In questo periodo storico in cui le risorse energetiche dettano le agende politiche di mezzo mondo, l’efficienza energetica è uno degli obiettivi primari di ogni attività umana. Questo aspetto finisce per coinvolgere tutti i settori, dalla produzione all’utilizzo, dalle materie prime alle metodologie e cicli di lavorazione, al trasporto e alla vendita, per concludere con le attività di smaltimento.
La climatizzazione non sfugge sicuramente a tali indirizzi e le pompe di calore (abbreviazione PDC) concorrono in modo importante al raggiungimento dei nuovi obiettivi UE di decarbonizzazione. I principi fisici e la tecnologia che sono alla base di queste apparecchiature sono tra gli strumenti chiave per un sistema energetico intelligentemente rinnovabile.
Installare una pompa di calore in sostituzione di un vecchio generatore di calore, oggi è uno degli interventi più effettuati e, il più delle volte, anche particolarmente conveniente grazie agli incentivi statali disponibili.
Vediamo, ora, di definire ed approfondire le differenti tipologie di PDC analizzando vantaggi e svantaggi di ognuna per cercare di capire quale sistema possa essere più idoneo per il proprio impianto di climatizzazione per valutare se, e quando, è davvero conveniente installare una pompa di calore.
Sulla carta i vantaggi di tali tipologie di impianti appaiono ineguagliati. Per ottenerli davvero, però, questi impianti devono poter funzionare nelle condizioni ottimali.
LE POMPE DI CALORE. COSA SONO E COME FUNZIONANO
Il principio di funzionamento delle pompe di calore è quello di trasferire calore da una sorgente a temperatura inferiore ad una a temperatura superiore. Il grosso vantaggio della pompa di calore è quello di utilizzare circa il 75 % di energia in forma gratuita, proveniente dal sole e accumulata da aria, acqua e terra, e il 25 % di energia elettrica per garantire comfort estivo e invernale.
In pratica la pompa di calore ha un funzionamento simile a quello di un elettrodomestico molto più familiare: un normale frigorifero. Il principio di funzionamento si basa su un ciclo termodinamico di un fluido, detto gas frigorifero o fluido refrigerante, che può presentarsi sotto forma di stato liquido o gassoso, a seconda della temperatura e della pressione a cui si trova nelle condizioni di utilizzo.
La macchina è definita pompa di calore o macchina frigorifera a seconda dell’effetto utile che si vuole ottenere, cioè il riscaldamento o il raffreddamento della sorgente interna (per es. abitazione). Le macchine che possono dirigere il fluido caldo sia verso la sorgente interna sia verso la sorgente esterna, attraverso opportune valvole, hanno la capacità di funzionare sia come pompa di calore sia come macchina frigorifera, in base alla tipologia di sorgente calda o fredda. Tali macchine sono dette a ciclo frigorifero reversibile o semplicemente reversibili lato frigorifero.
La fase in cui il fluido frigorifero viene compresso, aumentandone pressione e temperatura, può essere realizzata in vari modi, sempre con apporto di energia. Il metodo di compressione attualmente più diffuso è quello dei compressori azionati da motori elettrici,
Tali pompe di calore (con motore elettrico) sono le più diffuse per la versatilità e l’economicità dei motori elettrici, oltre alla possibilità di utilizzare, come vettore energetico, l’elettricità.
I principali vantaggi offerti da tale tecnologia sono, innanzitutto, il basso costo e la limitata manutenzione. Tra gli svantaggi possono essere ricordate le limitate temperature di mandata ed il consumo elettrico dovuto a forti correnti di spunto (parzialmente mitigate dall’elettronica di potenza).
Le sorgenti fredde (esterne) possono essere: l’aria esterna o l’acqua (superficiale, di falda o altro), oppure la terra, dove il calore viene assorbito tramite appositi scambiatori detti sonde geotermiche.
