Climatizzazione con le pompe di calore

Climatizzare un ambiente confinato significa effettuare un insieme di azioni volte a  garantire il mantenimento di condizioni termoigrometriche adeguate all'utilizzo dell'ambiente stesso.

L'insieme di azioni da svolgere per ottenere la climatizzazione di un ambiente può includere: riscaldamento, raffrescamento, ventilazione, umidificazione e deumidificazione.

Queste operazioni vanno esercitate in relazione al clima esterno ed all'attività interna. In fase progettuale, come avviene per ogni sistema impiantistico, si deve tenere conto del comportamento dell'edificio.

Se l'edificio è costituito da un involucro (pareti e serramenti) efficiente, consentirà all'impianto di mantenere le condizioni richieste con un minor apporto di energia, al contrario, se costituito da un involucro non efficiente (non isolato o isolato male) obbligherà l'impianto ad utilizzare molta energia.

Le pompe di calore

 

La climatizzazione si effettua sostanzialmente con macchine termiche dette Pompe di calore, in grado di trasferire energia termica (calore) da una sorgente fredda ad una calda.

 

Sfruttando le proprietà dei fluidi queste macchine sottraggono calore da un ambiente a temperatura inferiore, raffrescandolo, e lo rilasciano in un altro riscaldandolo.

 

La pompa di calore, nella sua schematizzazione fondamentale, è costituita da un circuito chiuso, in cui viene fatto circolare il fluido (frigorigeno) che, in relazione alle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, muta il suo stato da liquido a gassoso e viceversa.

 

Il circuito si compone di 4 elementi fondamentali:

  • un compressore

  • un condensatore

  • una valvola di espansione

  • un evaporatore

Il condensatore e l’evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore (nei quali scorre il fluido frigorigeno) posti a contatto con le sorgenti fredda e calda (generalmente una all'interno dell'ambiente da climatizzare ed una all'esterno).

 

Il fluido frigorigeno, per adempiere alle proprie funzioni di "trasportatore" di energia termica, nel circuito, subisce 4 trasformazioni:

Dunque, in fase di Raffrescamento:

La pompa di calore assorbe energia dall'ambiente interno (sorgente fredda, circa 26°C) e la riversa all'esterno (sorgente calda, circa 30/35°C).

  • L'evaporazione avviene dunque nello scambiatore interno all'abitazione (es. split interno), è la fase in cui il fluido frigorigeno assorbe calore.

  • La condensazione avviene invece nell'elemento esterno della pompa di calore, è la fase in cui il fluido riscalda l'ambiente esterno.

 

Mentre in fase di Riscaldamento:

La pompa di calore assorbe energia dall'ambiente esterno (freddo, a circa 0°C) e la riversa all'interno dell'ambiente da riscaldare (sorgente calda, circa 20°C).

  • L'evaporazione avviene adesso nello scambiatore esterno all'abitazione (es. motore esterno, sonde nel terreno o in acqua di falda), è la fase in cui il fluido frigorigeno assorbe calore dalla sorgente fredda.

  • La condensazione all'opposto, avviene nell'elemento interno della pompa di calore (es. split o acqua dell'impianto idraulico), in questa fase il fluido rilascia il calore riscaldando l'ambiente interno (sorgente calda).

 

 

L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore ed è reso possibile dall'impiego di miscele di gas con una temperatura di ebollizione molto bassa (es. R-410A ebollizione a -48.5°C), che alle temperature di esercizio menzionate sopra, consente di sfruttare il ciclo termodinamico (evaporazione-condensazione) per trasportare calore da un ambiente ad un altro.  

 

Dall'immagine si vede come varia il COP di una Pompa Aria- Acqua, si vede chiaramente che:

  • minore è la differenza tra la temperatura di sorgente esterna (fissata a 2° e 7°C nell'esempio) e quella richiesta all'interno, e maggiore è la quantità di energia prodotta dalla macchina.

