Il ruolo delle pompe di calore nei sistemi di riscaldamento

I principi di funzionamento delle pompe di sono noti ormai da quasi due secoli e i primi tentativi applicativi risalgono alla seconda metà dell’Ottocento, tuttavia è solo da relativamente poco tempo che se ne parla con grande intensità. Oggi queste macchine sono sotto le luci della ribalta e tuttavia sono già ampiamente diffuse, a volte all’insaputa degli utenti (in fondo un comune moderno condizionatore lavora anche in modalità pompa di calore). E il futuro sembra delineare per queste tecnologie ambiti applicativi sempre più ampi. Da questo numero sull’Installatore Italiano proponiamo una serie di articoli su questa tecnologia sottolineando man mano gli aspetti relativi a costruzione, progettazione, installazione, manutenzione.

La necessità di riscaldarsi è uno dei bisogni primari per gli essere viventi. L’uomo primitivo utilizzava i fuochi da campo per riscaldarsi quasi un milione di anni fa. Attraverso il progresso tecnologico si sono evoluti anche i metodi di riscaldamento. Siamo passati dai fuochi da bivacco ai caminetti, ai sistemi di riscaldamento a combustibile fossile, alle tradizionali pompe di calore fino alle attuali pompe di calore ad alta efficienza energetica e multiclima, in grado di fornire riscaldamento e raffrescamento tutto l’anno e gestibili in modalità smart. Sebbene le moderne pompe di calore che conosciamo oggi vengano considerate una recente innovazione per quanto riguarda le soluzioni di riscaldamento per gli ambienti civili e industriali, la tecnologia che sta alla loro base risale a molto più tempo fa di quanto ci si potrebbe aspettare.

Come nascono le Pompe di Calore

Già nel secolo scorso, nel 1948 quando da poco era terminata la II Guerra Mondiale, James Gordon Cook, divulgatore scientifico e autore di numerosi articoli e libri a carattere tecnico, scriveva sulla rivista The Spectator:

«In questi tempi di progresso, in cui si parla così tanto della scienza come garanzia di prosperità, sembra incredibile che un dispositivo come la pompa di calore sia sfuggito all’attenzione che merita. Se non fosse stato per un gruppo di appassionati determinati a mettere in pratica le loro teorie, avremmo dovuto ancora aspettare prove concrete delle potenzialità della pompa di calore in Gran Bretagna. Ora sappiamo che funziona ed è giunto il momento in cui occorre fare di tutto per sfruttare al massimo le conoscenze acquisite».

Sono in molti ancora a credere che la tecnologia delle pompe di calore sia un’innovazione recente e, sulla base di questa convinzione, temono che queste apparecchiature possano essere in una fase iniziale della loro evoluzione e che ancora il loro funzionamento non sia stato ben testato o sia non del tutto noto. In realtà questa tecnologia risulta ormai consolidata da oltre 170 anni. Infatti è il 1852 quando il fisico, matematico e ingegnere nato a Belfast, Lord Kelvin, illustra la teoria relativa al funzionamento delle pompe di calore: secondo Kelvin se il ciclo a compressione di vapore può essere utilizzato per raffreddare l’aria eliminando il calore, allora sicuramente può essere utilizzato al contrario per riscaldare l’aria. Storicamente siamo circa un secolo dopo che William Cullen formulò la sua teoria relativa al funzionamento di un circuito frigorifero. Pochi anni dopo, nel 1857, Peter von Rittinger, tecnico austriaco che si occupava di minerali, sviluppa e costruisce la prima pompa di calore. La sua scoperta avviene mentre stava conducendo alcuni esperimenti sull’utilizzo del calore latente del vapore acqueo. Proprio in Austria la pompa di calore trovò subito applicazione pratica per l’estrazione del sale dalle paludi salmastre. Il concetto alla base dell’idea di von Rittingere era di attingere calore dall’aria, dall’acqua o dal suolo e di trasferirlo all’interno di un locale per riscaldare uno spazio. Nel 1928, la pompa di calore di von Rittinger viene utilizzata in Svizzera, per la prima volta, per il riscaldamento degli ambienti tramite un circuito ad acqua. Sempre molto attenti alle innovazioni tecnologiche energetiche gli svizzeri hanno il merito di essere stati i primi a produrre pompe di calore in serie. La pompa di calore installata presso il municipio di Zurigo nel 1937 è stata utilizzata fino al 2001. Nel 1945 negli Stati Uniti un inventore americano, Robert C. Webber, sperimentò il primo sistema funzionante di pompa di calore geotermica.

