Pompe di calore: riscaldare con l'energia termica dell'ambiente
Il riscaldamento globale, il cambiamento climatico, le emissioni di CO2 e l'effetto serra sono termini drammatici che purtroppo fanno sempre più notizia.
È quindi indispensabile ridurre i gas a effetto serra, come i gas fluorurati, il metano, il protossido di azoto e l'anidride carbonica (CO2). In particolare l'anidride carbonica, che molti sistemi di riscaldamento emettono quando bruciano combustibili fossili come il carbone, il petrolio o il gas naturale, contribuisce tra l'altro al riscaldamento globale e al cambiamento climatico.
Per questo motivo è urgente trovare alternative ecologiche o a impatto zero sul clima che provengano da fonti di energia rinnovabili. Quando si parla di riscaldamento, il termine "pompa di calore" ricorre continuamente. Ma cosa sono le pompe di calore, come funzionano e sono davvero la panacea contro la crisi climatica? Vorremmo chiarire queste domande e fornirvi informazioni più interessanti su questo importante argomento.
C'è molto calore nell'aria, nella terra e anche nell'acqua, che idealmente potrebbe essere utilizzato per il riscaldamento. Tutto ciò è dovuto alle radiazioni solari o al nucleo caldo della Terra. Ma a parte i geyser islandesi in ebollizione, purtroppo l'energia termica disponibile non è direttamente utilizzabile per questo scopo. Questo perché le temperature dell'aria, dell'acqua o della terra durante la stagione più fredda sono spesso significativamente inferiori ai 20 gradi Celsius (°C) richiesti.
È necessario un certo know-how tecnico per garantire che il processo di riscaldamento funzioni e sia efficiente e rispettoso dell'ambiente. Ad esempio, le pompe di calore aria-acqua (1) vengono utilizzate per portare l'energia termica esistente (2) dell'aria a un livello significativamente più alto (3).
L'alta temperatura o l'aumento di temperatura così ottenuto viene poi trasferito al circuito dell'acqua di un sistema di riscaldamento (4). In questo modo è possibile riscaldare in modo semplice ed efficiente singole stanze, interi edifici o addirittura intere piscine.
Il trucco ingegnoso è che gran parte dell'energia di riscaldamento ottenuta proviene direttamente dall'ambiente. Solo l'energia elettrica necessaria per la pompa (5), idealmente generata da fonti di energia rinnovabili, incide sul costo.
Le pompe di calore non sono una nuova invenzione del 21° secolo. Le pompe di calore esistono da oltre 100 anni. In pratica, qualsiasi frigorifero o congelatore è una pompa di calore. L'unica differenza è che questi frigoriferi utilizzano la riduzione di temperatura generata all'interno e non il calore residuo generato sul retro. Per capire meglio il funzionamento di una pompa di calore, vediamo prima come funziona un frigorifero a compressore.
Funzionamento di un frigorifero a compressore
Un frigorifero ha un circuito di refrigerazione chiuso contenente un refrigerante gassoso o liquido, come l'isobutano. L'isobutano o R600a ha un punto di ebollizione molto basso ed evapora già a una temperatura di -11,5 °C.
Il refrigerante gassoso (1) viene pressurizzato mediante un compressore (2), situato all'esterno dello spazio interno da raffreddare. Durante questo processo, il refrigerante si riscalda a circa 60-100 °C per effetto Joule-Thomson. Il refrigerante caldo e pressurizzato viene indirizzato verso un circuito di refrigerazione o uno scambiatore di calore (3) sulla parete posteriore del frigorifero. Lì, l'energia termica viene semplicemente ceduta all'aria ambiente.
Poiché la temperatura di ebollizione del refrigerante pressurizzato è notevolmente superiore a -11,5 °C, esso si condensa nel circuito di refrigerazione e diventa liquido. Per questo motivo gli esperti chiamano il circuito di refrigerazione anche condensatore.
Il refrigerante liquido scorre quindi attraverso un tubo capillare verso l'interno del frigorifero (Inside). Il tubo capillare funge da valvola di strozzamento o valvola di espansione (4) che riduce la pressione e atomizza finemente il refrigerante. I tubi dell'evaporatore a valle (5) offrono uno spazio sufficiente al refrigerante per tornare allo stato gassoso riducendo la pressione. L'energia termica necessaria per l'evaporazione (raffreddamento evaporativo) viene estratta dall'interno del frigorifero dall'evaporatore come scambiatore di calore. Dopo l'evaporatore, il refrigerante gassoso viene restituito al compressore in modo che il ciclo possa ricominciare. La temperatura è controllata da un termostato, che accende o spegne il compressore entro un certo intervallo di temperatura.
