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Confronto fra pompa di calore a gas ed elettrica

Confronto fra pompa di calore a gas ed elettrica

In commercio oggi sono disponibili diversi tipi di pompe di calore: quelle elettriche, cioè funzionanti per mezzo di un compressore che funziona elettricamente, e quelle ad assorbimento, funzionanti per mezzo di un bruciatore alimentato a gas metano o GPL.

Vediamo le caratteristiche distintive di queste due tipologie di pompa di calore.

 

Indice della pagina

 

Che cos'è la pompa di calore

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore presente in un fluido a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta.

La pompa di calore deve il suo nome al fatto che essa provvede a trasportare del calore da un livello inferiore a un livello superiore di temperatura, invertendo il flusso naturale del calore che in natura, come noto, fluisce da un livello (temperatura) più alto ad uno più basso.

La funzione della pompa di calore può quindi essere paragonata a quella di una pompa per l'acqua posta tra due bacini collegati tra loro ma posizionati a quote diverse: l'acqua naturalmente scorrerà dal bacino più alto a quello più basso. È però possibile riportare l'acqua nel bacino più alto utilizzando una pompa che preleva l'acqua dal bacino più basso pompandola verso il bacino più in alto.

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Di seguito vediamo sinteticamente le caratteristiche delle pompe di calore, evidenziando nel contempo le differenze tra i due tipi oggi disponibili.

Com'è fatta e come funziona una pompa di calore

La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato liquido o gassoso (vapore).

Il circuito chiuso è costituito da:

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
un generatore
un assorbitore
un compressore
un condensatore un condensatore
una serie di restrittori una valvola di espansione
un evaporatore un evaporatore

Il condensatore e l'evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè particolari tubi posti a contatto esternamente con i fluidi di servizio (che possono essere acqua o aria) all'interno dei quali scorre il fluido frigorigeno. Quando questo si trova ad alta temperatura nel condensatore cede calore all'acqua o all'aria (lato ad alta temperatura) mentre quando si trova a bassa temperatura nell'evaporatore (lato a bassa temperatura) sottrae calore all'aria o all'acqua.

Nel funzionamento il fluido frigorigeno, all'interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni:

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal generatore passa dallo stato gassoso a quello liquido, cedendo calore al fluido esterno (acqua o aria). Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all'esterno.
Espansione: passando attraverso dei restrittori, cioè restringimenti opportunamente calibrati, la pressione e la temperatura del fluido frigorigeno liquido si abbassano. Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si raffredda e si trasforma parzialmente in vapore.
Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dal fluido esterno (aria o acqua) ed evapora completamente ritornando gassoso. Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore ed evapora completamente.
Assorbitore: il fluido frigorigeno viene assorbito dal fluido assorbente, rendendolo nuovamente liquido.
Generatore: la soluzione liquida dei fluidi frigorigeno ed assorbente viene riscaldata nel generatore per mezzo di un bruciatore a gas, separando il fluido refrigerante, che evapora aumentando di temperatura e di pressione.
Compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall'evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore.
L'insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore a gas: fornendo energia con il bruciatore a metano/GPL il fluido frigorigeno nell'evaporatore assorbe calore dal fluido esterno e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare. L'insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia con il compressore al fluido frigorigeno questo, nell'evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.

Efficienza della pompa di calore

Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore:

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Consuma gas metano/GPL nel generatore. Consuma energia elettrica per il compressore.
Assorbe calore nell'evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua. Assorbe calore nell'evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua.
Cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua). Cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua).

I vantaggio nell'uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dall'ambiente esterno cioè utilizza energia rinnovabile contenuta nell'aria, nell'acqua, nel terreno.