Contemporaneamente John Sumner costruisce una pompa di calore ad acqua che si diffonde su larga scala a Norwich, in Inghilterra. Infatti, il dipartimento elettrico del Consiglio comunale di Norwich aveva costruito una nuova sede che doveva essere riscaldata da una pompa di calore. John Sumner, ingegnere elettrico, assemblò un circuito che utilizzava come refrigerante l’anidride solforosa (SO2) e che fu in grado di raggiungere un valore di efficienza energetica stagionale di 3,42. Essa era in grado di fornire circa 150 kW termici con una temperatura dell’acqua prodotta di 50-55°C. Nonostante questi buoni risultati, la pompa di calore non si diffuse in maniera estesa nel Regno Unito a scapito di sistemi di riscaldamento alternativi che impiegavano i meno costosi combustibili fossili, come il carbone e successivamente il petrolio e il gas del Mare del Nord. All’incirca nel 1950 John Sumner installò anche una pompa di calore geotermica a circuito chiuso per la sua casa. Il circuito di captazione utilizzava un tubo di rame interrato a circa 1 metro di profondità ed era riempito con una sostanza antigelo. Anche questa volta, nonostante la dimostrata efficacia del sistema, la tecnologia non si diffuse ampiamente nel Regno Unito, dove l’abbondanza di carbone sembrava fornire una fonte di energia economica e illimitata. Per tali ragioni fu solo in seguito alla crisi petrolifera dell’OPEC degli anni ’70 che lo sviluppo e l’adozione delle pompe di calore iniziarono veramente a diffondersi, anche se piuttosto lentamente. Contrariamente ad ogni aspettativa le pompe di calore geotermiche presero piede nei Paesi europei del centro-nord, come la Germania, la Svizzera e la Finlandia. Si stima che nel 2008 la sola Svizzera avesse tra le 30.000 e le 44.000 unità geotermiche installate. Anche negli Stati Uniti la diffusione su larga scala fu abbastanza rapida: nel 2008 il mercato richiedeva l’installazione tra le 50.000 e le 60.000 unità all’anno, con circa 750.000 unità già in funzione in quel periodo.

La pompa di calore ieri e oggi

Le pompe di calore convenzionali funzionano alla loro massima capacità termica indipendentemente dalle condizioni ambientali interne, cosicché a un certo punto, superato il valore di set-point, si spengono per poi riaccendersi quando la temperatura scende al di sotto del set-point di un valore pari al differenziale del dispositivo di regolazione. Il loro funzionamento è di tipo on-off e questo fa sì che vi sia un consistente consumo di energia a causa delle continue accensioni e spegnimenti. All’inizio degli anni ’90 il Dipartimento dell’Energia (DoE) degli Stati Uniti si preoccupò di definire un valore minimo per l’indice di efficienza energetica stagionale (SEER) dei prodotti HVAC. Quando anche i proprietari di case americani diventarono sempre più attenti al consumo energetico, il DoE ha provveduto ad innalzare progressivamente gli standard di efficienza: questo ha indotto allo sviluppo di apparecchiature sempre più efficienti. Un grosso contributo in tal senso arrivò dal Giappone, colpito in modo particolarmente duro dalla crisi petrolifera del 1973. Tecnici e ingegneri si preoccuparono di progettare edifici, elettrodomestici e sistemi più efficienti dal punto di vista energetico. Comparvero, così, i primi compressori azionati da inverter e le pompe di calore beneficiarono fortemente di questa innovazione, che contribuì ad una loro maggiore diffusione. Grazie alla possibilità di modulare in tempo reale la loro capacità in base ai requisiti di comfort richiesti, i sistemi a capacità variabile mantengono il set-point in modo molto prossimo, utilizzando solo una quantità minima di elettricità. Inoltre offrono agli utenti un comfort migliore e sono in grado di adattarsi a molte condizioni climatiche, anche le più rigide. Grazie a questa facoltà le pompe di calore si diffusero ampiamente in Giappone e, a partire dai primi anni del millennio, trovarono graduale espansione anche negli Stati Uniti.

