Pompe di calore

La pompa di calore è un apparecchio che trasferisce calore da un fluido ad una data temperatura verso un altro fluido avente una temperatura superiore rispetto al primo. Se in natura il flusso del calore è quello che va in maniera naturale da un corpo caldo verso un corpo più freddo, la pompa di calore è in grado di invertire questo flusso, trasportando il calore da un livello inferiore di temperatura ad uno superiore. Per spiegarne in maniera semplice il funzionamento, si ricorre spesso all’analogia con l’acqua: questa tende naturalmente a scorrere verso il basso ma è possibile, con una pompa, farla scorrere da una quota più bassa ad una più alta. Da qui il nome di “pompa di calore”; questa macchina termica si comporta cioè analogamente ad una pompa meccanica, facendo fluire da un livello basso verso un livello più alto non l’acqua ma in questo caso il calore.

Senza entrare nello specifico dei dettagli tecnici, il funzionamento della pompa di calore è basato su un ciclo di compressione/riscaldamento, condensazione, espansione/raffreddamento ed evaporazione di un fluido frigorigeno.
La maggior parte delle pompe di calore presenti sul mercato sono pompe di calore elettriche, ovvero in cui il compressore è alimentato da corrente elettrica. Esistono però anche pompe di calore ad assorbimento, in cui il funzionamento è basato su un bruciatore a gas (metano o GPL).

Applicazioni delle Pompe di calore negli edifici: riscaldamento, raffrescamento, produzione acqua calda sanitaria

Le pompe di calore, in breve, sono in grado di rendere disponibile del calore per poter riscaldare o al contrario di sottrarlo in modo da poter raffreddare. Sono delle apparecchiature molto efficienti ed in grado di avere rendimenti elevati a fronte di consumi bassi e pertanto si prestano convenientemente a diverse applicazioni in campo civile ed industriale; nell’ambito della impiantistica degli edifici vengono impiegate, con diffusione sempre crescente, per il riscaldamento invernale, il raffrescamento estivo e la produzione acqua calda per uso sanitario. Nel caso del riscaldamento invernale la pompa di calore sottrare il calore da una sorgente (ad esempio l’aria esterna) e lo utilizza per riscaldare gli ambienti interni.

Nel caso della climatizzazione estiva, invece, il ciclo di funzionamento della pompa di calore funziona al contrario: l’aria indoor funge da sorgente dalla quale la macchina sottrae il calore in eccesso trasferendolo all’esterno e raffrescando, in questo modo, gli ambienti interni. Buona parte delle pompe di calore presenti sul mercato sono macchine a ciclo invertibile, ovvero quelle in cui il ciclo può funzionare sia in un senso che in quello opposto; in questo modo, queste pompe di calore possono assolvere sia al riscaldamento che al raffrescamento, con una semplice selezione della modalità di funzionamento da parte dell’utente.
Infine le pompe di calore possono provvedere anche alla produzione di acqua calda sanitaria, che viene riscaldata e conservata in appositi serbatoi di accumulo e poi distribuita normalmente alle varie utenze domestiche con la consueta rete di tubazioni idriche.

In funzione dei modelli e delle caratteristiche è possibile avere anche apparecchi che sono in grado di fare tutte e tre le cose e quindi è possibile avere una macchina unica per tre distinte applicazioni. Se il raffrescamento estivo è stato da sempre lo sbocco di mercato privilegiato per le pompe di calore, negli ultimi anni queste macchine si stanno diffondendo anche nel campo del riscaldamento invernale per gli indubbi vantaggi che possono dare: risparmio energetico ed economico, semplicità d’uso, nessuna emissione e quindi nessuna necessità di disporre di canna fumaria o qualsivoglia condotto di scarico, impiego di una fonte rinnovabile (il calore prelevato dall’esterno) e la possibilità di accedere alle detrazioni fiscali per riqualificazione energetica (vedi per maggiori dettagli la Guida Ecobonus) o al conto termico (per approfondimenti vedi Guida al Conto Termico); non ultima, come già accennato, la possibilità di produrre con un unico apparecchio riscaldamento, raffrescamento, acqua calda. Infine, i modelli sviluppati negli ultimi anni sono predisposti per la integrazione con altri fonti rinnovabili, come pannelli fotovoltaici e collettori solari termici.

Le principali tipologie di Pompe di calore

La fonte da cui si sottrae calore è detta sorgente fredda, mentre il pozzo caldo è il fluido a cui viene trasferito il calore sottratto. Le sorgenti fredde sono in genere l’aria, l’acqua o il terreno. L’aria o l’acqua da riscaldare costituiscono invece il pozzo caldo.
In base alla sorgente fredda ed al pozzo che utilizzano, si possono distinguere diverse tipologie di pompe di calore. Esaminiamole nel dettaglio.

Pompe di calore ad aria
Sono macchine che prelevano il calore dall’aria esterna che funge quindi da sorgente fredda. Si differenziano in pompe di calore aria-aria, che sono probabilmente la variante più diffusa nel nostro paese in particolare nei modelli cosiddetti “split”, in cui il calore viene trasferito all’aria interna degli ambienti da riscaldare che costituisce il pozzo caldo. Chiaramente in caso di inversione del ciclo, avviene esattamente il contrario. Le pompe di calore aria-acqua, invece, cedono all’acqua contenuta in una rete di tubazioni, ovvero la rete dell’impianto di riscaldamento, il calore prelevato dall’aria esterna.

Le pompe di calore ad aria utilizzano una fonte di cui si ha disponibilità sostanzialmente illimitata ma hanno una resa sempre meno efficiente all’abbassarsi della temperatura, in particolare quando ci si avvicina o si scende al di sotto dello 0°C. Per questo motivo in zone in cui la temperatura invernale può frequentemente scendere sotto lo 0, si impiegano in genere pompe di calore bivalenti, ovvero dotate di un sistema di riscaldamento ausiliario, in grado di produrre il calore necessario a coprire il fabbisogno degli ambienti quando la resa della pompa di calore diventa insufficiente.

Pompe di calore ad acqua
In questa tipologia di apparecchi il calore viene sottratto da una sorgente fredda costituita da acqua di un bacino di superficie (un fiume, un lago) o acqua di falda. Nelle pompe di calore acqua-acqua il pozzo caldo è costituito dall’acqua del circuito dell’impianto di riscaldamento; in quelle acqua-aria il pozzo caldo è l’aria interna dell’ambiente da riscaldare. Le macchine che utilizzano l’acqua come sorgente fredda sono in grado di garantire in genere rese migliori e regolari perché l’acqua di falda o dei bacini superficiali ha una temperatura che varia di poco nel corso dell’anno e generalmente superiore a quella dell’aria in regime invernale, il che migliora le prestazioni dell’apparecchio.

Pompe di calore che utilizzano il terreno
Queste pompe di calore sfruttano come fonte del proprio funzionamento la estrazione di calore dal suolo.
Il terreno, eccezion fatta per gli strati più superficiali, ha una temperatura quasi costante durante tutto l’anno e garantisce pertanto una fonte di calore ottimale per il funzionamento delle pompe di calore. Per poter sfruttare questa fonte, si utilizza o una estesa rete di tubazioni superficiali o tubazioni verticali che vanno in profondità nel sottosuolo. In un caso e nell’altro questi impianti, pur avendo rese elevate, hanno costi di installazione superiori ad altre soluzioni.
In molte classificazioni si preferisce parlare di sistemi geotermici o di pompe di calore geotermiche, accomunando i sistemi che sfruttano il sottosuolo a quelli che utilizzano come sorgente fredda l’acqua di falda. altro