Come funzionano le pompe di calore (parte 1)

Le pompe di calore, di qualsiasi natura esse siano, sono macchine che orami rientrano a pieno titolo nelle strategie Europee per l’ottenimento degli obbiettivi dell’agenda 2050 e più prossima 2030.

Il nuovo D.Lgs 199/21 ne fissa i limiti di prestazione per poterle assoggettare a macchine equiparabili a fonti energetiche rinnovabili. Lo stesso incentivo fiscale dagli Ecobonus al più recente Superbonus ne fissano i criteri di scelta; ricordando che lo stesso Conto Termico 2.0 ne ha introdotto i parametri e limiti. Il principio su cui si fondano le pompe di calore è semplice: utilizzando energia meccanica si pompa il calore da una sorgente a bassa temperatura a un’utenza a temperatura più elevata, mediante un fluido vettore. Il fluido che trasferisce il calore dalla sorgente all’utenza segue il ciclo, noto e descritto in figura 1.

Il fluido entra come liquido (1) in uno scambiatore di calore nel quale evapora a bassa temperatura sottraendo calore alla sorgente ed uscendone (2) come vapore saturo (ovvero surriscaldato); il vapore saturo viene aspirato da un compressore (2), il cui azionamento assorbe l’energia meccanica di alimentazione del sistema, e compresso sino a raggiungere la pressione di condensazione corrispondente (3) alla temperatura richiesta dall’utenza. Il vapore, leggermente surriscaldato (3), lascia il compressore per effettuare in uno scambiatore di calore detto condensatore, nel quale condensa cedendo calore all’utenza, nella dovuta quantità ed alla temperatura richiesta (4) il ciclo si chiude abbassando la pressione del liquido (4) proveniente dal condensatore sino all’evaporatore attraverso una valvola di laminazione. Il lavoro di compressione (potenza assorbita PA) viene fornito al ciclo e si può considerare come effetto primario utile del calore assorbito a bassa temperatura (potenza frigorifera PF); e il tal caso si parla di ciclo frigorifero. Se si considera il calore ceduto ad alta temperatura (potenza termica al condensatore PT) il ciclo assume la denominazione di ciclo a pompa di calore.

Quindi sostanzialmente la pompa di calore è strutturalmente costituita dalla stessa organizzazione meccanica dei gruppi frigoriferi e ne differisce sostanzialmente per la finalità. Si utilizza sostanzialmente un ciclo a compressione di vapore saturo, ossia un ciclo bifase, in cui gli scambi di calore avvengono a temperatura quasi costante e quindi con un rendimento prossimo a quello di Carnot che, a parità di temperature estreme, è il più elevato possibile. La pompa di calore viene quindi utilizzata per il riscaldamento e il raffrescamento mediante inversione di ciclo in tempi diversi oppure per la simultanea utilizzazione della sorgente fredda e del pozzo caldo. Si suole chiamare sorgente fredda in pompa di calore la sorgente a bassa temperatura da cui si preleva il calore e con pozzo termico la sorgente dove si riversa il calore in termini di riscaldamento tipo aria, acqua o produzione di acqua calda sanitaria. La valvola a quattro vie commuta il ciclo rendendolo reversibile lato gas come si suole indicare nei cataloghi delle macchine. Si nota la presenza di un ricevitore di liquido, sempre necessario in funzionamento in pompa di calore.

COP, EER, SCOP, SEER

Il parametro che esprime la qualità di trasferimento di energia si chiama effetto utile e viene definito attraverso un coefficiente di prestazione denominato “Coefficient of Performance” COP e può essere utilizzato sia per il funzionamento in ciclo estivo sia per quello in ciclo invernale. Il COP è un numero puro, sono solo da verificare le condizioni alle quali viene dichiarato. In estate si parla di “Energy Efficiency Ratio” EER. Concettualmente è simile al COP, di cui ricalca la formula, ma la potenza frigorifera può essere anche espressa in unità di misura diverse dal kW, come ad esempio Btu/h o ton. Può essere usato solo nel ciclo estivo. In Europa si tende ad usare EER come indice di efficienza in ciclo estivo (rapporto tra kW resi e kW assorbiti) ed il COP come l’efficienza invernale.

