La pompa di calore fornisce tutto l'anno energia termica per il riscaldamento e l'acqua calda sanitaria. La pompa di calore utilizza infatti l'energia dell'aria, del suolo o dell'acqua di falda e la converte in energia termica.. Nessuna stregoneria, ma un semplice principio fisico.
Continua a leggere per capire meglio e in modo semplice come funziona una pompa di calore.
Principio di funzionamento di una pompa di calore
Il principio di funzionamento di una pompa di calore è simile a quello di un elettrodomestico che utilizziamo ogni giorno: il frigorifero. L'unica differenza è che mentre il frigorifero estrae il calore dal suo interno per mantenerlo fresco e lo rilascia nell'ambiente, la pompa di calore estrae il calore dall'ambiente per riscaldare l'interno di una casa.
Tuttavia, alla base del funzionamento di entrambi i dispositivi c'è esattamente lo stesso principio termodinamico, il cosiddetto effetto Joule-Thomson. Questo principio afferma che i gas cambiano la loro temperatura in seguito a una compressione o a un'espansione senza l'apporto di energia esterna.
L'ambiente ci offre diverse fonti di calore che una pompa di calore può sfruttare: l'aria, il terreno e le acque di falda e, meno in alcuni casi, anche le acque di superficie, come laghi o fiumi. Queste fonti di calore sono disponibili gratuitamente e in quantità illimitata. Tuttavia, la loro temperatura di partenza è troppo bassa per poterle utilizzare direttamente per il riscaldamento degli ambienti o per la fornitura di acqua calda. Pertanto, la pompa di calore sfrutta un processo termodinamico - basato sull'effetto Joule-Thomson descritto in precedenza - per portare il calore ambientale a un livello sufficiente per poter riscaldare l'ambiente domestico e fornire acqua calda.
Struttura e componenti di una pompa di calore
Il fluido refrigerante svolge un ruolo centrale nel funzionamento di una pompa di calore: si tratta di un liquido con un punto di ebollizione estremamente basso che subisce una serie di trasformazioni in 4 fasi all'interno dei diversi componenti del circuito chiuso del sistema.
- Fase 1: all'interno dell'evaporatore, l'energia termica dell'ambiente (dall’aria, dall’acqua o dal sottosuolo) viene trasferita al fluido refrigerante per mezzo di uno scambiatore di calore. Questo improvviso aumento della temperatura provoca l'evaporazione completa del refrigerante.
- Fase 2: nel compressore, il refrigerante - ora in stato gassoso - viene compresso e riscaldato da un compressore azionato elettricamente.
- Fase 3: nel condensatore, il fluido refrigerante, ora in stato gassoso e riscaldato, viene sottoposto a condensazione e torna allo stato liquido. In questo processo, il calore viene estratto dal gas caldo attraverso un altro scambiatore di calore e trasferito all'accumulatore di calore del sistema di riscaldamento, alla temperatura di mandata desiderata. Questo calore viene usato per scaldare l'ambiente casalingo, per esempio riscaldando l'aria dei termoconvettori o l'acqua che scorre nelle tubazioni del sistema di riscaldamento a pavimento.
- Fase 4: all'interno dell'espansore, il fluido refrigerante passa attraverso la valvola di espansione. In questo è trasformato in parte in vapore e così si raffredda, tornando nuovamente alla temperatura originale.
In una pompa di calore acqua glicolica/acqua o in una pompa di calore acqua/acqua, un circuito trasporta il calore ambientale dal terreno o dalle acque di falda alla pompa di calore. Il liquido utilizzato a questo scopo è solitamente costituito da acqua arricchita con fluido refrigerante.
Nel caso della pompa di calore aria/acqua, un ventilatore assicura un apporto costante di calore ambientale alla pompa di calore.
Cosa significano pompa di calore monoblocco e split?
Per le pompe di calore aria/acqua si sono affermati due sistemi fondamentalmente diversi tra loro: il sistema pompa di calore monoblocco e il sistema pompa di calore split. La differenza più grande tra queste due soluzioni è che in un'unità monoblocco tutti i componenti tecnici importanti per il processo di recupero del calore sono raccolti in un'unica unità, mentre con un sistema split sono distribuiti su due unità. Entrambi i sistemi presentano vantaggi e svantaggi specifici.
Pompa di calore monoblocco
Il sistema pompa di calore monoblocco è più semplice, in quanto raccoglie tutti i componenti in un'unica unità, semplificando l'installazione e riducendo anche i costi di installazione.
Si posizionano all'esterno dell'abitazione e sono ideali per chi non dispone di molto spazio per l'nstallazione e per chi non necessita di temperature troppo elevate in mandata.
Pompa di calore split
Uno dei vantaggi più importanti del sistema pompa di calore split è la sua massima flessibilità. I componenti possono essere posizionati in modo estremamente flessibile, è particolarmente scalabile in termini di prestazioni richieste e sono sono necessari solo piccoli interventi per l'installazione. Uno svantaggio è rappresentato invece dal fatto che le tubazioni del fluido refrigerante devono essere installate da uno specialista dedicato e, a seconda della distanza tra l'unità esterna e quella interna e della quantità di refrigerante utilizzata, sono richiesti controlli regolari.
