La pompa di calore è una macchina in grado di assorbire calore da una sorgente e di trasferirlo, attraverso un fluido refrigerante, ad un’altra sorgente che a regime si troverà ad una temperatura superiore, utilizzando differenti forme di energia, in genere energia meccanica.
Il vantaggio di utilizzare una pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia di quella impiegata per il suo funzionamento, in quanto estrae energia dall’ambiente esterno, termica in riscaldamento o frigorifera in raffrescamento.
Nella figura seguente è rappresentato il funzionamento in raffrescamento di una pompa di calore:
Il compressore (4) crea la differenza di pressione che permette al ciclo di funzionare: esso aspira il fluido refrigerante attraverso l’evaporatore (3), dove il fluido stesso evapora a bassa pressione assorbendo calore, lo comprime e lo spinge all’interno del condensatore (1), dove il fluido condensa ad alta pressione rilasciando il calore assorbito. Dopo il condensatore, il fluido attraversa la valvola di laminazione (2) che lo porta in condizione liquido/vapore (riduce la pressione del fluido), successivamente rientra nell’evaporatore ricominciando il ciclo. Il fluido refrigerante cambia di stato all’interno dei due scambiatori: passa nell’evaporatore da liquido a gassoso, nel condensatore da gassoso a liquido.
Il ciclo descritto rappresenta il funzionamento di una pompa di calore in raffrescamento. Per le pompe di calore reversibili è possibile invertire il ciclo, ottenendo quindi un funzionamento in riscaldamento.
Il rapporto fra l’energia elettrica necessaria al funzionamento del compressore, della ventola e di eventuali altre apparecchiature elettriche (ad esempio, nel caso di pompe di calore aria-acqua, del circolatore) e l’energia termica fornita è detto COP (Coefficient of Performance). Per il funzionamento in raffrescamento si utilizza il parametro EER (Energy Efficiency Ratio), definito come il rapporto fra energia frigorifera fornita ed energia elettrica assorbita.
Sia il COP che l’EER devono essere misurati in conformità alla norma UNI EN 14511:2004.
I valori di COP e di EER per le pompe di calore variano generalmente fra 3 e 5: una pompa di calore con un COP pari a 4 è in grado di fornire 4 KWh di energia termica utilizzando solo 1 KWh di energia elettrica.
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Le pompe di calore possono essere classificate in base alla sorgente, da cui si estrae il calore o il freddo e al pozzo, a cui si cede il caldo o il freddo:
In questa sezione, si trattano le pompe di calore aria-acqua, utilizzabili per riscaldare, raffrescare e produrre acqua calda sanitaria.
Il COP e l’EER di una pompa di calore aumentano al diminuire della differenza di temperatura fra sorgente e pozzo: pertanto il rendimento di una pompa di calore è maggiore al diminuire, in riscaldamento (o all’aumentare, in raffrescamento) della temperatura di mandata. Da ciò ne consegue che la pompa di calore trova le sue migliori applicazioni con terminali di emissione a media e bassa temperatura, quali venticonvettori e, ancora di più, impianti radianti. Per approfondire le temperature di lavoro con i diversi terminali di emissione, è possibile consultare la sezione “Sottosistema di emissione” (link).
Le pompe di calore possono essere classificate anche in base al tipo di energia che utilizzano per il loro stesso funzionamento. In campo residenziale e terziario trovano applicazione:
Una pompa di calore “classica” può produrre acqua calda fino a temperature massime di 60-65° C ed è utilizzabile anche con radiatori, purché dimensionati per il funzionamento a media temperatura (si veda “Approfondimento: caldaia a condensazione e radiatori” (link)).
Esistono anche modelli specifici, detti “pompe di calore ad alta temperatura”, dotati di un doppio stadio di compressione, capaci di produrre acqua a temperature di 80 °C, che quindi è possibile utilizzare anche con radiatori dimensionati per funzionamento ad alta temperatura.
Un’alta temperatura di mandata può essere ottenuta anche con i “generatori ibridi” (link), costituiti dall’abbinamento di una pompa di calore e di una caldaia a condensazione.
Una pompa di calore consente di ottenere un risparmio economico nel riscaldamento: infatti, ipotizzando un COP stagionale di 3,5 e un costo “finito” dell’energia elettrica di 0,21 €/kWh, si ha che la produzione di 1 KWh termico con una pompa di calore costa circa 0,06 €/kWh.
Con una caldaia a condensazione, invece, ipotizzando un rendimento stagionale del generatore del 95% e un costo del metano di 0,9 €/Nm3, considerando che 1 Nm3 corrisponde a circa 9,45 kWh di energia termica derivante dalla combustione, si ha che la produzione di 1 KWh termico costa circa 0,09 €/kWh.
Quindi con una pompa di calore si risparmia dal 30 al 35% nei costi di riscaldamento, rispetto ad una caldaia a condensazione.
