Pompe di Calore, come funzionano e come sceglierle

Le Pompe di Calore sono generatori dalle particolari caratteristiche tecniche. Consentono di ottenere eccellenti performance termiche, a fronte di consumi energetici relativamente limitati. In questo articolo ne ripassiamo i principi di funzionamento e scopriamo: come scegliere le PdC, quali sono le configurazioni impiantistiche meno energivore e più efficienti, come sfruttare al meglio gli apporti delle fonti rinnovabili.

Fluido evolvente e ciclo termodinamico: i principi di funzionamento

I motori termici sono macchinari dal funzionamento ciclico. Il fluido evolvente al loro interno percorre un ciclo che lo riporta allo stato iniziale, fornendo al contempo lavoro utile. Esso deriva dalla differenza tra il lavoro prodotto durante una fase del ciclo e quello assorbito durante l’altra fase.
Per fluido evolvente si intende quindi un fluido al quale e dal quale il calore viene trasferito per il compimento di un ciclo termodinamico.

In termodinamica, una trasformazione ciclica prende il nome di ciclo termodinamico. Esso consiste quindi in una successione di processi consequenziali e concatenati, in cui il sistema torna al suo stato iniziale.
La coincidenza fra stato iniziale e stato finale chiaramente non è ottenibile con una singola trasformazione, bensì con un insieme di due (o più) trasformazioni. In questo caso il fluido evolvente scambia energia termica e/o lavoro meccanico con l’esterno.

Pompe di Calore: isteresi e lavoro

L’isteresi è quel fenomeno fisico che esclude la ciclicità di una qualsiasi trasformazione. Infatti, in condizioni reali, le trasformazioni cicliche non sono conseguibili per via degli effetti dissipativi. Questi provocano delle modificazioni irreversibili nella materia per cui è impossibile ritornare perfettamente allo stesso stato iniziale.

Nel Piano di Clapeyron (il diagramma dove Y=P: pressione, X=V: volume) se il percorso della trasformazione si orienta in senso orario il sistema è una macchina termica motrice ed il lavoro L sarà positivo (ossia il sistema compie lavoro sull’ambiente).
Se invece il percorso si orienta in senso antiorario il sistema è una macchina termica operatrice che funziona come un frigorifero o come una pompa di calore. Il lavoro L sarà quindi negativo, ossia assorbe il lavoro dall’esterno. Questo consente di trasferire calore da una sorgente fredda ad una calda).

La Pompa di Calore (PdC) preleva quindi il calore da una sorgente esterna a bassa temperatura e lo trasferisce in un ambiente interno, aumentandone la temperatura grazie all’applicazione di un lavoro esterno.

I cambiamenti di stato nella pompa di calore

Se dovessi quindi spiegare la PdC ad uno studente, mi limiterei a dire che quando raffredda funziona come un frigorifero, mentre quando riscalda funziona al contrario di un frigorifero.

Siamo infatti in presenza di un circuito chiuso, dentro il quale c’è un fluido refrigerante soggetto a cambiamenti di stato ciclici che passa quindi dalla fase liquida al vapore e viceversa.

Questi passaggi di stato inducono a variazioni di pressione e temperatura. Essi avvengono nell’evaporatore che, ottenendo calore dall’ambiente (acqua, terra o aria), converte il fluido da liquido a vapore.
Utilizzando l’energia elettrica riusciremo a farlo tornare allo stato liquido nel compressore ed in questa fase avremo una cessione di calore all’impianto. Tutto questo processo avviene ciclicamente e si conclude grazie alla valvola di espansione, che consente al fluido di tornare alle sue condizioni iniziali.

Un po’ di storia…

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) fu un fisico francese, considerato assieme a Fourier e Gay-Lussac tra i padri della termodinamica, a cui dobbiamo la teorizzazione del ciclo di Carnot, della macchina di Carnot e del teorema di Carnot.
Dopo la laurea in ingegneria all’Ecole Polytechnique di Parigi e dopo essersi dedicato alla carriera militare come Capitano del Genio Militare dell’esercito francese, dal 1819 si dedicò anima e corpo allo studio del calore, arrivando nel 1824 a pubblicare “Réflexions sur la puissance motrice du feu” (Riflessioni sulla potenza motrice del fuoco).
Ed è proprio qui che inizierà a parlare di macchina termica ideale e del trasferimento di energia da un corpo caldo ad un corpo freddo. Nella parte finale della pubblicazione, Carnot analizza infine il funzionamento delle macchine termiche con l’intento di ottimizzarne i rendimenti.

