Pompe di calore ed energia solare: i principali vantaggi

Negli ultimi anni abbiamo assistito ad un aumento esponenziale nell’utilizzo delle pompe di calore, tale evento è stato reso possibile dalla necessità di far fronte al continuo aumento dei costi dell’energia fossile.

Inoltre, utilizzare una pompa di calore ci permette di avere grossi vantaggi sia economici che di efficienza energetica rispetto ai sistemi tradizionali a caldaia.

Il loro principio di funzionamento si basa sull’idea di spostare o meglio di “pompare” il calore da una sorgente ad un'altra e questo le rende adatte per sfruttare fonti di energia rinnovabili. Se utilizzate per produrre calore possono essere facilmente integrate con altri impianti come caldaie tradizionali o a collettori solari inoltre, con l’installazione di un impianto fotovoltaico posso ridurre sensibilmente l’impatto dell’edificio sull’ambiente.

Utilizzare pompe di calore ed energia solare, sia essa fotovoltaica o termica, migliora sensibilmente l’efficienza energetica dell’edificio fino ad arrivare alla definizione di NZEB, ovvero edifici ad elevata efficienza energetica il cui funzionamento richiede una quantità di energia minima.

Come funziona una pompa di calore

Spesso se ne parla, ma come funziona una pompa di calore? Forse non ce ne rendiamo conto ma qualcosa di molto simile è già presente nelle nostre case, il frigorifero. Il principio fisico su cui si basa questa tecnologia è molto semplice e sfrutta il passaggio dallo stato di una sostanza da liquido a gassoso e viceversa. Un fluido per evaporare assorbe energia dall’ambiente in cui si trova mentre un vapore per condensare cede energia verso l’esterno. 

Sfruttando questo principio, per ottenere dell’energia termica è necessario un vapore da far condensare la cui temperatura deve essere superiore a quella dell’ambiente, processo che avviene all’interno di un condensatore. Viceversa, per ottenere un raffrescamento è necessaria una sostanza allo stato liquido il cui punto di evaporazione (condizione oltre il quale inizia il passaggio di stato) sia ad una temperatura inferiore a quella necessaria. In questo caso l’evaporazione assorbirà energia che quindi verrà sottratta all’ambiente, processo che avviene nell’evaporatore. 

Oltre ai due componenti sopra descritti, per il funzionamento ciclico della macchina sono necessari un compressore ed una valvola di laminazione, questo per spostare le temperature di evaporazione e condensazione a determinati valori, specifici per ogni applicazione.

Spesso si parla  di pompe di calore come di macchine a fonti rinnovabili visto che la sorgente di calore è l’ambiente che ci circonda ma non è oro tutto quel che luccica. La pompa di calore sposta energia da una sorgente ad un'altra e per farlo assorbe una certa potenza, nelle macchine tradizionali questa è energia elettrica consumata dal compressore, energia prelevata dalla rete e che solo in parte è rinnovabile.

 

Figura 1 – Principio generale di funzionamento di una pompa di calore.

Ogni pompa di calore si caratterizza per il valore di COP, ovvero il “Coefficient of performance”. Il COP rappresenta il rapporto fra l’energia termica resa dalla pompa di calore e l’energia spesa per ottenere il beneficio voluto, spesa che nella maggior parte dei casi è rappresentata da energia elettrica. 

Le macchine più performanti hanno valori di COP compresi fra 4 e 5 ovvero, per ogni kWh di energia assorbita sono in grado di restituire 4 o 5 kWh di energia termica.  L’energia prodotta dalla macchina è la somma di potenza elettrica assorbita dal compressore e di quella assorbita dall’evaporatore. Per fare un esempio, una macchina con un COP pari a 4 per produrre 4 kWh di energia termica assorbe 1  kWh di energia elettrica dalla rete e 3 kWh dall’ambiente attraverso l’evaporatore. Ecco spiegato il perché le pompe di calore sono incentivate come soluzione per la riduzione dei consumi infatti, a differenza di quanto avviene con impianti tradizionali, non è necessario produrre interamente il calore di cui ho bisogno ma ne è sufficiente solo una parte molto più piccola.

Di cosa si compone l’energia elettrica che consumiamo

Per capire al meglio quali benefici derivino dall’utilizzo di una pompa di calore è corretto chiedersi quali caratteristiche ha l’energia elettrica che utilizziamo. Se consideriamo la composizione dell’energia elettrica prodotta a livello nazionale (il mix energetico) constatiamo come il 52% circa dell’energia è prodotta da impianti tradizionali che utilizzano combustibili fossili, principalmente gas naturale, il 31% deriva da fonti rinnovabili come impianti fotovoltaici, idroelettrici ed eolici e la restante quota è acquistata dall’estero (12%) o prodotta a partire da processi di scarto (5%) (Terna dati statistici 2019 - www.terna.it).

