Come funziona una pompa di calore? Guida e consigli

La pompa di calore trasferisce calore da un ambiente freddo a uno caldo tramite un ciclo che include evaporazione, compressione, condensazione ed espansione. Vediamo come funziona la pompa di calore.

Elementi Principali

• Le pompe di calore funzionano trasferendo calore da ambienti freddi a caldi attraverso un ciclo in quattro fasi: evaporazione, compressione, condensazione ed espansione.
• Esistono diverse tipologie di pompe di calore, tra cui aria-aria, aria-acqua, geotermiche e acqua-acqua, ognuna con caratteristiche specifiche e vantaggi distinti.
• L’efficienza energetica delle pompe di calore è misurata tramite il COP e lo SCOP, e possono operare efficacemente anche a basse temperature, contribuendo a un significativo abbattimento delle emissioni di CO2.

Principio di funzionamento della pompa di calore

Il principio di funzionamento della pompa di calore è simile a quello di un frigorifero, ma opera in maniera inversa, trasferendo calore da un ambiente freddo a uno caldo. Questo processo si basa su quattro fasi principali:

• evaporazione
• compressione
• condensazione
• espansione.

Durante il processo di funzionamento del sistema:

• Il fluido refrigerante assorbe calore dall’ambiente esterno durante l’evaporazione, trasformandosi da liquido a vapore.
• Il compressore aumenta sia la pressione sia la temperatura del vapore refrigerante.
• Il calore viene rilasciato nell’ambiente interno attraverso il condensatore.

Dopo aver ceduto calore e condensa, il fluido refrigerante ritorna allo stato liquido e passa attraverso una valvola di espansione, riducendo la pressione e ricominciando la fase del ciclo.

Il fluido refrigerante è centrale nel ciclo di funzionamento della pompa di calore, subendo trasformazioni in quattro fasi che garantiscono il trasferimento di calore. Il condensatore svolge un ruolo cruciale nel trasferire calore dal refrigerante al circuito di riscaldamento, completando così il ciclo termodinamico.

Componenti principali della pompa di calore

Le pompe di calore sono costituite da diversi componenti fondamentali che garantiscono il loro corretto funzionamento come fonte di calore.

L’evaporatore permette al refrigerante di evaporare, sottraendo calore dalla sorgente fredda. La funzione dell’evaporatore è trasferire calore dall’ambiente al refrigerante.

Il compressore è responsabile di aumentare la pressione del gas refrigerante proveniente dall’evaporatore per consentirne la liquefazione. Dopo la compressione, il condensatore ha il compito di liquefare il gas refrigerante cedendo calore all’impianto di utilizzo.

Infine, il dispositivo di espansione riduce la pressione del refrigerante, permettendogli di passare al lato a bassa pressione del circuito.

Tipologie di pompe di calore

Esistono diverse tipologie di pompe di calore, ciascuna con le proprie caratteristiche e vantaggi specifici. I principali tipi di pompe di calore includono:

• pompe aria-aria
• pompe aria-acqua
• pompe geotermiche
• pompe acqua-acqua

I sistemi ibridi combinano un sistema di pompa di calore con un’altra fonte di riscaldamento, come una caldaia a gas, per ottimizzare l’efficienza energetica. Esploriamo ora le caratteristiche di ciascun tipo.

Pompa di calore aria-aria

La pompa di calore aria-aria funziona prelevando il calore dall’aria esterna e trasferendolo direttamente all’aria interna dell’edificio, senza l’utilizzo di un circuito idraulico.

Il sistema è composto principalmente da un’unità esterna che aspira l’aria e da una o più unità interne (split) che diffondono l’aria riscaldata negli ambienti. Il fluido refrigerante all’interno del circuito chiuso assorbe il calore dall’aria esterna attraverso l’evaporatore, viene compresso per aumentarne la temperatura, e infine cede il calore all’aria interna tramite il condensatore.

Questo tipo di pompa di calore è particolarmente indicato per il riscaldamento e il raffrescamento di singoli ambienti o spazi limitati, offrendo un’installazione semplice e tempi rapidi di risposta. Tuttavia, l’efficienza può diminuire con temperature esterne molto basse, e non è adatta per la produzione di acqua calda sanitaria o per riscaldare grandi superfici tramite impianti idraulici.

