Alla profondità di 20 metri la temperatura è costante a +10°C ( senza alcuna fluttuazione stagionale )
Cos’è
una pompa di calore?
Come
funziona?
A
cosa serve?
È
conveniente?
Questo documento vuole rispondere a queste e ad altre domande indicando
le condizioni in cui, con la pompa di calore ( p.d.c.), si può conseguire un
risparmio energetico e, nel contempo, limitare l’impatto ambientale.
L’energia impiegata nel settore civile (residenziale e terziario) per il
riscaldamento degli ambienti e dell’acqua sanitaria, rappresenta circa il 20%
del consumo energetico totale italiano. Tale energia è prodotta, per la quasi
totalità, da combustibili, liquidi e gassosi, con inquinamento atmosferico, che
provoca danni all’ambiente ed effetti nocivi alla salute dell’uomo. Le nuove
esigenze legate al miglior standard di vita comportano l’utilizzazione del
condizionamento non solo degli ambienti di lavoro, ma anche delle abitazioni,
con conseguenti aumenti dei consumi energetici. La pompa di calore, grazie alla
sua capacità di funzionare anche come condizionatore d’aria, rappresenta un
mezzo per migliorare il livello di comfort degli ambienti abitativi e di lavoro.
Vedremo come la pompa di calore costituisce un utile strumento per conseguire
significativi risparmi energetici, e quindi economici per i singoli cittadini e
per l’intero paese, limitando le emissioni di inquinanti a livello locale.
Con
l’aiuto di schemi, diagrammi e tabelle, si vedrà di dare tutte le
informazioni su:
caratteristiche
e tipologie delle pompe di calore;
principi
di funzionamento;
forme
di utilizzo, criteri di scelta
ed
infine consigli pratici per l’installazione e la manutenzione. In particolare:
CHE COS’È LA POMPA DI CALORE
La pompa di calore è una macchina
in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un
altro a temperatura più alta.
Essa
opera con lo stesso principio del frigorifero e del condizionatore d’aria.
COME È FATTA
E COME FUNZIONA
La pompa di calore è costituita da un
circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigori-geno) che, a seconda
delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo sta-to
di liquido o di vapore.
Il circuito chiuso è costituito da:
•
un compressore
•
un condensatore
•
una valvola di espansione
•
un
evaporatore
Il condensatore e l’evaporatore sono
costituiti da scambiatori di calore, cioè tubi posti a con-tatto con un fluido
di servizio (che può essere acqua o aria) nei quali scorre il fluido
frigorigeno. Questo cede calore al condensatore e lo sottrae all’evaporatore.
I componenti del
circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due
parti (sistemi “SPLIT”) raccordate dai tubi nei quali circola il fluido
frigorigeno.
Nel funzionamento il fluido frigorigeno,
all’interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni:
•
Compressione: il
fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente
dall’evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione si
riscalda assorbendo una certa quantità di calore.
•
Condensazione: il
fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gasso-so a
quello liquido cedendo calore all’esterno.
•
Espansione: passando
attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si tra-sforma
parzialmente in vapore e si raffredda.
•
Evaporazione: il
fluido frigorigeno assorbe calore dall’esterno ed evapora completamente.
L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo
della pompa di calore: fornendo energia con il compressore, al fluido
frigorigeno, questo, nell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo cir-costante
e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.
EFFICIENZA
DELLA POMPA DI CALORE
Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore:
•
consuma energia elettrica nel compressore
•
assorbe calore nell’evaporatore, dal
mezzo circostante, che può essere aria o acqua
•
cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua).
Il
vantaggio nell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire
più energia (ca-lore) di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in
quanto estrae calore dall’ambiente esterno (aria-acqua).
