Guida alla pompa di calore – aspetti generali
Termocasa
POMPE DI CALORE – INTRODUZIONE
Le limitate risorse di combustibile e l'orientamento mondiale verso la tutela dell'ambiente sono aspetti che hanno attirato l'attenzione sulla possibilità di utilizzare fonti energetiche rinnovabili. Oggi queste pompe di calore rappresentano apparecchiature di riscaldamento sicure, efficienti e innovative, con un funzionamento economico in termini di consumo di energia elettrica. Le pompe di calore – sono apparecchiature che forniscono i locali tecnici necessari per utilizzare in modo efficiente l’energia solare accumulata nell’acqua sotterranea, nel suolo o nell’aria, sotto forma di calore ecologico, per il riscaldamento o il raffreddamento dei locali e per la preparazione dell’acqua calda sanitaria. La pompa di calore ottiene circa tre quarti dell'energia necessaria dall'ambiente circostante e per il resto utilizza la corrente elettrica come energia di azionamento. Le moderne pompe di calore offrono efficaci possibilità tecniche per ridurre il consumo energetico e le emissioni di CO2. Nella ristrutturazione di vecchi edifici, così come di nuovi edifici, la pompa di calore è una buona alternativa. Questo articolo tratta i principi base della tecnologia delle pompe di calore, le principali varianti tecniche e illustra gli aspetti più importanti delle applicazioni che integrano queste apparecchiature.PERCHE' UNA POMPA DI CALORE?
1. Motivazione economica
1.1 Bassi costi operativi
- a seconda del tipo di pompa di calore, fino a 3/4 dell'energia termica può essere ricavata dall'ambiente (gratuitamente)
- tramite un compressore (azionato elettricamente) la pompa di calore porta la temperatura dell'agente termico prelevato dall'ambiente alla temperatura richiesta nell'impianto di riscaldamento domestico
- con una pompa di calore l'energia solare accumulata nell'ambiente può essere utilizzata tutto l'anno!
1.2 Indipendenza dai combustibili fossili
Le fonti energetiche utilizzate dalla pompa di calore sono disponibili a portata di mano, in modo completamente indipendente dalla disponibilità o dal prezzo dei combustibili fossili.2. Comfort
Il sistema di riscaldamento con pompe di calore offre il massimo grado di comfort e la massima facilità d'uso. Il sistema di distribuzione del calore normalmente utilizzato in abbinamento alle pompe di calore (riscaldamento a pavimento, riscaldamento a parete, sistemi di riscaldamento a bassa temperatura) garantisce un clima confortevole e salubre. I modelli a pompa di calore reversibile (acqua-acqua o suolo-acqua) possono anche soddisfare il fabbisogno di raffrescamento estivo. Gli impianti a pompa di calore sono generalmente molto silenziosi, completamente automatizzati e non necessitano di operazioni di manutenzione periodica. Non è necessario alcun deposito di combustibile, né rimozione della cenere, né pulizia del camino.3. Sicurezza per il futuro
La scelta di un sistema di riscaldamento è una decisione che dura da molti anni. Le pompe di calore rappresentano la tecnologia di riscaldamento più moderna oggi disponibile. Oggi le pompe di calore non sostituiscono solo gli impianti di riscaldamento a legna, combustibile liquido o carbone, ma sempre più spesso anche gli impianti a gas naturale. In più c’è la domanda: saremo in grado di sostenere i costi del sistema di riscaldamento tra 20 anni? Ad ogni aumento dei prezzi dei combustibili fossili, il costo del riscaldamento con pompe di calore diventa più vantaggioso rispetto al riscaldamento con gas, combustibili liquidi o pellet. Nonostante l’aumento del prezzo dell’elettricità, con una pompa di calore 3/4 dell’energia consumata è e rimane gratuita.4. Funzionamento sicuro
Le pompe di calore producono energia termica attraverso un ciclo termodinamico, senza bruciare combustibile. Questo aspetto riduce notevolmente il rischio di incidenti! Inoltre, le pompe di calore funzionano con refrigeranti non infiammabili.5. Ideale sia per nuove costruzioni che per la riabilitazione di edifici esistenti
Le pompe di calore possono essere utilizzate per riscaldare e raffrescare edifici nuovi e costruzioni a basso consumo energetico (dove la maggior parte dei sistemi convenzionali non è disponibile o non è conveniente da implementare tecnicamente o economicamente a causa delle basse potenze termiche). Inoltre, dove è già presente un moderno sistema di riscaldamento che utilizza combustibili fossili e si desidera una riduzione dei costi, le pompe di calore possono essere utilizzate come sistemi di riscaldamento aggiuntivi (funzionamento bivalente).6. Funzioni multiple
Le pompe di calore possono fornire riscaldamento per tutta la stagione fredda, raffrescamento per tutta la stagione calda (con piccole modifiche) e acqua calda sanitaria per tutto l'anno.7. Ecologico
La combustione di combustibili fossili per il riscaldamento di abitazioni e uffici rappresenta oggi una delle maggiori fonti di produzione di CO2. Le pompe di calore producono energia termica senza inquinanti utilizzando l'energia dell'ambiente.COME FUNZIONA UNA POMPA DI CALORE?