Pompa di calore aria-acqua

La pompa di calore aria-acqua riscalda l’acqua prelevando calore dall’aria esterna e redistribuendolo negli ambienti. Il funzionamento include:

• Un ventilatore che assicura un apporto costante di calore ambientale.
• L’aria esterna che viene scaldata dalla compressione del gas attraverso il compressore.
• Il refrigerante che assorbe il calore ambientale e permette il trasferimento di energia termica nel circuito.

Diversi fattori influenzano il funzionamento della pompa di calore aria-acqua, tra cui la temperatura dell’aria esterna. Le pompe di calore aria-acqua possono essere di due sistemi fondamentali: monoblocco e split.

Una pompa di calore aria-acqua è vantaggiosa perché è facile da installare, non richiede interventi strutturali e utilizza aria disponibile ovunque. Tuttavia, le prestazioni dell’impianto diminuiscono con il calo delle temperature.

Pompa di calore geotermica

Le pompe di calore geotermiche utilizzano sonde per estrarre calore dal terreno, sfruttando la temperatura costante del suolo. Questa caratteristica permette di mantenere un COP elevato, garantendo un’alta efficienza energetica.

Le pompe di calore geotermiche sono ideali per chi desidera un sistema di riscaldamento affidabile e sostenibile nel lungo periodo. Tuttavia, l’installazione può essere complessa e costosa, richiedendo studi geologici preliminari.

Pompa di calore acqua-acqua

La pompa di calore acqua-acqua utilizza l’acqua di falda o di superficie per il trasferimento di calore e per la produzione di acqua calda sanitaria. Si basa su un circuito di refrigerante chiuso che gestisce il flusso dell’energia termica.

Questa tipologia è considerata la più efficiente tra le pompe di calore disponibili, ma i costi associati all’installazione possono essere elevati e potrebbero richiedere la costruzione di un pozzo. È raccomandabile effettuare un’analisi geologica da parte di un esperto prima dell’installazione.

Efficienza energetica delle pompe di calore

L’efficienza energetica delle pompe di calore è misurata attraverso parametri come il COP e lo SCOP. Il COP (Coefficiente di Prestazione) misura l’efficienza in condizioni operative specifiche, evidenziando il rapporto tra quantità di energia termica prodotta e energia elettrica consumata.

Lo SCOP (Coefficiente di Prestazione Stagionale) offre una valutazione più completa dell’efficienza energetica, considerando il funzionamento della pompa di calore durante l’intera stagione di riscaldamento.

Il fluido refrigerante utilizzato, come l’R32, è scelto per la sua capacità di operare a basse temperature e garantire un’efficienza ottimale. Un sistema di accumulo può migliorare ulteriormente l’efficienza della pompa di calore, specialmente in climi freddi.

Utilizzo efficace della pompa di calore in inverno

Le pompe di calore sono progettate per funzionare in modo efficiente anche in condizioni climatiche rigide, garantendo il comfort termico durante tutto l’anno, compresi i periodi invernali con temperature esterne sotto lo zero. Questo è possibile grazie a diverse caratteristiche e accorgimenti tecnici:

Funzionamento a basse temperature

• Temperatura costante di terreno e acque freatiche: Le pompe di calore geotermiche e quelle che utilizzano l’acqua come fonte di calore sfruttano la temperatura relativamente stabile del terreno o delle acque sotterranee, che rimane costante anche durante l’inverno. Questo permette alla pompa di calore di estrarre energia termica anche quando l’aria esterna è molto fredda.
• Pompe di calore aria-acqua in climi rigidi: Anche le pompe di calore che prelevano calore dall’aria esterna possono funzionare efficacemente a temperature inferiori a 0 °C, grazie a tecnologie avanzate che migliorano la resa e la capacità di sbrinamento automatico delle unità esterne.

Manutenzione e cura delle unità esterne

Per garantire un corretto funzionamento durante l’inverno, è fondamentale mantenere le unità esterne libere da neve, ghiaccio o ostruzioni che possano limitare il flusso d’aria. Un flusso d’aria adeguato è essenziale per permettere all’evaporatore di assorbire calore dall’ambiente esterno.