L’efficienza
di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione “C.O.P.”
che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da
riscaldare) ed energia elettrica consumata. Il C.O.P. è variabile a seconda del
tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamen-to ed ha, in genere,
valori prossimi a 3. Questo vuol dire che per 1 kWh di energia elettrica
consumato, fornirà 3 kWh (2580 kcal) di calore al mezzo da riscaldare. Il
C.O.P. sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore
viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui
viene assorbito (nell’evaporatore). Al di sotto di una temperatura compresa
tra - 2°C e 2°C la pompa di calore si disattiva in quan-to le sue prestazioni
si ridurrebbero significativamente. Va tenuto conto inoltre che la potenza
ter-mica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa
assorbe calore.
SORGENTE FREDDA
Il
mezzo esterno da cui si estrae calore è detto sorgente fredda. Nella pompa di
calore il fluido frigorigeno assorbe calore dalla sorgente fredda tramite
l’evaporatore.
Le
principali sorgenti fredde sono:
•
l’aria: esterna al locale dove è installata la pompa di calore oppure estratta
dal locale dove è installata la pompa di calore
•
l’acqua: di falda, di fiume, di lago quando questa è presente in
prossimità dei locali da ri-scaldare e a ridotta profondità.
Altre
sorgenti possono essere costituite da:
•
acqua accumulata in
serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare •
terreno, nel quale
vengono inserite le tubazioni relative all’evaporatore.
IL POZZO
CALDO
L’aria
o l’acqua da riscaldare sono detti pozzo caldo. Nel condensatore il fluido
frigorigeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgen-te fredda
che l’energia fornita dal compressore.
Il calore può essere ceduto
all’ambiente attraverso:
•
ventilconvettori, costituiti
da armadietti nei quali l’aria viene fatta circolare sopra corpi scaldanti;
•
serpentine inserite
nel pavimento, nelle quali circola acqua calda;
•
canalizzazioni, che trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa
di calore ai diversi locali.
LE DIVERSE
POMPE DI CALORE
Le pompe di calore si distinguono in
base alla sorgente fredda e al pozzo caldo che utilizzano. Possono quindi essere
del tipo:
• L’aria
come sorgente fredda
ha il vantaggio di essere disponibile ovunque; tuttavia la potenza resa dalla
pompa di calore diminuisce con la temperatura della sorgente. Nel caso si
utilizzi l’aria esterna, è necessario (intorno a 0°C), un sistema di
sbrinamento che comporta un ulteriore consumo di energia. Diverso e più
vantaggioso, è l’impiego come sorgente fredda dell’aria interna viziata
(aria estratta) che deve essere comunque rinnovata.
• L’acqua
come sorgente fredda
garantisce le prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni
climatiche esterne; tuttavia richiede un costo addizionale dovuto al sistema di
adduzione.
• Il
terreno, come
sorgente fredda ha il vantaggio di subire minori sbalzi di temperatura rispetto
all’aria.
Le
tubazioni orizzontali vanno interrate ad una profondità minima da 1 a 1,5 metri
per non risentire troppo delle variazioni di temperatura dell’aria esterna e
mantenere i benefici effetti dell’insolazione. È necessaria una estensione di
terreno da 2 a 3 volte superiore alla superficie dei locali da riscaldare. Si
tratta quindi di una soluzione costosa, sia per il terreno necessario che per la
complessità dell’impianto.
APPLICAZIONI
DELLA POMPA DI CALORE
Le
possibili applicazioni della pompa di calore sono:
CLIMATIZZAZIONE
DEGLI AMBIENTI
È
ormai attuale l’applicazione della pompa di calore per la climatizzazione
degli ambienti nel settore residenziale e nel terziario (esercizi commerciali di
medie dimensioni; parrucchieri; cucine di ristoranti; studi professionali), in
alternativa ai sistemi convenzionali composti da refrigeratore più caldaia. La
stessa macchina infatti, mediante una semplice valvola, è in grado di scambiare
tra loro le funzioni dell’evaporatore e del condensatore, fornendo così
calore in inverno e freddo in estate (tipo Invertibile). L’applicazione della
pompa di calore alla climatizzazione ambientale (riscaldamento + raffrescamento)
è la più conveniente poiché comporta un minor tempo di ammortamento del costo
d’impianto rispetto ad un utilizzo per il solo riscaldamento. Nel caso di
edifici esistenti, l’applicazione della pompa di calore per il condizionamento
degli ambienti, sia invernale che estivo, richiede un intervento di
ristrutturazione dell’intero impianto termico ed elettrico, con conseguente
maggior costo. Diverse sono le applicazioni della pompa di calore nei settori
terziario e industriale, ad esempio: la climatizzazione delle piscine,
l’essiccazione e processi tecnologici a bassa temperatura nell’industria
agro-alimentare, ecc.
