Come funziona il riscaldamento a pompe di calore
Hai sentito parlare del riscaldamento a pompe di calore ma non sai bene come funziona, se faccia al caso tuo, o quanto costa. Sei nella guida giusta: ti spieghiamo tutto quello che c'è da sapere, punto punto.Le pompe di calore sono una soluzione sempre più popolare per il riscaldamento, in quanto sono ecologiche, efficienti ed estremamente versatili.
Ma come funziona il riscaldamento a pompe di calore? Questa macchina termica è infatti disponibile in diversi tipi, e se tutte utilizzano lo stesso concetto di base, ovvero estrarre calore da una sorgente, ci possono essere differenze a seconda che si utilizzi l'aria, l'acqua o il terreno, nonché, nel caso dell'aria, che si utilizzi poi l'aria o l'acqua per veicolarlo.
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Andiamo a vedere quindi tutti i dettagli di questa tecnologia, oltre a capire se sia possibile abbinarle ai caloriferi e a un impianto fotovoltaico, e quanto possano costare. Ma prima di buttarci in questo argomento, vi segnaliamo la nostra guida su quando conviene installare una pompa di calore.
Indice
Cosa sono le pompe di calore
Le pompe di calore sono delle macchine termiche in grado di trasferire energia da diverse sorgenti esterne come aria, acqua o il terreno, con un'elevata efficienza e senza la necessità di combustione.
Per questo sono considerate una delle soluzioni migliori per ridurre le emissioni, e infatti sono il tipo di impianto su cui l'Europa punterà sempre più per arrivare all'obiettivo di raggiungere la neutralità climatica.
La pompa di calore è quindi in grado di produrre calore, come una caldaia, ma senza generare emissioni, e lo fa con un'efficienza maggiore, che in genere si può quantificare (in condizioni ottimali) in più di 3 kW di energia termica prodotta per ogni kW di energia elettrica immessa.
Inoltre una pompa di calore non solo può riscaldare l'aria e l'acqua sanitaria, ma può anche rinfrescare d'estate, il che la rende ancora più conveniente, in quanto non c'è la necessità di avere due impianti separati (uno per il riscaldamento e uno per il raffrescamento) nella stessa abitazione.
Ci sono però alcune considerazioni da fare. Prima di tutto non c'è un solo tipo di pompa di calore, ma diversi a seconda della sorgente di calore e del mezzo utilizzato per trasferire il calore all'abitazione, e in secondo luogo il bello delle pompe di calore è che possono essere usate sia da sole che associate ad altri sistemi.
Per quanto riguarda i diversi tipi di pompe di calore, a seconda della fonte di energia e del fluido utilizzato per trasmetterla nelle abitazioni possiamo avere pompe di calore:
- Aria - aria
- Aria - acqua
- Ad acqua
- Geotermiche
- A recupero termico
Ma non è finita. Se le pompe di calore sono utilizzate come unica fonte per il riscaldamento si parla di sistemi monovalenti, mentre se sono associate ad altre soluzioni di riscaldamento si parla di sistemi bivalenti.
La differenza è importante, perché come vedremo nel capitolo successivo le pompe di calore hanno una temperatura di mandata relativamente bassa, quindi nei climi freddi può essere utile integrarle con altri sistemi per aumentare l'efficacia o l'efficienza (quest'ultima cala infatti al calare della temperatura esterna).
Come funziona il riscaldamento a pompe di calore
Le pompe di calore funzionano sfruttando l'effetto Joule-Thompson, secondo il quale i gas cambiano la temperatura in seguito a una compressione o espansione, senza apporto di energia.
Questo fenomeno è sfruttato anche dai frigoriferi, e infatti le pompe di calore funzionano allo stesso modo, ma in maniera inversa.
Cosa significa? In pratica una pompa di calore per produrre calore utilizza un circuito chiuso nel quale scorre un fluido a basso punto di ebollizione, e che viene fatto cambiare di stato per accumulare il calore e poi trasferirlo all'acqua o all'aria che verranno veicolate nell'appartamento.
Lo schema di funzionamento della pompa di calore è indicato graficamente qui sotto.
Schema di funzionamento della pompa di calore. Il ciclo inizia a destra
Il ciclo inizia con l'evaporatore, posto generalmente all'esterno dell'abitazione (e in contatto con la fonte da cui estrarre calore, che sia aria, acqua o terreno). Qui il fluido riceve l'energia termica dall'ambiente ed evapora, per poi confluire nel compressore, azionato elettricamente, che lo comprime e riscalda.
