Pompe di calore: la guida dalle sorgenti alle etichette energetiche

Tra le tecnologie impiantistiche più efficienti, un ruolo di rilievo è giocato dalle pompe di calore, apparecchiature impiegate per il riscaldamento di un fluido – aria o acqua – che trasformano in energia utile il calore (energia a bassa entalpia), altrimenti inutilizzato, presente nell’ambiente. Per funzionare, una pompa di calore necessita di energia, ma quella che trasferisce all’interno dell’ambiente sotto forma di calore è maggiore di quella che consuma, garantendo così un notevole risparmio. La pompa di calore sfrutta il calore gratuito e illimitato immagazzinato nell’aria, nell’acqua superficiale, nelle falde acquifere sotterranee e nel terreno. Per questo motivo, con la Direttiva RES (Renewable Energy Sources) le pompe di calore sono state riconosciute ufficialmente tecnologie che impiegano energie rinnovabili. I sistemi a pompa di calore sono una valida alternativa ai tradizionali sistemi di riscaldamento a combustione consentono risparmi fino al 60% di energia primaria, con pari riduzione della CO₂ e impiegano per il loro funzionamento circa il 75% di energia rinnovabile. Le pompe di calore, a differenza dei sistemi termici a combustione, offrono anche il vantaggio di poter essere utilizzate come climatizzatori durante la stagione calda: in estate invertono il loro funzionamento e trasferiscono il calore dall’edificio verso l’esterno, raffrescando gli ambienti. La soluzione con le sole pompe di calore comporta inoltre costi di installazione inferiori rispetto all’applicazione di una caldaia e di un condizionatore e la conseguente riduzione dei costi gestionali e manutentivi dell’impianto. Questo contenuto è tratto da “Sistemi Impiantistici nella Riqualificazione: Oggi e Domani”, il nuovo eBook di Clara Peretti dedicato al tema dei sistemi impiantistici all’interno degli edifici, con particolare focus per quelli residenziali ed uffici. Acquista cliccando il box di seguito

Componenti e funzionamento

La tecnologia delle pompe di calore è nota e utilizzata da decenni, e oggi è presente sul mercato con diverse soluzioni impiantistiche che la rendono adatta e di facile applicazione per tutte le esigenze. La pompa di calore deve il suo nome al fatto di essere in grado di trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura a un pozzo a temperatura più alta, così come una pompa solleva un fluido da una quota inferiore a una superiore. Tale processo è inverso rispetto a quello che avviene spontaneamente in natura ed è possibile solo fornendo energia alla macchina.   La maggior parte delle pompe di calore ad oggi in commercio si basa su un ciclo a compressione di vapore o ad assorbimento. Le pompe di calore maggiormente diffuse sono quelle alimentate elettricamente. Una pompa di calore elettrica a compressione è costituita da un circuito chiuso percorso da un fluido frigorigeno che, in funzione delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. Il circuito di una pompa di calore elettrica a compressione è costituito da: un compressore, un condensatore, una valvola di espansione e un evaporatore. • Il compressore comprime il gas (refrigerante) aumentandone la temperatura • Nel condensatore i gas caldi cedono calore all’acqua dell’impianto di riscaldamento condensando • Il liquido (refrigerante) passando attraverso una valvola di espansione si espande riducendo così la propria temperatura • La fonte di calore, tramite l’evaporatore, fornisce calore al liquido refrigerante il quale evapora. I componenti del circuito possono essere raggruppati in un unico blocco o divisi in due parti (sistemi split) collegate dalle tubazioni nelle quali circola il fluido frigorigeno. Il principale vantaggio nell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore “gratuito” dall’ambiente esterno (aria-acqua). L’efficienza di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione COP (Coefficient of Performance), che è il rapporto tra l’energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) e l’energia elettrica consumata. Il COP varia a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed è tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta è quella della sorgente da cui viene assorbito (nell’evaporatore). Gli indici SCOP e SEER descrivono invece il consumo energetico stagionale delle pompe di calore. Tali parametri considerano diversi fattori quali le condizioni stagionali europee, le condizioni di progettazione di riferimento, il consumo di energia riferita a diverse modalità operative, gli effetti della degradazione dell’efficienza energetica annuale, le correzioni dei coefficienti di efficienza stagionale. • SCOP o coefficiente di prestazione stagionale viene calcolato come il rapporto tra il fabbisogno annuo di riscaldamento e il consumo annuo elettrico per il riscaldamento. • SEER o efficienza energetica stagionale viene calcolato come il rapporto tra il fabbisogno annuo di raffreddamento e il consumo annuo di energia elettrica per il raffreddamento. Gli indici COP e l’EER, sono invece calcolati a determinate temperature esterne e interne, senza considerare altri parametri, che nel funzionamento annuale influiscono sulle prestazioni della macchina.