RISCALDAMENTO
DEGLI AMBIENTI E DELL’ACQUA SANITARIA
La
pompa di calore può essere utilizzata anche per la sola produzione di calore
per il riscaldamento degli ambienti e dell’acqua sanitaria. In questi casi
vanno attentamente valutati gli aspetti economici rispetto ai sistemi
tradizionali quali caldaie e scaldabagni elettrici o a gas. Per il riscaldamento
degli ambienti gli impianti possono essere di tipo:
•
Monovalente
•
Bivalente
Si
utilizza la configurazione monovalente quando la pompa di calore è in
grado di coprire interamente il fabbisogno termico necessario al riscaldamento
degli ambienti. Se la pompa di calore usa come sorgente l’aria esterna, tale
configurazione è adottabile nelle zone climatiche dove la temperatura esterna
scende raramente sotto ai 0° C. In caso contrario si deve realizzare un sistema
bivalente, costituito dalla pompa di calore e da un sistema di
riscaldamento ausiliario, cioè una caldaia tradizionale che copra il fabbisogno
termico quando la temperatura dell’aria scende solo al di sotto di 0° C. Per
il riscaldamento dell’acqua sanitaria occorrono serbatoi di accumulo più
grandi di quelli impiegati nei normali scaldacqua in quanto la temperatura
del1’acqua prodotta non supera i 55° C.
LE
DIVERSE TAGLIE DELLA POMPA DI CALORE
Attualmente,
per la climatizzazione degli ambienti, sono in commercio diversi tipi di
pompa di calore così classificabili:
PICCOLA
POTENZA
(fino
a circa 2 kW) adatte a monolocali, utilizzabili anche per riscaldamento
dell’acqua sanitaria; e sono:
•
Monoblocco. Tutti
i componenti sono raggruppati insieme
•
Split. L’impianto
è composto da: Unità Esterna, costituita dal compressore e da uno
scambiatore di calore che ha la funzione di evaporatore o condensatore.
Unità
Interna, costituita
da un armadietto dal quale viene immessa nell’ambiente aria calda o fresca, a
seconda dei casi. Il sistema così composto permette di installare le parti più
rumorose dell’impianto in una zona esterna all’ambiente da climatizzare.
MEDIA
POTENZA
(da
10 a 20 kW) adatte a servire più locali, possono essere:
•
Monoblocco. Tutti
i componenti sono raggruppati insieme
•
Multisplit. L’impianto
è composto da:
Unità
Esterna, costituita
dal compressore e da uno scambiatore di calore, che ha la funzione di
evaporatore o condensatore.
Unità
Interne, costituite
da più armadietti, regolati singolarmente, dai quali viene immessa negli
ambienti aria calda o fresca, a seconda dei casi. Il sistema così composto
permette di installare le parti più rumorose dell’impianto in una zona
esterna all’ambiente da climatizzare.
GRANDE POTENZA
(oltre 20 kW), per più appartamenti,
per uffici e per esercizi commerciali
Questi impianti, più complessi, vanno
progettati da specialisti.
Essi sono composti da:
•
Unità
Motocondensanti Esterne: che
producono l’acqua calda e l’acqua refrigerata.
•
Ventilconvettori o
Fan-Coils: mobiletti
interni, che immettono negli ambienti aria calda d’inverno o aria fresca
d’estate e provvedono a mantenere una temperatura di comfort anche nelle
stagioni intermedie.