Le sorgenti calde (interne – il fluido dell’impianto) possono essere: l’aria, quando la pompa di calore riscalda direttamente l’aria degli ambienti, oppure l’acqua, quando la pompa di calore riscalda l’acqua utilizzata come fluido vettore nei circuiti di riscaldamento.
Le pompe di calore aria-aria sono dotate di scambiatori aria/gas refrigerante. La sorgente fredda è a temperatura variabile (è l’aria esterna che è sempre disponibile).
Sostanzialmente ne esistono due tipologie:
- SPLIT
Lo scambiatore verso la sorgente fredda e gli altri componenti del circuito frigorifero si trovano all’esterno, mentre lo scambiatore verso la sorgente calda è posizionato all’interno degli ambienti da riscaldare. Gli scambiatori sono collegati tramite tubazioni contenenti gas refrigerante.
- ROOFTOP
Tutto il circuito frigorifero è in un’unica macchina e l’aria è convogliata all’interno delle abitazioni tramite canalizzazioni.
Generalmente gli impianti aria-aria per piccoli ambienti residenziali e commerciali sono di tipo split, poiché il circuito frigorifero presenta bassi costi e ingombri ridotti.
I sistemi rooftop sono invece più utilizzati nei centri commerciali, teatri e ambienti produttivi dove c’è la possibilità di realizzare le canalizzazioni necessarie.
La pompa di calore “split” è composta da un modulo idronico collocato all’interno dell’edificio e da un’unità esterna che scambia calore con l’aria. I componenti principali che caratterizzano l’unità interna sono: lo scambiatore a piastre acqua/refrigerante, il circolatore per il circuito primario, il flussostato, il vaso d’espansione, la valvola sfogo aria e la valvola di sicurezza. Nell’unità esterna rimangono invece il compressore, la valvola di espansione e il ventilatore che scambia calore con il fluido refrigerante, per mezzo dell’aria esterna.
Il collegamento termico tra le due unità è realizzato mediante delle tubazioni di refrigerante ad alta pressione.
I GAS REFRIGERANTI. L’evoluzione del settore della climatizzazione ha subito una forte accelerazione negli ultimi anni a seguito dell’introduzione di vincoli minimi riguardanti l’efficienza e l’impatto ambientale delle pompe di calore. In ambito residenziale i refrigeranti tradizionalmente utilizzati, come l’R410A e l’R134a, dovranno essere sostituiti con nuovi a basso impatto ambientale come il gas R32 (famiglia dei fluorurati) oppure il gas di origine naturale R290 (propano).
Ad oggi non ci sono divieti espliciti per pompe di calore che utilizzano R134a o R410A. Tuttavia, nei condizionatori mono split residenziali con carica gas inferiore ai 3 kg sarà vietato l’uso dei refrigeranti HFC con valori di Global Warming Potential (GWP) > 750, a partire dal 1 gennaio 2025.
In modalità riscaldamento, le pompe di calore lavorano solitamente con una temperatura di esercizio ottimale per l’acqua tecnica di 35 °C (lato impianto) e arrivano a produrre acqua calda sanitaria a temperature tra i 50 e i 60 °C. Un altro punto da tenere in considerazione è il rendimento della pompa di calore, maggiore è la temperatura richiesta e minore sarà il suo COP (Coefficient of Performance = misurazione dell’efficienza di una pompa di calore). Occorre, dunque, trovare un compromesso tra la temperatura di produzione dell’acqua calda in centrale, che dovrebbe essere la più bassa possibile, e la temperatura di mandata richiesta dai terminali, che al contrario dovrebbe essere la più alta possibile. Talvolta, quindi, risulta necessario sovradimensionare i sistemi di emissione per farli lavorare ad una temperatura più bassa rispetto a quella nominale. Operazione da eseguire tenendo in considerazione il compromesso tra il costo aggiuntivo, il rendimento di generazione e i limiti fisici legati alle temperature massime operative.