Questo processo avviene in genere all'interno dell'abitazione, e a questo punto avviene un nuovo passaggio di stato, in quanto il gas viene sottoposto a condensazione e torna allo stato liquido.
Durante questo processo, uno scambiatore di calore estrae il calore dal gas caldo e lo trasferisce all'accumulatore del sistema, che lo utilizza per scaldare la casa attraverso l'aria, tramite i fan coil, o l'acqua, tramite i caloriferi o il sistema di riscaldamento a pavimento.
Infine, il fluido refrigerante passa attraverso l'espansore, che lo trasforma in parte in vapore, raffreddandolo e consentendogli di tornare alla temperatura iniziale, per trasferirlo all'esterno dell'abitazione e poter ricominciare il ciclo.
Come abbiamo anticipato nel precedente capitolo, questa soluzione è altamente efficiente, in quanto è in grado di ottenere un'energia per riscaldare l'ambiente molto superiore all'energia elettrica immessa.
Questo valore, indicato dal coefficiente di prestazione, COP (Coefficient of Performance), è in media di 3 o 4, il che significa che per 3 o 4 kWh di energia prodotti si consuma 1 kWh di elettricità.
Il COP non è costante in una pompa di calore, ma all'accensione è più basso, mentre a regime è più alto.
Ecco perché con il riscaldamento a pompa di calore si consiglia di mantenere la temperatura costante e non di continuare ad accendere e spegnere l'impianto, in modo da consumare meno energia.
Inoltre con una temperatura esterna inferiore il COP si abbassa, in quanto aumenta la differenza tra temperatura esterna e temperatura di mandata, e questa è appunto una caratteristica delle pompe di calore.
Non essendoci combustione, la temperatura dell'acqua usata per il riscaldamento non raggiunge valori elevati, ma si assesta sui 50°C. Ecco perché sono necessari alcuni accorgimenti per ambienti con inverni rigidi (resistenze integrative) e interventi sui sistemi di riscaldamento interni (nel caso dei termosifoni in ghisa per esempio).
Il COP inoltre non è solo un indice di efficienza, ma anche di compatibilità tra impianti. Detto questo, andiamo a vedere come funziona il riscaldamento tra i diversi tipi di pompe di calore.
Aria - aria
Le pompe di calore aria - aria estraggono il calore dall'aria esterna e riscaldano l'edificio utilizzando l'aria, una soluzione efficiente, ma con dei limiti a seconda del clima.
I vantaggi di questo impianto sono la capacità di regolare velocemente la temperatura dell'abitazione, ma perché funzioni bene è necessario che l'abitazione sia coibentata in modo da
Innanzitutto il clima deve essere piuttosto mite, con temperature che non scendano sotto i -25°C, in modo da minimizzare il rischio che la condensa si trasformi in ghiaccio.
Inoltre l'unità esterna deve essere posizionata in un luogo areato, non in luoghi chiusi ma non esposta direttamente ai raggi del sole, deve essere sempre libera da sporco e fogli, e bisogna considerare che produrrà un certo rumore.
Aria - acqua
Le pompe di calore aria - acqua funzionano in maniera simile alle pompe di calore aria - aria, con un'unità esterna che deve essere opportunamente posizionata per garantire la massima efficienza e che al contempo non disturbi né voi né i vicini, ma in questo caso il calore prelevato dall'aria esterna viene utilizzato per riscaldare l'acqua, che poi circola nell'impianto di distribuzione interno.
A questo proposito bisogna tenere presente che abbinare un impianto aria - acqua ai tradizionali termosifoni non è la scelta più efficiente dal punto di vista energetico, come vedremo nel capitolo dedicato.
Questa soluzione palesa infatti i limiti della bassa temperatura di mandata prodotta dalle pompe di calore in caso di caloriferi, e deve essere valutata attentamente, soprattutto nei climi freddi.
Ci sono due tipi di pompe di calore aria - acqua: il sistema con pompa di calore monoblocco, con tutti i componenti sono nell'unità esterna, e quello con pompa di calore split, in cui sono distribuiti tra due unità.
