Pompa di calore aria-acqua e aria-aria: differenze e dimensionamento

I sistemi di generazione a pompa di calore hanno trovato una crescente diffusione negli ultimi anni, grazie ai ridotti consumi energetici che consentono di ottenere rispetto ad altri sistemi di generazione. Per massimizzare lo sfruttamento delle loro potenzialità, ed evitare di commettere errori che possono causare anche la perdita di tutti i vantaggi ad esse connesse, è bene capire a fondo il loro principio di funzionamento, le differenze che ci sono tra una tipologia e l’altra e come dimensionarle in maniera adeguata.

Cenni sul funzionamento delle pompe di calore

L’elemento base del funzionamento delle Pompe di Calore (di seguito chiamate PdC per brevità) è il trasferimento di calore (energia termica) tra due ambienti a temperatura diversa, in particolare, in regime invernale, sottraendolo dall’ambiente a temperatura più fredda (ambiente esterno, sorgente fredda) e immettendolo in quello a temperatura più calda (ambiente interno, sorgente calda). Questo meccanismo, che non può avvenire spontaneamente (per il 2° principio della termodinamica, il trasferimento di calore può avvenire solo da un elemento a temperatura più elevata a uno con temperatura più bassa), ma necessita di un apporto di lavoro esterno generato da opportune macchine, le PdC, alimentate da diverse fonti energetiche (elettricità, gas, ecc). Classico esempio di ciclo termodinamico inverso.

Per compiere questa trasformazione, all’interno della PdC deve scorrere un fluido refrigerante sottoposto a continui cambiamenti di fase (liquida/gassosa). Nello specifico, le PdC sono quindi composte da due circuiti, un compressore e una valvola di espansione:

1. La sorgente fredda viene fatta convogliare all’interno di uno scambiatore di calore, nel quale scorre il liquido refrigerante;
2. Il liquido refrigerante, sempre più freddo della sorgente fredda (anche quando questa ha temperature sotto zero), all’interno dello scambiatore di calore estrae energia termica dalla sorgente fredda;
3. Il liquido refrigerante riscaldato viene quindi vaporizzato, compresso dall’apposito compressore e ulteriormente riscaldato;
4. Si raggiunge quindi il circuito di riscaldamento, in cui, tramite un secondo scambiatore, il fluido refrigerante trasferisce calore al fluido termovettore, il quale lo immette in ambiente;
5. Il fluido refrigerante, dopo aver ceduto calore, torna allo stato liquido;
6. Attraversa la valvola di espansione, che ha lo scopo di ridurre la pressione del liquido in modo tale da raffreddarlo rapidamente e poterlo reimmettere nel primo circuito per assorbire nuovo calore dalla sorgente esterna.

Figura 1 – Schema di funzionamento di una PdC.

Se la pompa di calore è reversibile, sarà inoltre in grado di invertire il ciclo per il funzionamento estivo, quando l’obiettivo è sottrarre il calore dall’ambiente interno.

PER APPROFONDIRE

Si veda il Dossier relativo alle POMPE DI CALORE disponibile a questo link.

Classificazione delle pompe di calore

Nella descrizione del funzionamento delle PdC appena effettuata, si sono utilizzati due termini estremamente generici: sorgente fredda e fluido termovettore. 

A seconda di questi due elementi è possibile distinguere le diverse tipologie di pompa di calore (un’ulteriore classificazione può essere fatta in funzione del tipo di alimentazione, elettrica o a gas, di cui però non ci occuperemo in questa sede).

Il prelievo di energia termica (sorgente fredda) può avvenire tramite:

• Aria;
• Acqua;
• Terreno.

Mentre il fluido termovettore che si occupa di rilasciare l’energia termica in ambiente può a sua volta essere:

• Aria;
• Acqua.

Combinando questi elementi si ottengono quindi le diverse tipologie di PdC (nel nome, il primo termine rappresenta la sorgente fredda mentre il secondo il fluido termovettore):

• PdC aria - aria: preleva l’energia termica dall’aria esterna e la trasferisce, sempre sotto forma d’aria, all’interno degli ambienti climatizzati. È una delle tipologie più semplici, particolarmente adatta in climi caldi in cui risulta molto efficiente (nei climi freddi l’efficienza si riduce e i vantaggi rischiano di essere superati dai costi dell’impianto).
• PdC aria - acqua: preleva l’energia termica dall’aria esterna, la quale viene poi utilizzata per scaldare l’acqua tecnica, da utilizzare per il riscaldamento o per la produzione di acqua calda sanitaria. Come la precedente, questa ha il vantaggio di utilizzare una sorgente fredda sempre presente, ma con climi estremamente freddi le efficienze si riducono.
• PdC acqua - acqua: preleva l’energia termica dall’acqua presente in una falda e la destina alla produzione di acqua calda tecnica. I costi di questa soluzione sono più elevati delle precedenti, ma ha il vantaggio di utilizzare una sorgente fredda con temperature sempre costanti durante tutto l’anno e mai eccessivamente basse (comprese in genere tra gli 8 e i 12 °C), garantendo in questo modo efficienze più elevate.
• PdC geotermiche: preleva l’energia termica dal sottosuolo e la destina alla produzione di acqua calda tecnica. Come le precedenti, anche qui i costi aumentano, ma si lavora con temperature costanti e abbastanza elevate. La temperatura e la sua stabilità dipende dalla profondità in cui si inserisce la sonda utilizzata per lo scambio termico con il suolo, maggiore è la profondità, più la temperatura sarà elevata e costante (a titolo indicativo si possono assumere circa 10 °C a 10-15 m di profondità, raggiungendo i 13 °C verso i 100 metri di profondità). 