Considerando il rendimento di produzione dell’energia prodotta da combustibili fossili (42%) possiamo dire, semplificando, che per ogni kWh di energia elettrica prelevato si andrebbero a consumare circa 1,5 kWh di energia non rinnovabile. Quindi la quantità di energia “verde” utilizzata dalle pompe di calore è la differenza fra l’effetto utile (Calore) e spesa di energia primaria (energia elettrica moltiplicata per 1,5).

Quale pompa di calore scegliere

In commercio esistono varie tipologie di pompe di calore, ognuna con pregi e difetti. Sostanzialmente in ognuna è sempre presente un evaporatore che assorbe calore ed un condensatore che trasferisce l’energia assorbita.

La tipologia di macchina è definita in base al modo in cui avviene in consumo di energia , nello specifico:

• Pompa di calore aria/aria.
• Pompa di calore aria/acqua.
• Pompa di calore acqua/acqua.

Pompe di calore aria/aria

In riscaldamento, si parla di pompe di calore aria/aria quando il calore è prelevato dall’esterno e trasferito all’aria interna alla casa. Queste macchine sono solitamente divise in due unità, una esterna che preleva aria, la raffredda e ne estrae il calore ed una interna che, con principio analogo ed opposto, scalda l’aria del locale in cui si trova.

Le pompe di calore aria/aria si prestano bene a riscaldare piccoli locali, sono facili da installare e si possono adattare bene a qualunque ambiente senza grossi interventi sui sistemi esistenti. Inoltre, molte di queste macchine sono reversibili e quindi sfruttabili sia per riscaldare che per raffrescare durante la stagione estiva. 

Pompe di calore ad acqua

Le pompe di calore di questo tipo traferiscono energia ad un fluido termovettore, solitamente acqua, e si distinguono il base alla sorgente da cui attingono il calore. Sono dette pompe di calore acqua/acqua quando assorbono energia da acqua di sorgente (pompe di calore geotermiche) o da acqua messa in circolazione su un circuito interrato, che assorbe calore direttamente dal terreno. Esistono in fine macchine classificate come pompe di calore  aria/acqua che, raffreddando l’aria dell’ambiente esterno, traferiscono energia ad un fluido che poi può essere movimentato verso le utenze.

Nella maggior parte dei casi, in queste applicazioni la pompa di calore “produce” acqua calda o, se reversibile, acqua fredda che poi può essere utilizzata per riscaldare gli ambienti o produrre acqua calda sanitaria.

Sfruttando il processo di evaporazione e condensazione esistono dei limiti fisici alle temperature che si possono ottenere, limiti che dipendono dal fluido refrigerante, sia in riscaldamento che in raffrescamento. Solitamente la temperatura di mandata di acqua calda si aggira intorno ai 40-50°C, valore che vincola la scelta dei tipo di impianto a valle della pompa di calore. La necessità di avere temperature superiori ha spinto alcuni costruttori a realizzare macchine a più stadi o a ricercare fluidi refrigeranti con un più ampio range di temperatura, soluzioni molto interessanti che però comportano un maggior costo di investimento iniziale.

Pompe di calore ad assorbimento

Una possibile variante a quelle sopra descritte può essere l’utilizzo di pompe di calore ad assorbimento. In questo caso il compressore è sostituito da un complesso circuito in cui l’aumento di pressione è garantito da una pompa, un generatore di calore ed un assorbitore. In questo caso si sfrutta la capacità di alcune sostanze di “disciogliersi” all’interno di una matrice di base, come può avvenire ad esempio in macchine con soluzione ammoniaca-acqua (tra le più diffuse) o a bromuro di litio. Il consumo della macchina non è più costituito solamente da energia elettrica, che si riduce, ma a questa si somma un consumo di calore che costituisce il vero fabbisogno energetico della pompe di calore.

La complessità di questi impianti li rende adatti solo per grandi potenze e non deve spaventare il basso COP che li caratterizza, più spesso indicato come GUE, ovvero “Gas Utilization efficiency”, perché in questi casi la machina funziona come un moltiplicatore termico, assorbe calore e genera calore.

Come sfruttare l'energia solare

Per ridurre la dipendenza di un edificio da fonti energetiche di origine fossile si possono adottare diverse strategie. La prima regola per un buon efficientamento è la riduzione dei consumi, indipendentemente da come siano soddisfatti, dopodiché è necessaria l’installazione di impianti a fonti rinnovabili.

Fra le tecnologie più diffuse e consolidate vi sono:

• l’installazione di impianti fotovoltaici;
• l’installazione di collettori solari.

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L'articolo prosegue attraverso un'analisi dei vantaggi derivanti dell'integrazione fra impianto fotovoltaico e pompa di calore e dell'integrazione fra collettori solari e pompa di calore.

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