Cosa sono le pompe di calore e come funzionano

Visto l'accordo raggiunto dall'Europa a fine 2023 per eliminare gradualmente le caldaie a combustibili fossili entro il 2040, è sempre più pressante cercare soluzioni alternative, ed è quindi probabile che abbiate sentito parlare delle pompe di calore come strumento da utilizzare per il riscaldamento.

Ma cosa sono le pompe di calore e come funzionano? Andiamo a scoprire tutti i dettagli di questa efficiente tecnologia che fornisce riscaldamento (o raffreddamento) e acqua calda dall'aria, dall'acqua o anche dal terreno, oltre a vedere quanto costa e quali possono essere vantaggi e svantaggi. 

Ma prima di approfondire questo argomento, non scordatevi di dare un'occhiata al nostro approfondimento su come rinfrescare la casa senza condizionatore e in particolare su quando conviene installare una pompa di calore.

• Cosa sono le pompe di calore 
• Come funzionano le pompe di calore
  • Aria aria
  • Aria - acqua 
  • Acqua
  • Geotermiche
  • Ad assorbimento
• Pompe di calore: i prezzi
• Cosa sono le pompe di calore per termosifoni e quando convengono
• Come funziona la pompa di calore senza unità esterna
• Quali sono gli svantaggi delle pompe di calore 
• Quali sono i vantaggi delle pompe di calore

Una pompa di calore è un impianto che consente di riscaldare o raffreddare un edificio, in modo simile a un condizionatore d'aria, ma fornendo al bisogno anche calore e acqua calda (in questo caso utilizzando un serbatoio di accumulo perché non sono in grado di produrre acqua calda immediatamente), utilizzando l'aria, l'acqua o il calore del terreno, e l'elettricità come fonte di alimentazione.

Questa soluzione è diventata sempre più rilevante per il riscaldamento domestico, in quanto l'Unione Europea ha stabilito degli obiettivi di sostenibilità, sia per quanto riguarda le emissioni, che entro il 2030 devono essere ridotte del 55%, che sul fronte dell'efficienza delle abitazioni, con la direttiva Casa Green.

Le pompe di calore sono infatti una soluzione non solo efficiente, ma anche sostenibile, e grazie alla direttiva sulle energie rinnovabili europea (RED III) lo diventeranno sempre di più (in quanto si utilizzerà sempre meno energia elettrica prodotta a partire da combustibili fossili).

Per favorire questa transizione, in Italia sono stati messi a disposizione più di 15 miliardi di euro del Pnrr, che consentono di accedere a varie forme di detrazioni fiscali e incentivi, come l'Ecobonus 65% e Bonus casa 50%, il Superbonus e il Conto Termico 2.0.

Quindi le pompe di calore hanno diversi vantaggi rispetto alle caldaie: sono più efficienti (uno studio ha confermato un risparmio medio per famiglia tra i 200 e i 400 euro sul costo del gas), inquinano meno (non hanno emissioni) e consentono l'accesso a forti incentivi fiscali.

Inoltre, visto che gestiscono sia il raffreddamento che il riscaldamento, i proprietari di case potrebbero non aver bisogno di installare sistemi separati.

Ma come funzionano le pompe di calore e quanto costano? Prima di andare ad approfondire questo aspetto, vi anticipiamo che ci sono diversi tipi di pompe di calore. 

La pompa di calore è infatti sostanzialmente un impianto che sottrae energia da un certo tipo di sorgente (aria, acqua o terreno) e attraverso un meccanismo simile a quello del frigorifero la utilizza per riscaldare la casa. Ci sono quindi diversi tipi di pompe di calore, a seconda del materiale che utilizzano per recuperare energia:

• Aria - aria
• Aria - acqua
• Ad acqua 
• Geotermica
• Recupero termico

I più comuni sono quelle ad aria (aria-aria e aria-acqua) e geotermica, ma indipendentemente dal tipo si possono collegare poi a caloriferi, riscaldamenti a pavimento o fan coil per irradiare il calore.

Ci sono poi i sistemi monovalenti, in cui la pompa di calore è utilizzata come unica fonte di energia per il riscaldamento, e quindi richiede una maggiore ottimizzazione energetica in quanto la temperatura di mandata è meno elevata, e i sistemi bivalenti, in cui la pompa di calore è combinata con altre soluzioni di riscaldamento.

Questa soluzione è adatta per edifici che non possono essere ottimizzati o comunque a climi più freddi, e quindi richiede una temperatura di mandata più elevata. Il sistema può essere abbinato a un sistema solare termico per la fornitura di acqua calda o anche a sistemi più convenzionali come a gas, pellet o legna.

Nel capitolo precedente abbiamo spiegato come le pompe di calore siano una soluzione per riscaldare o raffreddare le nostre case efficiente e sostenibile, e che funzionano secondo il principio del frigorifero. 

