, costituito da due trasformazioni isoterme e due adiabatiche reversibili tra le temperature θe e θc, si dimostra come i valori massimi teoricamente ottenibili per tali parametri siano esclusivamente funzione della temperatura assoluta della sorgente calda θc (di condensazione) e della temperatura assoluta della sorgente fredda θe (di evaporazione):

EER =  θe / (θc - θe)                    COP =  θc / (θc - θe) 

È bene precisare che nelle macchine reali si tiene, ovviamente, conto delle perdite di carico e di calore nel condensatore, nell’evaporatore e nelle tubazioni e del rendimento isoentropico del compressore. 

Il diagramma seguente mostra l’andamento dell’EER estivo e del COP invernale per pompe di calore aria-acqua a compressione. Come si può notare, l’efficienza energetica è tanto maggiore quanto più è alta la temperatura della sorgente fredda θe e quanto più è bassa la temperatura del ricettore caldo θc.

Figura 3 - Efficienza estiva ed invernale in funzione della temperatura del pozzo caldo e freddo per macchine a compressione

Il COP a carico parziale è diverso dal COP a pieno carico ed è dato da quest’ultimo moltiplicato per un fattore di correzione, che si ipotizza dipenda solo dal fattore di carico macchina (CR) e non dalle condizioni di funzionamento. Per le macchine inverter il COP è migliore ai carichi medi. Mentre per le macchine ON-OFF è necessario un accumulo per limitare le dispersioni.

• SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio): rapporto di efficienza energetica stagionale in raffrescamento;
  
  
• SCOP: (Seasonal Coefficient Of Performance): rapporto di efficienza energetica stagionale in riscaldamento.

Si tratta di due parametri riassuntivi calcolati che si basano su una miscelazione teorica dei dati ottenuti in quattro punti di prova (A,B,C,D) nei quali il costruttore può scegliere il clima di riferimento, la temperatura di progetto, il tipo di regolazione etc.. Essi riflettono il vero consumo energetico di una pompa di calore, sulla base della relativa efficienza energetica nell'arco dell'anno.

I valori SEER e SCOP misurano il consumo energetico e l'efficienza annuali sulla base di un tipico consumo giornaliero. Prendono in considerazione le variazioni di temperatura e i tempi di stand-by sul lungo periodo, in modo da fornire un'indicazione precisa e attendibile dell'efficienza energetica tipica di un'intera stagione di riscaldamento o raffrescamento.

Per una macchina frigorifera ad assorbimento si definisce:

• GUE (Gas Utilization Efficiency): rapporto tra l’energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) e l’energia consumata dal bruciatore. Il GUE varia in funzione del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 1,6÷1,7. Questo vuol dire che per 1 kWh di energia equivalente di gas consumato fornirà 1,6 kWh di calore al mezzo da riscaldare. 

Classificazione dei sistemi a pompa di calore

Si possono operare diverse scomposizioni delle tipologie di impianto a pompa di calore. 

In funzione della distribuzione:

• Espansione diretta: il fluido refrigerante scambia calore nella batteria presente in ambiente direttamente con l’aria del locale da climatizzare. È un sistema che garantisce flessibilità di funzionamento, alto rendimento energetico ed installazione semplice e veloce, con un notevole abbattimento dei costi rispetto ai tradizionali sistemi idronici.
  
  
• Scambio indiretto: il fluido refrigerante scambia calore all’interno di uno scambiatore con un fluido termovettore, generalmente acqua, il quale si occupa della distribuzione dell’energia negli ambienti (sistema idronico).

In base al tipo di regolazione:

• Monostadio: ottimizzate in un’unica condizione, richiedono un volume d’acqua maggiore per limitare l’intermittenza;
• Inverter: più flessibili, hanno un COP alto a carico ridotto;
• Monoblocco: non necessitano di collegamenti ad alta pressione, c’è il rischio di gelo dell’acqua se posizionate all’esterno;
• Splittate: nessun rischio gelo, occorrono tubazioni con fluido frigorifero;
• Monoblocco da interno: se ad aria, occorre canalizzare.

In base al tipo di energia assorbita:

• Energia elettrica;
• Gas.

In base alla modalità con la quale viene fornito il lavoro di compressione:

• A compressione: azionate da un motore elettrico oppure da un motore endotermico;
  
  
• Ad assorbimento: alimentate a gas oppure da una sorgente termica (solar cooling). Il sistema ad assorbimento provvede all’aumento di pressione del fluido frigorigeno per azione termica: un bruciatore fornisce calore al fluido refrigerante, innescando così il ciclo. La fase della compressione viene sostituita dalle fasi di generazione e assorbimento.

In funzione del fluido con cui scambiano calore, le pompe di calore possono essere classificate in 4 tipologie fondamentali, indicando per prima la sorgente fredda (evaporatore) e per secondo il pozzo caldo (condensatore):

• Aria – Acqua
• Aria – Aria
• Acqua – Acqua
• Acqua – Aria

Quando la sorgente termica è l'aria: vantaggi e svantaggi

Nelle prime due tipologie viene utilizzata l’aria esterna come sorgente termica. Questo offre il notevole vantaggio di una sua elevata disponibilità e praticità d’uso, ma presenta alcuni svantaggi come:

• La discordanza di fase tra la temperatura dell’aria e il fabbisogno termico dell’edificio;
• Una elevata rumorosità;
• Il fenomeno del brinamento della batteria esterna: quando l’aria esterna, con elevata umidità relativa, raggiunge una temperatura prossima a 0 °C, sulla batteria dell’evaporatore si forma una brina che diminuisce l’efficienza dello scambiatore di calore. Per rimediare a tale inconveniente è necessario effettuare lo sbrinamento, con dispendio energetico e discomfort per l’ambiente da climatizzare.

I valori di COP per una pompa di calore aria-acqua si attestano tra 3,5 e 4,0, mentre per una pompa di calore aria-aria tra 3,0 e 3,5.

All’interno dell’ampia famiglia delle pompe geotermiche ricadono sia le pompe di calore operanti con acque superficiali o con acqua di falda, sia le pompe di calore accoppiate con il terreno con disposizione orizzontale delle sonde (a sbancamento oppure a trincea) o verticale, di diversa profondità.

Quando la sorgente termica è l'acqua: vantaggi e svantaggi

Concentriamoci sulle tipologie che prevedono l’impiego dell’acqua come sorgente termica. Essa garantisce prestazioni costanti e migliori rispetto all’aria, elevate efficienze stagionali per riscaldamento, costi di installazione contenuti e silenziosità, ma tra gli svantaggi occorre ricordare:

• Una disponibilità molto variabile a seconda del tipo di fonte;
• La necessitò di opere di prelievo e scarico;
• I vincoli normativi legati proprio al prelievo ed allo scarico.

Il COP di una pompa di calore acqua-acqua è compreso tra 4,0 e 4,5.

Quando la sorgente termica è il terreno: vantaggi e svantaggi

Infine, c’è la più attuale e complessa possibilità di utilizzare il terreno come sorgente termica. A fronte di buone prestazioni energetiche, grazie alla sua elevata capacità di accumulo essendo caratterizzato da elevata capacità termica e bassa conduttività termica (λ < 3,5 W/m K) la quale consente di avere una temperatura media del terreno pressoché costante, anche a piccole profondità, numerose sono le criticità:

• Si tratta di una tecnologia poco diffusa;
• Presenta elevati costi di realizzazione;
• Necessita di ampie superfici.

Una pompa di calore terreno-acqua presenta un COP tra 4,0 e 4,5, mentre una terreno-aria ha un COP compreso tra 4,5 e 6,0.

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