Funzionamento della pompa di calore – spiegazione semplice + informazioni

Funzionamento di base di una pompa di calore

Solo in Svizzera, la domanda è aumentata notevolmente negli ultimi anni, secondo Statista. Ma perché c’è tanto interesse?

Ciò è principalmente dovuto al funzionamento della pompa di calore. Prima di entrare nel dettaglio del funzionamento della pompa di calore, vogliamo dare una breve introduzione ai diversi tipi di pompe di calore.

Ogni pompa di calore – indipendentemente dal tipo – utilizza una fonte di calore gratuita e naturalmente disponibile. Fare affidamento sulle risorse naturali è uno dei principali vantaggi delle pompe di calore.

Le pompe di calore vengono distinte in base alla fonte di calore che utilizzano:

Pompa di calore acqua/acqua

Una pompa di calore acqua/acqua estrae l’energia ambientale – come suggerisce il nome – dall’acqua sotterranea. La pompa di calore a acqua sotterranea ha il vantaggio che l’approvvigionamento di calore, grazie alla mancanza di fluttuazioni termiche dell’acqua sotterranea, è costante durante tutto l’anno. La temperatura si aggira intorno ai 10 °C–12 °C.

Per utilizzare una pompa di calore acqua/acqua, è necessario eseguire una verifica dell’acqua sotterranea. Se risulta adatta, dovrà essere scavato un pozzo profondo. Ciò comporta non solo costi di investimento più elevati, ma anche costi per interventi edilizi.

Pompa di calore geotermica (terra/acqua)

La pompa di calore geotermica (terra/acqua) sfrutta il calore dal terreno. Attraverso un sondaggio profondo, è possibile accedere al calore ambientale, che è praticamente privo di fluttuazioni termiche durante tutto l’anno.

Lo svantaggio in questo caso è che è necessaria un’autorizzazione edilizia per la perforazione, che è anche molto costosa. Grazie agli elevati costi di acquisto, la pompa di calore geotermica è la soluzione più costosa.

Pompa di calore aria/acqua

La fonte di calore della pompa di calore aria/acqua è l’aria ambiente. Anche se questo tipo di pompa di calore è soggetto alle maggiori fluttuazioni termiche, può comunque lavorare in modo efficiente. Il vantaggio della pompa di calore aria/acqua è l’installazione semplice e poco costosa. A differenza della pompa di calore geotermica o acqua/acqua, non è necessaria un’autorizzazione edilizia. È sufficiente apportare piccoli interventi sull’involucro dell’edificio se la pompa di calore viene installata all’esterno.

Grazie alla sua semplice installazione e ai costi di acquisto relativamente bassi, la pompa di calore aria/acqua è molto popolare, poiché può essere adattata a quasi tutte le situazioni abitative. Noi di Heat365 siamo lieti di fornirti una consulenza gratuita e senza impegno riguardo alla nostra pompa di calore, al momento che preferisci.

Funzionamento della pompa di calore spiegato in modo semplice

Ora che sappiamo da quale fonte le diverse pompe di calore estraggono il calore, il funzionamento della pompa di calore può essere spiegato più facilmente grazie al grafico seguente:

A seconda della fonte, il calore viene estratto dall’aria, dal terreno o dall’acqua sotterranea. La pompa di calore, con l’aiuto di uno scambiatore di calore (evaporatore), trasferisce il calore a un fluido refrigerante, facendo evaporare quest’ultimo. Il vapore viene poi compresso tramite un compressore, aumentando la temperatura. Un secondo scambiatore di calore (condensatore) trasferisce l’energia al sistema di riscaldamento. In questo processo, il fluido refrigerante si raffredda a tal punto da tornare allo stato liquido. Una valvola di espansione consente al fluido refrigerante di rilassarsi, prima che il ciclo ricominci da capo.

I diversi componenti di una pompa di calore

Per garantire il funzionamento della pompa di calore, sono necessari diversi componenti. Una pompa di calore funziona solo con:

• Fonte di calore
• Fluido refrigerante
• Scambiatore di calore (evaporatore)
• Compressore (Compressore)
• Scambiatore di calore (Condensatore)
• Sistema di riscaldamento
• Energia elettrica

Fonte di calore

La fonte di calore è la premessa fondamentale per l’operatività di una pompa di calore. Mentre la pompa di calore acqua/acqua estrae l’energia dall’acqua sotterranea e la pompa di calore geotermica estrae il calore dal terreno, la pompa di calore aria/acqua preleva il calore dall’aria ambiente.

