Funzionamento della pompa di calore

Pompa di calore: principio di funzionamento semplice ed efficace

Una pompa di calore è un dispositivo termodinamico che opera il trasferimento di calore da una fonte naturale esterna (aria, acqua o terreno) all'interno di un edificio per il riscaldamento. Il funzionamento di una pompa di calore è simile a quello di un frigorifero, ma invertito: anziché disperdere energia termica la preleva. 

Come funziona una pompa di calore?

Il funzionamento di una pompa di calore si basa su un ciclo termodinamico chiuso che utilizza un fluido refrigerante per trasferire energia termica da una sorgente naturale a bassa temperatura (aria, acqua o terra) all'interno dell'edificio, rilasciando calore utile per il riscaldamento e l'acqua calda sanitaria.

L'efficienza è garantita dal fatto che la maggior parte dell'energia termica viene prelevata dall'ambiente esterno.

Il cuore del sistema è il fluido refrigerante, che cambia ciclicamente il suo stato fisico (da liquido a gassoso e viceversa) per assorbire e rilasciare calore. Il processo si articola in quattro componenti e fasi chiave:

L'efficienza del sistema è calcolata dal COP (Coefficient of Performance) e, stagionalmente, dallo SCOP (Seasonal Coefficient of Performance). Il calore ceduto all'impianto è tipicamente da 3 a 6 volte superiore all'energia elettrica consumata per alimentare il compressore.

Guida alla scelta

Utilizzando l'energia gratuita, ecologica e rinnovabile di suolo, acqua e aria, le pompe di calore costituiscono la soluzione ideale per ridurre i consumi di energia e le emissioni di CO2 e, nel contempo, preservare il pianeta. Per l'installazione di una pompa di calore è fondamentale una valutazione accurata di vari criteri:

Fabbisogno Termico dell'Edificio:

• Calcolo Preciso: Determinare l'effettiva potenza termica necessaria (kW) per riscaldare l'immobile, basandosi su un bilancio termico professionale. Questo previene il sovra o sottodimensionamento.

• Classe Energetica e Isolamento: Valutare lo stato dell'isolamento termico (cappotto, infissi). Migliore è l'isolamento, minore è il fabbisogno termico e maggiore l'efficienza della PDC.

Modalità di Funzionamento Richiesta:

• Monovalente: La PDC è l'unica fonte di riscaldamento. Richiesto in nuove costruzioni o riqualificazioni con ottimo isolamento.

• Bivalente: La PDC è affiancata da un generatore di supporto (es. caldaia a gas/gasolio) che interviene solo a temperature esterne molto rigide. Spesso scelto per riqualificazioni in zone climatiche fredde.

Contesto Climatico Locale:

• Clima Rigido: Richiede PDC più performanti o sistemi bivalenti. L'Aria-Acqua in queste zone può soffrire di cali di COP e della necessità di sbrinamento.

• Clima Mite: L'Aria-Acqua è spesso la scelta più efficiente ed economicamente vantaggiosa.

Fonte di energia

La scelta della fonte di energia di alimentazione della propria pompa di calore dipende delle caratteristiche climatiche del luogo di installazione e dal fabbisogno termico che deve essere coperto. Le pompe di calore Viessmann utilizzano varie fonti di energia:

• aria
• calore del terreno
• acqua
• recupero termico

Dimensionamento dell'impianto

Il dimensionamento di una pompa di calore determina la sua potenza ottimale ed è strettamente correlato alla scelta della modalità operativa (monovalente o bivalente), definita da un preciso bilancio termico dell'edificio. Questa scelta stabilisce se la pompa di calore sarà l'unico generatore di calore o se necessiterà di un generatore di supporto.

Questo calcolo identifica il fabbisogno termico massimo (in kW) necessario per mantenere la temperatura di comfort all'interno dell'edificio nelle condizioni climatiche più rigide previste.

Sulla base di questo calcolo, si può scegliere la modalità di funzionamento di una pompa di calore: monovalente (la pompa di calore è l’unico generatore di calore) o bivalente (un generatore a supporto è presente nell’impianto).

Il funzionamento delle varie tipologie spiegato

Calore dall'aria – disponibilità illimitata, costi di investimento contenuti

L'aria è una risorsa gratuita e disponibile illimitatamente. L'aria ambiente contiene sempre del calore, anche quando fuori fa molto freddo. La temperatura minima raggiungibile è fisicamente -273,15° C. Ciò significa che qualsiasi temperatura superiore contiene dell'energia termica, che può essere teoricamente sfruttata; in realtà, per un funzionamento efficiente di una pompa di calore, la temperatura non deve scendere sotto i -20° C.
La pompa di calore aria acqua può essere installata sia internamente che esternamente.

Calore dal terreno, tramite campi collettori o sonde geotermiche

Anche nel terreno è sempre presente calore, utilizzabile per riscaldare gli ambienti tramite una pompa di calore. La particolarità di sfruttare la geotermia sono le temperature relativamente elevate e costanti del terreno. A profondità oltre 10 metri, le temperature sono sempre elevate, anche in inverno. Man mano che aumenta la profondità aumentano anche le temperature e con esse la quantità di energia termica che può essere catturata tramite sonde geotermiche.

Per catturare il calore più prossimo alla superficie si utilizzano campi collettori.

Calore dall'acqua  – notevole efficienza, previa verifica della qualità dell'acqua

Una pompa di calore che sfrutta l'acqua di falda richiede un pozzo con un sistema di aspirazione e di deflusso dell'acqua. E' necessario verificare se le disposizioni locali in merito a protezione del territorio e delle acque consentono la realizzazione di questi pozzi.

Oltre a ciò bisogna accertarsi della composizione dell'acqua, che influisce in modo determinante sull'efficienza di funzionamento della pompa di calore. Laddove non è possibile installare una pompa di calore acqua acqua, si può generalmente optare in alternativa per una pompa di calore terra acqua.

Recupero termico

In particolare nei giorni freddi, l'aria in ambiente è più decisamente calda rispetto all'aria esterna. Questo calore può essere sfruttato tramite uno scaldacqua a pompa di calore per produrre acqua calda sanitaria, indipendentemente dall'impianto di riscaldamento esistente. Gli scaldacqua Viessmann sono predisposti per il funzionamento con aria ricircolata o aria viziata e sono disponibili anche con scambiatore e regolazione solare integrati per lo sfruttamento diretto dell'energia solare.

Rendimento nominale e stagionale di una pompa di calore

Rendimento nominale COP

Il COP (Coefficient of Performance) indica il rapporto tra la potenza termica resa all'impianto e la potenza elettrica spesa dalla pompa di calore.
Ad esempio, se la pompa di calore sta fornendo 4 kW all'impianto di riscaldamento, a fronte di un assorbimento elettrico di 1 kW, il COP risulta essere pari a 4.

I COP è un valore dichiarato dal costruttore in riferimento a precise condizioni di lavoro e temperature e serve per confrontare varie pompe di calore in termini di efficienza.

Rendimento stagionale

Ciò che interessa davvero, al fine di valutare rese e consumi, è il rendimento stagionale (SPF O SCOP), che tiene conto delle effettive condizioni di lavoro della macchina nell'impianto termico.
La bontà del rendimento stagionale dipende da molti fattori, tra cui la qualità costruttiva della pompa di calore, la zona climatica in cui opera la macchina ed il tipo di impianto termico, oltre che dalla corretta progettazione e posa in opera dell'impianto. Per questi motivi il rendimento stagionale non è un dato tecnico fornito dal costruttore, ma può essere stimato in fase progettuale.