La pompa di calore monoblocco è quindi quella più semplice, sia da installare che mantenere, ed è indicata per chi non ha molto spazio e non necessita di una temperatura di mandata elevata. Quella split è invece più flessibile e scalabile, ma può richiedere una maggiore manutenzione a seconda della distanza tra unità esterna e interna.
Ad acqua
Le pompe di calore ad acqua funzionano prelevando il calore non dall'aria ma dall'acqua, che vene ricavata dalla falda o da pozzi sotterranei e ha il vantaggio di sfruttare la temperatura più costante dell'acqua rispetto all'aria.
La temperatura media delle acque sotterranee è infatti di 10°C, e si può utilizzare l'acqua giù esistente senza che sia necessaria la perforazione per installare un pozzo di estrazione. Inoltre l'acqua, una volta passata attraverso i pozzi di assorbimento, torna indietro nel ciclo naturale.
L'efficienza di questa soluzione è molto elevata, e può essere associata a ventilconvettori per il riscaldamento (acqua - aria) o a radiatori (acqua - acqua), ma bisogna verificare che non ci siano regolamenti locali che possano interferire con l'installazione di un impianto del genere, in quanto non sempre le disposizioni a protezione del territorio lo consentono.
Inoltre bisogna controllare la qualità dell'acqua del sottosuolo, in quanto ha un profondo impatto sull'efficienza dell'impianto.
Geotermico
Le pompe di calore geotermiche utilizzano come fonte di calore il terreno, una soluzione molto efficiente, in quanto la temperatura del terreno è piuttosto costante nel corso dell'anno e si aggira intorno ai 12°.
Questa soluzione però presenta alcuni svantaggi perché necessita di un impianto piuttosto complesso. C'è infatti bisogno di tubazioni in orizzontale, a serpentina, a 10-15 metri di profondità, o in verticale, tramite sonde geotermiche da installare anche a più di 100 metri di profondità.
Questo implica non solo un'analisi approfondita del terreno da parte di un geologo ma a volte anche una trivellazione profonda con macchinari adeguati, e quindi una preparazione molto maggiore rispetto ad altre soluzioni
Ad assorbimento
In apertura non l'abbiamo specificato, ma le pompe di calore si dividono in due famiglie, ad azionamento elettrico (dette a compressione) e a gas (anche dette ad assorbimento). Finora abbiamo visto quelle elettriche, che sono quelle più efficienti e sostenibili in quanto non presentano scarti di combustione.
Quelle a gas sono meno comuni e differiscono dalle pompe di calore viste finora in quanto non presentano la fase di compressione, sostituita dalla fase di generazione e da quella di assorbimento.
In questo caso la fonte energetica primaria, in genere un bruciatore, viene utilizzata per aumentare la temperatura della soluzione refrigerante, che evapora e quindi si separa nei due componenti.
Il fluido refrigerante in forma di vapore passa attraverso il rettificatore, e qui si separa ulteriormente dall'eventuale residuo d'acqua per poi entrare nello scambiatore di calore, l'equivalente del condensatore nelle pompe di calore elettriche.
Qui infatti avviene la condensazione, che comporta la cessione di calore all'acqua. A questo punto il refrigerante diminuisce di pressione progressivamente e si abbassa di temperatura, il che gli consente di prelevare calore dall'aria esterna, raffreddandola, ed evapora.
Ora il refrigerante passa nello scambiatore, dove si surriscalda e poi nel pre-assorbitore, dove si unisce con l'acqua e viene preriscaldato (fornendogli energia, in genere gas), dando luogo alla fase di assorbimento.
Poi il liquido viene inviato allo scambiatore di calore, che serve da assorbitore e consente di cedere all'acqua dell'impianto termico una quantità di energia termica.
Infine la soluzione esce dallo scambiatore ed è inviata al generatore, passando nuovamente per il pre-assorbitore e il rettificatore dove si pre-riscalda recuperando calore dal ciclo.
Come funziona la pompa di calore con il fotovoltaico
Le pompe di calore utilizzano l'elettricità per far funzionare il ciclo che consente di estrarre l'energia termica contenuta nell'aria, nell'acqua o nel terreno, ed è quindi logico che installare una pompa di calore con un sistema fotovoltaico rappresenti un sistema per rendersi indipendenti dal punto di vista energetico.