Tipologie di sorgenti

Verso l’interno la pompa di calore può riscaldare – o raffreddare, se reversibile – direttamente l’aria degli ambienti oppure può farlo attraverso un fluido intermedio, normalmente acqua, che trasporta il calore nei vari ambienti, dove un ulteriore scambiatore di calore (ventilconvettori, sistemi radianti ecc.) lo trasferisce all’aria. Verso l’esterno la pompa di calore può scambiare calore direttamente con l’aria oppure attraverso un fluido intermedio, acqua o acqua glicolata, che a sua volta lo scambierà con la sorgente esterna: acqua superficiale o di falda, terreno o rocce con sonde verticali od orizzontali (geotermia a bassa entalpia). La scelta della sorgente termica è importante e si riflette sia sulla prestazione energetica dell’impianto, sia sul dimensionamento della pompa di calore e sull’eventuale scelta di un sistema integrativo (caldaia a gas, resistenza elettrica). La temperatura della sorgente termica esterna e i relativi andamenti stagionali sono quindi di estrema importanza per determinare le prestazioni di una pompa di calore. Decisamente più vantaggioso è impiegare, come sorgente fredda, l’aria estratta dai locali, che deve essere comunque rinnovata. La scelta di sorgenti termiche diverse dall’aria e caratterizzate da valori di temperatura mediamente più elevati e meno variabili consente di ottenere prestazioni energetiche superiori e una maggiore stabilità della potenza termica resa dalla pompa di calore. Le sorgenti alternative all’aria esterna sono: le acque di falda, di fiume, di lago, di mare e il terreno. L’acqua (di falda, di fiume, di lago, di mare) come sorgente fredda garantisce prestazioni costanti e migliori rispetto alla sorgente aria in quanto non risente delle condizioni climatiche esterne; necessita però di opere di prelievo e di scarico soggette a vincoli legislativi. Il terreno come sorgente fredda garantisce buone prestazioni energetiche e ha il vantaggio di subire minori sbalzi di temperatura rispetto all’aria. Grazie al fatto che il terreno è, appunto, a temperatura praticamente costante durante tutto l’anno, le pompe di calore a terreno mantengono sempre un’elevata efficienza e, di conseguenza, non necessitano di sorgenti termiche d’appoggio. Per sfruttare il terreno come sorgente è necessario installare nel sottosuolo sistemi di scambio termico a circuito chiuso all’interno dei quali circola una soluzione di acqua e antigelo o di sola acqua. Le pompe di calore a terreno richiedono ampie superfici in cui interrare le tubazioni, nel caso di sonde orizzontali, o comportano operazioni di perforazione, nel caso di sonde verticali.

Applicazioni delle pompe di calore

Le possibili applicazioni della pompa di calore sono due: la climatizzazione degli ambienti (sia riscaldamento che raffrescamento) e la produzione di acqua calda sanitaria. L’utilizzo delle pompe di calore per la climatizzazione degli ambienti nel settore residenziale e terziario (esercizi commerciali di medie dimensioni, uffici, negozi), in alternativa ai sistemi convenzionali composti da refrigerato e caldaia. La stessa macchina infatti, mediante una semplice valvola, è in grado di scambiare tra loro le funzioni dell’evaporatore e del condensatore, fornendo così calore in inverno e freddo in estate (tipo Invertibile). L’applicazione della pompa di calore alla climatizzazione ambientale (riscaldamento + raffrescamento) è la più conveniente poiché comporta un minor tempo di ammortamento del costo d’impianto rispetto ad un utilizzo per il solo riscaldamento. Nel caso di edifici esistenti, l’applicazione della pompa di calore per il condizionamento degli ambienti, sia invernale che estivo, richiede un intervento di ristrutturazione dell’intero impianto termico ed elettrico, con conseguente maggior costo. Riscaldamento degli ambienti e acqua calda 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 dovranno essere 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 oppure 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 dell’acqua prodotta non supera i 55°C.

Pompe di calore nelle riqualificazioni: esempi di applicazione e integrazione

In figura è rappresentato uno schema di impianto di una pompa di calore aria-acqua split, ovvero con unità interna ed esterna. Questa soluzione risulata ideale per le riqualificazioni di edifici autonomi mono- o bi-familiari oppure di appartamenti con possibilità di vani tecnici in locali attigui (appartamenti in condomino al piano terra con annessa cantina al piano interrato oppure appartamenti all’ultimo piano con soffitta utilizzabile come vano tecnico e tetto per collocazione unità esterna). La pompa di calore gestisce attraverso la regolazione il circuito di riscaldamento e raffrescamento, la produzione di acqua calda (con eventuale integrazione solare) e può inoltre essere integrata con i sistemi di ventilazione meccanica controllata. Il sistema può inoltre essere integrato con un impianto fotovoltaico. L’unità interna può essere collocata in casa oppure in centrale termica. L’unità esterna può essere appesa al muro esterno oppure collocata a terra.

Pompe di calore: etichette energetiche di prodotto

Le specifiche e i dettagli sulle etichette di prodotto sono riportate nel Regolamento Delegato (UE) n. 811/2013 della Commissione del 18 febbraio 2013 che integra la direttiva 2010/30/UE del Parlamento europeo e del Consiglio per quanto riguarda l’etichettatura indicante il consumo d’energia degli apparecchi per il riscaldamento d’ambiente, degli apparecchi di riscaldamento misti, degli insiemi di apparecchi per il riscaldamento d’ambiente, dispositivi di controllo della temperatura e dispositivi solari e degli insiemi di apparecchi di riscaldamento misti, dispositivi di controllo della temperatura e dispositivi solari. Per le pompe di calore per il riscaldamento sono riportate di seguito le etichette di prodotto: Per le pompe di calore per il riscaldamento e l’acqua calda sanitaria sono riportate di seguito le etichette di prodotto:  

Pompe di calore nelle riqualificazioni: dettagli e requisiti tecnici per le detrazioni fiscali

I requisiti per accedere alle detrazioni fiscali per le pompe di calore negli edifici da riqualificare sono: • L’intervento deve configurarsi come sostituzione integrale o parziale del vecchio impianto termico e non come nuova installazione. • Le pompe di calore oggetto di installazione devono garantire un coefficiente di prestazione (COP/GUE) e, qualora l’apparecchio fornisca anche il servizio di climatizzazione estiva, un indice di efficienza energetica (EER) almeno pari ai pertinenti valori minimi, fissati nell’allegato I al D.M. 6 agosto 2009, come riportato di seguito nella Tabella. • Qualora siano installate pompe di calore elettriche dotate di variatore di velocità (inverter), i pertinenti valori di cui all’allegato F sono ridotti del 5%.