ATTENZIONE!

La scelta della giusta tipologia di pompa di calore dipende da:

• Zona climatica; 
• Dimensione immobile; 
• Livelli di isolamento termico abitazione. 

La zona climatica consente di individuare la soluzione più efficiente, anche dal punto di vista dei costi di investimento iniziali (piuttosto elevati per le PdC acqua - acqua e geotermiche, a causa degli scavi necessari per l’installazione delle sonde). In linea di massima, per località con clima mite e privo di grandi sbalzi di temperatura si ricorre all’installazione di PdC aria – aria. Allo stesso tempo non bisogna però trascurare il discorso della dimensione dell’immobile, per sapere su che potenze orientarsi indicativamente: per appartamenti di medie dimensioni è in genere sufficiente una PdC con potenza minore di 35 kW.

Il dimensionamento della PdC dipende inoltre dal livello di isolamento termico dell’edificio. Se questo è inadeguato, possono vanificarsi tutti i vantaggi legati all’installazione di una PdC. 

ATTENZIONE!

È bene però valutare caso per caso la potenza termica necessaria, tenendo conto di clima, dimensioni e livello di isolamento, evitando di sovradimensionare o sottodimensionare il sistema di generazione, a causa di specificità particolari e non trascurabili. 

Le prestazioni di una pompa di calore

Ma quali sono gli effettivi vantaggi nell’utilizzo delle pompe di calore? Il punto forte di questa tecnologia è che, in poche parole, essa è in grado di produrre più energia di quella che consuma.

Il rapporto tra energia prodotta e consumata è definito, in regime di funzionamento invernale, COP (Coefficient Of Performance – coefficiente di prestazione), il quale è appunto sempre maggiore di 1.

Ma cosa significa avere un COP pari, ad esempio, a 2?

Significa che per ogni kWh consumato la pompa di calore è in grado di produrre 2 kWh di energia termica. Un discorso analogo vale in regime estivo, in cui però il livello di prestazione è definito dall’indice EER (Energy Efficiency Ratio - rapporto di efficienza energetica), definito dal rapporto tra l’energia sottratta all’ambiente da raffrescare e l’energia consumata, anch’esso maggiore di 1. Quindi, con un EER pari a 3, per ogni kWh consumato, l’impianto assorbe 3 kWh di energia termica dall’ambiente, raffrescandolo.

È facile capire che maggiori sono i valori di COP ed EER, più i dispositivi sono efficienti. 

Va però evidenziato che il valore di questi due indici non è un valore costante e, soprattutto nelle pompe di calore aria-acqua, dipende fortemente dalla: 

• Temperatura dell’aria esterna; 
• Temperatura di mandata dell’acqua calda o fredda; 
• Fattore di carico della macchina (di cui accenneremo in seguito); 
• Cicli di sbrinamento.

Tuttavia, la serie di norme UNI EN 14511 “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”, aggiornate nel 2018, consente al produttore di determinare le prestazioni della pompa di calore in condizioni nominali in funzione di: 

• Funzionamento a velocità nominale; 
• Modalità di riscaldamento (COP); 
• Temperatura esterna fissa (7 °C); 
• Temperatura di mandata fissa (35 °C).

Questo definisce il punto di funzionamento a potenza nominale, con il quale il produttore identifica la macchina sul mercato, ma non è molto rappresentativo delle effettive condizioni di esercizio della PdC durante un’intera stagione.

Pertanto, le schede tecniche riportano più valori di COP (o EER) in funzione delle diverse temperature dell'aria esterna e di mandata. In Figura 2 se ne riporta un esempio.

Figura 2 – Variazione del COP in funzione della temperatura di mandate a dell’ambiente esterno.

Come si può notare, nell’esempio riportato le prestazioni della PdC peggiorano (quindi COP più bassi):

• Al ridursi della temperatura esterna;
• All’aumentare della temperatura di mandata.

Agire sulla temperatura di mandata, può infatti essere un valido modo per ottimizzare l’utilizzo di una PdC: nell’esempio proposto, il passaggio da 55 °C a 35 °C, consente l’aumento del COP di circa 1 punto.

 ...CONTINUA 

SCARICA IL PDF PER LEGGERE L'ARTICOLO INTEGRALE