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
L'efficienza di una pompa di calore a gas è misurata dal valore di efficienza di utilizzazione del gas "G.U.E." (Gas Utilization Efficiency), che è il rapporto tra l'energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia consumata dal bruciatore.
Il G.U.E. è variabile in funzione del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 1,5.
Questo vuol dire che per 1 kWh di gas consumato fornirà 1,5 kWh di calore al mezzo da riscaldare.
E' da evidenziare che il G.U.E. è calcolato di fatto sull'energia primaria (cioè sul gas metano/GPL), mentre il C.O.P. sull'energia elettrica. Calcolando l'efficienza di una pompa di calore elettrica sul consumo di energia elettrica, dovremo tenere conto dell'energia consumata nelle centrali elettriche per produrre elettricità. Stimando un'efficienza media delle centrali del 36%, il C.O.P.ep delle pompe di calore elettriche sarà: C.O.P.ep = 3 x 0,36 = 1,1.
L'efficienza di una pompa di calore elettrica è misurata dal coefficiente di prestazione "C.O.P." che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata.
Il C.O.P. è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 3.
Questo vuol dire che per 1 kWh di energia elettrica consumato, fornirà 3 kWh di calore al mezzo da riscaldare.
L'efficienza sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene assorbito (nell'evaporatore).
Va tenuto conto inoltre che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore.
La pompa di calore a gas può funzionare fino a temperature dell'aria di -20°C (20° sotto lo zero) fornendo un'efficienza ancora intorno a 1, paragonabile a quella di una caldaia a condensazione. Quando la temperatura della sorgente fredda (aria) è inferiore a -5°C la pompa di calore spesso viene disattivata o compensata da una resistenza elettrica in quanto le sue prestazioni si riducono significativamente.

La sorgente fredda (dalla quale si recupera calore)

Il mezzo esterno da cui si estrae calore è detto sorgente fredda. Nella pompa di calore il fluido frigorigeno assorbe calore dalla sorgente fredda tramite l'evaporatore.

Le principali sorgenti fredde sono:

  • l'ARIA: esterna al locale da riscaldare, tipicamente l'aria dell'ambiente esterno.
  • l'ACQUA: di falda, di fiume, di lago quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a ridotta profondità; altre sorgenti possono essere costituite da acqua accumulata in serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare.
  • il TERRENO, nel quale vengono inserite a profondità variabile delle specifiche tubazioni relative all'evaporatore (tubazioni chiamate sonde geotermiche).

Il pozzo caldo (al quale si cede il calore prodotto e recuperato)

L'aria o l'acqua da riscaldare sono detti pozzo caldo.

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Nel condensatore il fluido frigorigeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l'energia fornita dal bruciatore. Nel condensatore il fluido frigorigeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l'energia fornita dal compressore.

Il calore può essere ceduto all'ambiente attraverso:

  • ventilconvettori, costituiti da armadietti nei quali l'aria viene fatta circolare attraverso corpi scaldanti. Questi possono essere del tipo a parete, a soffitto oppure ad incasso;
  • serpentine inserite nel pavimento, nelle quali circola acqua calda. Il riscaldamento avviene prevalentemente per radiazione e richiede una temperatura dell'acqua più bassa;
  • canalizzazioni, che trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa di calore ai diversi locali, per mezzo di opportuni canali d'aria e bocchette di diffusione.

Le tipologie di pompe di calore

Le pompe di calore di distinguono in base alla sorgente fredda e al pozzo che utilizzano.
In funzione del fluido utilizzato per il trasferimento del calore della sorgente fredda alla pompa di calore e da questa al pozzo caldo ci possono essere 4 tipologie:

Sorgente fredda   Pozzo caldo
ARIA ARIA-ACQUA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita dall'aria (esterna) e la cede al pozzo caldo costituito da un circuito d'acqua (di riscaldamento degli ambienti). ACQUA
ARIA ARIA-ARIA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita dall'aria (esterna) e lo cede al pozzo caldo costituito ancora da aria (quella dell'ambiente riscaldato). ARIA
ACQUA ACQUA-ACQUA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita da acqua (di lago, fiume o falda) e la cede al pozzo caldo costituito da un circuito d'acqua (di riscaldamento degli ambienti). ACQUA
ACQUA ACQUA-ARIA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita da acqua (di lago, fiume o falda) e la cede al pozzo caldo costituito da aria (quella dell'ambiente riscaldato). ARIA