Cosa significa? In pratica la pompa di calore utilizza un gas che ha la capacità di assorbire il calore da una fonte di energia naturale, come aria, acqua o terreno (la scelta dipende dalle caratteristiche del luogo in cui si deve installare e dal fabbisogno termico).

Come immaginerete, queste sorgenti non sono in grado di fornire direttamente calore, ma si può sfruttare un fenomeno, l'effetto Joule-Thompson, secondo il quale i gas cambiano la temperatura in seguito a una compressione o espansione, senza apporto di energia. 

Quindi quello che si fa è utilizzare un fluido dal punto di ebollizione molto basso e sfruttarne evaporazione e condensazione per rilasciare calore. Il processo inizia con l'evaporatore, in cui il fluido riceve l'energia termica dall'ambiente ed evapora.

A questo punto il gas confluisce nel compressore, azionato elettricamente, dove viene compresso e riscaldato, per poi passare nel condensatore. Qui avviene il secondo 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 poter ricominciare il ciclo. 

In sostanza il funzionamento di una pompa di calore è analogo a quello di un frigorifero, solo che mentre il frigorifero estrae il calore dagli alimenti e lo disperde nell'ambiente attraverso la serpentina, nelle pompe di calore avviene l'inverso.

Ma abbiamo parlato anche di raffrescamento: come funziona in questo caso una pompa di calore? Il funzionamento è lo stesso, ma in direzione opposta rispetto al riscaldamento, in quanto la pompa di calore, che è reversibile, estrae il calore dall'edificio e lo trasferisce all'ambiente attraverso lo stesso circuito. 

Il sistema può avvenire sia in maniera attiva, che richiede l'apporto di energia elettrica per azionare il compressore ed è in genere utilizzato nelle pompe di calore aria - acqua, o in maniera passiva.

La soluzione in questo caso è più efficiente dal punto di vista energetico ma la capacità di raffreddamento è inferiore, ed è utilizzabile solo con pompe di calore acqua - acqua. 

In generale, bisogna tenere presente che l'efficienza di una pompa di calore si ottiene dal rapporto tra il calore a disposizione per riscaldare l'ambiente e l'energia elettrica consumata per ottenerlo.

Questo valore, che a seconda del tipo di pompa può variare tra 3 e 4, può essere indicato dal coefficiente di prestazione, COP (Coefficient of Performance), che può anche essere stagionale (SCOP, Seasonal Coefficient of Performance) e oltre a dare una misura dell'efficienza di un impianto indica anche la compatibilità tra impianti. 

Il significato è che per 3 o 4 kWh di energia prodotta è necessario immettere nel sistema 1 kWh di energia elettrica. 

Secondo la direttiva europea 2002/31/CE, queste sono le classi di efficienza energetica delle pompe di calore, dalla migliore alla peggiore:

• A COP > 3,60
• B 3,60 = COP > 3,40
• C 3,40 = COP > 3,20
• D 3,20 = COP > 2,80
• E 2,80 = COP > 2,60
• F 2,60 = COP > 2,40
• G 2,40 = COP

Questo è il funzionamento generale.

Andiamo a vedere i casi specifici per i diversi tipi di pompa di calore. 

Aria - aria

La pompa di calore aria - aria funziona estraendo calore dall'aria esterna e riscalda l'edificio utilizzando l'aria, e quasi sicuramente ne avrete una già in casa: il condizionatore, che è usato quasi sempre per raffrescare.

Anche se questa soluzione rappresenta uno dei modi più efficienti per riscaldare la casa, in inverno presenta dei limiti. 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. 

Nonostante non sia un sistema molto popolare tra gli utenti, in realtà questa soluzione presenta molti vantaggi, in quanto è in grado di regolare molto velocemente la temperatura all'interno di una stanza, a patto di utilizzarla nel modo giusto. Le accortezze da tenere presente per usarla meglio sono il mantenimento di una temperatura costante nell'ambiente, avere infissi in grado di ridurre la dispersione termica (questo è un presupposto che vale per tutte le pompe di calore), liberare sempre l'unità esterna da sporco e fogliame, pulire i filtri antipolvere dell'unità interna ed eseguire correttamente la manutenzione.

Alcune considerazioni da tenere presente per questo sistema è che l'unità esterna deve essere installata in un punto facile da raggiungere e possa scaricare la condensa. Inoltre deve essere areata, quindi non posizionata in luoghi chiusi o piccoli, ma non esposta direttamente ai raggi solari, e bisogna tenere presente che produrrà un certo rumore.

