Sai che esistono dei dispositivi in grado di fornire riscaldamento, raffrescamento e acqua calda per uso residenziale, commerciale e industriale? Parliamo delle pompe di calore e sono dei dispositivi in grado di prelevare energia dal terreno, dall’aria e dall’acqua e trasportarla nelle abitazioni sotto forma di calore o aria fresca.
Come è possibile?
Una pompa di calore è essenzialmente composta da:
- uno scambiatore di calore, che estrae calore dalla fonte;
- un compressore, che sposta un refrigerante attraverso un ciclo di refrigerazione.
Questi dispositivi sfruttano un processo termodinamico chiamato ciclo di refrigerazione: un fluido refrigerante, circolando all’interno di un circuito chiuso consente di trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura (l’ambiente esterno) a una a temperatura più elevata (l’ambiente interno).
Il ciclo si compone di quattro fasi principali:
- Evaporazione: l’energia termica prelevata dall’ambiente viene trasferita al fluido refrigerante per mezzo di uno scambiatore di calore. Questo porta all’evaporazione il fluido refrigerante a bassa pressione.
- Compressione: il vapore del refrigerante viene compresso, aumentando la sua temperatura e pressione.
- Condensazione: il vapore del refrigerante ad alta pressione e temperatura entra in contatto con uno scambiatore di calore a temperatura più bassa. A causa della differenza di temperatura, il vapore condensa, cedendo il calore latente di condensazione destinato a riscaldare l’ambiente interno.
- Espansione: il liquido refrigerante ad alta pressione viene espanso attraverso una valvola di laminazione o un dispositivo di espansione. Questo processo provoca una brusca riduzione sia della pressione che della temperatura del fluido.
La riduzione di pressione e temperatura rende il liquido refrigerante pronto a ricominciare il ciclo, assorbendo nuovamente calore dalla sorgente esterna.
In questo modo, le pompe di calore sono in grado di riscaldare o raffreddare ambienti in modo efficiente e sostenibile. E’ infatti possibile invertire il ciclo, pertanto il sistema estrarrà calore dall’ambiente interno (più freddo), per trasferirlo all’ambiente esterno (più caldo), come un normale ciclo frigorifero.
Quali sono i diversi tipi di pompe di calore?
Esistono diversi tipi di pompe di calore, a seconda della fonte di calore utilizzata:
- Pompe di calore aria-aria: sono le più semplici e diffuse e sono ideali per appartamenti e case singole, soprattutto in zone con climi miti. Possiedono un’unità esterna che preleva calore dall’aria esterna, anche in condizioni climatiche fredde, e un’unità interna che rilascia questo calore nell’ambiente domestico. Il trasferimento avviene attraverso uno scambio termico tra l’aria e il fluido refrigerante all’interno della pompa.
- Pompe di calore aria-acqua: adatte a edifici residenziali e commerciali. Sono simili alle pompe aria-aria, ma presentano un’unità interna che riscalda l’acqua di un impianto tradizionale (radiatori, termosifoni, pavimento radiante). L’acqua calda viene poi distribuita nei locali tramite i tradizionali circuiti idraulici.
Si sono affermati due sistemi fondamentalmente diversi tra loro: il sistema pompa di calore monoblocco, in cui tutti i componenti tecnici importanti per il processo di recupero del calore sono raccolti in un’unica unità, e il sistema pompa di calore bivalente o split, dove gli elementi sono distribuiti in due unitàe la pompa è combinata con altre soluzioni di riscaldamento. - Pompe di calore geotermiche: questi dispositivi utilizzano il calore del terreno come fonte primaria: un circuito di tubi scambiatori, interrato a una profondità variabile, preleva il calore dal terreno e lo trasferisce al fluido refrigerante della pompa. Garantiscono un rendimento molto elevato e una maggiore stabilità delle prestazioni.
Perché le pompe di calore sono più efficienti dei sistemi tradizionali?
I sistemi più diffusi per il riscaldamento, raffrescamento e produzione di acqua calda nelle nostre case sfruttano l’energia elettrica o il calore generato dalla combustione di diversi combustibili, come gas metano, GPL, legna, pellet e cippato… L’energia proveniente dalla fonte primaria viene trasformata in calore, che viene trasmesso a un fluido, solitamente acqua, che circola all’interno dell’impianto domestico. Il calore arriva poi ai radiatori o al pavimento radiante, assicurando così un ambiente confortevole.