Il ciclo inverso di Carnot

Teorizzato il ciclo di Carnot, si arriva immediatamente – di conseguenza – ad analizzarlo all’inverso: qui il lavoro non sarà più prodotto dal sistema ma sarà invece fornito al sistema. Ne consegue la base teorica su cui si fonda il funzionamento della Pompa di Calore: l’efficienza di una macchina termica detta rendimento (η) è il rapporto tra il lavoro utile prodotto (L _out) ed il calore assorbito (Q _in)  dalla sorgente calda:

La conseguenza più lampante ed immediata della teoria di Carnot è che il rendimento termodinamico di una macchina termica reale non potrà mai essere maggiore o uguale ad 1.

L’efficienza di funzionamento: COP e EER

La produzione energetica di una Pompa di Calore è estremamente proficua e conveniente. L’energia elettrica spesa e quella termica prodotta possono arrivare addirittura ad un rapporto di 1:5, considerando i kWh assorbiti. Altri vantaggi di queste macchine eccezionali consistono nel poter sia riscaldare sia raffrescare gli ambienti, oltre alla possibilità di impiegarle per la produzione di ACS.

Il coefficiente di prestazione indica la quantità di calore somministrato (COP = coefficient of performance, per il riscaldamento) o estratto (EER = energy efficiency ratio, per il raffrescamento) in un sistema termodinamico, rispetto al lavoro impiegato.

È quindi un parametro che rappresenta l’efficienza di funzionamento della PdC ma, a differenza del rendimento termodinamico, può essere maggiore del valore dell’unità (1). Questo perché, oltre a presentare la conversione del lavoro fornito in calore utile, si somministra anche un extra-flusso di calore. L’extra-flusso è prelevato da una sorgente calda e ceduto nell’ambiente dove il calore è necessario.

L’efficienza stagionale (SCOP e SEER)

Le performance di una pompa di calore dipendono però in larga misura dalla temperatura di evaporazione del fluido refrigerante. Tale temperatura varia ovviamente in base condizioni ambientali ed al loro mutare nell’arco dell’anno. Per cui si adotta il coefficiente di prestazione stagionale SCOP e SEER, dove quella “S” anteposta a COP e EER significa seasonal (stagionale). Questi parametri vengono calcolati come il rapporto tra tutta l’energia termica fornita durante la stagione (invernale/estiva) e l’energia elettrica richiesta dalla macchina durante lo stesso periodo.

Il coefficiente di prestazione stagionale dipende della fascia climatica in cui una macchina viene installata. Per l’Europa sono state definite 3 zone climatiche differenti. Le prestazioni della PdC nelle diverse zone sono riassunte nell’etichetta di classificazione dell’efficienza energetica. Grazie all’etichetta l’utente è in grado di confrontare macchine differenti senza ambiguità interpretative.

ENEA ha predisposto una pagina semplice e molto chiara dove spiega come leggere le etichette di classificazione.

Le tipologie di Pompe di Calore

Nei capitoli precedenti abbiamo visto perché la pompa di calore è considerata una delle macchine termiche più efficienti, sia in termini di rendimento, sia in termini di spesa energetica. Essa sfrutta infatti l’energia termica prodotta da acqua, terreno ed aria, fonti di facile reperibilità per tutti. Progettare un impianto con pompa di calore significa contribuire in modo significativo al risparmio energetico e al taglio delle bollette.

Il vantaggio però è anche di natura ambientale. Le Pompe di Calore non producono reflui combustivi e non immettono quindi scorie, particolati o polveri in atmosfera. Infatti le pompe di calore elettriche sono del tutto prive di canna fumaria poiché non bruciano alcun combustibile.

Il mezzo esterno da cui la PdC preleva calore si definisce sorgente fredda. Il fluido (aria o acqua) da riscaldare, invece, si definisce pozzo caldo.