Aria - acqua

Le pompe di calore aria - acqua funzionano in maniera simile alle pompe di calore aria - aria, ma in questo caso il calore prelevato dall'aria esterna viene utilizzato per riscaldare l'acqua, che poi circola nell'impianto di distribuzione interno, in pratica risultando in un impianto di riscaldamento dall'aspetto non dissimile da quelli ordinari.

A questo proposito bisogna tenere presente che abbinare un impianto aria - acqua ai tradizionali radiatori non è la scelta più efficiente dal punto di vista energetico, in quanto sarebbe necessario portare l'acqua a temperature piuttosto elevate, anche sopra i 70°C.

Per questo motivo la pompa di calore aria - acqua funziona meglio con impianti radianti di grandi dimensioni come il riscaldamento a pavimento, dove l'acqua può circolare a temperature tra 25 e 30°C, ed è quindi una soluzione indicata nei nuovi edifici. 

Come per il riscaldamento aria - aria, anche qui si ha un'unità esterna che deve essere opportunamente posizionata per garantire la massima efficienza e che al contempo non disturbi né voi né i vicini.

C'è però un'ulteriore considerazione da fare, in quanto le pompe aria - acqua sono divise in due tipi di impianti, il sistema con pompa di calore monoblocco e quello con pompa di calore split.

Come suggerisce il nome, la differenza maggiore tra i due è che nel primo tutti i componenti sono nell'unità esterna, mentre nel secondo 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. 

Acqua

Le pompe di calore ad acqua, come suggerisce il nome, funzionano prelevando il calore non dall'aria ma dall'acqua, che vene ricavata dalla falda o da pozzi sotterranei.

Il vantaggio di questo sistema è dato dal fatto che l'acqua garantisce una temperatura più costante, in quanto la temperatura media delle acque sotterranee è 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 ci sono alcune considerazioni da fare.

Prima di tutto, 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. In secondo luogo, bisogna controllare la qualità dell'acqua del sottosuolo, in quanto ha una profonda influenza sull'efficienza dell'impianto.

In caso non sia possibile installare un impianto di questo tipo, si può in genere adottare come alternativa una pompa di calore geotermica, ovvero che utilizza il terreno come fonte di calore. Andiamo a vedere come funziona.

Geotermiche

Le pompe di calore geotermiche utilizzano come fonte di calore, come suggerisce il nome, il terreno. Questa soluzione trae energia dal sottosuolo ed è molto efficiente, in quanto la temperatura del terreno è piuttosto costante nel corso dell'anno e si aggira intorno ai 12°.

Le pompe di calore geotermiche, che possono essere utilizzate sia d'inverno che in estate, necessitano però di un impianto piuttosto complesso, in quanto hanno 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

Le pompe di calore ad assorbimento sono meno comuni delle altre tipologie di impianto, da cui differiscono 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.

In questo modo può prelevare calore dall'aria esterna, raffreddandola, ed evapora.

A questo punto 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.

A questo punto potreste chiedervi quali siano i prezzi di un impianto a pompa di calore. Come potete immaginare, variano moltissimo dal tipo di impianto e dall'installazione, ma tenete sempre presente che con la pompa di calore avete diritto a una serie di detrazioni fiscali. 

Partiamo da un presupposto: visto che l'installazione di una pompa di calore è un investimento importante, bisogna sempre valutarne l'efficacia consultando un tecnico che possa indirizzarvi verso la soluzione migliore.

Questo vale non solo per quanto riguarda la fattibilità o meno dell'impianto, ma anche l'opportunità di altri interventi, come ad esempio cambiare gli infissi o mettere il cappotto termico. 

Infine, serve 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 necessario 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.

Valutare le corrette necessità energetiche dell'appartamento è di fondamentale importanza, in modo da non sovrastimare le necessità e spendere più del necessario.

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. 

Ovviamente questi sono prezzi indicativi, e non prendono in esame le detrazioni fiscali e il risparmio dovuto a un impianto più efficiente, che come abbiamo anticipato si assesta anche sui 400 euro l'anno.

Come abbiamo anticipato nei capitoli precedenti, le pompe di calore sono sistemi molto più efficienti del riscaldamento con caldaia, ma in molti si potrebbero chiedere se convengono quando si hanno i termosifoni.

La domanda non è da poco, perché molti utenti si trovano in case più datate dotate del vecchio tipo di riscaldamento, e quindi avrebbero bisogno di adattare l'impianto esistente con il nuovo sistema. 

Nel primo capitolo abbiamo accennato al fatto che una pompa di calore aria - acqua è più efficace con una temperatura di mandata non troppo elevata, e quindi funziona meglio con il riscaldamento a pavimento o con i fan coil. Questo perché la temperatura dell'acqua per i termosifoni potrebbe arrivare anche a 70°C, mentre quella per il riscaldamento a pavimento è tra 25°C e 30°C-35°C. 

La prima cosa da fare è considerare il rendimento, e quindi il COP o lo SCOP, che determinano 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.