Questa soluzione non è sempre fattibile, o necessaria, ma presenta numerosi vantaggi. Innanzitutto ci rende indipendenti dalle fluttuazioni dei prezzi dell'energia, oltre che da quelli del petrolio o del gas. Un sistema con pannelli fotovoltaici, consente infatti di prodursi in autonomia l'energia elettrica, che se gestita in modo corretto attraverso una centralina che analizza i flussi e ottimizza il funzionamento della pompa in base all'energia in arrivo dai pannelli, può arrivare anche al 70-80% del totale annuo.
E se si abbina anche uno scalda acqua, il risparmio rispetto a uno scaldabagno tradizionale o a una caldaia può arrivare anche al 75%. Il risparmio consente mediamente di ripagare l'investimento iniziale in 7/8 anni, quindi se si considera una durata media dell'impianto di 20 anni, il vantaggio economico è considerevole.
L'efficienza poi aumenta ancora in caso si utilizzi un impianto fotovoltaico con accumulo: in questo caso infatti l'energia elettrica viene immagazzinata e potrà essere sfruttata anche quando non c'è luce (di notte).
Inoltre abbinando pompa di calore e impianto fotovoltaico si aumenta il valore dell'immobile, in quanto si ottiene un'abitazione a impatto zero. Infine c'è da considerare che molte pompe di calore sono compatibili con impianti fotovoltaici preesistenti, e non ci sono restrizioni dal punto di vista legislativo.
I lati negativi di abbinare una pompa di calore a un impianto fotovoltaico sono invece quando la pompa di calore consuma molto, per esempio nel caso di edifici grandi, non perfettamente coibentati e soprattutto con temperature esterne molto rigide, in quanto non andrebbe a fornire un vantaggio sufficiente a giustificare l'installazione dei pannelli.
Ovviamente sono aspetti da considerare con un tecnico che deve effettuare i rilievi opportuni e valutare la soluzione migliore.
In alcuni casi, invece, l'installazione di un impianto fotovoltaico non è possibile, a causa dell'insufficienza di spazio o della presenza di vincoli paesaggistici e ambientali.
Si possono usare le pompe di calore con i termosifoni?
L'impianto più comune di pompa di calore è del tipo aria - acqua, ma soprattutto con edifici vecchi potrebbe presentarsi un problema. Come abbiamo accennato nei capitoli precedenti, la temperatura di mandata delle pompe di calore non è elevata, e per questo funzionano meglio con impianti radianti di grandi dimensioni come il riscaldamento a pavimento o come i fan coil, dove l'acqua può circolare a temperature tra 25 e 30°C. È quindi una soluzione indicata nei nuovi edifici.
Negli edifici più datati, con i caloriferi, potrebbero essere necessari degli interventi. Questo perché i termosifoni in ghisa necessitano di temperature dell'acqua elevate (70-80°C) e hanno uno spessore che riduce la superficie di scambio.
Inoltre anche se il materiale mantiene più a lungo il calore impiega anche di più a scaldarsi. Non sono quindi indicati per una pompa di calore.
Già meglio sono i caloriferi in acciaio, che hanno bisogno di temperature più basse (50-60°C) e hanno una maggiore superficie di scambio, mentre i migliori sono i caloriferi in alluminio, che richiedono temperature tra 45 e 50°C, sono molto sottili, il che aumenta lo scambio termico e hanno una bassissima inerzia termica.
Quindi non è detto che una pompa di calore non si possano usare i caloriferi, ma bisogna considerare il rendimento, e quindi il COP, che determina il rapporto tra calore a disposizione per riscaldare l'ambiente e l'energia elettrica consumata.
In generale, maggiore è la differenza da colmare tra temperatura esterna e quella di mandata dell'impianto, più bassi saranno questi valori, il che implica una minore efficienza dell'impianto, ovvero consumi elevati o addirittura di restare al freddo.
Questo vuol dire che per collegare una pompa di calore a un impianto con termosifoni dovete innanzitutto giocare sulla dispersione, quindi cambiare gli infissi o adottare un cappotto termico, e anche sui caloriferi stessi. I caloriferi moderni possono infatti funzionare con temperature più basse senza compromettere il comfort, e adottano maggiori superfici di scambio.
Detto questo, le moderne pompe di calore aria - acqua possono arrivare anche a 60 - 65 °C di temperatura di mandata, quindi è possibile una certa elasticità, ma è sempre bene affidarsi a un tecnico specializzato che valuti i singoli casi.