Come i telefoni, i televisori e persino le automobili, le pompe di calore monoblocco o splittate proposte oggi dal mercato sono molto diverse ed evolute rispetto a quelle di qualche decennio fa. Nel corso di questi anni, abbiamo registrato un miglioramento del comfort interno che esse offrono, delle prestazioni che sono in grado di garantire, anche nei climi freddi e delle proprietà di trasferimento del calore ad alta efficienza energetica che sono in grado di mettere a disposizione. I termostati intelligenti offrono un’ampia gamma di funzioni per il controllo e la connettività con assistenti virtuali e smartphone, permettendo di garantire un perfetto allineamento del funzionamento della pompa di calore alle esigenze di riscaldamento di ciascuno. Le ricerche e le sperimentazioni in corso mirano ad aumentare ulteriormente l’efficienza energetica di queste apparecchiature. Si sta indagando, soprattutto, come diminuire il consumo di energia dovuto alla necessità di eseguire sbrinamenti periodici dello scambiatore evaporante delle pompe di calore ad aria, studiando metodi di recupero o stoccaggio del calore in modo da poterlo utilizzare proprio in questa fase, senza dover procedere all’inversione di ciclo, procedura che, oltretutto, può provocare qualche discomfort agli occupanti il locale riscaldato. Attualmente stiamo assistendo, anche, al diffondersi di sistemi ibridi, dove le necessità di riscaldamento e produzione di acqua calda ad uso sanitario vengono soddisfatte, in maniera complementare, da una pompa di calore e da una caldaia a gas. Questa doppia alimentazione permette la commutazione tra le due fonti di energia in base alla stagione, alla temperatura e per il raggiungimento della massima efficienza energetica d’esercizio.

Il futuro delle pompe di calore

La capillare diffusione delle pompe di calore non può che essere legata a doppio filo con il continuo miglioramento energetico e quindi la riduzione dei costi di funzionamento. Questo si traduce nell’ottenimento di valori di COP sempre più alti e di prestazioni ottimizzate. In tal senso gioca un ruolo fondamentale il miglioramento delle prestazioni dei componenti elettrici delle apparecchiature, in primis compressore e ventilatori. Per quanto riguarda i compressori, oltre al fondamentale apporto offerto dall’elettronica, sia di regolazione che di controllo, la strada da percorrere è orientata al superamento delle problematiche della compressione del gas refrigerante nei funzionamenti a basse temperature in climi rigidi, quando si deve lavorare con elevati rapporti di compressione e dove si può ricorrere anche alla compressione bistadio per superare il problema. Gli scambiatori di calore, sia quelli interni che quelli esterni, vengono abbondantemente dimensionati e attentamente progettati sotto il punto di vista fluidodinamico, diventando più grandi e più efficienti, in modo da poter trasferire il calore in modo sempre più efficace. Nel 2021, circa il 10% del fabbisogno di riscaldamento degli ambienti a livello globale è stato soddisfatto dalle pompe di calore, ma il ritmo di installazione sta crescendo rapidamente con vendite a livelli record. In Norvegia, il 60% degli edifici è dotato di pompe di calore, con Svezia e Finlandia che superano il 40%: dati che possono stupire chi sostiene che le pompe di calore non sono adatte ai climi freddi. Le vendite globali sono cresciute di quasi il 15% nel 2021, il doppio della media dell’ultimo decennio mentre la crescita nell’Unione Europea è stata di circa il 35% ed è destinata ad accelerare ulteriormente, alla luce della crisi energetica ma soprattutto grazie alla forte spinta politica in tal senso. Nella prima metà del 2022 le vendite sono quasi raddoppiate rispetto allo stesso periodo dell’anno precedente in Polonia, Paesi Bassi, Italia e Austria. La Cina continua ad essere il mercato più grande per le nuove vendite, mentre il Nord America ha oggi il maggior numero di case dotate di pompe di calore. La progressiva diffusione delle pompe di calore è anche legata alla presenza di incentivi economici per aiutare gli utilizzatori a sostenere i costi iniziali di queste apparecchiature. Gli incentivi finanziari per le pompe di calore sono già disponibili in oltre 30 paesi, che insieme coprono oltre il 70% della domanda di riscaldamento odierna.