Il funzionamento di una pompa di calore: un principio semplice con risultati eccezionali! Indipendentemente dalla loro tipologia, queste pompe di calore possono essere viste come apparecchiature che aumentano la temperatura di un ambiente di lavoro utilizzando una quantità aggiuntiva di energia per produrre energia utile. Il funzionamento di una pompa di calore è sostanzialmente identico a quello di un'apparecchiatura che utilizziamo tutti i giorni: il frigorifero. La stessa tecnica, solo con uso invertito; nel caso del frigorifero, l'agente refrigerante preleva il calore dal cibo e lo cede all'ambiente. La pompa di calore preleva il calore dall'ambiente (suolo, acqua o aria) e lo cede all'impianto di riscaldamento sotto forma di energia termica. 1. Il vaporizzatore - prelevando calore dall'ambiente circostante (suolo, acqua, aria). Nel vaporizzatore è presente un agente di lavoro liquido a bassa pressione (refrigerante). Questa è una sostanza che ha un basso punto di ebollizione. La temperatura della sorgente (suolo, acqua o aria) è superiore alla temperatura di ebollizione corrispondente alla pressione del refrigerante. Questa differenza di temperatura porta alla trasmissione del calore dall'ambiente all'agente di lavoro, che bolle e vaporizza. Il calore necessario per vaporizzarlo proviene dalla fonte di calore esterna (suolo, acqua, aria). 2. Il compressore - aumento della temperatura I vapori derivanti dal mezzo di lavoro vengono continuamente aspirati dal vaporizzatore dal compressore. Il refrigerante viene compresso fino a raggiungere la temperatura necessaria per il riscaldamento e la preparazione dell'acqua calda sanitaria. Il processo di compressione è essenziale per l’efficienza di una pompa di calore. Per tutta la gamma di pompe di calore vengono utilizzati i compressori Compliant Scroll, costituiti da due spirali (una fissa ed una mobile) che comprimono continuamente l'agente di lavoro. I compressori Compliant sono completamente ermetici, hanno una durata molto più lunga e sono più silenziosi rispetto al modello a pistoni utilizzato in passato per le pompe di calore. 3. Il condensatore – Trasmissione del calore all'impianto di riscaldamento I vapori dell'agente di lavoro (refrigerante) raggiungono il condensatore della pompa di calore, che è circondato dall'agente termico. La temperatura dell'agente riscaldante è inferiore alla temperatura di condensazione dell'agente di lavoro, quindi i vapori si raffreddano e si condensano. L'energia (calore) prelevata dal vaporizzatore più il calore generato durante il processo di compressione (nel compressore) viene rilasciata nel condensatore e ceduta all'agente termico sotto forma di energia utile per il riscaldamento. 4. La valvola di espansione – il circuito si chiude. L'agente lavorativo viene successivamente restituito al vaporizzatore, attraverso una valvola di espansione. Pertanto, l'agente di lavoro passa dall'alta pressione del condensatore alla bassa pressione dell'evaporatore. All'ingresso del vaporizzatore si raggiungono i valori iniziali di pressione e temperatura. Il circuito è quindi chiuso.POMPE DI CALORE – COMPONENTI PRINCIPALI DA DOVE OTTENIAMO IL CALORE?