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

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Nel caso si utilizzi l'aria esterna, è necessario (interno a 0°C) un sistema di sbrinamento, che si inserisce automaticamente. La potenza termica erogata nel periodo di sbrinamento (che dura pochi minuti) diminuisce, ma non cessa completamente. Nel caso si utilizzi l'aria esterna, è necessario (intorno a 0°C), un sistema di sbrinamento che comporta un ulteriore consumo di energia. Durante questa fase la pompa di calore utilizza il calore dal pozzo caldo per sbrinare la batteria e quindi il riscaldamento cessa per alcuni minuti.

L'ACQUA come sorgente fredda garantisce le prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche esterne; tuttavia richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione dell'acqua e al suo trattamento.

Il TERRENO, come sorgente fredda ha il vantaggio di subire minori sbalzi di temperatura rispetto all'aria ed il suo calore viene assorbito per mezzo di sonde geotermiche, costituite da speciali tubazioni.

Le tubazioni orizzontali vanno interrate ad una profondità da 1 a 1,5 metri per non risentire troppo delle variazioni di temperatura dell'aria esterna e mantenere i benefici effetti dell'insolazione.

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
È necessaria una estensione di terreno da 1,5 a 2 volte superiore della superficie da riscaldare. Si tratta di una soluzione che necessita una maggiore complessità dell'impianto. È necessaria una estensione di terreno da 2 a 3 volte superiore alla superficie dei locali da riscaldare. Si tratta quindi di una soluzione costosa, sia per il terreno necessario che per la complessità dell'impianto.

Le tubazioni verticali possono invece raggiungere diverse decine di metri in profondità. Non occupano spazi in orizzontale, ma richiedono la trivellazione di appositi pozzi profondi.

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
La lunghezza delle tubazioni dipende dal tipo di terreno esistente (mediamente da 4 a 12 m per ogni kW di energia termica fornita al pozzo caldo). La lunghezza delle tubazioni dipende dal tipo di terreno esistente (mediamente da 7 a 20 m per ogni kW di energia termica fornita al pozzo caldo).

Applicazioni della pompa di calore

Le possibili applicazioni della pompa di calore sono:

Climatizzazione degli ambienti
È ormai attuale l'applicazione della pompa di calore per la climatizzazione degli ambienti nel settore residenziale e industriale, in alternativa ai sistemi convenzionali composti da refrigeratore più caldaia. La stessa macchina infatti, mediante una semplice valvola di inversione, è in grado di scambiare tra loro le funzioni dell'evaporatore e del condensatore, fornendo così calore in inverno e freddo in estate (tipo reversibile).
L'applicazione della pompa di calore nella climatizzazione ambientale (riscaldamento + raffrescamento) è la più conveniente poiché comporta un minor tempo di ammortamento del costo d'impianto grazie ai maggiori risparmi sul costo dell'energia.

Riscaldamento degli ambienti
La pompa di calore può essere utilizzata anche per la sola produzione di calore per il riscaldamento degli ambienti. L'utilizzo delle pompe di calore in alcune Regioni è oggi addirittura consigliato in quanto sono apparecchiature che, come detto, utilizzano energie rinnovabili e quindi sono più ecologiche dei sistemi di riscaldamento tradizionali.