SCELTA DELLA
POMPA DI CALORE
Nella scelta della pompa di calore
occorre considerare:
•
le caratteristiche
climatiche del luogo dove viene installata
•
le caratteristiche
tipologiche dell’edificio
•
le condizioni di
impiego.
CARATTERISTICHE
CLIMATICHE
Le caratteristiche climatiche hanno
importanza soprattutto qualora la sorgente fredda sia l’aria esterna; si può
infatti avere, durante il periodo invernale, la formazione di brina
sull’evaporatore, con conseguente cattivo scambio termico. Per ovviare a
questo inconveniente la pompa di calore è dotata di un dispositivo di
sbrinamento (ad esempio una resistenza elettrica).
Tale problema tuttavia non si presenta se si utilizza, come
sorgente fredda, aria estratta o acqua.
CARATTERISTICHE
TIPOLOGICHE
Le caratteristiche tipologiche
dell’edificio influenzano altresì la scelta del tipo di pompa di calore ad
esempio:
•
in un appartamento vanno
valutati gli spazi necessari per l’installazione e l’opportunità di
utilizzare sistemi monoblocco o “split”;
•
nelle case
monofamiliari la
pompa di calore può essere installata in cantina o nel locale caldaia. In
questo caso, rumore e condensa legati alla pompa di calore, non danno problemi e
la vicinanza di una caldaia tradizionale può renderne possibile l’impiego
bivalente;
•
negli esercizi
commerciali quali
parrucchieri, cucine di ristoranti, ecc., l’installazione di una pompa di
calore ad aria estratta può risultare molto conveniente poiché l’azione di
raffreddamento e di deumificazione rende più confortevole l’ambiente di
lavoro.
CONDIZIONI DI
IMPIEGO
Anche le condizioni di impiego nei
diversi ambienti influenzano la scelta della pompa di calore; ad esempio se
l’ambiente è destinato a residenza o ad attività lavorativa sedentaria non
rumorosa, è consigliabile la scelta di una pompa di calore del tipo
“split”.
DIMENSIONAMENTO
Il dimensionamento dell’impianto a
pompa di calore richiede un’accurata valutazione dei fabbisogni di calore: una
valutazione in eccesso, con sovradimensionamento della pompa di calore, comporta
un incremento dei costi di impianto e quindi una riduzione dei vantaggi
economi-ci che derivano dal suo impiego. È bene perciò che il dimensionamento
venga valutato da un tecnico qualificato.
CLIMATIZZAZIONE
Una pompa di calore a ciclo invertibile
ha una capacità di raffrescamento di poco inferiore a quella di riscaldamento,
pertanto il dimensionamento dell’impianto di climatizzazione va fatto, in
generale, sulle esigenze di raffrescamento.
RISCALDAMENTO
DEGLI AMBIENTI
Il fabbisogno di calore dipende dalla
localizzazione geografica dell’utenza: particolare attenzione va posta per le
pompe di calore che impiegano l’aria quale sorgente esterna, in quanto il
calore erogato diminuisce al diminuire della temperatura di questa.
RISCALDAMENTO
DELL’ACQUA SANITARIA
Il fabbisogno medio giornaliero di
acqua calda sanitaria a 45 °C espresso in litri/giorno è uno dei criteri di
scelta dello scaldacqua a pompa di calore. Tale fabbisogno è riportato nella
seguente tabella:
INSTALLAZIONE
DELLA POMPA DI CALORE
La pompa di calore è una
apparecchiatura che ha raggiunto una buona affidabilità, ma che richiede una
corretta installazione ed un minimo di manutenzione per conseguire buone
prestazioni nel tempo.
Come per il dimensionamento, anche per
l’installazione è comunque opportuno rivolgersi ad installatori
specializzati. Vengono forniti di seguito alcuni consigli pratici, utili
all’utente per focalizzare i problemi connessi alla installazione delle
apparecchiature:
-
Si può ovviare al
rumore prodotto dalla pompa di calore installandola in locali non abitualmente
occupati da persone, oppure utilizzando il tipo “split”.