Suolo, acqua e aria sono elementi disponibili in quantità illimitate da utilizzare come fonte per una pompa di calore. In ogni singolo caso, la fonte energetica più vantaggiosa dipende dalle circostanze locali, dall'ubicazione dell'edificio e dal suo fabbisogno di calore. Per il loro utilizzo pratico, le fonti energetiche devono soddisfare diverse condizioni:- disponibilità in quantità sufficiente
- massima capacità di archiviazione
- livello di temperatura più alto possibile
- rigenerazione sufficiente
- cattura economica
Il terreno
Il terreno ha la proprietà di accumulare e conservare l'energia solare per un periodo di tempo più lungo, il che porta ad un livello di temperatura pressoché costante durante tutto l'anno e quindi al funzionamento di pompe di calore con un elevato coefficiente di prestazione. La temperatura del suolo è compresa tra 7 e 13°C durante tutto l'anno (a 2 m di profondità). Il calore prelevato dall'ambiente circostante viene trasmesso all'evaporatore della pompa di calore suolo-acqua attraverso una miscela acqua-antigelo (acqua salata); il punto di congelamento di questa soluzione è di circa -15°C. Il calore accumulato nel terreno viene prelevato tramite scambiatori di calore montati orizzontalmente - detti anche collettori del suolo - o tramite scambiatori di calore montati verticalmente - sonde del suolo.Collettori interrati - collettori orizzontali
Il calore del terreno viene prelevato mediante tubi di plastica - polietilene - montati nel terreno su un'ampia superficie. I tubi vengono posizionati parallelamente, nel terreno, ad una profondità compresa tra 1,2 e 1,5 m e, a seconda del diametro del tubo, ad una distanza di ca. Da 0,3 a 0,7 m, per cui su ogni metro quadrato di superficie di cattura ca. Da 1,43 a 2 m di tubo. La quantità di calore utilizzabile e quindi la dimensione della superficie necessaria dipende molto dalla qualità del terreno. Riguardo questo aspetto le quantità determinanti sono: innanzitutto la quantità di acqua presente nel terreno, le quantità di componenti minerali e la dimensione dei pori riempiti d'aria. La capacità di accumulo e la conduttività termica sono tanto maggiori quanto più il terreno è inumidito con acqua, quanto maggiore è la quantità di componenti minerali e quanto minore è il numero dei pori. I valori della potenza di estrazione specifica per terreno sono compresi tra 10 e 35 W/m2. Quando si utilizzano collettori orizzontali, le piante con radici molto profonde non dovrebbero essere piantate attorno ai tubi. La rigenerazione del suolo viene effettuata già a partire dalla seconda metà della stagione di riscaldamento attraverso l'irraggiamento solare e precipitazioni più abbondanti, per cui è necessario poter garantire che per la stagione successiva l'“accumulatore” del suolo sia nuovamente preparato al riscaldamento.Sonde del suolo
A causa delle grandi superfici di terreno necessarie per l'installazione dei collettori orizzontali, a volte risulta difficoltoso realizzare l'impianto per ragioni di spazio. Per le piccole superfici, le sonde del suolo sono un'alternativa al collettore posizionato orizzontalmente nel terreno. Possono essere inseriti a profondità comprese tra 50 e 150 m. Le sonde sono generalmente costituite da tubi in polietilene e di solito sono montati quattro tubi paralleli (sonda a doppio tubo con profilo a U). La miscela acqua-antigelo scorre al livello più basso attraverso due tubi e ritorna all'evaporatore della pompa di calore attraverso gli altri due. In questo modo il telaio viene sollevato da terra, per tutta la lunghezza dei tubi. Gli spazi tra i tubi ed il terreno devono essere riempiti con materiale dotato di buona conducibilità termica (bentonite). La potenza di estrazione varia notevolmente, tra 20 e 100 W/m di lunghezza della sonda.Acqua sotterranea
