pompa di calore

Pompe di calore: sfruttare il calore naturale per riscaldare la casa

La pompa di calore è una macchina capace di sfruttare sorgenti di calore naturali per ottenere aria o acqua calda da utilizzare in impianti di riscaldamento a bassa temperatura, oppure in impianti per il condizionamento.

Questa idea nasce dalla considerazione che è teoricamente possibile estrarre calore dalle immediate vicinanze di un edificio (per esempio, sottraendolo da aria, terreno o acqua) e utilizzare tale calore, tramite una pompa, per riscaldare la casa e l’acqua sanitaria con sistemi convenzionali. Poiché aria, acqua e terra sono, a loro volta, riscaldati dal sole, il sistema può perpetuare.

Come funzionano?

Il loro funzionamento è analogo a quello dei frigoriferi, ma avviene in senso opposto: si sottrae calore a una sorgente più fredda e lo si fornisce a una temperatura più elevata per l’utilizzo finale.

Tuttavia, l’apparecchio può essere azionato anche in senso inverso, come un normale frigorifero a compressione: in questo caso si dice che è reversibile e viene usato anche per raffrescare.

Gli impianti che scaldano con pompa di calore, con diversi sistemi di funzionamento, possono essere a gas o a elettricità. L’impianto elettrico (o a pompa di calore a ciclo frigorifero a compressione meccanica di vapore saturo), ad esempio, è un sistema chiuso, intorno al quale scorre un gas frigorigeno (cioè che genera freddo).

La sorgente fredda e il pozzo caldo

La pompa di calore di questi impianti estrae calore dalla sorgente fredda, che può essere una delle seguenti:

  • aria, quella esterna all’abitazione in cui si trova la pompa o quella estratta dall’abitazione stessa
  • acqua (di falda, di fiume, o di lago) nel caso sia presente presso l’edificio da riscaldare, oppure acqua accumulata in serbatoi e riscaldata dal sole
  • terreno circostante l’edificio, in cui si possono inserire apposite tubazioni per lo scambio termico

Con pozzo caldo, invece, si fa riferimento all’aria o all’acqua che si deve riscaldare, alle quali la pompa di calore cede sia il calore prelevato dalla sorgente fredda sia quello prodotto dall’energia fornita per far funzionare la macchina.

Le tipologie di pompe di calore

A seconda della sorgente fredda o del pozzo caldo che utilizzano, si distinguono diversi tipi di pompe di calore:

  • Aria-aria e aria-acqua: prelevano il calore dall’aria esterna
  • Acqua-acqua: prelevano il calore dall’acqua (di falda, di fiume, o di lago)
  • Terra-acqua: prelevano il calore dal terreno per mezzo di una sonda geotermica

Pompa di calore aria-aria e aria-acqua

pompe di calore aria-acqua
Pompe di calore aria-acqua

La maggior parte delle pompe di calore in commercio, essendo il sistema più pratico da applicare, impiegano l’aria esterna come canale da cui prendere (o a cui cedere) energia per riscaldare e raffreddare. Esse, però, sono le meno efficienti, poiché, quando in inverno l’aria esterna diventa molto fredda, il divario tra la sorgente fredda e quella calda sale notevolmente, riducendo l’efficacia e perciò anche la convenienza economica.

Pompa di calore acqua-acqua

Altri sistemi, per fornire o prelevare calore, usano l’acqua. Dal punto di vista della resa questo tipo di pompa è più conveniente, in specie quando è ridotta la differenza di temperatura tra la sorgente fredda (che cede calore, ad esempio l’acqua di un fiume vicino) e la zona calda (che lo riceve). Se la temperatura è abbastanza costante tutto l’anno (intorno ai 5-10 °C anche in inverno) e la temperatura finale da produrre non supera i 45-50 °C, la pompa raggiunge il COP ottimale di 3,5.

Pompa di calore terra-acqua

E’ un impianto già molto diffuso in America, in Australia e nel Nord Europa, ma attualmente è presente anche in Italia su media-grande scala. Questo sistema dipende da una pompa di calore a energia geotermica (o terra-acqua), cioè che sfrutta il calore naturale accumulato dal terreno, che già a pochi metri di profondità si mantiene più o meno costante tutto l’anno per fornire riscaldamento e condizionamento.  

esempio di impianto geotermico
Esempio di impianto geotermico

Fonte immagine BlogShkenca [Public domain], via Wikimedia Commons

I suoi componenti sono:

  • pompa di calore a bassa temperatura installata all’interno dell’edificio;
  • un insieme di sonde geotermiche, cioè di tubi interrati orizzontalmente o verticalmente, quando lo spazio è limitato, oppure installati in acqua;
  • un sistema per lo scambio di calore con l’interno (tramite bocchette che fanno passare l’aria riscaldata oppure con sistemi radianti), cioè un
  • apparecchio elettrico a basso consumo e temperatura in grado di trasferire energia agli impianti di riscaldamento e raffreddamento;
  • un serbatoio di accumulo per la produzione di acqua calda.

Se realizzato correttamente, il sistema geotermico presenta un’efficienza ancora superiore a quella delle pompe di calore convenzionali. La manutenzione è semplice e limitata ai filtri d’aria; le sonde durano circa 25 anni e non hanno bisogno di manutenzione; i costi di gestione sono molto inferiori a quelli degli impianti tradizionali.

Vantaggi e svantaggi

In questi tipi di impianti, la pompa di calore fornisce temperature non superiori a 55 °C, il che la rende inadatta ad alimentare caloriferi a 70 °C, ma perfetta per i sistemi radianti a bassa temperatura, che possono essere azionati a 45-50 °C, oppure per gli impianti ad aria calda, per i quali può essere già sufficiente aria riscaldata a 30-35 °C. In pratica, un tipico impianto a pompa di calore centralizzata, a seconda della stagione, riscalda dell’acqua intorno i 50 °C (oppure la raffredda) e, come una normale caldaia, la distribuisce in tutta la casa, alimentando sistemi a bassa temperatura.

Quando utilizzarle?

Con temperature invernali rigide, solo gli impianti a pompa di calore non riescono a riscaldare tutta la casa, ma sono una soluzione efficace durante le mezze stagioni o al Sud.

Inoltre, con lo stesso impianto si ottiene anche il condizionamento estivo: i pannelli vengono alimentati ad acqua refrigerata a temperatura non inferiore a 15 °C, perciò non abbastanza fredda da condensare l’umidità atmosferica (i caloriferi tradizionali, invece, non vanno utilizzati in questo modo, perché si comprimerebbero di condensa).

Sono efficienti?

L’efficienza degli impianti con la pompa di calore è ottima finché la temperatura esterna non scende sotto i 5-6 °C. Quando fa più freddo, la loro resa si riduce (anche se può funzionare fino a -15 °C). Detto ciò (per sostituire la pompa di calore nei periodi invernali più freddi) bisogna integrare l’impianto con una caldaia aggiuntiva di tipo tradizionale, meglio se del tipo a condensazione, che garantisce i più elevati rendimenti dell’erogazione di acqua calda a bassa temperatura.

L’efficienza della pompa di calore viene definita dal COP (Coefficient of Performance). Il suo valore è dato dal rapporto tra l’energia termica fornita all’ambiente e l’energia elettrica consumata dall’apparecchio. Questo rapporto non è costante, ma varia in rapporto alla temperatura dell’aria esterna: più questa aumenta, più il COP sale; più diminuisce, più il COP si riduce. il vantaggio economico è tanto maggiore quanto maggiore è il COP.

 

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