-
È importante prevenire
la formazione della condensa utilizzando una adeguata coibentazione delle
tubazioni che trasportano fluidi freddi nei tratti interni ai locali.
-
Il funzionamento della
pompa di calore è regolato da un termostato sensibile alla temperatura
ambiente, con cicli di accensione e spegnimento.
- Per diminuire il numero di cicli di
funzionamento ed allungare la vita della pompa di calore è talora opportuno
installare un serbatoio polmone nell’impianto qualora la macchina non ne sia
già provvista.
- È buona norma prevedere, sulle sezioni di ingresso e di
uscita delle canalizzazioni dell’aria, l’impiego di griglie al fine di
evitare l’entrata di particelle solide o insetti.
- È bene verificare che la temperatura minima di
funzionamento della pompa di calore, nella località in cui viene installata,
non sia inferiore a quella minima raggiungibile dall’aria esterna. In caso
contrario sarà necessario usare una caldaia ad integrazione.
- È opportuno prevedere uno scarico della condensa che si
forma sull’evaporatore, ad esempio mediante, un’apposita vasca o un tubo di
scarico.
- Infine è necessario prevedere un contratto elettrico con
un impegno di potenza tale da garantire il funzionamento della pompa di calore
prescelta (superiore ai 3 kW generalmente previsti per le utenze domestiche) e
fare effettuare il primo avviamento a tecnici competenti nella installazione.
MANUTENZIONE
Alcuni interventi di ordinaria
manutenzione sono indispensabili per il buon funzionamento della pompa di
calore. Possono essere effettuati direttamente dall’utente ad intervalli
regolari di tempo:
•
la pulizia
dell’evaporatore e del condensatore
•
la pulizia dei filtri
•
la pulizia del tubo
di scarico della condensa,
come consigliato dai libretti di
istruzioni allegati alla pompa di calore. È viceversa necessario rivolgersi ad
un tecnico specializzato o all’assistenza, qualora si riscontri un
malfunzionamento della macchina.
Un parametro indicativo della
convenienza economica di una pompa di calore rispetto ad un sistema tradizionale
(caldaia più refrigeratore) è il tempo di ritorno attualizzato (TRA), cioè il
tempo necessario perché i risparmi attualizzati, derivanti dai costi di
gestione, siano pari al sovracosto iniziale della pompa di calore.
In altre parole TRA è uguale al
sovracosto dell’investimento diviso il risparmio attualizzato annuo. Per la
generalità dei casi, si può sostenere che si ha convenienza economica, se si
impiega la pompa di calore per la climatizzazione, mentre tale convenienza si
riduce notevolmente nelle applicazioni per sola produzione di acqua calda
sanitaria e per solo riscaldamento. In quest’ultimo caso, le condizioni più
vantaggiose si ottengono con l’uso di una sorgente fredda diversa dall’aria
(acqua o terreno), in quanto la pompa di calore, con questa sorgente, è in
grado di coprire da sola il fabbisogno di calore.
La tabella che segue relativa alla
climatizzazione degli ambienti, si riferisce al confronto tra un impianto a
pompa di calore e un impianto costituito da caldaia più refrigeratore.
CLIMATIZZAZIONE
DEGLI AMBIENTI
Le economie conseguibili nella
climatizzazione degli ambienti con l’utilizzo della pompa di calore si
riferiscono al minor consumo che questa consente, rispetto al sistema
convenzionale, (caldaia) nel periodo invernale. I consumi estivi per il
raffrescamento ambientale sono uguali sia che venga utilizzata la pompa di
calore che il tradizionale condizionatore.
Per il solo riscaldamento ambientale,
le numerose configurazioni impiantistiche non consentono una sintesi di validità
generale come per gli altri casi; tuttavia si può affermare che, ai costi
attuali dei combustibili e dell’energia elettrica, il tempo di ritorno è
superiore ad otto anni.
Nel caso di utilizzo della pompa di calore per il solo
riscaldamento dell’acqua calda sanitaria i tempi di ritorno
dell’investimento sono superiori a 4 anni.