Un calorifero in ghisa non è indicato per le pompe di calore, in quanto necessita di temperature dell'acqua elevate (70-80°C) e ha 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.

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.

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.

Molti si chiedono come installare una pompa di calore se non si ha a disposizione uno spazio per l'unità esterna. Queste soluzioni integrano il motore nello split che viene posto all'interno della casa, e lo scambio termico con l'esterno avviene tramite bocchette da circa 20 cm di diametro installate a muro. Anche la condensa viene veicolata all'esterno, sotto forma di aria calda e umida.

L'unità centrale poi verrà posta in una stanza dell'abitazione, mentre gli split interni possono essere posti nelle varie stanze, e i modelli più avanzati, oltre alla possibilità di produrre aria calda e aria fredda, possono anche produrre acqua calda sanitaria, ed essere collegati a un impianto a pavimento o anche a un impianto a pannelli solari.

Gli svantaggi di questa soluzione sono innanzitutto l'ingombro in casa dell'unità centrale, e poi il rumore, in quanto il motore, pur inferiore rispetto agli impianti esterni, si assesta comunque sui 27 dB minimo. Infine c'è da considerare che un impianto di questo tipo è meno efficiente di una pompa di calore tradizionale, in quanto per ridurre il rumore si deve optare per soluzioni meno potenti.

Abbiamo capito come la pompa di calore sia una soluzione più efficiente di una caldaia, e soprattutto l'Unione Europea ha decretato il ban alle caldaie dal 2040. 

Ma prima di pensare a una soluzione del genere forse vorreste sapere quali siano i suoi svantaggi. Innanzitutto, il primo aspetto da considerare è la situazione in cui viviamo.

In alcuni luoghi non sarà possibile installare una pompa di calore geotermica, mentre con un clima mite potrebbe bastare una soluzione aria - aria. Inoltre una pompa di calore è grande e rumorosa, quindi non è sempre possibile installarla e, come abbiamo visto nei capitoli precedenti, quando si prende in considerazione una pompa di calore bisogna considerare l'efficienza.

Le pompe di calore non scaldano l'acqua a temperature elevatissime, quindi quello che conta è la differenza tra temperatura esterna e temperatura dell'acqua di mandata: più elevata è la differenza tra questi due valori, meno efficiente sarà l'impianto. 

Questo significa che in caso di temperature esterne rigide bisogna giocare su alcuni aspetti, come cambiare il tipo di riscaldamento (da caloriferi in ghisa al riscaldamento a pavimento o almeno caloriferi in acciaio) e ridurre la dispersione. Oppure adottare soluzioni ibride, per esempio con i pannelli solari per scaldare l'acqua, oppure impianti con caldaie (che però non si avrà accesso agli incentivi del Governo).

Un altro aspetto negativo è l'investimento iniziale: il costo per l'acquisto e l'installazione può essere di svariate migliaia di euro, con una variabilità anche notevole a seconda di dove si vive e del tipo di pompa. È vero che il costo di gestione è molto basso, ma nondimeno è un aspetto che spaventa, e spesso blocca, chi vorrebbe cambiare impianto.

Per approfondire ulteriormente questo argomento potete leggere la nostra guida dedicata a illustrare in dettaglio gli svantaggi delle pompe di calore.

Dopo aver visto le notizie negative, andiamo a vedere quali sono i vantaggi delle pompe di calore, che sono numerosi. Il primo è la maggiore sostenibilità, in quanto le pompe di calore hanno un impatto ambientale ridotto rispetto alle caldaie: non producono scarti di combustione (il 90% di emissioni in meno) e utilizzano fonti rinnovabili per il loro funzionamento, oltre all'energia elettrica. 

Inoltre le pompe di calore utilizzano un unico impianto per produrre riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria, il che è un vantaggio sia dal punto di vista energetico che di gestione degli spazi. 

Un altro grande vantaggio è l'efficienza, espressa dai coefficienti COP e SCOP e che varia a seconda delle condizioni di funzionamento. Le pompe di calore permettono un notevole risparmio e riducono i consumi energetici, e hanno anche un costo di gestione minore.

Rispetto alle caldaie, le pompe di calore infatti presentano meno elementi in movimento, e visto che non c'è combustione le temperature sono meno elevate, il che comporta una minore usura dei componenti. Per questo motivo, le pompe di calore sono anche più affidabili di una caldaia. 

In ultima battuta, le pompe di calore sono più flessibili di una soluzione tradizionale, in quanto si può scegliere tra diverse tipologie a seconda del tipo di edificio e alla posizione. Inoltre rappresentano un investimento sicuro, perché una casa riscaldata con pompa di calore avrà un valore maggiore rispetto a un sistema di riscaldamento a gas.