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.
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:
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:
Figura 2 - Ciclo teorico di una Pompa di Calore nel piano (p, h) per R134a
Vediamo nel dettaglio le 4 diverse fasi che caratterizzano il funzionamento tipico di una Pompa di Calore, secondo lo schema mostrato nella Figura 2:
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.
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:
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:
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:
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.
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.
L’efficienza dei refrigeratori d’acqua e pompe di calore è determinata da numerosi fattori, tra i più importanti vi sono:
Per una macchina frigorifera a compressione si definiscono:
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.
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:
Si possono operare diverse scomposizioni delle tipologie di impianto a pompa di calore.
In funzione della distribuzione:
In base al tipo di regolazione:
In base al tipo di energia assorbita:
In base alla modalità con la quale viene fornito il lavoro di compressione:
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):
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:
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.
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:
Il COP di una pompa di calore acqua-acqua è compreso tra 4,0 e 4,5.
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:
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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