Le pompe di calore

La nascita di questa tecnologia è riconducibile agli studi svolti da J. Perkins che anticipò di qualche anno le teorie di W. Thomson (lord Kelvin),dunque non è una scoperta recente.

La sostanziale differenza tra una caldaia tradizionale ed una pompa di calore è che, nella prima, il calore fornito è limitato dalla quantità e qualità di combustibile utilizzato, nella seconda invece non vi sono limiti di tale genere. Nelle caldaie il rapporto tra energia immessa (ad esempio metano) e l’ energia ottenuta in uscita (calore) è al massimo pari ad 1, nelle pompe di calore tale valore è generalmente superiore a 3. Le pompe di calore, dunque, rappresentano un’ottima soluzione efficiente per produrre calore a spese di un ciclo termodinamico efficace e consolidato. Il ciclo termodinamico su cui si basa il funzionamento di una pompa di calore è essenzialmente il contrario di quello che svolge un normale frigorifero, nel quale il calore viene trasferito dall’interno dell’elettrodomestico all’ambiente esterno, mentre nella PdC il calore viene trasferito dall’ambiente esterno dentro allo spazio abitativo.

Le pompe di calore possono essere utilizzate l’inverno per riscaldare gli ambienti ma anche l’estate per raffrescarli. Il trasferimento di calore da una sorgente fredda ad una più calda non è un processo naturale è quindi necessario fornire alla macchina una certa energia che le consenta di funzionare, il grande vantaggio di questa tecnologia è che permette di produrre più energia di quanta ne consuma. Nella seguente immagine è possibile vedere come il calore sia sempre trasferito da una sorgente a temperatura fresca verso una più calda:

pdc

Figura 1. Unità interna ed esterna di una pompa di calore

Classificazione delle pompe di calore

Le pompe di calore (PdC) sono conosciute sin dalla crisi petrolifera del 1970 ed oggi, grazie all’evoluzione tecnologia di cui siamo protagonisti, è presente sul mercato con differenti soluzioni impiantistiche. Nello specifico le PdC possono essere classificate in diversi modi in funzione delle loro caratteristiche:

  • in base a come viene compresso il fluido di lavoro,
  • in base al tipo di fluido che svolge lo scambio di calore,
  • in base al sistema di distribuzione del calore (nell’ambiente riscaldato),
  • in base alla temperatura di mandata del fluido.

Per quanto riguarda la modalità di compressione del fluido di lavoro questa può avvenire attraverso un motore elettrico o endotermico, in alternativa esistono anche pompe di calore ad assorbimento

  • PdC elettriche a compressione

Le pompe di calore a compressione sono caratterizzate da costi ridotti, rispetto a quelle ad assorbimento, ma vi è una riduzione di efficienza dovuta al fenomeno del thermal lift (notevole differenza di temperatura tra la sorgente di calore e l’ambiente di interesse).

  • PdC ad assorbimento a gas

Questa tecnologia è caratterizzata da costi maggiori, a fronte però di una maggiore stabilità delle prestazioni.

All’interno di queste due classi tecnologiche, si possono distinguere le pompe di calore in funzione del tipo di fluido con il quale viene scambiato il calore dalla sorgente fredda al pozzo caldo, in particolare:

  • aria,
  • acqua,
  • terreno.

E’ interessante osservare questa tabella presente nel rapporto statistico del GSE diffuso nel 2013 – Rapporto statistico “Energie da fonti rinnovabili in Italia “ – dove si notano i consumi, confrontati tra il 2012 ed il 2013, legati alle pompe di calore:

pompe di calore GSE

Figura 2. Consumi legati alle pompe di calore. [Fonte GSE]

Di seguito si riporta un’esaustiva tabella che evidenzia i vantaggi e svantaggi delle diverse fonti:

PdC EER

Figura 3. Vantaggi e svantaggi delle PdC [Fonte: Energy Efficiency Report 2013]

Le pompe di calore si possono differenziare anche in base alla temperatura di mandata del fluido per il riscaldamento dell’ambiente, ovvero queste possono essere definite a bassa temperatura, se erogano acqua calda fino a 52°C o alta temperatura, se erogano acqua calda superiore ai 52°C.

