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Pompe di Calore Aria Acqua (Marsala - Trapani)

COSA SONO LE POMPE DI CALORE



Le pompe di calore permettono di utilizzare l’energia presente nell’aria, nell’acqua e nel suolo, consentendo elevati risparmi di energia primaria e riducendo notevolmente le emissioni di CO2. Le loro prestazioni dipendono però molto dalle condizioni di funzionamento fra cui, in primis, le temperature delle sorgenti calda e fredda.
ciclo termodinamico (ciclo di Carnot) per trasferire il calore da una “sorgente” a temperatura inferiore a un utilizzatore a temperatura superiore, realizzando quindi una trasformazione in senso inverso a quanto avviene in natura, ove il fl usso termico passa solo dalla temperatura superiore a quella inferiore. Il ciclo di Carnot è da molto tempo usato come ciclo “frigorifero”, più noto che il ciclo inverso “a pompa di calore”; è realizzato con compressori, scambiatori di calore e tubazioni, fa evolvere un fl uido che compie una serie di trasformazioni di stato (principalmente evaporazioni e condensazioni) che consentono di prelevare calore da un ambiente “freddo” e trasferirlo a un altro “caldo”. Si può immaginare il ciclo come composto da due fasi importanti (la condensazione e l’evaporazione) con due fasi accessorie (la laminazione e la compressione). Nelle fasi principali, che hanno luogo all’interno di scambiatori di calore, avvengono le trasformazioni chiave: nell’evaporazione il fl uido passa dallo stato liquido allo stato gassoso asportando calore dall’ambiente in cui è posto lo scambiatore, raffreddandolo. L’altra fase chiave è la condensazione: in questo caso è più arduo rappresentare il fenomeno con un esempio fi siologico; il fl uido uscito allo stato gassoso dall’evaporatore passa attraverso un compressore, dove acquista temperatura e pressione elevate e successivamente viene raffreddato fi no a diventare liquido; il ciclo si completa con il ritorno nell’evaporatore previo abbassamento di pressione. 
Se si utilizza la bassa temperatura (avendo l’alta temperatura come scarto), si ha una macchina frigorifera: se si usa il caldo e si scarta il freddo, abbiamo la pompa di calore. In molte realizzazioni il ciclo termodinamico può essere invertito: la stessa macchina può essere utilizzata per la produzione di acqua calda oppure acqua fredda.
Facciamo due conti per prendere coscienza della convenienza del passaggio a un impianto a condensazione: Una caldaia a condensazione può costare fino a 1.000 Euro in più rispetto a una caldaia tradizionale, sicuramente un particolare da non trascurare nella scelta iniziale, ma è importante soffermarsi sulla durata dell’impianto (solitamente 15 anni) che permette un ammortizzazione dei costi nel tempo, quasi fosse dilazionato lo stesso risparmio.



Come funziona le pompa di calore?

I sistemi a pompa di calore hanno una naturale vocazione per la climatizzazione degli ambienti: d’inverno, portano il calore dall’esterno all’interno (direttamente, come nel caso degli impianti a espansione diretta, oppure indirettamente, come nel caso di impianti a fan coil oppure a tutt’aria). D’estate, con ciclo contrario, portano il calore dall’interno all’esterno. Il punto chiave della questione, al di là di aspetti specialistici, è che la pompa di calore è un sistema che trasporta calore utilizzando una certa quantità di energia (assorbita dal compressore). In generale, l’energia trasportata da un ambiente a un altro (tipicamente, negli impianti di climatizzazione, dall’esterno all’interno di un ambiente abitato) è ben superiore all’energia impiegata per il trasporto. Nel caso della pompa di calore, si dispone di una macchina che trasporta calore in forma termica utilizzando l’energia che viene fornita tipicamente dalla rete elettrica. Questo signifi ca che, per l’utilizzatore fi nale, il comportamento è molto simile a quello di una caldaia, in cui si immette da un lato il metano, ottenendo dall’altro calore. Il rapporto fra l’energia elettrica immessa per fare funzionare una pompa di calore e l’energia trasportata dipende da tantissimi parametri fra cui principalmente:

- la temperatura a cui avvengono gli scambi termici (la temperatura dell’acqua che si deve usare per l’impianto di riscaldamento e la temperatura dell’ambiente esterno, piuttosto che del terreno o dell’acqua di falda); 

-il tipo di fl uido utilizzato. Questo rapporto di resa (COP: Coeffi cient Of Perfomance) è tipicamente superiore a 3 e raggiunge, in alcuni casi, valori anche superiori a 6 e più. Nel caso delle caldaie, il rapporto fra l’energia immessa attraverso il metano e il calore ottenuto sotto forma di acqua calda è al massimo pari a 1.