Supporto in condizioni di freddo estremo

In caso di temperature particolarmente rigide, ad esempio fino a -20 °C, molte pompe di calore sono dotate di un sistema di riscaldamento ausiliario, spesso costituito da resistenze elettriche integrate. Queste resistenze si attivano temporaneamente per supportare la pompa di calore, garantendo la continuità del riscaldamento senza compromettere l’efficienza complessiva dell’impianto.

Vantaggi del funzionamento invernale delle pompe di calore

• Efficienza energetica: Nonostante le basse temperature esterne, le pompe di calore mantengono un buon coefficiente di prestazione (COP), assicurando un riscaldamento efficace con consumi contenuti.
• Affidabilità: La capacità di operare anche in condizioni climatiche rigide rende le pompe di calore una soluzione affidabile per il riscaldamento domestico in molte zone d’Italia e d’Europa.
• Riduzione delle emissioni: Utilizzando fonti di calore rinnovabili e gratuite, anche in inverno si contribuisce a ridurre significativamente le emissioni di CO2 rispetto ai sistemi tradizionali a combustibili fossili.

In sintesi, la pompa di calore funziona efficacemente anche in inverno grazie alla sua capacità di sfruttare fonti di calore con temperature costanti e a tecnologie che ne garantiscono il funzionamento anche in condizioni di freddo intenso, offrendo così una soluzione sostenibile e performante per il riscaldamento degli ambienti.

Raffrescamento con la pompa di calore

Una pompa di calore può funzionare anche come sistema di raffreddamento. Il raffreddamento con una pompa di calore avviene tramite il circuito di refrigerante inverso che opera in modo inverso per ottenere l’effetto di raffreddamento.

Il sistema radiante a pavimento può abbassare la temperatura degli ambienti fino a 3°C durante l’estate. I ventilconvettori, o fancoil, usano acqua fredda per raffreddare l’aria, garantendo una distribuzione uniforme della temperatura nella casa. È importante monitorare l’umidità dell’ambiente per evitare la condensa durante il raffrescamento.

Vantaggi delle pompe di calore

Le pompe di calore rappresentano una soluzione altamente efficiente e sostenibile per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti, permettendo di ridurre le emissioni di CO2 fino al 90% rispetto ai sistemi tradizionali a combustione. Questo significativo abbattimento delle emissioni è possibile grazie all’utilizzo di risorse naturali gratuite e rinnovabili come l’aria, l’acqua e il calore del terreno (energia geotermica).

Dal punto di vista economico, il costo operativo delle pompe di calore è generalmente molto competitivo, poiché sfruttano energie ambientali che non richiedono combustibili fossili. Queste macchine sono in grado di convertire in modo efficiente l’energia elettrica consumata in energia termica, arrivando a produrre fino a cinque unità di calore per ogni unità di elettricità impiegata. Questa elevata efficienza si traduce in un notevole risparmio energetico e in una riduzione dei costi in bolletta.

Le pompe di calore possono essere integrate facilmente con altre tecnologie rinnovabili, come impianti fotovoltaici o solari termici, per aumentare ulteriormente l’efficienza complessiva dell’impianto e la sostenibilità dell’edificio. Inoltre, grazie al loro funzionamento basato sul ciclo termodinamico precedentemente descritto, queste macchine sono in grado di adattarsi alle diverse condizioni climatiche e alle esigenze di riscaldamento o raffrescamento.

Installazione e manutenzione della pompa di calore

L’installazione di una pompa di calore richiede una serie di passaggi fondamentali per garantire il corretto funzionamento e l’efficienza del sistema.

In primo luogo, è necessario effettuare un’analisi accurata del fabbisogno termico dell’edificio, valutando l’isolamento, la superficie da riscaldare e le caratteristiche climatiche del luogo. Successivamente, si procede con la scelta del tipo di pompa di calore più adatta (aria-aria, aria-acqua, geotermica o acqua-acqua) in base alle fonti di energia disponibili e alle necessità dell’utente.

L’installazione vera e propria comprende il posizionamento dell’unità esterna e, se previsto, dell’unità interna, il collegamento del circuito frigorifero, l’allacciamento all’impianto di riscaldamento esistente e la messa in funzione del sistema. È fondamentale che l’installazione sia eseguita da tecnici specializzati per assicurare la tenuta del circuito, la corretta regolazione dei componenti e il rispetto delle normative vigenti.