Come può migliorare una pompa di calore

Le pompe di calore rappresentano la tecnologia cardine nella transizione globale verso un riscaldamento sicuro e sostenibile. Attualmente esse sono da tre a cinque volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle caldaie a gas naturale. Inoltre possono attutire l’esposizione alle impennate dei prezzi dei combustibili fossili, come è accaduto nella recente crisi energetica globale. Oltre un sesto della domanda globale di gas naturale è dovuta a finalità di riscaldamento degli edifici; nell’Unione Europea questa cifra sale a un terzo. Molte pompe di calore possono anche fornire raffreddamento, eliminando così la necessità di avere un condizionatore d’aria per circa 2,6 miliardi di persone che vivranno in regioni che avranno bisogno di riscaldamento e raffreddamento da qui al 2050. All’interno dell’Unione Europea il gas naturale è il combustibile per riscaldamento più utilizzato. Attraverso specifici programmi, come ad esempio REPowerEU, il proposito è quello di giungere a un aumento delle vendite di pompe di calore di 7 milioni di apparecchi entro il 2030, quando nel 2021 le vendite sono state di circa 2 milioni di unità. L’intento è quello di porre fine alle importazioni di gas russo ben prima del 2030, attraverso una riduzione del consumo di gas naturale di 7 miliardi di metri cubi nel 2025 e 21 miliardi di metri cubi entro il 2030. Non va dimenticato che per riscaldare gli edifici si verificano 4 gigatonnellate (Gt) di emissioni di CO2 ogni anno, che corrispondono a circa il 10% delle emissioni complessive.

L’impiego delle pompe di calore a livello diffuso e capillare può potenzialmente ridurre le emissioni globali di anidride carbonica di almeno 500 milioni di tonnellate nel 2030, pari alle emissioni annuali di CO2 di tutte le automobili oggi in Europa. L’installazione di pompe di calore al posto delle caldaie a combustibile fossile riduce significativamente le emissioni di gas serra e, con la decarbonizzazione dei sistemi per la produzione dell’energia elettrica, risulterà ancora più efficace per limitare le emissioni di sostanze dannose per l’ambiente. Anche grazie al supporto politico, come ad esempio sta avvenendo all’interno dell’Unione Europea, la tecnologia a pompa di calore rappresenta una delle vie maestre per giungere alla decarbonizzazione degli impianti di riscaldamento: ci si aspetta che da 1000 GW nel 2021 la capacità di riscaldamento delle pompe di calore passi a quasi 2600 GW entro il 2030, ossia da circa un decimo del fabbisogno totale a quasi un quinto. Di riflesso, la domanda di gas naturale dovrebbe diminuire di 80 miliardi di metri cubi, la richiesta di gasolio da riscaldamento di 1 milione di barili al giorno e il carbone di 55 milioni di tonnellate. Complessivamente, quindi, entro il 2030 ci si attende che le pompe di calore rappresenteranno circa il 50% delle riduzioni delle emissioni globali causate dall’uso di combustibili fossili per il riscaldamento degli edifici. Un altro settore che può beneficiare di un più ampio impiego delle pompe di calore è quello del teleriscaldamento e quello legato alle esigenze di riscaldamento nell’industria. Già oggi, in certi casi, è possibile produrre calore anche a temperature di 140-160°C, ma si presume che sia possibile spingersi oltre grazie a nuovi elementi di miglioramento tecnologico e a una progettazione ottimizzata. Le potenziali applicazioni riguardano soprattutto l’industria cartaria, quella alimentare e quella chimica, dove le pompe di calore possono giungere a soddisfare quasi il 30% del loro fabbisogno di riscaldamento. Nella sola Europa, si potrebbero installare circa 15 GW di pompe di calore in 3.000 impianti di questi tre settori, duramente colpiti dai recenti aumenti dei prezzi del gas naturale.

Criticità delle pompe di calore

Affinché nel prossimo futuro le pompe di calore possano diffondersi in maniera veramente capillare e diffusa è necessario superare una serie di ostacoli, non tanto legati alla qualità della tecnologia quanto più dipendenti da condizioni al contorno. Il primo è legato al possibile maggior costo capitale che si deve sostenere sia per l’acquisto che per l’installazione di una pompa di calore rispetto altri sistemi di riscaldamento. Il problema dell’installazione è legato anche al fatto che attualmente potrebbe presentarsi una certa carenza di installatori qualificati in grado di realizzare lavori a regola d’arte. Installazioni approssimative possono abbattere la reale efficienza energetica di queste apparecchiature, inducendo gli utilizzatori a dubitare della loro effettiva convenienza. Se i propositi di diffusione da qui al 2030 dovessero attuarsi, la domanda complessiva di installatori a tempo pieno tenderà a quadruplicarsi. Non da meno è la necessità di avere progettisti qualificati, capaci di individuare le soluzioni e le apparecchiature migliori per le esigenze degli utenti finali.