La fonte di calore è una risorsa naturale, gratuita e sempre disponibile. Questo offre i seguenti vantaggi:

• Indipendenza dai combustibili fossili
• Buona bilancia del CO2
• Consumo di energia elettrica ridotto al minimo

Grazie al funzionamento delle pompe di calore, queste stanno diventando sempre più popolari. La fonte di energia è gratuita, inesauribile e neutra rispetto al CO2. Anche se per il funzionamento delle pompe di calore è necessaria energia elettrica, questa può essere prodotta in modo neutro rispetto al CO2, ad esempio tramite un impianto fotovoltaico. Passiamo ora agli altri componenti.

Fluido refrigerante

Ogni pompa di calore funziona grazie a un circuito che permette alla temperatura assorbita di circolare. Per questo motivo viene utilizzato un fluido refrigerante, che ha la capacità di assorbire bene il calore a bassa temperatura e di cederlo a temperature più elevate. Per questa ragione, una pompa di calore funziona solo con l’ausilio del fluido refrigerante.

Il fluido refrigerante non è altro che un fluido con una buona capacità di conduzione termica, il che lo rende particolarmente adatto al trasferimento di calore.

Esistono due tipi di fluidi refrigeranti: sintetici e naturali. I fluidi refrigeranti sintetici sono realizzati artificialmente a partire da idrocarburi alogenati. I refrigeranti naturali, come l’ammoniaca, l’acqua, gli idrocarburi, il biossido di carbonio e l’aria, sono invece estratti dalla natura.

Noi di Heat365 utilizziamo un fluido refrigerante naturale, quindi neutrale rispetto al clima. Un altro vantaggio è che il fluido refrigerante raggiunge temperature di mandata fino a 75 °C, il che lo rende ideale sia per nuove costruzioni che per edifici esistenti.

Evaporatore

Per il funzionamento della pompa di calore è necessario uno scambiatore di calore (evaporatore). L’evaporatore trasferisce il calore dall’ambiente al fluido refrigerante. Poiché il punto di ebollizione di questo fluido è molto basso, il calore è già sufficiente per farlo evaporare. Il vapore viene poi diretto al compressore, il quale continua il ciclo.

Compressore

Quando il fluido refrigerante è evaporato, viene compresso tramite un compressore. Questo processo aumenta la pressione e la temperatura del fluido refrigerante. Il compressore è quindi un componente essenziale per garantire il funzionamento della pompa di calore.

Condensatore

Il fluido refrigerante riscaldato viene quindi inviato al secondo scambiatore di calore, il condensatore. Questo processo fa sì che il fluido refrigerante si condensi, cedendo il calore al sistema di riscaldamento. Nel frattempo, la pressione del fluido refrigerante diminuisce, e si rilassa, pronto per ricominciare il ciclo.

Sistema di riscaldamento

Nel frattempo, il calore ceduto dal condensatore al sistema di riscaldamento viene utilizzato. In altre parole: l’acqua assorbe il calore e lo distribuisce a un sistema di distribuzione (come il riscaldamento a pavimento o i radiatori) o a un serbatoio di acqua calda.

Energia elettrica

Per far funzionare il ciclo all’interno della pompa di calore è necessaria energia elettrica. Le pompe di calore sono quindi particolarmente adatte per essere utilizzate in combinazione con un impianto fotovoltaico. Tuttavia, non è obbligatorio! Vogliamo solo dimostrare che le pompe di calore possono essere completamente a impatto zero di CO2. Se desideri maggiori informazioni, saremo felici di aiutarti!

La quantità di elettricità necessaria dipende da quanta energia aggiuntiva serve per comprimere il fluido refrigerante. E con questo arriviamo al rendimento di una pompa di calore.

Il rendimento spiegato in modo semplice

In modo semplificato, l’efficienza di una pompa di calore indica quanta energia è necessaria per ottenere calore utilizzabile. In altre parole: maggiore è l’efficienza, migliore (o più efficiente) è il sistema di riscaldamento.