Per mantenere alta l’efficienza e prolungare la vita della pompa di calore, è importante effettuare una manutenzione regolare. Questa include il controllo e la pulizia dei filtri dell’aria, la verifica del corretto funzionamento del compressore e degli scambiatori di calore, il controllo del livello del fluido refrigerante e l’ispezione delle parti elettriche e meccaniche. Un controllo annuale da parte di un professionista può prevenire guasti, migliorare le prestazioni e ottimizzare i consumi energetici, garantendo così un funzionamento sicuro e duraturo della pompa di calore.

Le soluzioni di Desivero per le pompe di calore

Sul portale Desivero è possibile trovare una gamma completa di pompe di calore ad elevata efficienza, pronte per l’installazione in contesti residenziali o commerciali: ad esempio, la Beretta Hydro Unit M è un modello aria‑acqua monoblocco, con alimentazione monofase e gas refrigerante R32, pensato per riscaldamento, raffrescamento e produzione acqua calda sanitaria.

Integrare un modello come la Hydro Unit M all’interno del ciclo descritto significa scegliere un’unità che supporta elevati livelli di prestazione e garantisce una fluidità di ciclo efficiente anche in condizioni difficili.

Oltre a questa, sullo shop sono disponibili altre soluzioni alternative come la Vaillant aroTHERM Pure  o la Panasonic Aquarea HP, che permettono di confrontare tecnologia, dimensionamento e fonte termica.

Un suggerimento: durante la selezione, prevedi un margine di potenza superiore al solo calcolo termico, per coprire eventuali condizioni estreme o futuri upgrade impiantistici. Fare ciò ti permetterà di sfruttare al meglio quanto spiegato in questo articolo circa il funzionamento, l’efficienza e il buon dimensionamento dell’impianto.

Conclusione

Le pompe di calore rappresentano una tecnologia avanzata ed efficiente per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici. Operano secondo un principio simile a quello di un frigorifero, ma in maniera inversa, trasferendo calore da un ambiente freddo a uno caldo. Con componenti fondamentali come l’evaporatore, il compressore, il condensatore e il dispositivo di espansione, le pompe di calore riescono a garantire un’elevata efficienza energetica.

Dalle pompe di calore aria-acqua alle geotermiche e acqua-acqua, ogni tipo offre vantaggi unici e specifici per diverse esigenze. Le pompe di calore non solo riducono significativamente le emissioni di CO2, ma possono anche essere integrate con altre tecnologie rinnovabili come il fotovoltaico.

Domande Frequenti

Quali sono le fasi del ciclo di una pompa di calore?

Il ciclo di una pompa di calore comprende quattro fasi fondamentali: evaporazione, compressione, condensazione ed espansione. Queste fasi sono essenziali per il funzionamento efficiente del sistema.

Quali sono le principali tipologie di pompe di calore disponibili?

Le principali tipologie di pompe di calore includono le pompe aria-aria, aria-acqua, geotermiche e acqua-acqua, ognuna delle quali sfrutta una specifica fonte di energia per il trasferimento del calore. Scegliere il tipo più adatto dipende dalle esigenze specifiche e dalle condizioni ambientali.

Quali sono i vantaggi delle pompe di calore rispetto ai sistemi tradizionali di riscaldamento?

Le pompe di calore offrono un’elevata efficienza energetica, convertendo un’unità di energia elettrica fino a cinque unità di energia termica, e possono ridurre le emissioni di CO2 fino al 90%. Inoltre, possono essere facilmente integrate con tecnologie rinnovabili, rendendole una scelta sostenibile e vantaggiosa rispetto ai sistemi tradizionali di riscaldamento.

Come funziona una pompa di calore in inverno?

Una pompa di calore in inverno estrae calore dall’ambiente esterno, anche a basse temperature, e lo trasferisce all’interno dell’abitazione. Per garantire l’efficacia del sistema, è fondamentale mantenere le unità esterne libere da neve e ghiaccio.

È possibile utilizzare una pompa di calore per il raffrescamento degli ambienti?

Sì, è possibile utilizzare una pompa di calore per il raffrescamento degli ambienti, grazie al suo funzionamento tramite un circuito di refrigerante inverso. Questo la rende adatta anche per sistemi radianti a pavimento o ventilconvettori.