  • all'aumentare della temperatura richiesta interna all'ambiente (in questo caso il fluido riscalda un accumulo di acqua calda), l'effcienza diminuisce perchè la differenza tra le due T° aumenta

Resa termica

Per definire la resa termica di una pompa di calore si considera il rapporto tra energia resa (calore fornito alla sorgente calda) ed energia consumata (di solito elettrica, richiesta ad esempio, dal compressore, dai ventilatori, dallo sbrinatore).

 

L'efficienza del funzionamento varia in fase di riscaldamento ed in raffrescamento, per misurarla si utilizzano due coefficienti:

  1. l’EER (Energy Efficiency Ratio) esprime l’efficienza energetica di una macchina frigorifera in raffreddamento (funzionamento estivo)                                                        

  2. il COP (Coefficient Of Performance) esprime l’efficienza energetica di tale macchina frigorifera funzionate per riscaldamento (funzionamento invernale)

 

Scambio con il terreno o acqua di falda:

 

come si evince dalle immagini, esistono varie modalità di scambio con il terreno. 

I costi di acquisto ed installazione sono da valutare a fronte di rese molto maggiori rispetto alle pompe che scambiano con l'aria esterna.

 

E' altresì da valutare l'impatto sull'acqua di falda, laddove utilizzata come sorgente fredda.

Alcune considerazioni sulla resa termica:

Le pompe di calore hanno una resa termica maggiore se la differenza tra la temperatura delle sorgenti calda e fredda è ridotta.

 

Ipotizzando di utilizzare una climatizzatore aria aria con uno split interno ed il motore esterno:

In fase di raffrescamento la differenza può essere, alle nostre latitudini di pochi gradi, mantenendo interno a 26°C con temperatura esterna di 30/36°C.

In queste condizioni l'efficienza e la resa termica sono elevate, quindi l'utilizzo è consigliabile.

La stessa macchina, utilizzata in condizioni invernali, ad esempio 0° esterni  e 20° interni, lavora con un'efficienza estremamente ridotta e quindi l'impiego va valutato attentamente.

 

Se ci si approccia all'acquisto di un sistema di climatizzazione, vanno certamente considerate:

 

  • l'efficienza della macchina che si installerà sia in regime estivo che in regime invernale, considerando la tipologia di sorgente fredda e la temperatura che l'impianto dovrà raggiungere in funzione del tipo di emissione (pannelli a pavimento, ventilconvettori, split)

  • il costo del vettore energetico (energia elettrica), considerandone la provenienza (dalla rete o da un impianto fotovoltaico),

  • il costo iniziale dell'installazione di tutto l'impianto, paragonato ad altri tipi di generatori,

  • la qualità dell'involucro dell'edificio, che determina la quantità di energia necessaria al riscaldamento ed al raffrescamento.

 

 

Tipologie di PdC:

Ovviamente non ci si può astenere dalla valutazione delle tipologie di pompa di calore.

 

Le più comuni, ad uso civile, si distinguono sulla base della tipologia delle sorgenti calda e fredda, possono essere:

  • aria - aria, scambio termico tra aria esterna ed aria interna all'ambiente

  • aria - acqua, scambio termico tra aria esterna ed acqua dell'impianto termico

  • acqua - aria, scambio tra acqua di falda ed aria ambiente

  • acqua - acqua, scambio tra acqua di falda ed acqua dell'impianto termico

  • terreno - acqua, scambio tra terreno ed acqua dell'impianto termico

 

 

Migliori Efficienze PdC:

Le efficienze di queste macchine aumentano con il ridursi della differenza di temperatura tra le due sorgenti, come detto in precedenza, quindi i rendimenti maggiori si ottengono con le macchine che scambiano con il terreno mediante sonde geotermiche.

Infatti il terreno ha il vantaggio di mantenere la temperatura della sorgente fredda costante, la macchina quindi può essere settata perfettamente e per delle condizioni note.

Inoltre il terreno aumenta di temperatura scendendo di profondità, permettendo di ridurre la differenza di temperatura tra le sorgenti.

L'ostacolo maggiore alla diffusione capillare di questi impianti sono i costi elevati dell'installazione, che li rendono vantaggiosi solo se suddivisi tra molte unità abitative.