Efficienza e rendimento di una pompa di calore
L'efficienza di una pompa di calore è misurata calcolando il rapporto tra il calore a disposizione per riscaldare l'ambiente e l'energia elettrica consumata per ottenerlo. Maggiore è il rapporto, maggiore è l'efficienza della pompa di calore. A seconda della fonte di calore (aria, terra o acqua), un impianto di riscaldamento può produrre circa 3 o 4 chilowattora di calore con 1 chilowattora di elettricità.
I fornitori di pompe di calore documentano il valore COP (Coefficient of Performance, coefficiente di prestazione) e/o un valore SCOP (Seasonal Coefficient of Performance, coefficiente di prestazione stagionale) per i loro sistemi. Come anticipato, questi valori mettono in rapporto la produzione di calore e l'energia elettrica da utilizzare per la produzione di calore. Da un lato, forniscono una dichiarazione sulle prestazioni dell'unità e, dall'altro, creano una comparabilità tra impianti, tipi e modelli. COP e SCOP sono valori determinati in condizioni di prova specifiche in laboratorio.
Come funziona una pompa di calore in inverno?
Parlare di calore ambientale in inverno può sembrare un po' azzardato. Tuttavia, finché la temperatura della fonte di calore (aria, terra o acqua) è superiore al punto di ebollizione del refrigerante che trasporta il l'energia termica, il calore ambientale può essere utilizzato in modo efficiente per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda. Poiché il punto di ebollizione dei fluidi refrigeranti normalmente utilizzati è compreso tra un massimo di -57°C e un minimo di -12°C Celsius, il funzionamento del sistema di riscaldamento è sempre garantito, in modo affidabile, anche in inverno. E se l'impianto dovesse raggiungere il suo limite prestazionale in giornate eccezionalmente fredde, viene utilizzata per sicurezza una barra di riscaldamento elettrica aggiuntiva.
L'efficienza di una pompa di calore in inverno dipende dalla sua struttura. Le fluttuazioni di temperatura delle fonti energetiche della pompa di calore soluzione salina/acqua (terreno) e della pompa di calore acqua/acqua (falda) sono molto più basse rispetto alla pompa di calore aria/acqua. Nel terreno, la temperatura è di almeno 10°C tutto l'anno a partire da una profondità di 10 metri. Per questo motivo le pompe di calore acqua salina/acqua e acqua/acqua sono generalmente più efficienti delle pompe di calore aria/acqua, soprattutto in inverno.
Sistema monovalente e bivalente con una pompa di calore: cosa significa
Esistono due modalità di funzionamento per le pompe di calore: funzionamento monovalente e bivalente. La scelta della modalità di funzionamento dipende principalmente dalla situazione strutturale.
Nel funzionamento monovalente, la pompa di calore è utilizzata come unica fonte di energia per il riscaldamento. In questo casoLe condizioni generali giocano un ruolo importante: migliore è l'ottimizzazione energetica di un edificio (isolamento dell'involucro edilizio e delle tubature che trasportano l'acqua calda) e minore è la temperatura di mandata richiesta, maggiore sarà l'efficienza energetica della pompa di calore in modalità di funzionamento monovalente e migliore sarà il suo utilizzo per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda.
Nel funzionamento bivalente, la pompa di calore è combinata con altre soluzioni di riscaldamento. Questa modalità di funzionamento è particolarmente richiesta quando un edificio, soprattutto se vecchio, non è o non può essere ottimizzato in termini di prestazioni energetiche complessive (migliorandone l'isolamento, per esempio) e richiede quindi temperature di mandata particolarmente elevate. Tutte le tecnologie convenzionali sono adatte come sistemi di riscaldamento supplementare, sia che si tratti di riscaldamento a gas, a pellet oppure a legna. È particolarmente interessante la combinazione con un sistema solare termico per la fornitura di acqua calda e il supporto al sistema di riscaldamento.
Come funziona la pompa di calore per il raffrescamento?
A differenza di tutte le altre tecnologie di riscaldamento, le pompe di calore possono essere utilizzate anche per raffreddare gli spazi abitativi in estate.
Il presupposto è che la pompa di calore sia progettata per essere reversibile, cioè che il processo termodinamico dell'unità possa funzionare anche al contrario: In questo caso, la pompa di calore estrae calore dagli spazi abitativi e lo trasferisce all'ambiente (aria, terra o acqua) attraverso il circuito di recupero del calore descritto.
L'umidità dell'ambiente deve essere monitorata tramite il sistema di controllo per evitare la formazione di condensa.
Sono disponibili due opzioni di raffreddamento:
- Per il raffrescamento attivo, è necessaria energia elettrica aggiuntiva per azionare il compressore. Sebbene questo sia un fattore di costo aggiuntivo, fornisce una capacità di raffrescamento superiore a quella del raffrescamento passivo. Questo tipo di raffreddamento viene solitamente utilizzato con le pompe di calore aria-acqua.
- Il raffrescamento passivo è più efficiente dal punto di vista energetico, ma può essere realizzato solo con una pompa di calore acqua glicolica-acqua o acqua-acqua. La pompa di calore non è completamente attiva e il calore dell'edificio viene trasferito alla fonte di energia solo dalla pompa di circolazione.
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