La pompa di calore un'idea rivoluzionaria e naturale

Un sistema di riscaldamento che utilizza il calore del sole immagazzinato nell’aria, nel suolo o nell’acqua, disponibile tutto l’anno.

Una pompa di calore che trasferisce all’acqua del sistema l’energia recuperata dalla terra, dall’aria o dall’acqua disponibili nell’ambiente esterno. Questa energia viene utilizzata per riscaldare, raffreddare l’ambiente e produrre acqua calda sanitaria.

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Sono quattro le fasi che compongono il ciclo termodinamico del fluido frigorigeno all'interno di una pompa di calore: compressione, condensazione, espansione ed evaporazione. Nella fase di compressione del fluido – allo stato gassoso – aumenta di pressione e di temperatura assorbendo calore. Nella fase successiva passa attraverso un condensatore e il calore viene ceduto all'acqua o all'aria utilizzati come vettori per il riscaldamento degli ambienti o dell'acqua calda sanitaria. Nella terza fase, il fluido – tornato liquido – attraversa una valvola di espansione (processo di lamionazione) che provoca una riduzione di pressione e di temperatura. Infine, nella quarta e ultima fase, quella di evaporazione, passa allo stato di vapore assorbendo energia dalla sorgente termica.L'apporto energetico riguarda essenzialmente la corrente elettrica necessaria per il funzionamento del compressore, ma nel complesso il sistema è in grado di fornire più energia (sotto forma di calore) di quanta ne consuma.

L’ambiente è ricco di energia. In teoria, bisogna raggiungere lo zero assoluto (-273,15ºC) per eliminare anche l’ultimo residuo di energia. Con l’aiuto di una pompa di calore, una parte di quest’energia naturale può essere raccolta e trasformata per ottenere acqua calda sanitaria e calore.
Anche in termini economici, l’installazione di questo tipo di impianto risulta conveniente: l’energia termica può essere estratta anche a temperatura al di sotto dei -15ºC. In media, nell’arco di un anno, il ritorno di energia naturale a costo zero sarà pari a circa la metà dei normali costi di riscaldamento.  

Funzionalità di una pompa di calore

L’energia ricavabile gratuitamente dall’ambiente fornisce circa il 75% dell’energia richiesta da una pompa di calore. Con l’integrazione di solo il 25% di energia esterna (solitamente energia elettrica), si raggiunge il 100% del fabbisogno del sistema di riscaldamento. L’energia può essere estratta dall’aria esterna, dall’acqua (sia essa di falda, di fiume o di lago) e dal suolo, attraverso scambiatori di calore. Questo calore entra quindi nel ciclo della pompa di calore, dove è portato a un livello di temperatura idoneo alle esigenze di riscaldamento.

Recupero di energia dal suolo

Queste pompe di calore sono in grado di recuperare l’energia ambientale presente nel suolo secondo due modalità: orizzontale e verticale.

Recupero dell’energia dal suolo attraverso sonde orizzontali

Un collettore geotermico posato orizzontalmente in giardino (serpentine orizzontali in materia sintetica PE posati nel terreno ad una profondità di ca. 1,2-1,5 m) assorbe il calore dalla terra e lo trasmette ad un liquido termovettore (acqua glicolata). Questo liquido giunge quindi alla pompa di calore che, in funzionamento invernale, assorbe il calore contenuto nell’acqua per cederlo, attraverso il circuito frigorifero, all’impianto interno dell’abitazione (attraverso i termosifoni, ventilconvettori o pannelli o radianti). Questo sistema necessita di una superficie di terreno da due a tre volte la grandezza della superficie da riscaldare.

Recupero dell’energia dal suolo attraverso sonde verticali

Il principio di funzionamento della sonda geotermica è analogo a quello dei collettori geotermici interrati in una superficie orizzontale. Ad una profondità di 30-100 m si inseriscono sonde geotermiche, costituite da uno o più tubi in materiale sintetico, attraverso le quali fluisce acqua glicolata. Le sonde geotermiche verticali richiedono spazio ridotto. La capacità di assorbimento varia in funzione delle caratteristiche del terreno e si situa tra 30 e 100 Watt per metro di sonda geotermica.

Recupero dell’energia dall’acqua

L’energia può essere recuperata dall’acqua, sfruttando il calore naturale di laghi, pozzi e falde. In particolare, l’acqua freatica presenta condizioni ideali per una pompa di calore in quanto ha la capacità di accumulare il calore del sole per un lungo periodo e mantiene temperature generalmente costanti di 9-12° C.
Con tali temperature le pompe di calore offrono prestazioni migliori (e quindi costi di esercizio minori) rispetto a quelle basate sul principio delle sonde geotermiche. Questo il funzionamento. Mediante una pompa d’alimentazione si preleva dell’acqua freatica che viene condotta alla pompa di calore che ne recupera il calore. Un pozzo assorbente riconduce poi l’acqua alla falda freatica. La distanza tra pozzo d’alimentazione e pozzo assorbente deve essere di almeno 10 m (impedimento dei corti circuiti). I volumi disponibili e la qualità dell’acqua vanno appurati precedentemente con prove di pompaggio.