Un secondo elemento di criticità potrebbe essere quello che si verifica quando si rende necessario il passaggio da un sistema di riscaldamento già esistente a uno a pompa di calore, in quanto questo potrebbe richiedere lavori piuttosto invasivi sulle abitazioni, lavori che non tutti sono sempre in grado di accettare senza turbamenti. Legato a questo aspetto possiamo senz’altro considerare il fatto che non sempre sono disponibili informazioni relative a questa tecnologia come opzione di riscaldamento. Questa mancanza, in molti casi, non permette agli utenti finali nemmeno di prendere in considerazione tale possibile opzione.

Un terzo elemento ostativo a una capillare diffusione della tecnologia può essere dovuto a certi regolamenti edilizi o a situazioni di frammentarietà dove l’installazione deve essere eseguita in edifici plurifamiliari e commerciali che ancora oggi rappresentano una bassa quota di vendite. Infine, la mancanza di azioni di supporto economico a chi decide di effettuare la transizione dai tradizionali sistemi di riscaldamento a combustibili a quelli basati sulle pompe di calore. Supporto economico che deve essere concertato e sostenuto a livello politico e può concretizzarsi sotto varie forme di sussidio o di sgravio fiscale in collaborazione con l’industria delle pompe di calore. Gli incentivi finanziari sono attualmente già disponibili in molte decine di Paesi in tutto il mondo e permettono di rendere le pompe di calore paragonabili, dal punto di vista dei costi iniziali, alle caldaie a gas. Tali incentivi possono essere destinati per favorire l’acquisto anche da parte di famiglie a basso reddito oppure per incoraggiare l’acquisto di modelli ad alta efficienza energetica. In tale contesto gioco un ruolo strategico la coerenza politica a lungo termine e la certezza normativa.

L’aspetto legato alla capacità produttiva dell’industria non è da sottovalutare. L’espansione del settore non può prescindere dal fatto che i produttori siano in grado di soddisfare la crescente domanda. Affinché ciò accada essi devono poter essere messi in grado di approvvigionarsi agevolmente delle materie prime e dei componenti. Inoltre, le normative (come, ad esempio, quelle sui refrigeranti fluorurati) devono garantire un oculato bilanciamento tra le necessità ambientali e le impellenze legate ai costi, alla sicurezza, all’efficienza energetica dei prodotti. Non è da dimenticare, infine, che uno degli aspetti che può risultare maggiormente ostativo alla diffusione delle pompe di calore è quello della gestione economica, legato principalmente alle tariffe elettriche. In molti casi le pompe di calore risultano essere in una posizione di svantaggio rispetto alle caldaie a combustibili fossili.

Cosa aspettarsi dalle pompe di calore

La grande attenzione cui, oggi, sono soggette le pompe di calore e la forte spinta che esiste per la loro diffusione potrebbe far pensare che questa tecnologia risulta essere di recente data. Invece, come abbiamo visto, essa è nata quasi due secoli fa. Già da allora si era dimostrata più efficiente di altre tecnologie di riscaldamento, ma nonostante questo non è riuscita ad affermarsi e a diffondersi in passato. La caratteristica, quindi, di rappresentare la migliore tecnologia non è un parametro che permette di far affermare sicuramente un prodotto. Vi sono altri aspetti che possono prevalere e indirizzare il corso degli eventi in altro modo. Ad esempio l’aspetto legato all’abbondanza di una certa risorsa, a cui si può attingere in maniera semplice e indiscriminata: questo è successo con i combustibili fossili, che fino a quando sono stati offerti in grandi quantità e a costi ridotti hanno orientato la storia a far preferire i sistemi di riscaldamento a gas, petrolio, carbone rispetto alla tecnologia a pompa di calore.

Ora, con l’impennata dei costi dei combustibili fossili, e con la presa di coscienza che il loro impiego porta a delle conseguenze ambientali, si sta riscoprendo ciò che è sempre stato messo da parte, pur nella consapevolezza che dal punto di vista termodinamico rappresentava una situazione più efficiente. Solo oggi la pompa di calore viene apprezzata per il suo valore tecnologico, ma pare che ciò avvenga solo perché si è preso coscienza che le altre alternative non sono più sostenibili piuttosto che per un reale riconoscimento della validità di questa tecnologia. Già nel 1948 James Gordon Cook affermava che «Non c’è dubbio che con la pompa di calore abbiamo una macchina che svolgerà un ruolo eccezionale nel futuro industriale del nostro Paese».