Pompa di calore acqua-acqua: cos’è, come funziona e quando conviene

Pompa di calore acqua-acqua: cos’è, come funziona e quando conviene

Quella della pompa di calore è una delle tecnologie che negli ultimi anni ha conosciuto maggiore interesse tanto che i dati della Fondazione per lo sviluppo sostenibile Italy for Climate indicano l’Italia come il Paese europeo che nel 2022 ha conosciuto il maggior numero di vendite di pompe di calore (500000 unità).

Le ragioni sono diverse e vanno dalle caratteristiche geografiche del nostro Paese alla maggiore sensibilità che in materia si è avuta negli ultimi anni. Quello delle pompe di calore come vedremo è un settore molto variegato che contempla diverse tecnologie.

In questo approfondimento ci vogliamo occupare della cosiddetta pompa di calore acqua-acqua, ovvero quella che utilizza l’energia termica presente nelle acque che scorrono sottoterra per produrre l’energia che serve per raffrescare o riscaldare un ambiente.

Una pompa di calore acqua-acqua è quella che prevede un ciclo composto da evaporazione, compressione, condensazione, espansione e, di nuovo, evaporazione.

Nella prima fase il refrigerante presente all’interno del sistema assorbe il calore dell’acqua che scorre in una sorgente naturale (come una sorgente geotermica) per poi essere vaporizzato e compresso da un compressore.

Questa fase consente l’aumento di pressione e di temperatura del refrigerante in modo che poi, tramite un condensatore, venga rilasciato il calore in eccesso.

Nella fase successiva il refrigerante liquido passa in una valvola di espansione termica che ne riduce la pressione, facendo in modo che si raffreddi ulteriormente per poi essere utilizzato per assorbire il calore dell’ambiente che si desidera riscaldare.

• Indice contenuti
• Differenze chiave rispetto ad altre tipologie di pompe di calore
• Descrizione dettagliata dei componenti principali della pompa di calore acqua-acqua
• Evaporatore
• Compressore
• Condensatore
• Dispositivo di espansione
• Tubi e connettori
• Sistemi di controllo
• Utilizzo della pompa di calore acqua-acqua per il riscaldamento domestico
• Analisi dell'efficienza energetica rispetto ad altre tecnologie di riscaldamento
• Consigli pratici per la corretta manutenzione delle pompe di calore acqua-acqua
• Esplorazione delle attuali innovazioni nel campo delle pompe di calore acqua-acqua
• Panoramica sui costi delle pompe di calore acqua-acqua

Differenze chiave rispetto ad altre tipologie di pompe di calore

In generale possiamo descrivere una pompa di calore come quella tecnologia che utilizza l’energia termica presente in alcune fonti rinnovabili per il condizionamento degli ambienti (riscaldamento e raffrescamento) e la produzione di acqua calda a uso sanitario.

Per consentire tutto questo è possibile avvalersi di diverse fonti rinnovabili, tra cui l’acqua, l’aria e l’energia presente nel sottosuolo. A titolo esplicativo questa una sintesi tra le differenze tra le diverse tipologie di pompe di calore.

Da cosa è dovuto il successo delle pompe di calore? Perché sono così convenienti rispetto ad altre tecnologie? Quella delle pompe di calore è, innanzitutto, una tecnologia considerata eco-friendly in quanto, come abbiamo visto, utilizza fonti rinnovabili avendo di fatto un ridotto impatto sull’ambiente.

Inoltre per quel che riguarda la pompa di calore acqua-acqua c’è un significativo vantaggio in termini di risparmio energetico in quanto ci si avvale di una fonte di energia gratuita. La pompa di calore acqua-acqua è inoltre una tecnologia estremamente efficiente con un elevato coefficiente di prestazione.

In concreto significa che l’energia termica prodotta è maggiore di quella elettrica che consuma per il suo funzionamento. Senza sottovalutare come la pompa di calore per la sua versatilità possa essere integrata a un impianto fotovoltaico, riducendo ulteriormente i consumi e aumentandone ulteriormente l’efficienza.

Tra i vantaggi di questa tecnologia c’è anche la capacità di essere utilizzata non solo per il riscaldamento (e quindi in sostituzione della caldaia) ma anche per il raffrescamento (in sostituzione dei condizionatori) rivelandosi utile durante tutto l’anno.

Tra gli aspetti meno vantaggiosi ci sono da considerare i costi iniziali (che nel caso delle pompe di calore acqua-acqua prevedono anche quelli degli scavi), la presenza di specifiche condizioni geografiche (la vicinanza di un corso d’acqua o di una falda acquifera) e una manutenzione particolarmente stringente finalizzata a evitare l’intasamento degli scambiatori di calore.

Descrizione dettagliata dei componenti principali della pompa di calore acqua-acqua

Una pompa di calore acqua-acqua è composta da un evaporatore, un compressore, un condensatore, un dispositivo di espansione, tubi, connettori e sistemi di controllo.