I vantaggi della pompa di calore 

Le pompe di calore possono quindi essere più convenienti rispetto a una caldaia. Non bisogna però farsi trarre in inganno dai numeri, ma ricordare che l’energia elettrica che si immette nella pompa di calore è prodotta tipicamente attraverso la combustione di metano. Il rendimento di una centrale termoelettrica è pari a circa 40%: se si immettono 100 unità di energia nella centrale termoelettrica sotto forma di metano, se ne ottengono circa 40. Quindi, nel trarre un bilancio energetico globale di una pompa di calore, si deve tenere conto che ogni unità di energia elettrica richiede che siano bruciate nella centrale due unità e mezzo di metano. Sarebbe a dire: riportati a pari condizioni i bilanci energetici (e quindi anche quelli economici e di inquinamento) una pompa di calore con COP pari a 3 ha un “rendimento” confrontabile con la caldaia pari al 40% di 3 (cioè 1,2). Per completare la panoramica, all’estremo inferiore della scala dei rendimenti ci sono la stufetta elettrica, l’asciugacapelli e la lavastoglie: qui una resistenza trasforma in calore l’energia elettrica. Quindi il rendimento massimo è 1, come nella caldaia. Solo che il costo di produzione dell’energia elettrica porta la resa globale a 0,4.

I limiti della pompa di calore 

Un punto che limita l’utilizzo delle pompe è che la temperatura dell’acqua calda prodotta con le tecnologie attuali è abbastanza bassa e che comunque, al salire della temperatura, scende sensibilmente la resa. Quindi occorre utilizzare tecnologia distributiva a basse temperature (soffi tti e pavimenti radianti, per esempio) e avere sistemi per lo scambio dell’aria (unità di trattamento dell’aria e fan coil) con batterie maggiorate. L’uso per l’acqua sanitaria è estremamente critico sia per la bassa temperatura, sgradita all’utente, sia per questioni di tipo igienico, per cui occorre adottare solitamente un sistema aggiuntivo che consente la soppressione dei batteri della legionella portando di tanto in tanto la temperatura dell’acqua a valori elevati (60÷70 °C). Limitando le osservazioni al funzionamento a pompa di calore delle macchine e trascurando per il momento il funzionamento per la refrigerazione, scopriamo nel dettaglio quantitativo questi fattori, che dipendono dalle caratteristiche del ciclo di Carnot. All’aumentare della temperatura dell’acqua in uscita (cioè quella che si utilizza successivamente per il riscaldamento degli ambienti), il COP della pompa di calore diminuisce. Per esempio: d’inverno, con aria esterna a -5 °C, con una pompa di calore con potenza resa di 98 kW, di tipo aria/acqua, con temperatura dell’aria esterna a -5 °C, il COP è pari a: 3,10 se l’acqua calda esce dalla macchina a 38 °C e 2,69 se l’acqua calda esce dalla macchina a 45 °C. Cioè: la resa è maggiore del 15% se l’acqua in uscita è meno calda di 7 °C. Al diminuire della temperatura della sorgente fredda (cioè l’aria esterna, nel caso di pompe aria/acqua, o l’acqua di pozzo o di torre, nel caso delle pompe acqua/acqua), parimenti diminuisce il COP. Per esempio, con la stessa pompa del caso precedente, ma con una temperatura esterna di +7 °C, otteniamo i seguenti COP: 3,97 se l’acqua calda esce dalla macchina a 38 °C e 3,37 se l’acqua calda esce dalla macchina a 45 °C. Cioè: la resa è maggiore del 17% se l’aria esterna è più calda di 12 °C. In conclusione: per aumentare il rendimento energetico del sistema occorre usare l’acqua alla temperatura più bassa possibile e la sorgente fredda alla temperatura più calda possibile. Nel caso delle pompe di calore aria/acqua, la seconda condizione (che, di fatto, è la temperatura dell’aria esterna) non è nella disponibilità del progettista. Nel caso delle pompe di calore acqua/acqua, viceversa, la scelta della sorgente può essere pilotata attraverso la tipologia di scambio (acqua di falda, sonda geotermica, acquedotto ecc.).