Tra i due parametri intercorre la semplice relazione COP = EER +1. Negli ultimi due decenni anche in Europa si parla di indici prestazionali energetici stagionali, valutati in termini di energia e non di potenza, che sono diventati sempre più importanti in un’ottica di scelta di macchina e di produzione del costruttore. La targa energetica per le macchine frigorifere e in pompa di calore nel rispetto delle direttive europee è oggi un aspetto a cui il tecnico e l’installatore non può sottrarsi.

Parlando di efficienza energetica, è assolutamente fondamentale ragionare non solo facendo riferimento alle condizioni nominali di targa della macchina, ma soprattutto considerando le prestazioni nella media stagionale, ipotizzando cioè il funzionamento dei gruppi frigoriferi e pompe di calore nella realtà dell’impianto. I valori di COP e EER nominali non sono attendibili, perché macchine con uguale efficienza nominale possono avere valori di medi stagionali diversi tra loro anche del 50%. Oggi si indica con SCOP e con SEER gli indici prestazionali stagionali di una macchina. La lettera S sta per “seasonal”, ossia stagionale. I parametri SEER e SCOP sono oggi fondamentali per fare una analisi energetica reale di un edificio.

È consuetudine rappresentare i cicli bifasici frigoriferi e in pompa di calore nel diagramma entalpico, pressione-entalpia. L’effetto utile COP di una pompa di calore varia oggi da 3 a 6; e quindi un kWE elettrico (che potrebbe fornire solo un kWT per effetto Joule) può dunque produrre teoricamente da 3 a 5 kWT .

Classificazione delle pompe di calore

Le macchine fino a qui descritte si possono classificare in diversi modi, secondo il modo di alimentare il compressore.

–       pompe di calore azionate da motore elettrico (alimentato da rete o da energia rinnovabile tipo fotovoltaico);

–       pompe di calore azionate da un motore endotermico direttamente oppure indirettamente.

Inoltre, possono essere classificate in funzione del tipo di fluido che si utilizza per climatizzare l’ambiente interno. Si parla di:

–       pompa di calore idronica quando la macchina raffredda/riscalda acqua che a sua volta alimenta dei terminali di emissione del calore in ambiente (sistemi radianti, fancoil, batterie ecc.);

–       pompa di calore ad espansione diretta, quando in ambiente si trova direttamente il condensatore/evaporatore della macchina frigorifera. Il fluido frigorigeno alimenta direttamente il terminale in ambiente quindi riscalda /raffredda direttamente l’aria (tipici split-system o VRF/VRV).

La pompa di calore è in grado di funzionare in estate e in inverno sfruttando il ciclo frigorifero con una inversione lato acqua o esterno ovvero secondo un ciclo reversibile lato gas. Nel primo caso l’inversione è eseguita da un operatore che inverte il funzionamento sul lato esterno generalmente un impianto idronico. La seconda tipologia invece l’inversione avviene lato ciclo frigorifero a mezzo di una valvola a quattro vie che automaticamente inverte gli scambiatori di calore. Quindi si ha una classificazione in funzione del pozzo caldo. Si può classificare la macchina in funzione della sorgente termica. Questa può essere del tipo aria, acqua o terreno.

Le varie tipologie di pompa di calore

Si possono classificare quattro tipologie di base delle pompe di calore: aria-aria, acqua-aria, aria-acqua e acqua-acqua. La denominazione, utilizzata anche nelle norme e nei decreti legge che si occupano di efficientamento energetico, è la combinazione dei due fluidi principali che scambiano calore con il fluido frigorigeno: aria o acqua che scambia calore verso la sorgente esterna, quindi l’ambiente (primo termine) e aria o acqua che scambia calore con il pozzo caldo, ossia verso l’ambiente da riscaldare (secondo termine). Il legislatore definisce anche il sistema salamoia/aria e salamoia/acqua, individuando nel termine salamoia la soluzione di acqua e glicole che si può utilizzare quando lo scambio termico avviene attraverso il terreno con pompe di calore geotermiche con pozzi verticali o orizzontali ovvero quando si utilizza acqua di falda o acqua superficiale. Le pompe di calore descritte possono anche lavorare sia con l’inversione sul ciclo che sul lato esterno.