 Bilancio energetico

In una PdC sono presenti tre flussi di energia:

  • Il calore prelevato dall’ambiente a minore temperatura
  • Il calore ceduto all’ambiente a maggiore temperatura
  • L’energia necessaria per il funzionamento (gas o elettricità)

La PdC è una tecnologia molto efficiente infatti permette di ottenere indici di prestazione energetica molto elevati:

  •  COP – Coefficient of Perfomance per le PdC a compressione elettrica,
  •  EER – Energy Efficiency Ratio per le PdC a compressione elettrica,
  • GUE – Gas Utilization Efficiency per le PdC ad assorbimento a gas.

Il COP, nel caso si tratti di riscaldamento invernale, o l’EER nel caso di raffrescamento estivo, indicano l’efficienza del processo; definiscono quanta energia si è prodotta rispetto a quella consumata. I valori di COP e EER sono simili, ma non uguali. La differenza tra i due è la quota parte di calore generata dal compressore che, in estate viene dissipata e quindi non conteggiata nell’EER, mentre in inverno viene considerata come apporto termico al condensatore e quindi inserita nel calcolo del COP. In genere dunque il valore del COP è leggermente superiore a quella dell’EER.

Per quanto riguarda le PdC ad assorbimento, il medesimo concetto è rappresentato dal GUE – Gas Utilizazion Efficiency. In un’applicazione dove è presente un clima mite una PdC può raggiungere e superare valori di COP pari a 3, ovvero per ogni kWh di energia consumata si fornisce calore pari a 3 kWh.

 

PdC COP ERR

Figura 4. COP e EER per le PdC [Fonte: Energy Efficiency Report 2013]

PdC GUE

Figura 5. GUE per PdC [Fonte: Energy Efficiency Report 2013]

Confronto tra COP e GUE

Sia il COP che il GUE sono dati dal rapporto tra l’energia erogata dalla pompa di calore e l’energia utilizzata dalla pompa per svolgere il lavoro. Tra questi due parametri molto simili sussiste una differenza importante: il COP, infatti, considera come energia in ingresso l’elettricità che non è una fonte primaria, mentre il GUE considera il gas che invece è una fonte primaria. Alla base di questa differenza vi è dunque una rilevante considerazione da fare: per poter confrontare questi due parametri bisogna riportare il COP in termini di energia primaria dividendo dunque il consumo elettrico del compressore per il rendimento del sistema nazionale di generazione pari a 0,4 (è un valore relativo alla generazione di energia elettrica stabilito a livello europeo – regolamenti n° 811/2013 e 813/2013 ). Nella figura seguente si può vedere il confronto dell’efficienza delle pompe di calore ad assorbimento ed a compressione elettrica, la linea rossa continua indica le prime mentre quella blu tratteggiata indica le seconde.

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Confronto dell’efficienza delle pompe di calore, parametrata sull’energia primaria [Fonte: Pompe di calore – Tipologie, progettazione e benefici nell’utilizzo – Casali]

SCOP e SGUE

Le prestazioni delle PdC sono influenzate dalle condizioni operative di utilizzo dell’impianto (temperatura della sorgente fredda e del pozzo caldo) quindi durante l’intera stagione di funzionamento la loro efficienza non è costante. Per questo motivo sono stati introdotti i coefficienti SCOP, SGUE e SPF che rappresentano i coefficienti descritti precedentemente ma legati alla stagione (la lettera S sta per infatti Seasonal)

Vantaggi della tecnologia

Innanzitutto, è opportuno sottolineare come il nostro Paese, grazie al suo clima, offra un ambiente utile allo sviluppo di questa tecnologia in quanto ne garantisce un rendimento elevato. I vantaggi ambientali, economici ed energetici di questa tecnologia sono molteplici:

  • Climatizzazione a ciclo annuale (riscaldamento e raffrescamento) con un’unica macchina (se reversibile)
  • Aumento dell’efficienza energetica
  • Utilizzo di fonti di energia rinnovabile (la sorgente di riferimento non viene consumata o comunque ha un tempo di rigenerazione sostenibile)
  • Riduzione delle emissioni inquinanti (in particolare delle PM10 e della CO2 )
  • Aumento della classe energetica dell’edificio dove viene installata

 Le PdC, inoltre, possono accedere ad alcuni sistemi di incentivazione in quanto tecnologie che sfruttano energia rinnovabili, ad oggi sono presenti i seguenti sistemi:

  1. Detrazioni fiscali del 55% o del 36% per l’installazione
  2. Titoli di Efficienza Energetica
  3. Conto termico

Approfondimenti