 

Altre considerazioni sull'efficienza (altre tipologie):

Un buon compromesso a livello di costi ed efficienza è rappresentato dalle tipologie che scambiano con l'acqua di falda, ma bisogna valutare attentamente i rischi ambientali derivati dal riscaldamento delle falde acquifere, che, in molti casi, non vengono presi in considerazione.

 

Per quanto riguarda la tipologia più diffusa, quelle aria-aria, a causa della variabilità delle condizioni esterne (sorgente fredda) risultano essere quelle meno efficienti, infatti, anche se il costo di acquisto ed installazione risulta molto concorrenziale, i costi di gestione, in termini di consumo elettrico, sono spesso molto elevati.

L’aria come sorgente fredda ha però il vantaggio di essere disponibile ovunque; tuttavia la potenza resa dalla pompa di calore diminuisce con l'abbassarsi della temperatura della sorgente fredda.

Esempio pratico:

Nel caso si utilizzi l’aria esterna, infatti, è necessario (intorno a 0°C), un sistema di sbrinamento che comporta un ulteriore consumo di energia ed abbassa l'efficienza della macchina.

Diverso, e più vantaggioso, è l’impiego come sorgente fredda dell’aria interna viziata (aria estratta), che deve essere comunque rinnovata, o dell'aria di vani non riscaldati, ma comunque a temperatura più elevata di quella esterna (es. cantine o magazzini).

 

Questa applicazione aiuta a mantenere più costanti la temperatura della sorgente fredda, e aumenta l'efficienza dello scambio termico, riducendo i consumi elettrici.

 

 

Abbinamento PdC ad impianto fotovoltaico:

L'efficienza di queste macchine aumenta sensibilmente se vengono alimentate da un impianto fotovoltaico abbinato, ma bisogna sempre tenere presente:

  • i costi di acquisto,

  • la manutenzione,

  • la durata nel tempo dei pannelli

  • la produttività dell'impianto fotovoltaico spesso non coincide con gli orari di accensione del climatizzatore.

 

L'abbinamento è quindi molto vantaggioso solo se il periodi di funzionamento sono coincidenti e se la produttività dell'impianto è elevata.

Questi fattori li rendono molto adatti soprattutto alle regioni tropicali, dove l'irraggiamento è maggiore, e quindi l'impianto ha delle rese molto elevate. Inoltre nelle ore notturne le temperature (si pensi al clima Sahariano-Nordafricano) scendono molto, consentendo un raffrescamento naturale degli ambienti, con apporto limitato o nullo da parte degli impianti di raffrescamento.

 

 

Conclusioni

Come detto anche in altre sezioni, non esiste una regola universale per ottenere un edificio realmente efficiente.

Oggi sul mercato ci sono moltissime alternative tecnologiche per gli impianti di climatizzazione, in questa pagina ne abbiamo sinteticamente presi in considerazione solo alcuni.  

La breve disamina proposta ha l'unico, vero intento di innescare nel lettore un po' di sana curiosità e di spingerlo a prendere informazioni prima di investire in opere di riqualificazione energetica che rischiano di non ripagare mai l'investimento economico.

I parametri in gioco sono moltissimi, ed i costi delle installazioni significativi, meritano dunque, a giudizio di chi scrive, una attenta riflessione e calcoli adeguati, prima di effettuare delle scelte.

A3r
Architettura
  1. Compressione: il fluido arriva dall'evaporatore allo stato gassoso e a bassa pressione, viene compresso e portato ad alta pressione. La compressione genera il riscaldamento assorbendo una certa quantità di calore.                                                                                           

  2. Condensazione: il fluido, compresso e surriscaldato, entra nel condensatore, qui passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore.                                                                                            

  3. Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido liquido torna ad espandersi e si raffredda.                                                                                                                                                          

  4. Evaporazione: il fluido viene immesso nel secondo scambiatore di calore, l'evaporatore, nel quale il fluido assorbe calore dall'ambiente, quindi  si riscalda nuovamente evaporando.

EFFICIENZA MAGGIORE

EFFICIENZA MINORE

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