Le Pompe di Calore

Le Pompe di Calore 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. Che cos’è la pompa di calore Com’è fatta, come funziona La sua efficienza Dove prende il calore: la sorgente fredda Dove viene utilizzato il calore: il pozzo caldo Le diverse pompe di calore Applicazioni della pompa di calore Le diverse taglie della pompa di calore Scelta della pompa di calore Dimensionamento Installazione della pompa di calore Manutenzione Valutazioni economiche 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. 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 sovraccosto iniziale della pompa di calore. In altre parole TRA è uguale al sovraccosto 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. Un esempio Una pompa di calore per una casa unifamiliare di 180 – 190 m2 costa circa 14.000 €, comprensivo di sonde geotermiche e di pozzetto. La pompa di calore ( che ha dimensioni tipo un normale frigorifero: 1,70/1,75 m di altezza nella versione più potente con una base di circa 60 cm) può sostituire la classica caldaia ed il condizionatore ( evitando un'approssimativa spesa di circa 5.000/6500 CHF ) risparmiando circa 750 CHF all’anno sul costo del combustibile per il riscaldamento e il 50 % dei costi di condizionamento.