Le principali sorgenti fredde sono:

• Aria: esterna al locale dove è installata la PdC oppure estratta dal locale stesso.
• Acqua: di falda, di fiume, di lago, marina quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a profondità ridotta.
• Suolo: nel quale vengono inserite delle apposite tubazioni (sonde geotermiche). 

Le più diffuse sono in media quelle di tipo Aria-Acqua ma esistono modelli Aria-Aria, Acqua-Acqua e Terra-Acqua.

I modelli Aria-Acqua, Acqua-Acqua e Terra-Acqua, poiché sfruttano tutte l’acqua, sono classificate come Pompe di Calore Idroniche.

Per approfondire e confrontare tutte le tipologie impiantistiche e progettarle con TERMOLOG consigliamo la lettura di questo articolo dedicato alla modellazione degli impianti.

L’analisi delle tre sorgenti

L’aria come sorgente fredda ha il vantaggio di essere sempre reperibile ovunque. La potenza resa dalla PdC diminuirà però all’abbassarsi della temperatura della sorgente. Pertanto al di sotto dei 2°C, il rendimento della pompa di calore sarà irrisorio. Più vantaggioso è, invece, usare come sorgente fredda l’aria interna al locale da riscaldare, poiché essa si trova sempre ad una temperatura maggiore dell’aria esterna.

Tra l’altro, l’aria negli spazi confinati va comunque rinnovata a cadenza ciclica per ossigenarsi e mantenere gli ambienti salubri e non saturi di anidride carbonica.

L’acqua come sorgente fredda consente di ottenere ottime prestazioni della PdC senza risentire in maniera rilevante delle condizioni climatiche esterne. Richiede però extra-costi per le tubazioni (sonde).

Il suolo come sorgente fredda presenta il vantaggio di subire sbalzi di temperatura quasi irrilevanti, se paragonato all’aria. Le tubazioni (sonde), possono essere posizionate orizzontalmente, interrate ad almeno 1-1,5 metri di profondità, per non risentire delle variazioni di temperatura dell’aria esterna. Serve però disporre di un’area rilevante di terreno (circa 2-3 volte superiore alla superficie dei locali da riscaldare). Se le tubazioni vengono posizionate verticalmente nel suolo bisogna raggiungere profondità anche di 80-100 m. Questa soluzione, pur efficientissima, presenta ovvi extra-costi da sostenere per gli scavi e la posa delle sonde.

Altissima efficienza: le pompe di calore elio-assistite e l’integrazione con il fotovoltaico

Esistono infine delle Pompe di Calore che sono definite elio-assistite poiché prevedono l’impiego di pannelli solari termici.
In questa particolare configurazione impiantistica i pannelli solari termici svolgono la funzione di fonte di calore a bassa temperatura. Producono calore che si impiega per alimentare l’evaporatore della PdC.
Con questo sistema si riescono ad ottenere COP elevati e si produce energia con efficienza maggiore e costi ridotti.

Ulteriore efficienza si può conseguire alimentando la PdC con un impianto fotovoltaico, meglio se dotato anche di sistema di accumulo. In questo modo, quando la produzione FV sarà superiore all’assorbimento elettrico dell’abitazione, l’energia eccedente andrà a caricare direttamente la batteria. Questo permette di utilizzare l’energia accumulata in un momento differito rispetto alla sua produzione (sera/notte) senza che si renda necessario richiederla alla rete elettrica.

Le guide di ENEA e lo speciale Logical Soft sulle pompe di calore

ENEA ha già reso disponibile una guida sulle PdC, dove illustra quali interventi siano agevolabili, chi possa accedervi, quali edifici riguardino ed a quanto ammonti il beneficio previsto. Inoltre, ha trattato l’argomento per i non addetti ai lavori fornendo illustrazioni e spiegazioni semplici.

Anche Logical Soft ha già dedicato a queste macchine termiche straordinarie degli incontri tecnici, organizzati assieme ad ISNOVA ed ENEA, in cui si sono analizzati casi pratici ed incentivi.

TERMOLOG è già pronto ad accompagnarvi nella transizione impiantistica: qui la nostra Annachiara Castagna ha infatti analizzato come si riesca a passare da una caldaia ad una PdC.