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Una pompa di calore si abbina in maniera ottimale ad un impianto fotovoltaico: grazie ai sistemi intelligenti di controllo dell’autoconsumo, è possibile attivare la pompa di calore quando è disponibile potenza elettrica prodotta dal fotovoltaico e risparmiare ancora di più sul costo dell’energia termica. Infatti, se l’energia elettrica prodotta dal fotovoltaico non fosse utilizzata dalla pompa di calore, ma fosse immessa in rete, darebbe un ricavo di circa 0,05 €/KWh.
Nell’ipotesi che l’energia per il funzionamento della pompa di calore venga per metà dall’impianto fotovoltaico, quindi, il costo dell’energia termica prodotta da una pompa di calore abbinata ad un impianto fotovoltaico si riduce ulteriormente, fino a meno di 0,04 €/KWh, consentendo un risparmio di circa il 60% rispetto ad una caldaia a condensazione.
Un sistema ibrido è un dispositivo (o un impianto) in cui sono presenti più generatori di calore alimentati da diverse fonti di energia, solitamente un combustibile fossile e una fonte rinnovabile.
La pompa di calore porta la temperatura dell’acqua al massimo livello permesso dalla sua produttività, la caldaia la porta dalla temperatura consegnatagli dalla pompa di calore a quella richiesta dai termosifoni
Nei periodi più caldi funziona esclusivamente la pompa di calore, mentre se le temperature sono molto basse, in genere sotto 0 °C, può funzionare esclusivamente la caldaia; nei periodi intermedi funzionano entrambi i generatori in contemporanea.
In alcuni generatori ibridi, vi è una centralina che, anche in funzione delle specifiche tariffe di acquisito dell’energia elettriche e del gas, stabilisce le priorità di funzionamento dei due generatori.
Utilizzare due generatori ha quindi il vantaggio che, disponendo di due fonti energetiche, il servizio di riscaldamento è più sicuro: in mancanza di una delle due fonti è possibile utilizzare l’altra.
I generatori ibridi possono essere installati in ogni caso con scarico a parete, in sostituzione di caldaie esistenti, poiché costituiscono uno dei casi di deroga previsti dalla normativa.
Gli scaldaacqua a pompa di calore (o boiler a pompa di calore) sono pompe di calore per la sola produzione di acqua calda sanitaria (ACS). Sono costituiti, oltre che dai componenti tipici di una pompa di calore, anche da un serbatoio di accumulo, in cui viene stoccata l’acqua calda prodotta. Per applicazioni residenziali, i volumi dell’accumulo variano da 150 a 300 litri. I boiler a pompa di calore possono produrre acqua calda fino a 65 °C, con COP stagionali pari a circa 3-3,5.
Pertanto, sostituire uno scaldabagno elettrico con un boiler a pompa di calore comporta un risparmio nei costi per la produzione di ACS pari a circa il 70%. Infatti, con lo scaldabagno elettrico, senza considerare le inefficienze e le perdite, utilizzando 1 KWh elettrico si produce 1 KWh di energia termica. Invece, con il boiler a pompa di calore, utilizzando 1 KWh elettrico si producono da 3 a 3,5 KWh di energia termica.
Conviene sostituire anche gli scaldabagni a gas con boiler a pompa di calore: si ottiene lo stesso risparmio nel costo dell’energia che si ha con le pompe di calore, pari a circa il 30-35%.
Con la legge di Bilancio 2018 (Legge n.205 del 27/12/2017), in relazione alle spese sostenute dal 1° gennaio al 31 dicembre 2018, le pompa di calore, inclusi i condizionatori, gli impianti VRV-VRF e i generatori ibridi, purché installati in sostituzione totale o parziale di altri generatori, sono ammessi alla detrazione fiscale del 65% per risparmio energetico per i modelli con un COP1 maggiore di 3,705 e con EER2 maggiore di 3,23 (per pompe non dotate di inverter tali limiti sono rispettivamente 3,9 e 3,4). La detrazione del 65% si può ottenere compilando una pratica sul portale ENEA.
Le pompe di calore con prestazioni inferiori sono comunque ammesse alla detrazione fiscale del 50% per ristrutturazione edilizia. La detrazione, in entrambi i casi, è usufruibile in 10 quote annuali di pari importo.
Maggiori informazioni sulla detrazione fiscale sono reperibili sul sito dell’Agenzia delle Entrate al seguente link.
1 COP: Coefficient of Performance, misurato in conformità alla norma UNI EN 14511:2004 a pieno regime in riscaldamento
1 EER: Energy Efficiency Ratio, misurato in conformità alla norma UNI EN 14511:2004, a pieno regime in raffrescamento
Le pompe di calore, inclusi i condizionatori, gli impianti VRV-VRF, gli scaldaacqua a pompa di calore e i generatori ibridi, se installati in sostituzione di generatori esistenti, possono beneficiare, in alternativa alla detrazione, del contributo in “Conto Termico”, erogato dal GSE per un periodo di 2 anni per potenze utili inferiori a 35 kW e di 5 anni per potenze utili da 35 kW a 2.000 kW. Ad esempio, una pompa di calore da 16 kW, installata a Roma, può ricevere un contributo di circa 1.000 euro, in 2 anni.
Maggiori informazioni sul Conto Termico sono reperibili sul sito del GSE al seguente link.
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