Recupero dell’energia dall’aria

La soluzione con il più vasto campo di applicazione resta comunque quella basata sul recupero dell’energia ambientale dell’aria esterna. L’aria esterna è infatti sempre disponibile e non presenta vincoli. I benefici di questo sistema si traducono quindi in semplicità di installazione, dato che è sufficiente una macchina esterna in grado di recuperare il calore presente nell’aria con conseguente contenimento dei costi di impianto. Inoltre le attuali pompe di calore ad aria presentano delle efficienze energetiche molto elevate anche a temperature molto rigide.



I moderni impianti di pompe di calore ad energia elettrica che sfruttano l'energia accumulata nell'ambiente presentano dei netti vantaggi in relazione al bilancio ecologico e dei costi annuali dell'energia persino rispetto ai più efficaci impianti di riscaldamento a gas o altro combustibile.

Questi i plus di una pompa di calore:
- Risparmio energetico grazie allo sfruttamento dell'energia accumulata dall'ambiente
- Riduzione delle emissioni di CO₂
- Utilizzo solo di energia elettrica che sempre più in futuro, verrà prodotta attraverso fonti alternative
- Affidabilità di funzionamento e ridotta manutenzione
- Nessuna espulsione di gas combustibili, per cui assenza di camino e di controlli periodici sulle emissioni in ambiente

La pompa di calore come fonte rinnovabile

La commissione dell' UE ha pubblicato il 23 aprile 2009 (direttiva 2009/28/CE) la proposta di Direttiva RES (Renewable Energy Sources) sulla promozione dell'uso dell'energia proveniente dalle fonti rinnovabili Nella proposta di direttiva sono state incluse le pompe di calore come tecnologia che usa l'energia rinnovabile proveniente da aria, da acqua e da terra. Le pompe di calore sono una tecnologia matura che ha potenziale significativo di contributo verso il risparmio di energia e gli obiettivi di protezione di clima dell'UE. Le pompe di calore sono una delle poche tecnologie che possono coprire gli interi bisogni di riscaldamento, di raffreddamento e produzione dell'acqua calda sanitaria con l'uso delle fonti rinnovabili. Le pompe di calore possono essere impiegate con successo in edifici residenziali, in costruzioni commerciali e nelle applicazioni industriali. Il riscaldamento e raffreddamento consumano almeno il 40% di tutta l'energia primaria consumata all'interno dell'UE. L'installazione diffusa delle pompe di calore porterebbe a quasi 70 milioni di unità installate entro il 2020. Le unità installate contribuirebbero al 21.5% dell'obiettivo di riduzione di CO₂ per il 2020. Nel 2020 le pompe di calore produrrebbero più di 770 TWh (approssimativamente 30% dell'obiettivo di EUs) di energia rinnovabile e risparmiando più di 900 TWh di energia primaria.

Efficienza

L'efficienza di una pompa di calore elettrica 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.
La pompa di calore recupera circa il 75% dell'energia di cui necessita dall'ambiente (aria, acqua, terra). Questo vuol dire che per 1 kWh di energia elettrica consumato, fornirà 2,5 kWh di calore al mezzo da riscaldare. Il C.O.P. è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento.

Confronto delle emissioni di CO₂

Il più evidente beneficio di una pompa di calore, oltre all'elevata efficienza energetica, è la completa eliminazione delle emissioni locali derivanti dalla combustione. Le uniche emissioni di CO₂ che possono persistere sono quelle dipendenti dalla produzione di elettricità da parte delle centrali che producono l' energia elettrica. In generale, però, le centrali sono responsabili di meno emissioni rispetto ai piccoli impianti domestici di riscaldamento.
La sostituzione delle caldaie a gas o a gasolio datate e poco efficienti è quindi un obiettivo prioritario.

L'indice "Primary Energy Ratio" (PER)

La stima delle emissioni di CO₂ è un dato essenziale nella valutazione dell'efficienza ambientale. Ci sono comunque altri indici per verificare le reali efficienze dei diversi sistemi disponibili.
PER (Primary Energy Ratio) è identificato come il rapporto tra l'energia termica utile trasferita all'ambiente e l'energia primaria consumata. Tale indicatore permette di effettuare analisi di convenienza energetica confrontando differenti soluzioni al fine di dedurre quella meno onerosa in termini di consumi di energia primaria (concetto del Risparmio energetico).