Quanto costano le pompe di calore
Quanto costano le pompe di calore? Questo può variare moltissimo dal tipo di impianto e dall'installazione, e bisogna sempre valutarne l'efficacia consultando un tecnico che possa indirizzarvi verso la soluzione migliore.
L'analisi serve per valutare l'opportunità di altri interventi, come ad esempio cambiare gli infissi o mettere il cappotto termico, e soprattutto per determinare il tipo di pompa di calore da acquistare, il che dipende dalla fonte di calore disponibile.
Quindi se la pompa di calore geotermica è quella più efficiente, in una casa in città sarà di difficile implementazione, senza considerare che si tratta della soluzione più costosa, mentre le soluzioni meno costose sono quelle aria - aria.
Una volta definiti questi aspetti, scelta la pompa di calore e definiti gli interventi da apportare, si può procedere all'acquisto. Tenete presente che mediamente per una casa di 100 mq è possibile installare un impianto anche inferiore ai 10 kW, ma dipende dal fatto se sia coibentato o meno.
Per un appartamento coibentato, si può stare tra i 5 e gli 8 kW, mentre un appartamento non coibentato sarà meno efficiente e potrebbe richiedere potenze tra 9 e 11 kW.
Per quanto riguarda i prezzi delle pompe di calore, quelle aria - aria hanno per un appartamento di 100 mq un costo medio di 1.200 euro, prezzo che può variare notevolmente in base alla marca, alla potenza e al numero di unità interne.
Gli impianti aria - acqua hanno un costo notevolmente superiore, con prezzi tra 2.000 e 7.000 euro, mentre gli impianti geotermici possono costare solo per la pompa tra 3.000 e 8.000 euro. A questi prezzi si devono aggiungere i costi dei tecnici e di installazione, che per un impianto geotermico possono essere anche notevoli. Questo significa che a seconda del tipo di pompa di calore si possono spendere anche 15.000 o fino a 30.000 euro, ma ovviamente sono stime indicative.
Ovviamente questi sono prezzi indicativi, e non prendono in esame le detrazioni fiscali e il risparmio dovuto ad avere un impianto più efficiente, che si assesta in media sui 400 euro l'anno.
Svantaggi pompa di calore
Quali sono gli svantaggi di una pompa di calore? Per un'analisi approfondita, vi rimandiamo al nostro articolo dedicato, ma andiamo a evidenziare i più palesi.
Il primo è il costo. Una pompa di calore richiede un investimento notevole, anche se negli anni si ammortizza sia grazie al risparmio che agli sgravi.
Nondimeno, non tutti potrebbero avere in tasca i soldi necessari per affrontarlo.
In secondo luogo, la pompa di calore necessita di spazio, e non sempre è possibile installarla, senza considerare che è un dispositivo rumoroso, quindi in alcuni casi potrebbe disturbare i vicini.
Inoltre quando si parla di pompa di calore bisogna prendere in considerazione l'efficienza. Come abbiamo anticipato, la temperatura di mandata della pompa di calore non è molto elevata, e si abita in ambienti con inverni molto rigidi si avrà una differenza elevata tra temperatura esterna e temperatura dell'acqua di mandata. Questo comporta una riduzione del COP, e quindi dell'efficienza dell'impianto.
Non che non sia impossibile utilizzare una pompa di calore in queste condizioni, ma bisogna valutare le caratteristiche dell'edificio e il fabbisogno energetico, valutando eventualmente soluzioni con resistente integrative (meno efficienti) o soluzioni ibride, che se abbinate a caldaie non sarebbero sostenibili e non darebbero accesso agli incentivi.
Domande e risposte
La pompa di calore è caratterizzata da una temperatura di mandata non molto elevata, mediamente fino a 50°C con punte di 60-65°C per alcuni modelli, ma i caloriferi in ghisa necessitano di temperature anche superiori a 70°C. Ecco perché le pompe di calore funzionano meglio con termosifoni in acciaio o ancora meglio alluminio, che sono più sottili, hanno una bassa inerzia termica e funzionano a temperature di 45-50°C.
Se vi state chiedendo quanto possa costare scaldare un appartamento di 100 mq con una pompa di calore, la risposta non è così semplice, in quanto dipende dal livello di coibentazione dell'appartamento. Per una casa coibentata, il costo annuale per il riscaldamento potrebbe essere indicativamente sui 7-800 euro.
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