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Autore: Filippo Sfrattoni
La pompa di calore è un sistema termodinamico in grado di trasferire calore da un ambiente freddo a uno più caldo in inverno, e viceversa in estate. In inverno, preleva calore da una sorgente fredda e lo cede a un ambiente interno. Un dispositivo sempre più utilizzato anche in ottica di un’edilizia più sostenibile. Questa tecnologia sfrutta le proprietà del fluido refrigerante che viene impiegato, che cambia fase a specifiche condizioni di pressione e temperatura.
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Come è fatta una pompa di calore
Il sistema si compone di quattro elementi principali:
- Compressore: aumenta la pressione del fluido refrigerante, elevandone la temperatura.
- Valvola di laminazione: riduce la pressione del fluido, abbassandone la temperatura.
- Scambiatore di calore esterno (evaporatore): assorbe calore dall’ambiente esterno (sorgente fredda).
- Scambiatore di calore interno (condensatore): cede calore all’ambiente interno (pozzo caldo), riscaldando il fluido termovettore.
Il condensatore può utilizzare due tipologie di fluido termovettore con il quale scambiare calore:
- l’aria;
- acqua.
L’evaporatore, allo stesso modo, può utilizzare come fluido di scambio termico:
- l’aria;
- acqua.
I diversi tipi di pompe di calore
Le pompe di calore si suddividono in 2 principali categorie: quelle che utilizzano l’aria come fluido termovettore (aria/aria o aria/acqua), quelle che sfruttano l’acqua (acqua/acqua o acqua/aria). Un’alternativa alla tipologia acqua/acqua sono le pompe di calore geotermiche.
Pompa di calore aria/aria
La tipologia più comune prevede l’uso dell’aria come fluido termovettore. Queste pompe di calore, dette aria/aria o aria/acqua, sono molto diffuse perché economiche e versatili. Tuttavia, presentano dei limiti: l’efficienza delle pompe di calore è massima quando la differenza di temperatura tra l’aria esterna (sorgente fredda) e l’ambiente da riscaldare (pozzo caldo) è ridotta. Quando invece il divario termico aumenta, soprattutto nelle giornate più fredde, l’efficienza diminuisce. Questo significa che il sistema opera meno efficacemente proprio nei periodi dell’anno più critici, quando all’esterno fa molto freddo o molto caldo.
Pompa di calore acqua/acqua
Esistono però altre tipologie di pompe di calore che sfruttano l’acqua come fluido termovettore (acqua/acqua o acqua/aria). Questi sistemi sono generalmente più stabili ed efficienti rispetto a quelli ad aria, perché l’acqua mantiene in natura un range di temperatura molto più ristretto e, in inverno, non scende mai sotto gli 0°C. Questa caratteristica garantisce prestazioni elevate e costanti, riducendo il consumo di energia elettrica e, di conseguenza, i costi operativi. Il principale svantaggio delle pompe di calore ad acqua è la difficoltà nel reperire una sorgente idrica adatta, come acque di falda, fiumi o torrenti, per uso privato.
L’accesso a tali risorse può essere limitato e burocraticamente complesso, rendendo meno comune l’adozione di questa tecnologia rispetto a quella ad aria.
Pompa di calore geotermica: cos’è e come funziona
Un’altra tipologia di pompa di calore acqua/acqua o acqua/aria è quella che sfrutta l’energia termica del terreno, una soluzione particolarmente vantaggiosa dal punto di vista dell’efficienza energetica. La temperatura sotto terra, a una certa profondità, rimane costante tutto l’anno e non è influenzata dalle variazioni stagionali. Questo consente alla pompa di calore di mantenere prestazioni elevate in modo costante, con conseguenti risparmi energetici ed economici. In questo caso si parla di pompa di calore geotermica. Il sistema prevede l’installazione di una serpentina a contatto con il terreno, opportunamente dimensionata per estrarre calore sufficiente per il riscaldamento geotermico gli ambienti interni. Le due principali tipologie di circuiti di scambio termico che possono essere implementate sono:
- Sonde orizzontali: questa soluzione è più economica e semplice da realizzare, con la serpentina disposta a una profondità compresa tra 1 e 5 metri. Tuttavia, richiede la disponibilità di una vasta area di terreno, che non potrà essere utilizzata per altre attività, come ad esempio per essere coltivata.
- Sonde verticali: in questo caso, le sonde geotermiche vengono posizionate verticalmente, richiedendo macchinari specifici per gli scavi, il che comporta costi maggiori. Tuttavia, i vantaggi sono significativi, poiché lo spazio superficiale occupato è ridotto e, con l’aumento della profondità, la temperatura del terreno diventa ancora più stabile, riducendo ulteriormente l’escursione termica.
Il terreno offre una grande inerzia termica: già a pochi centimetri di profondità, le variazioni giornaliere di temperatura si attenuano, mentre quelle stagionali si riducono notevolmente dopo pochi metri come mostrato in figura di seguito dove, la temperatura del terreno si aggira attorno alla temperatura media annua dell’aria nel posto.
Per il trasferimento di calore, si utilizza spesso l’acqua come fluido termovettore, poiché ha un impatto ambientale nullo. Tuttavia, l’acqua presenta dei limiti: in inverno, la temperatura del terreno non deve scendere sotto gli 0°C, per evitare il congelamento. In alternativa, si può impiegare una miscela di acqua e glicole etilenico, che non rischia di congelare, ma ha costi operativi e di manutenzione più elevati, oltre ad essere corrosiva e inquinante in caso di perdite nelle tubazioni.
Vantaggi e svantaggi delle pompe di calore geotermiche
Un grande vantaggio delle pompe di calore geotermiche è il free cooling. Nelle stagioni intermedie, come primavera e autunno, è possibile sfruttare direttamente la temperatura del terreno per raffreddare l’ambiente interno, bypassando il funzionamento della pompa di calore stessa, un po’ come accade nei sistemi di ventilazione meccanica. Questa tecnologia offre un ulteriore potenziale se combinata con pannelli fotovoltaici e accumulatori inerziali.
I benefici delle pompe geotermiche si vedono in particolare in impianti di medie dimensioni, come condomini, aziende, scuole e uffici, dove i tempi di ritorno sull’investimento sono molto più brevi rispetto a piccoli impianti domestici.
Tuttavia, esistono anche degli svantaggi. Il primo è il costo di installazione, che può arrivare a essere il doppio rispetto a una pompa di calore aria/aria. Nonostante ciò, i tempi di ritorno dell’investimento tendono a non essere troppo lunghi grazie all’elevata efficienza della tecnologia. Un altro problema riguarda la manutenzione: in caso di guasti, la sostituzione di una sonda geotermica posta a diverse decine di metri di profondità può risultare molto costosa. Infine, c’è la questione legislativa. A livello europeo, manca una normativa unificata per l’installazione delle pompe di calore geotermiche, e in molti paesi non esistono standard o linee guida per i progettisti. Questa lacuna normativa ostacola una diffusione più ampia della tecnologia, creando incertezza sia per i progettisti che per i costruttori.
In conclusione, le pompe di calore geotermiche offrono un’opzione altamente efficiente e vantaggiosa in un’ottica di decarbonizzazione, specialmente per impianti di medie dimensioni, ma richiedono un investimento iniziale significativo e una normativa chiara per supportarne la diffusione.