Funzionamento di una pompa di calore
Anche la pompa di calore ha un circuito di refrigerazione chiuso con refrigerante, due scambiatori di calore e un compressore. A differenza del frigorifero, però, la pompa di calore sfrutta l'aumento della temperatura e non la sua diminuzione.
A questo scopo, il refrigerante gassoso (2) viene compresso con un compressore (1). Il refrigerante caldo e pressurizzato viene condotto al primo scambiatore di calore o condensatore (3).
Oltre ai tubi per il refrigerante, questo scambiatore di calore è dotato di tubi per un circuito di riscaldamento (4).
Entrambi i sistemi di tubazioni sono termicamente interconnessi. Ciò consente di trasferire in modo efficiente il calore del refrigerante compresso al circuito di riscaldamento con un sistema di distribuzione e accumulo del calore.
Il refrigerante raffreddato e ora liquido viene convogliato attraverso una valvola di strozzamento (5) al secondo scambiatore di calore, all'evaporatore o al sistema di fonti di calore (6). Oltre alle linee per il refrigerante, vi sono anche linee termicamente accoppiate per il circuito di refrigerazione (7) nell'evaporatore. Il circuito di raffreddamento è solitamente riempito con antigelo e acqua e può compensare il freddo generato durante l'evaporazione nell'evaporatore con il calore ambientale. In questo modo, la pompa di calore raffredda l'ambiente come effetto collaterale positivo. Il refrigerante, ora nuovamente gassoso, viene indirizzato al compressore, chiudendo nuovamente il ciclo.
Esistono diversi tipi di pompe di calore, a seconda del mezzo da cui viene estratta l'energia per il riscaldamento. In questa pagina vogliamo illustrare in modo più dettagliato i tipi più comuni:
Pompa di calore aria/acqua
In una pompa di calore aria-acqua o pompa di calore aria-sorgente (vedi schizzo A), l'aria ambiente serve come fonte di calore. A volte vengono installate unità split in cui il compressore, l'evaporatore e il ventilatore si trovano all'esterno e il condensatore con la pompa di circolazione e la tecnologia di controllo all'interno della casa. Le pompe di calore aria-acqua possono funzionare in modo economico fino a una temperatura dell'aria di -20°C.
I nostri consigli di prodotto per le pompe di calore aria-acqua
Pompa di calore ad acqua di falda
Le pompe di calore ad acqua di falda sono chiamate anche pompe di calore a sorgente terrestre o pompe di calore ad acqua salata e sfruttano il calore naturale della terra come fonte di energia. A tal fine, vengono interrati dei collettori a terra (vedi schizzo B) vicino alla superficie oppure vengono scavati dei pozzi profondi (40 - 100 m) (vedi schizzo C). Sebbene lo sforzo di installazione sia considerevolmente più elevato, le temperature più alte della terra di solito garantiscono una maggiore efficienza della pompa di calore.
Pompa di calore acqua/acqua
In una pompa di calore acqua-acqua (vedi schizzo D), l'acqua di falda serve solitamente come fonte di calore. A questo scopo, le pompe di calore ad acqua freatica richiedono un pozzo di aspirazione per estrarre l'acqua e un pozzo di infiltrazione per restituire l'acqua freatica.
Poiché la temperatura dell'acqua di falda è costante tutto l'anno, indipendentemente dalla stagione, questi sistemi possono funzionare in modo molto efficiente. In molti luoghi, tuttavia, l'uso delle acque sotterranee è soggetto a permessi.
Pompe di calore aria/aria
Una pompa di calore aria-aria utilizza l'aria esterna o anche l'aria di scarico dell'abitazione come fonte di calore. A differenza di una pompa di calore aria-acqua, il calore non viene trasferito a un circuito di riscaldamento riempito d'acqua, ma a un sistema di ventilazione. Le pompe di calore aria-aria sono ideali per le case passive e gli edifici ad alta efficienza energetica in cui è necessario installare un sistema di ventilazione con recupero di calore.
Pompe di calore ad acqua calda
La pompa di calore per acqua calda o pompa di calore per acqua calda sanitaria è progettata specificamente per produrre acqua calda sanitaria utilizzando la tecnologia dell'aria ambiente e della pompa di calore. La pompa di calore e il serbatoio dell'acqua sono spesso un'unica unità. Alcune pompe di calore per l'acqua calda sono dotate di elementi riscaldanti aggiuntivi per aumentare in modo significativo la già elevata temperatura dell'acqua calda sanitaria, pari a circa 65 °C, se necessario. In alternativa, esistono anche pompe di calore per acqua calda con collegamenti aggiuntivi per i collettori solari.