In questo campo, le pompe di calore rappresentano una vera e propria rivoluzione. A differenza delle tradizionali caldaie o riscaldatori elettrici, le pompe di calore trasferiscono il calore da un ambiente a più bassa temperatura (come l’aria esterna o il terreno) a uno a temperatura più alta (l’interno della tua casa). Questo principio fisico le rende estremamente efficienti dal punto dei consumi energetici, in quanto, sebbene esse siano in grado di scambiare grandi quantità di calore, per il loro funzionamento è necessaria solo una piccola quantità di energia elettrica.
Il COP: l’indicatore chiave dell’efficienza delle pompe di caloreCome a questo punto ti sarà chiaro, l’energia termica trasmessa da una pompa di calore all’interno di un edificio è molto superiore all’energia elettrica consumata per farla funzionare. Per valutare l’efficienza di una pompa di calore si utilizza il coefficiente di prestazione (COP). Il COP indica il rapporto tra l’energia termica prodotta all’interno e l’energia elettrica consumata. Una pompa di calore con un elevato COP, ha dunque un’efficienza molto elevata. Il COP per una data pompa di calore dipende da numerosi fattori: in particolare, esso varia a non solo a seconda del tipo e del modello di pompa di calore utilizzata, ma anche da condizioni ambientali come le temperature della sorgente termica esterna utilizzata e la temperatura di mandata alla quale la pompa deve riscaldare il fluido per il riscaldamento domestico. Oltre queste, le particolari condizioni operative come i cicli di accensione e spegnimento ed il prolungamento dei tempi di utilizzo possono avere un’influenza sull’efficienza. Tipicamente, le pompe di calore per uso domestico hanno un COP indicativamente intorno a 3-5, il che significa che per ogni kWh di energia elettrica consumata, producono tra 3-5 kWh di energia termica. Tutto ciò si traduce in bollette significativamente più basse e in un impatto ambientale ridotto.
Pompe di calore: un po’ di dati
Il 2023 è stato un anno di svolta per il mercato delle pompe di calore, testimoniando una crescita esponenziale di questa tecnologia a basso impatto ambientale. I dati più recenti indicano che le pompe di calore hanno soddisfatto oltre il 10% del fabbisogno globale di riscaldamento degli edifici, un risultato che sottolinea l’accelerazione verso un futuro energetico più sostenibile: hanno contribuito ad evitare l’emissione di 7,3 Mt di CO2!
A tal proposito, l‘IEA stima che le pompe di calore a livello globale abbiano il potenziale per ridurre le emissioni globali di anidride carbonica (CO2) di almeno 500 milioni di tonnellate nel 2030, pari alle emissioni annuali di CO2 di tutte le auto in Europa oggi.[1]
L’Europa si conferma all’avanguardia in questo settore, con 23,96 milioni di pompe di calore installate negli edifici, registrando un incremento del 13,7% rispetto al 2022. Francia, Italia e Germania si confermano i mercati più dinamici del continente, con vendite in crescita di circa il 35% anno su anno e un volume complessivo che supera i 2,2 milioni di unità.
È interessante notare come la tipologia di pompa di calore installata vari a seconda della regione geografica. Nei paesi nordici e baltici, dove le temperature invernali sono più rigide, le pompe di calore aria-aria, più economiche e facili da installare, rappresentano la maggior parte delle installazioni (circa il 50%-80%)[2].
In Italia, invece, c’è un’abbondanza relativamente diffusa di sistemi ibridi che combinano pompe di calore con caldaie a gas: questi sistemi hanno rappresentato nel 2022 più del 40% delle vendite nel settore di mercato delle pompe aria-acqua[2]. Tuttavia, i sistemi di riscaldamento basati sui combustibili fossili hanno rappresentato ancora il 70% delle vendite.
A livello globale, l’Asia e il Nord America stanno registrando tassi di crescita significativi. Gli Stati Uniti, il Giappone,hanno visto aumentare le loro vendite di pompe di calore rispettivamente del 15% e 13%, mentre in Cina c’è stato un aumento del 13% per le pompe di calore ad aria: queste ultime, rappresentano la maggior parte delle vendite a livello globale, con una quota di mercato superiore al 60%[1].
Nonostante questi risultati incoraggianti,il percorso verso una completa decarbonizzazione del settore del riscaldamento è ancora lungo. Secondo Eurostat, circa il 50% di tutta l’energia consumata nell’Unione Europea è destinata al riscaldamento e al raffreddamento degli edifici, e più del 70% proviene ancora da combustibili fossili.
Nel settore residenziale, la dipendenza dai combustibili fossili per il riscaldamento è ancora più marcata, con circa l’80% del consumo energetico finale destinato a questo scopo.
