Come funziona una pompa di calore?

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Una pompa di calore preleva energia termica gratuita dall'ambiente (aria, terreno o acqua sotterranea) e utilizza una piccola quantità di elettricità per portare questo calore a un livello di temperatura più elevato e utilizzarlo per riscaldare un edificio [1]. In sostanza, funziona come un frigorifero al contrario: mentre un frigorifero trasporta il calore dall'interno verso l'esterno, una pompa di calore pompa il calore ambientale all'interno della casa [2].

Il ciclo frigorifero (o ciclo della pompa di calore) ne è il cuore. Al suo interno circola un refrigerante speciale che cambia continuamente stato di aggregazione, pressione e temperatura per trasportare il calore da un livello basso a uno alto. Ciò avviene in quattro fasi:

1. Evaporazione (assorbimento di calore): Nell'evaporatore, il refrigerante liquido assorbe calore dalla fonte ambientale. Grazie al punto di ebollizione molto basso, evapora già a basse temperature diventando gassoso. L'energia assorbita proviene in gran parte gratuitamente dall'ambiente [1].

2. Compressione (aumento della temperatura): Il compressore aspira il refrigerante gassoso e lo comprime ad alta pressione. Di conseguenza, la temperatura aumenta drasticamente. Questa fase richiede energia elettrica ed è decisiva per portare il calore al livello necessario per il riscaldamento [2].

3. Condensazione (rilascio di calore): Nel condensatore, il refrigerante caldo e ad alta pressione rilascia il suo calore al sistema di riscaldamento (ad es. radiatori o riscaldamento a pavimento). Si raffredda, condensa e torna allo stato liquido. Il calore rilasciato riscalda l'edificio [1].

4. Espansione (riduzione della pressione): Attraverso la valvola di espansione, la pressione viene abbassata bruscamente, facendo scendere drasticamente la temperatura del refrigerante. Esso torna a essere freddo e liquido, pronto per il ciclo successivo nell'evaporatore [2].

Particolarità con aria esterna fredda: Anche a temperature sotto zero (ad es. -5 °C), l'aria contiene ancora energia termica utilizzabile, poiché il freddo assoluto viene raggiunto solo a -273,15 °C. In questo caso, il refrigerante è ancora più freddo (ad es. -15 °C) e può assorbire calore, poiché il calore fluisce sempre dal più caldo al più freddo. Ciò è reso possibile dal basso punto di ebollizione del refrigerante (spesso sotto i -20 °C). Tuttavia, l'efficienza diminuisce in caso di gelo intenso, poiché il compressore deve lavorare di più [2].

Il coefficiente di prestazione stagionale (SCOP/JAZ) misura l'efficienza reale nell'arco di un intero anno: indica quanto calore (in kWh) viene prodotto per ogni kWh di elettricità consumato. A differenza del COP (Coefficient of Performance) in condizioni di test, lo SCOP tiene conto di tutte le influenze reali, come le fluttuazioni di temperatura e i cicli di sbrinamento. I valori buoni per le pompe di calore aria-acqua sono tra 3,5 e 4,0, per quelle acqua-acqua (geotermia a sonda) tra 4,0 e 5,0 e per quelle acqua-acqua (falda) tra 4,5 e 5,5+. Per la redditività è consigliato uno SCOP a partire da 3,0. Temperature di mandata basse (ad es. con riscaldamento a pavimento) e fonti di calore stabili migliorano notevolmente lo SCOP [2].

Differenze tra i tipi: Tutti utilizzano lo stesso ciclo frigorifero, ma differiscono per la fonte di calore. Le pompe di calore aria-acqua sono economiche nell'acquisto (circa 25.000–45.000 €), semplici da installare e flessibili, ma hanno un'efficienza variabile e un'unità esterna rumorosa. Le pompe di calore acqua-acqua a sonda (geotermia) sono più efficienti e stabili (SCOP 4,0–5,0), ma richiedono scavi o perforazioni (costi 35.000–60.000 €) e permessi. Le pompe di calore acqua-acqua a falda offrono l'efficienza più elevata (SCOP superiore a 5,0), ma sono le più costose (40.000–65.000 €) e soggette a rigidi permessi a causa dei pozzi [3].

Idoneità per edifici datati non ristrutturati: Sì, spesso possibile, ma impegnativo a causa dell'elevato fabbisogno termico e delle necessarie temperature di mandata elevate (fino a 60–70 °C). In questo caso sono adatte pompe di calore ad alta temperatura o sistemi ibridi (combinazione con caldaia a gas o gasolio esistente). Il riscaldamento a pavimento è l'ideale (basse temperature di mandata 30–35 °C), ma spesso costoso da installare a posteriori negli edifici datati. Per i radiatori, aiutano modelli più grandi, radiatori a bassa temperatura, il bilanciamento idraulico o piccoli interventi di isolamento (ad es. tetto, finestre) per abbassare la temperatura di mandata. Un calcolo professionale del carico termico è essenziale [4].

Costi e incentivi: I costi di acquisto sono compresi tra 25.000 e 65.000 €, a seconda del tipo (installazione inclusa). I costi di gestione dipendono dal JAZ e dal prezzo dell'elettricità – con un JAZ di 4 e un fabbisogno termico di 15.000 kWh, spesso sono inferiori a 1.300 €/anno con l'elettricità per pompe di calore. In Germania, il programma federale per gli edifici efficienti (BEG) finanzia fino al 70% dei costi (finanziamento di base 30%, più bonus per la sostituzione di vecchi impianti di riscaldamento, efficienza o reddito; max. 21.000 €). La domanda va presentata al BAFA/KfW prima dell'inizio delle misure; è consigliato un consulente energetico. In alternativa, è possibile un bonus fiscale [3].

Rumorosità e installazione: I modelli geotermici e acqua-acqua sono molto silenziosi (comparabili a un frigorifero). I dispositivi aria-acqua raggiungono 35–50 dB(A) a 1 m di distanza. Importante: rispettare la distanza dai vicini e dalle finestre (osservare la TA Lärm), evitare angoli e superfici sonore dure, utilizzare ammortizzatori di vibrazioni e fondamenta stabili. La modalità notturna riduce i rumori [1].

Risparmio di CO₂: Rispetto a un riscaldamento a gas (circa 200 g CO₂/kWh), una pompa di calore con JAZ 4 e il mix elettrico tedesco (circa 380 g CO₂/kWh) risparmia oltre il 50% di CO₂. Con energia verde o impianto fotovoltaico, le emissioni operative sono quasi pari allo 0%. Il risparmio aumenta con l'incremento della quota di energia verde nella rete [3].

Conclusione per i proprietari di case: Le pompe di calore sono efficienti, ecologiche e a prova di futuro. La scelta dipende dal terreno, dall'edificio e dal budget. Una consulenza individuale da parte di un'azienda specializzata e di un consulente energetico, comprensiva del calcolo del carico termico, è indispensabile per una pianificazione, un finanziamento e un'efficienza ottimali.