Diverse fonti di calore per una pompa di calore
Integrazione di una pompa di calore con collettori solari
Naturalmente, è possibile integrare e supportare efficacemente una pompa di calore con collettori solari. In questo caso, i collettori solari possono essere utilizzati direttamente per produrre acqua calda o, a basse temperature, per aumentare il livello energetico della fonte di calore. Le possibilità a questo proposito sono così varie che è comunque opportuno affidare la progettazione a degli esperti.
La tecnologia delle pompe di calore può essere utilizzata sia per il riscaldamento che per il raffreddamento di case ed edifici. Con le estati sempre più calde, i sistemi di condizionamento dell'aria con tecnologia a pompa di calore sono sempre più presenti sulle pareti delle case. Anche l'uso mobile nei veicoli ha dimostrato la sua validità per decenni.
Nel frattempo, anche gli elettrodomestici funzionano con questa tecnologia intelligente. Le asciugatrici per il bucato, ad esempio, da un lato sono comode e utili, ma dall'altro richiedono una quantità relativamente elevata di energia elettrica. Per ridurre il consumo di elettricità mantenendo le stesse prestazioni di asciugatura, le moderne asciugatrici funzionano con una pompa di calore. Con un'asciugatrice a pompa di calore, non è necessario riscaldare costantemente l'aria nuova, che viene poi semplicemente rilasciata nella stanza o nell'ambiente dopo il processo di asciugatura. Al contrario, l'aria di asciugatura viene costantemente riutilizzata in un ciclo e specificatamente riscaldata e raffreddata dalla pompa di calore integrata.
Le pompe di calore hanno molti punti di forza, ma anche alcuni punti deboli che non vogliamo nascondere. Probabilmente il vantaggio maggiore, da un lato, è che la parte essenziale dell'energia termica estratta viene prelevata dall'ambiente e quindi è disponibile in quantità illimitata. Se l'elettricità per azionare il compressore è generata da fonti rinnovabili, le pompe di calore sono fornitori di energia ecologica. D'altra parte, i costi di investimento non sono trascurabili, nonostante le sovvenzioni statali. Inoltre, l'integrazione negli edifici esistenti è difficile a causa delle temperature di alimentazione talvolta basse.
I pro e i contro delle pompe di calore in sintesi
Vantaggi:
- Fornitore di energia ecologica
- Alta efficienza
- Fonti di calore quasi inesauribili
- Elevata flessibilità delle fonti energetiche
- Costi operativi ridotti, ammortamento rapido
- Funzionamento quasi esente da manutenzione
- Possibilità di riscaldamento e raffreddamento
Svantaggi:
- Alto costo di acquisizione
- Temperatura di mandata limitata
- È necessario un buon isolamento dell'edificio
- Efficienza ottimale solo con il riscaldamento a pavimento
- Difficile l'utilizzo con i radiatori
- È necessario un sistema di acqua calda separato
- Pianificazione e progettazione solo da parte di specialisti
L'efficienza di un sistema di riscaldamento indica il rapporto tra energia fornita e calore utilizzabile. Se un impianto di riscaldamento a gas produce circa 9.000 kWh di calore da 10.000 kWh di gas naturale, l'efficienza del sistema di riscaldamento è pari a 0,9. Per le pompe di calore si parla di efficienze comprese tra 2 e 5! Ciò significa che da un chilowattora (1 kWh) di elettricità si generano circa 2-5 kWh di calore, che è meglio ottenere da energie rinnovabili.
Ma le pompe di calore non sono macchine magiche che possono miracolosamente moltiplicare l'energia dal nulla. Piuttosto, l'elevata efficienza è dovuta al fatto che in questo caso viene inclusa nel calcolo solo l'elettricità necessaria e non anche l'energia ambientale fornita.
In fin dei conti, però, questo è irrilevante, perché l'energia ambientale richiesta è disponibile in quantità illimitata e non compare in nessuna bolletta energetica. Idealmente, non ci sono costi operativi se il gestore della pompa di calore possiede anche un impianto fotovoltaico e quindi l'elettricità per il compressore, i ventilatori e le pompe è generata dall'impianto fotovoltaico. Grazie all'energia rigenerativa, il riscaldamento può essere completamente privo di CO2.
Per indurre la popolazione a passare a una pompa di calore rispettosa del clima in occasione dell'ammodernamento o della conversione di un sistema di riscaldamento esistente o di un vecchio impianto di riscaldamento, il governo fornisce un sostegno finanziario per una nuova pompa di calore. Tuttavia, il sussidio per le pompe di calore è legato a determinati criteri. Inoltre, la sovvenzione è in continua evoluzione. Pertanto, se si desidera richiedere un sussidio per le pompe di calore, è necessario informarsi sulle attuali misure di sovvenzione.