Evaporatore

L’evaporatore è uno scambiatore di calore esterno che si occupa di assorbire il calore dell’acqua sorgente vaporizzando il refrigerante presente all’interno del circuito.

Questi componenti sono realizzati solitamente in acciaio inossidabile o leghe di rame che garantiscono resistenza alla corrosione e hanno un’elevata conducibilità termica. Al loro interno prevedono piastre, tubi e bobine per massimizzare il contatto tra l’acqua e il refrigerante.

Compressore

Il compressore è quel componente che permette di aumentare la temperatura del vapore del refrigerante.

Ne esistono diverse tipologie (a pistoni, rotativi o scroll) e sono costruiti generalmente in acciaio, alluminio e leghe speciali per assicurare la resistenza necessaria a sopportare le elevate temperature e pressioni di funzionamento.

Condensatore

Il condensatore è il secondo scambiatore di calore, questa volta interno, presente in una pompa di calore acqua-acqua e ha la funzione di rilasciare il calore al fluido di riscaldamento (come l’acqua per il riscaldamento dell’edificio) condensando il vapore in liquido.

Anche in questo si utilizzano materiali resistenti alla conducibilità termica e alla corrosione e sono progettati simili agli scambiatori di calore esterni (l’evaporatore) ma con un ruolo differente, quello di ottimizzare il trasferimento di calore al fluido di riscaldamento.

Dispositivo di espansione

L’altro componente essenziale è dato dalla valvola di espansione (o un altro dispositivo similare) che ha la funzione di ridurre la pressione del refrigerante e regolarne il flusso verso l’evaporatore.

Per questi componenti si utilizzano prevalentemente l’ottone e l’acciaio inossidabile sempre per le capacità di resistenza alla corrosione. In alcuni casi possono prevedere l’integrazione di componenti di controllo elettronico che ottimizzano le prestazioni del sistema.

Tubi e connettori

L’impianto a pompa di calore prevede ovviamente anche un insieme di tubi e connettori che trasportano il refrigerante nelle varie fasi del ciclo termodinamico.

Sono realizzati in rame o acciaio inossidabile, mentre i connettori in metallo e materiali elastomerici che assicurano la resistenza alle elevate pressioni e un’adeguata tenuta ermetica.

Sistemi di controllo

Essenziali per il funzionamento della pompa di calore acqua-acqua sono anche tutti quegli elementi, come sensori, software e microprocessori, di gestione e controllo che monitorano i vari parametri (pressione, temperatura e flusso) in modo da assicurare il corretto funzionamento del sistema.

Utilizzo della pompa di calore acqua-acqua per il riscaldamento domestico

Uno dei vantaggi delle pompe di calore acqua-acqua è la loro versatilità, tanto che se ne può prevedere l’utilizzo sia in contesti residenziali che commerciali e industriali.

Tra le principali applicazioni residenziali e aziendali troviamo il riscaldamento domestico, la climatizzazione di uffici e piccole aziende, il riscaldamento e il raffreddamento di piscine e il riscaldamento di serre agricole contribuendo a mantenere le temperature ideali per la crescita delle colture.

È utile anche registrare come nelle aziende di piccole e medie dimensioni le pompe di calore acqua-acqua possano essere utilizzate anche per alimentare alcuni specifici processi di produzione.

A livello industriale e commerciale, invece, le pompe di calore acqua-acqua si rivelano utili sia in termini di riscaldamento e raffreddamento degli edifici che per l’applicazione in determinati contesti industriali.

Basti pensare all’industria alimentare che necessita della refrigerazione di magazzini frigoriferi così come l’alimentazione di celle di stoccaggio e impianti di lavorazione.

Parallelamente questo tipo di pompa di calore è ideale nelle industrie chimiche e farmaceutiche nelle quali il controllo della temperatura è un elemento fondamentale, ma anche per il mantenimento delle temperature nei centri dati per il corretto funzionamento dei server e, ancora, per gli impianti di trattamento delle acque, come quelli di disinfezione e depurazione.

Analisi dell'efficienza energetica rispetto ad altre tecnologie di riscaldamento

All’inizio di questo approfondimento dedicato alle pompe di calore acqua-acqua le abbiamo presentate come una delle tecnologie più interessanti. Ciò è dovuto anche per l’elevata efficienza energetica, soprattutto per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici.

Per comprendere questo aspetto è utile contestualizzarlo con le altre tecnologie dedicate al riscaldamento come sono le caldaie a condensazione tradizionali (a gas o a gasolio).

Rispetto a queste le pompe di calore possono raggiungere livelli di efficienza molto elevati con un coefficiente di prestazione (COP) superiore a 3. Il Coefficient of Performance, infatti, è il rapporto tra energia resa ed energia elettrica consumata, per cui un COP di 3 indica che per ogni kW di energia consumata si otterranno 3 KW di energia termica.