Per il riscaldamento degli ambienti gli impianti possono essere di tipo:

  • monovalente
  • bivalente
Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Si utilizza normalmente la sola configurazione monovalente in quanto la pompa di calore è in grado di coprire il fabbisogno termico necessario al riscaldamento anche quando viene utilizzata l'aria come sorgente fredda. Infatti la pompa di calore fornisce calore fino a temperature dell'aria di -20°C (20 gradi sotto zero) senza l'ausilio di altri sistemi. - Si utilizza la configurazione monovalente quando la pompa di calore è in grado di coprire interamente il fabbisogno termico necessario al riscaldamento degli ambienti. Se la pompa di calore usa come sorgente l'aria esterna, tale configurazione è adottabile nelle zone climatiche dove la temperatura esterna scende raramente sotto agli 0°C.
- In caso contrario si deve realizzare un sistema bivalente, costituito dalla pompa di calore e da un sistema di riscaldamento ausiliario (cioè µna caldaia tradizionale) che copra il fabbisogno termico quando la temperatura dell'aria scende solo al di sotto di 0°C.

Scelta della pompa di calore

Nella scelta della pompa di calore occorre considerare:

  • le caratteristiche climatiche del luogo dove viene installata;
  • le caratteristiche tipologiche dell'edificio;
  • le condizioni di impiego.

Caratteristiche climatiche
Le caratteristiche climatiche hanno importanza soprattutto qualora la sorgente fredda sia l'aria esterna.

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Si può avere durante il periodo invernale la formazione per brevi periodi di brina sull'evaporatore, con riduzione dello scambio termico. Per ovviare a questo inconveniente la pompa di calore è dotata di un dispositivo di sbrinamento automatico che garantisce comunque la fornitura di calore all'ambiente (anche se in misura minore) senza l'apporto di altra energia o altri sistemi (resistenze elettriche, ecc.). Si può avere, durante il periodo invernale, la formazione di brina sull'evaporatore, con conseguente cattivo scambio termico. Per ovviare a questo inconveniente la pompa di calore è dotata di un dispositivo di sbrinamento (ad esempio una resistenza elettrica oppure l'inversione di ciclo, cioè il funzionamento temporaneo come condizionatore).

Caratteristiche tipologiche
Le caratteristiche tipologiche dell'edificio influenzano altresì la scelta del tipo di pompa di calore, ad esempio:

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
- Nelle abitazioni residenziali la pompa di calore può essere installata all'aperto, senza alcuna protezione aggiuntiva. L'installazione esterna evita l'utilizzo di spazi interni e il rischio di trasmissione di rumori nei locali.
- Nel terziario e nell'industriale le potenze richieste solitamente necessitano di pompe di calore che richiedono l'installazione esterna, solitamente con sorgente fredda ad aria. Non sono necessarie solitamente caldaie o altri sistemi di riscaldamento integrativi.
- Nelle abitazioni residenziali la pompa di calore può essere installata in cantina o nel locale caldaia. In questo caso, rumore e condensa legati alla pompa di calore, non danno problemi e la vicinanza di una caldaia tradizionale può renderne possibile l'impiego bivalente.
- Nel terziario e nell'industriale le potenze richieste solitamente necessitano di pompe di calore che richiedono l'installazione esterna, solitamente con sorgente fredda ad aria e caldaia ad integrazione.

- Negli esercizi commerciali ad elevata umidità interna, quali parrucchieri, cucine di ristoranti, ecc., l'installazione di una pompa di calore può risultare molto conveniente poiché l'azione di raffreddamento e di deumidificazione rende più confortevole l'ambiente di lavoro.

Condizioni di impiego
Anche le condizioni di impiego nei diversi ambienti influenzano la scelta della pompa di calore. Come già accennato la resa termica della pompa di calore varia in funzione della temperatura della sorgente fredda e del pozzo caldo. Più questi valori differiscono tra loro più la resa termica diminuisce e viceversa. La scelta dell'opportuna pompa di calore dipende quindi anche dalle condizioni di impiego sia della sorgente fredda (aria o acqua e sua temperatura) che dal pozzo caldo (acqua per riscaldamento a bassa o media temperatura).

Dimensionamento della pompa di calore

Il dimensionamento dell'impianto a pompa di calore richiede un'accurata valutazione dei fabbisogni di calore: una valutazione in eccesso, con sovradimensionamento della pompa di calore, comporta un incremento dei costi di impianto e quindi una riduzione dei vantaggi economici che derivano dal suo impiego. È bene perciò che il dimensionamento venga valutato da un tecnico qualificato.