Prospettive per il futuro
Le proiezioni del rapporto “Il futuro delle pompe di calore” dell’IEA, indicano che, a fronte del raggiungimento degli obiettivi climatici ed energetici dell’Unione Europea, le vendite annuali di pompe di calore potrebbero passare dai 2 milioni del 2021 a 7 milioni entro il 2030. Tale incremento determinerebbe una riduzione della domanda di gas naturale nell’ordine dei 7 miliardi di metri cubi nel 2025. Nel lungo termine, si stima che il risparmio di gas naturale possa raggiungere i 21 miliardi di metri cubi entro il 2030, contribuendo in modo significativo alla decarbonizzazione del settore del riscaldamento e alla sicurezza energetica dell’Unione Europea.
Secondo la stessa Agenzia, nello scenario Net Zero Emissions by 2050, il numero di pompe di calore installate a livello globale è destinato a passare dai 180 milioni del 2020 a circa 600 milioni nel 2030.
Perché scegliere una pompa di calore?
La pompa di calore rappresenta una soluzione innovativa e sostenibile per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti, offrendo numerosi vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali.
Tra questi troviamo:
- Efficienza energetica: sfruttando il principio termodinamico di trasferimento del calore da una sorgente a bassa temperatura (aria, acqua o terreno) a una a temperatura più alta, le pompe di calore consentono di ottenere un rendimento energetico significativamente superiore rispetto alle caldaie a combustione.
- Risparmio economico: l’elevata efficienza energetica si traduce in un notevole risparmio sulle bollette energetiche nel lungo periodo. Nonostante i costi di installazione iniziali possano essere più elevati rispetto a quelli di un impianto tradizionale, l’investimento viene generalmente ammortizzato in pochi anni grazie ai risparmi ottenuti.
- Impatto ambientale: le pompe di calore contribuiscono alla riduzione delle emissioni di gas serra, in quanto utilizzano fonti di energia rinnovabile e non producono direttamente combustione. Inoltre, riducono la dipendenza dai combustibili fossili, contribuendo alla sicurezza energetica.
- Versatilità: oltre a fornire il riscaldamento invernale, le pompe di calore possono essere utilizzate anche per il raffrescamento estivo, garantendo il comfort termico in tutte le stagioni. Alcuni modelli sono inoltre in grado di produrre acqua calda sanitaria.
Fattori da considerare prima dell’installazione
E’ fondamentale tenere presente che l’efficienza delle pompe di calore aumenta quando lavorano con basso salto termico tra la sorgente fredda da cui prendono il calore e l’ambiente caldo a cui devono trasferirlo. Sebbene in commercio ci siano pompe di calore che possano produrre anche acqua calda oltre i 65°, è bene che le pompe di calore non lavorino oltre i 30° nel caso di riscaldamento, e 50° nel caso di produzione di acqua calda sanitaria.
La scelta e l’installazione di una pompa di calore richiedono una valutazione attenta di alcuni fattori:
- un adeguato isolamento termico dell’edificio è fondamentale per massimizzare l’efficienza della pompa di calore e ridurre le dispersioni di calore (in quanto diminuendo le dispersioni dell’edificio, serve apportare meno calore, e quindi la pompa di calore può funzionare a temperatura più bassa);;
- l’impianto di riscaldamento esistente potrebbe necessitare di modifiche o integrazioni per adattarsi al nuovo sistema. Per esempio può essere necessario aumentare la superficie radiante dei caloriferi, in modo da fare funzionare il sistema di riscaldamento ad una temperatura minore;
- il rendimento della pompa di calore può variare in base alle condizioni climatiche esterne. Per climi freddi – soprattutto se umidi-, è consigliabile valutare l’installazione di modelli specifici, dotati di sistemi di sbrinamento più efficienti;
- come abbiamo illustrato, esistono diverse tipologie di pompe di calore (aria-aria, aria-acqua, geotermica), ognuna con caratteristiche e campi di applicazione specifici: la scelta del modello più adatto dipende dalle esigenze individuali e dalle caratteristiche dell’edificio;
- i costi di installazione variano in base alla tipologia di pompa di calore, alle dimensioni dell’edificio e alla complessità dell’impianto.
Non dimenticare che attualmente sono attivi una serie di incentivi e agevolazioni fiscali per promuovere la diffusione delle pompe di calore: ad esempio, le spese per l’installazione rientrano tra quelle che possono beneficiare di una detrazione del 65% della spesa sostenuta.
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ELENCO DELLE FONTI
[1]https://www.iea.org/energy-system/buildings/heat-pumps
[2]https://www.iea.org/commentaries/global-heat-pump-sales-continue-double-digit-growth
https://www.iea.org/reports/the-future-of-heat-pumps/how-a-heat-pump-works
https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/heat-pumps_en