Il valore indica che le pompe di calore producono più energia termica di quella elettrica che assorbono e per questo sono considerate tra le tecnologie che maggiormente riducono i consumi energetici e i costi d’esercizio.

L’efficienza di una pompa di calore va contestualizzata anche in rapporto all’impatto ambientale di questa tecnologia. Rispetto alle altre soluzioni di riscaldamento convenzionali la pompa di calore utilizza una fonte di energia rinnovabile riducendo di fatto le emissioni di gas serra.

Senza dimenticare come, non bruciando combustibili fossi, non c’è emissione di CO2 nell’aria, contribuendo alla riduzione dell’inquinamento atmosferico e il conseguente miglioramento della qualità dell’aria.

Per il 2024 i principali incentivi destinati all’acquisto e alla sostituzione di una pompa di calore sono sostanzialmente legati alla sostituzione di un impianto di climatizzazione invernale esistente. Con l’ultima Legge di Bilancio gli incentivi sono il Bonus ristrutturazione 50% e l’Ecobonus 65%.

Nel primo caso vi è una detrazione del 50% (in 10 rate annuali di pari importo) per la sostituzione di un vecchio impianto con uno a pompa di calore contestualmente a una ristrutturazione edilizia.

Per usufruire della detrazione del 65%, invece, bisogna prevedere la sostituzione degli impianti di riscaldamento e quelli per la produzione di acqua calda sanitaria con quelli, ovviamente, a pompa di calore.

È ancora possibile per tutto il 2024 usufruire del Superbonus (ora al 70% per quattro quote annuali) solamente per i lavori che permettono un aumento di due classi energetiche dell’edificio oggetto dell’agevolazione. Molto importanti si rivelano anche diversi incentivi locali che possono, visti i vantaggi, favorire l’installazione di una pompa di calore acqua-acqua.

Consigli pratici per la corretta manutenzione delle pompe di calore acqua-acqua

La manutenzione di una pompa di calore acqua-acqua è un’attività destinata alla pulizia degli scambiatori di calore (per rimuovere detriti, sedimenti e accumuli di calcare che si raccolgono al loro interno), al controllo dei filtri dell’aria, all’ispezione del livello e della qualità del refrigerante, al controllo delle connessioni elettriche e alla verifica del funzionamento dei sensori e dei dispositivi di controllo.

Mediamente questo tipo di attività va previsto una volta all’anno.

Gli elementi che compongono una pompa di calore hanno una durata che va dai 5 ai 20 anni. Mediamente le valvole e i dispositivi elettronici durano tra i 5 e i 10 anni, il compressore tra i 10 e i 15, mentre gli scambiatori di calore tra i 15 e i 20. È doveroso ricordare come la manutenzione regolare e il tipo di utilizzo incidono profondamente su queste stime di durata dei singoli componenti.

Tra i problemi più comuni che si possono presentare quando si utilizza una pompa di calore acqua-acqua troviamo (indicando anche la possibile soluzione):

Esplorazione delle attuali innovazioni nel campo delle pompe di calore acqua-acqua

Nonostante parliamo di una realtà tecnologicamente già avanzata è interessante anche ragionare su quali sono i possibili scenari futuri cui andranno incontro le pompe di calore.

Attualmente possiamo immaginare una maggiore efficienza energetica con un COP sempre più elevato, ma anche un utilizzo di refrigeranti con un impatto ambientale ancora più basso.

Interessanti sviluppi potranno arrivare dall’adozione di sistemi di storage termico con i quali accumulare energia termica. In questo modo, un po’ come avviene per i sistemi di accumulo degli impianti fotovoltaici, si può utilizzare l’energia termica anche durante i periodi di bassa domanda.

Altro grande campo di sviluppo sono i sistemi ibridi e multifunzionali che combinano le pompe di calore agli attuali sistemi di condizionamento (come le caldaie a condensazione). In questo modo le pompe di calore riusciranno ad avere una maggiore diffusione con un aumento dei benefici a esse collegate.

Infine non meno importanti i vantaggi derivati dallo sviluppo e dall’adozione dei sistemi basati sull’intelligenza artificiale che consentiranno un apprendimento automatico e analisi predittive tali da ottimizzare il funzionamento delle pompe di calore adattandolo in maniera dinamica sia al comportamento degli abitanti degli edifici che alle condizioni meteorologiche esterne.

Panoramica sui costi delle pompe di calore acqua-acqua

Al termine di questa lunga panoramica sulle pompe di calore acqua-acqua emerge chiaramente come si tratti di una tecnologia straordinaria e dalle enormi implicazioni vantaggiose per chi le adotta.

Ecco perché vale la pena prenderle seriamente in considerazione andando a calcolare e stimare i benefici, economici e non, che il loro utilizzo in casa può determinare.

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