Per capire come funzionano le Pompe di Calore Aerotermiche è necessario da un lato conoscere il concetto di Aerotermico, e dall’altro i fondamenti del funzionamento e le caratteristiche delle suddette apparecchiature.

Nella Direttiva 2009/28/CE, relativa alla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili , si definisce Energia Aerotermica l’ energia immagazzinata sotto forma di calore nell’aria ambiente , intesa come tale l’aria dell’ambiente che ci circonda.

Le pompe di calore  sono apparecchiature che, utilizzando un gas refrigerante in un ciclo termodinamico chiuso, trasferiscono calore tra due sorgenti a livelli termici differenti, facendo fluire detto calore da una temperatura più bassa a una più alta.

Vale a dire, le Pompe di Calore Aerotermali sono in grado di captare l’energia dell’aria, disponibile in natura e inesauribile (rinnovabile), consentendone l’utilizzo per la climatizzazione degli spazi occupati dalle persone.

Pompe di calore,  componenti principali

Nel ciclo termodinamico delle pompe di calore, lo stato fisico del fluido contenuto nel circuito frigorifero (refrigerante) viene modificato per consentire il suddetto trasferimento di calore dalla “sorgente fredda” alla “sorgente calda” attraverso l’apporto di lavoro meccanico.

componenti della pompa di calore aerotermica

Ciò avviene attraverso i suoi componenti principali: Compressore, Condensatore, Dispositivo di espansione ed Evaporatore, ciascuno avente una funzione per un processo specifico.

  • Compressione : la pressione e la temperatura del refrigerante vengono aumentate e ad esso viene trasferita l’energia necessaria per il suo movimento lungo il circuito del refrigerante.
  • Condensazione : avviene la condensazione del refrigerante, cedendo calore all’ambiente esterno al condensatore.
    Espansione : la valvola di espansione genera una caduta di pressione che riduce l’alta pressione del refrigerante proveniente dal condensatore.
  • Evaporazione : il refrigerante evapora assorbendo calore dall’ambiente esterno all’evaporatore.
    In sintesi, ciò che si fa è assorbire calore dal mezzo freddo (raffreddamento) nell’evaporatore e trasferire questo calore nel condensatore, insieme all’energia fornita al compressore per il suo funzionamento, al mezzo caldo (riscaldamento), generando calore trasferimento di cui sopra.

In corrispondenza del grafico pressione-entalpia rappresentativo del ciclo frigorifero, si osserva sull’asse x come la sezione entalpica corrispondente all’energia «convenzionale» erogata, necessaria per il processo di compressione, sia molto inferiore alla sezioni di entalpia corrispondenti sia all’energia assorbita nell’evaporatore per il raffreddamento, sia all’energia trasferita nel condensatore per il riscaldamento, mostrando graficamente perché le prestazioni delle pompe di calore, sia in raffreddamento che in riscaldamento, sono molto superiori a 1.

Solitamente è diffuso l’uso delle pompe di calore reversibili, che incorporano nel loro circuito un quinto elemento, la valvola di inversione o 4 vie, che permette di invertire la direzione del flusso del refrigerante e, di conseguenza, quella del calore.

In questo modo la stessa apparecchiatura può lavorare sia in riscaldamento che in raffrescamento, poiché entrambi gli scambiatori possono funzionare alternativamente come evaporatore o come condensatore.

 

Per questo nelle Pompe di Calore si parla di “Unità Esterna”, che contiene gli elementi del circuito frigorifero che si trovano all’esterno, e di “Unità Interna”, che contiene gli elementi che si trovano all’interno dei locali o servono esso, incorporando sia i rispettivi scambiatori di calore esterni che interni che funzionano da evaporatore o da condensatore a seconda della modalità di funzionamento.

Come accennato in precedenza, nel caso delle Pompe di Calore Aerotermiche, la fonte esterna è l’aria ambiente, quindi lo scambiatore esterno è solitamente una “batteria” (scambiatore di calore del fluido aria-refrigerante), mentre lo scambiatore interno può essere:

  • Anche una batteria, nel caso delle unità Air-Air, che trattano direttamente l’aria negli ambienti interni.
  • Uno scambiatore a piastre, multitubolare o coassiale, nel caso di unità Aria-Acqua CDB che forniscono acqua calda o fredda per la distribuzione interna ai trasmettitori (fan-coil, riscaldamento/raffrescamento a pavimento, ecc.).

Utilizzo di energia da fonti rinnovabili

La citata Direttiva 2009/28 stabilisce che:

  • L’energia aerotermica, geotermica e idrotermica catturata dalle pompe di calore sarà presa in considerazione ai fini del consumo di energia da fonti rinnovabili, poiché queste apparecchiature necessitano di elettricità o altra energia ausiliaria per funzionare.
  • devono essere prese in considerazione solo le pompe di calore la cui potenza supera significativamente l’energia primaria necessaria per azionarle.

Per questo motivo, ai fini del calcolo delle energie rinnovabili, dal totale utilizzabile deve essere sottratta l’energia utilizzata per il funzionamento delle pompe di calore. A tal fine è stata definita una metodologia nell’allegato VII della citata Direttiva, intitolata «Bilancio energetico delle pompe di calore». In accordo con questo allegato e con la Decisione 2013/114, della Commissione Europea, pubblicata il 1 marzo 2013, la quantità di energia rinnovabile fornita attraverso le tecnologie delle pompe di calore (E RES ), è calcolata con la formula:

                                                               E = Q x (1-1/SPF)

Essendo:

  • Q .- Calore utile totale stimato fornito dalla pompa di calore, espresso in GWh, ottenuto utilizzando la formula Q = H HP x P nominale
  • H HP .- Numero annuo di ore durante le quali una pompa di calore dovrebbe fornire calore alla potenza nominale, espressa in ore.
  • P nominale .- Potenza nominale o potenza frigorifera o termica del ciclo di compressione del vapore o ciclo di assorbimento dell’unità in condizioni standard, espressa in GW.
  • SPF .- Fattore di prestazione stagionale medio stimato, che si riferisce al coefficiente di prestazione stagionale netto in modalità attiva (SCOP netto ), nel caso di pompe di calore ad azionamento elettrico.

Il citato allegato alla Direttiva stabilisce un limite minimo di prestazione energetica stagionale, in relazione all’efficienza media del sistema elettrico europeo (η):

                                                                  SPF >1,15 x 1/η

La Decisione fissa il valore dell’efficienza del sistema energetico (η) al 45,5%, da cui deriva che l’SPF minimo di cut-off è 2,5 . Al di sotto di questo valore si considera che la pompa di calore non fornisce energia rinnovabile.

A titolo di riflessione, se nella precedente formula relativa al calcolo dell’E RES viene assegnato all’SPF il valore 2,5, il risultato sarà:

                                                                 E = Q utilizzabile x 0,60

In altre parole, la pompa di calore aerotermica con il più basso SPF necessario per essere considerata un fornitore di energia rinnovabile, del calore che fornisce, il 60% proviene direttamente dall’energia captata dall’aria ambiente.

Attualmente, praticamente tutte le pompe di calore ad azionamento elettrico presenti sul mercato hanno coefficienti SCOP netti significativamente superiori a 2,5. Per questo motivo, la percentuale di energia rinnovabile è, nella quasi totalità dei casi, nettamente superiore al 60% dell’energia totale fornita da queste apparecchiature, esempio della grande quantità di energia rinnovabile in grado di fornire Pompe di Calore Aerotermali.

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