L’efficienza dipende da età, tecnologia e tipo di energia utilizzata. Per questo motivo, un sistema di riscaldamento dovrebbe essere sostituito dopo 20 anni al massimo. Anche se funziona ancora, l’efficienza del dispositivo tende a diminuire a causa dell’usura.

L’efficienza di una pompa di calore varia a seconda del tipo. Una pompa di calore aria/acqua può raggiungere un rendimento di circa il 250 %, anche nei giorni freddi, superando così altri sistemi di riscaldamento. Una pompa di calore acqua/acqua, invece, beneficia della temperatura costante dell’acqua di falda, permettendo – in condizioni ottimali – un rendimento superiore al 500 %. Questo significa che è necessaria molta meno energia elettrica.

Come calcolare l’efficienza?

Per calcolare l’efficienza delle pompe di calore acqua/acqua e simili, esiste una formula. Come già detto, l’energia fornita (elettricità) viene messa in rapporto con l’energia prodotta (calore). L’energia ambientale gratuita come fonte primaria non viene presa in considerazione in questo calcolo.

Spieghiamo la formula con un esempio fittizio: se sono necessari 5.000 kWh di elettricità per produrre 20.000 kWh di calore, l’efficienza è 4 o 400% (20.000 kWh / 5.000 kWh = 4). Più alta è l’efficienza, migliore è il risultato.

Monoblocco vs. costruzione Split

Esistono due diversi tipi di costruzione nelle pompe di calore: la costruzione Monoblocco e la costruzione Split. Tuttavia, i diversi tipi di costruzione non influenzano il funzionamento della pompa di calore.

Costruzione Monoblocco

Il ciclo del refrigerante descritto in precedenza avviene in un singolo apparecchio nella costruzione Monoblocco. L’apparecchio può essere posizionato sia all’interno che all’esterno. Per questo motivo, la costruzione Monoblocco è particolarmente adatta per gli edifici più vecchi, poiché non è necessario un ulteriore spazio interno per la pompa di calore.

Vantaggi della costruzione Monoblocco:

• Installazione semplice ed economica
• Nessun spazio interno richiesto (se installato all’esterno)
• Nessuna manutenzione del ciclo del refrigerante necessaria

Lo svantaggio è che l’apparecchio occupa più spazio, poiché tutti i componenti si trovano in un solo dispositivo, e gli interventi sulla struttura dell’edificio sono più consistenti.

Costruzione Split

Nella costruzione Split sono necessari due apparecchi che devono essere collegati tra loro. Tuttavia, per questo sono necessari solo piccoli interventi sulla struttura dell’edificio.

Nel dispositivo esterno si trovano l’evaporatore e il compressore. Il condensatore e la valvola di espansione sono integrati nel dispositivo interno. Indipendentemente dal posizionamento, il funzionamento di una pompa di calore rimane sempre lo stesso, cioè con lo stesso ciclo del refrigerante e gli stessi componenti.

Vantaggi della costruzione Split:

• Possibilità di installazione flessibili (ad esempio, soffitta)
• Unità esterna più leggera e compatta
• Minori interventi sulla struttura dell’edificio grazie a tubazioni più sottili
• Riduzione dei costi, poiché non è necessaria l’isolamento delle tubazioni

Lo svantaggio di questo tipo di costruzione è l’aumento dei costi di installazione e manutenzione. Inoltre, è necessario installare un dispositivo interno, anche se questo risulta più piccolo rispetto alla costruzione Monoblocco.

Funzionamento della pompa di calore in estate

Le pompe di calore non dovrebbero essere spente in estate se sussistono le seguenti condizioni:

• Riscaldamento dell’acqua sanitaria
• Raffreddamento attivo degli ambienti con pompa di calore aria/acqua

In generale, il funzionamento di una pompa di calore è finalizzato al riscaldamento degli ambienti. Inoltre, è possibile riscaldare l’acqua sanitaria. In tal caso, la pompa di calore deve essere operativa anche durante l’estate e non deve essere spenta.