Le acque sotterranee sono anche un buon accumulatore di energia solare. Anche nelle giornate invernali più fredde ha una temperatura compresa tra 7 e 12°C. Tuttavia, l’acqua sotterranea non è disponibile in quantità sufficiente e di qualità adeguata in tutte le aree. Per utilizzare il calore è necessario realizzare due pozzi: uno aspirante ed uno assorbente (drenante); tra gli stessi deve essere prevista una distanza di almeno 5 metri e la posizione deve essere scelta in modo tale che la direzione del flusso dell'acqua sia dal pozzo aspirante a quello captante. Anche l'acqua dei laghi e dei fiumi è adatta come fonte di calore perché funge anche da accumulatore di calore.L'aria
L'aria è l'opzione più economica se utilizzata come fonte per una pompa di calore. Le pompe di calore aria-acqua utilizzano l'aria esterna come fonte di calore, che viene convogliata attraverso i condotti dell'aria, da un ventilatore integrato nel dispositivo, all'evaporatore, che estrae il calore dall'aria.Calore disperso
Tra le fonti utilizzabili con una pompa di calore, il calore disperso è quella più efficiente, garantendo i parametri prestazionali più elevati. Ha però lo svantaggio di una disponibilità molto limitata. Il nome di una pompa di calore è dato dal fluido circolante nel circuito primario e secondario. Per circuito primario intendiamo qui la fonte di calore (aria, suolo, acqua), mentre il circuito secondario è l'impianto di riscaldamento. *Le pompe di calore acqua-suolo si trovano anche sotto la denominazione "pompe di calore acqua-acqua salata". Questo nome deriva dal mezzo utilizzato sul circuito primario (sorgente) per lo scambio termico; per questo viene utilizzata una miscela di acqua e antigelo (tyfocor), chiamata "brine" in inglese o "sole" in tedesco. La modalità di funzionamento delle pompe di calore si adatta all'impianto di riscaldamento esistente nell'edificio, nel caso di edifici più vecchi, per i quali si effettuano ammodernamenti. In questo caso occorre tenere conto della temperatura massima che le pompe di calore possono raggiungere per ciclo (tra 55 e 65°C). Per impianti già dimensionati al di sopra di questo livello di temperatura, le pompe di calore possono funzionare solo insieme ad un altro generatore di calore. Nelle nuove costruzioni è possibile scegliere il sistema di distribuzione del calore. In questo caso, tenendo conto dei parametri di temperatura esterna annuale più elevati, verrà scelto un sistema di riscaldamento con una temperatura massima per turno di 35°C (riscaldamento a pavimento, a pareti, ecc.).Dal punto di vista tecnico si possono distinguere i seguenti regimi operativi:
- La modalità di funzionamento monovalente: la pompa di calore deve soddisfare il fabbisogno di riscaldamento dell'intero edificio come unico generatore di calore
- Modalità di funzionamento monoenergetico: la pompa di calore viene utilizzata in combinazione con un altro sistema di riscaldamento che funziona con l'elettricità
- Modalità di funzionamento bivalente: la pompa di calore viene utilizzata in combinazione con un'altra fonte di calore che funziona con combustibile solido, liquido o gassoso.
Coefficiente di rendimento e fattore di rendimento annuo
Il rapporto tra l'energia termica utilizzabile e l'energia elettrica di azionamento assorbita dal compressore è chiamato "indice di potenza momentanea" o "coefficiente di prestazione". Coefficiente di prestazione (COP) = specificato dal produttore, valore di laboratorio Fattore di prestazione annuale (FPA) = rapporto tra il calore estratto in un anno e l'energia totale consumata in un anno In generale il coefficiente di prestazione aumenta al diminuire della differenza di temperatura tra la sorgente e l'impianto di riscaldamento. Formula empirica:- Un aumento di un grado della temperatura nel circuito di riscaldamento comporta una diminuzione del COP del 2,5%
- L'aumento di un grado della temperatura della sorgente porta all'aumento del COP del 2,7%.