Climatizzazione

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Una pompa di calore a ciclo reversibile ha una capacità di raffreddamento pari a circa la metà di quella termica, fornendo, nel caso di pompa di calore aria/acqua, acqua ad una temperatura di 3°C. Una pompa di calore a ciclo reversibile ha una capacità di raffrescamento di poco inferiore a quella di riscaldamento, fornendo, nel caso di pompa di calore aria/acqua, acqua fredda ad una temperatura fino a 7°C.

Riscaldamento degli ambienti

Il fabbisogno di calore dipende dalla localizzazione geografica dell'utenza: particolare attenzione va posta per le pompe di calore che impiegano l'aria quale sorgente esterna, in quanto il calore erogato diminuisce al diminuire della temperatura di questa.

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Il calore erogato al pozzo caldo, sotto forma di acqua calda può arrivare a 65°C (senza risentire particolarmente dei periodi di sbrinamento). Il calore erogato al pozzo caldo, sotto forma di acqua calda solitamente è compreso tra 35 e 50°C (ad eccezione dei periodi di sbrinamento).

Installazione della pompa di calore

La pompa di calore è una apparecchiatura che ha raggiunto una buona affidabilità ma che richiede una corretta installazione ed un minimo di manutenzione per conseguire buone prestazioni nel tempo. Come per il dimensionamento, anche per l'installazione è comunque opportuno rivolgersi ad installatori specializzati.

Vengono forniti di seguito alcuni consigli pratici, utili all'utente per focalizzare i problemi connessi alla installazione delle apparecchiature:

  • è importante prevenire la formazione della condensa utilizzando una adeguata coibentazione delle tubazioni che trasportano fluidi freddi.
  • Il funzionamento della pompa di calore è regolato da un termostato, direttamente o indirettamente, sensibile alla temperatura ambiente, con cicli di accensione e spegnimento. Per diminuire il numero di cicli di funzionamento ed allungare la vita della pompa di calore è talora opportuno installare un serbatoio polmone nell'impianto.
Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
La temperatura esterna minima di funzionamento è pari a -20°C (20° sotto lo zero). È bene verificare che la temperatura minima di funzionamento della pompa di calore, nella località in cui viene installata, non sia inferiore a quella minima raggiungibile dall'aria esterna. In caso contrario sarà necessario predisporre nell'impianto una caldaia ad integrazione.

È opportuno prevedere uno scarico della condensa che si forma sull'evaporatore, ad esempio, mediante un'apposita vasca o un tubo di scarico.

Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
L'utilizzo del gas metano non richiede alcun adeguamento del contatore gas o del contratto elettrico. Infine è necessario prevedere un contratto elettrico con un impiego di potenza tale da garantire il funzionamento della pompa di calore prescelta (superiore ai 3 kW generalmente previsti per le utenze domestiche) e fare effettuare il primo avviamento a tecnici competenti nella installazione.

La regolamentazione normativa sulle pompe di calore

E' ormai assodato che la tecnologia delle pompe di calore può portare importanti benefici nella riduzione dei consumi di energia, legati in modo particolare al riscaldamento. Grazie alla capacità di assorbire calore a bassa temperatura le pompe di calore riscaldano utilizzando in parte energie rinnovabili contenute nell'aria (energia aerotermica), nel terreno (energia geotermica) e nell'acqua (energia idrotermica). Per questo motivo le normative nazionali e internazionali in tema di risparmio energetico annoverano le pompe di calore come sistema di riscaldamento alternativo a quello tradizionale. La recente direttiva europea RES ha inoltre riconosciuto le pompe di calore come apparecchiature che utilizzano energie rinnovabili a tutti gli effetti.

Fonti

  • Pubblicazione ENEA - Dipartimento Energia - Opuscolo "La pompa di calore"
  • Documentazione tecnica pompe di calore ad assorbimento a gas Robur SpA

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