Le pompe di calore aria/acqua hanno anche un’altra funzione: il raffreddamento attivo degli ambienti. In questo caso, il principio di funzionamento è esattamente l’opposto. Invece di rilasciare aria calda negli ambienti, viene rilasciata aria calda dagli ambienti all’esterno. In questo modo, la temperatura degli ambienti può essere abbassata di fino a 3 °C. Il raffreddamento attivo è una funzione riservata alle pompe di calore aria/acqua. Per il raffreddamento attivo è necessario l’uso di energia elettrica.

Nel raffreddamento passivo, una pompa di calore funziona in modo diverso: per questo è necessario combinare il sistema di riscaldamento, come il riscaldamento a pavimento, con una pompa di calore geotermica o ad acqua. Il calore non utilizzato viene così trasferito al fluido termovettore o all’acqua sotterranea. Il vantaggio in questo caso è che, poiché funziona solo la pompa della pompa di calore, la pompa stessa non deve essere in funzione e non consuma energia elettrica.

Funzionamento della pompa di calore in inverno

Fondamentalmente, una pompa di calore funziona estraendo il 75% del calore dal terreno, dall’acqua sotterranea o dall’aria ambiente. Il restante 25% del calore viene prodotto tramite l’uso di energia elettrica. Mentre le fluttuazioni di temperatura nelle fonti primarie come il terreno e l’acqua sono minime, questo non vale per l’aria ambiente.

Ora sorge la domanda se il funzionamento della pompa di calore sia garantito anche in inverno, soprattutto per quanto riguarda la pompa di calore aria/acqua.

Indipendentemente dalla temperatura esterna, una pompa di calore aria/acqua può estrarre energia dall’aria ambiente e quindi riscaldare in modo affidabile ed efficiente anche in inverno. Questo vale anche quando la temperatura scende a -20°C. Quasi tutte le pompe di calore sono dotate di una resistenza elettrica, che può essere utilizzata in caso di emergenza in inverno. Ciò non significa, tuttavia, che il consumo di energia aumenti significativamente.

È importante che la pompa di calore sia dimensionata correttamente e che, negli edifici più vecchi, siano presenti adeguati isolamento termico e coibentazione delle tubazioni dell’acqua calda, in modo da evitare perdite di calore e ridurre il carico di lavoro della pompa di calore.

Funzionamento monovalente vs. bivalente

Le pompe di calore possono essere utilizzate in modalità monovalente o bivalente. Nel funzionamento monovalente, la pompa di calore copre da sola l’intero fabbisogno di calore di un edificio. Se l’apparecchio è dimensionato correttamente, è possibile riscaldare non solo l’area abitabile, ma anche l’acqua sanitaria in modo sufficiente.

Cosa serve per il funzionamento monovalente?

• Pompa di calore correttamente dimensionata
• Buona coibentazione termica
• Tubazioni coibentate

Queste condizioni sono generalmente soddisfatte nelle nuove costruzioni o negli edifici ristrutturati.

Nel funzionamento bivalente, la pompa di calore viene combinata con un’altra fonte di calore per aumentarne l’efficienza. Ciò può essere necessario soprattutto per gli edifici più vecchi. La fonte di calore aggiuntiva può essere una caldaia a gas, una stufa a pellet o simili, ma anche un impianto solare.

Parole finali

Grazie al funzionamento di una pompa di calore, è possibile riscaldare in modo efficiente durante tutto l’anno, ottenendo così un alto grado di efficienza. Utilizzando l’energia ambientale come fonte primaria, è possibile ottenere fino al 75% del calore gratuitamente, e solo il 25% dell’energia necessaria deve essere prodotta tramite l’elettricità.

Le pompe di calore possono essere utilizzate in modo completamente neutrale dal punto di vista climatico, utilizzando un refrigerante naturale e energia verde. In questo modo, non solo si protegge l’ambiente, ma si diventa anche indipendenti dai combustibili fossili e dalle loro fluttuazioni di prezzo.

A seconda della situazione abitativa, la costruzione Monoblocco o Split può essere la soluzione migliore. Entrambe presentano vantaggi e svantaggi. Tuttavia, la pompa di calore, con i suoi diversi tipi di costruzione, offre una flessibilità che consente di adattare il sistema di riscaldamento alle esigenze individuali, cosa che non è possibile con altri sistemi.

Ulteriori informazioni sono disponibili anche nel nostro blog riguardo al funzionamento, ai costi e ai vantaggi di una pompa di calore aria/acqua.