Come funziona una pompa di calore?
L’energia elettrica è davvero green?
La transizione energetica implica l’abbandono dei vettori energetici di origine fossile per sostituirli con un mix energetico a basse emissioni di carbonio basato su fonti energetiche rinnovabili: nella progettazione degli edifici questo significa in sostanza elettrificare gli impianti tecnologici, limitando l’utilizzo dei classici vettori energetici quali il gas metano.
Attualmente però l’energia elettrica da rete include ancora una quota significativa di fonti non rinnovabili: il mix di fonti non rinnovabili (fpnren) e rinnovabili (fpren) per la produzione di energia elettrica distribuita dalla rete nazionale è definito dal D.M. 26.06.15.
Se ci basiamo sulle indicazioni del decreto, scopriamo che per avere 1kWh di energia elettrica al contatore occorrono 1,95 kWh di energia da fonte non rinnovabile e al contempo 0,47 kWh di energia da fonte rinnovabile. Il peso, sulle fonti non rinnovabili è quindi piuttosto rilevante soprattutto se confrontato con il gas naturale il quale è caratterizzato da un fpnren pari a 1,05.
Come può l’energia elettrica essere diventata il vettore energetico simbolo della transizione energetica?
La chiave della sostenibilità energetica non risiede nella qualità del vettore ma nell’efficienza della tecnologia in grado di utilizzarla: nell’ambito della progettazione impiantistica di un edificio, la macchina in grado di raggiungere questo livello di efficienza è senza dubbio la pompa di calore.
Pompa di calore e ottimizzazione dei consumi di energia elettrica
Esiste un numero che esprime l’efficienza della pompa di calore, il COP ovvero il Coefficient of Performance.
Il COP indica quanti kWh di energia termica è possibile ottenere alimentando la pompa di calore con 1 kWh di energia elettrica.
I valori tipici di COP per una pompa di calore, espressi in condizioni di riferimento, ma comunque variabili a seconda dalla tipologia, sono compresi all’incirca fra 3 e 6: l’impatto della quota fpnren dell’energia elettrica da rete sul totale dei fabbisogni risulta decisamente ridimensionato da livelli di resa così alti.
Ma come può una pompa di calore fornire queste prestazioni?
Pompa di calore: come funziona
La pompa di calore non “genera” calore, lo “trasferisce”, pompando energia termica da una sorgente a temperatura più bassa ad una sorgente a temperatura più alta.
Per quanto innovativa la pompa di calore non riscrive le leggi della fisica, infatti a rendere possibile questo trasferimento di energia è l’azione compiuta da un compressore che lavora su un fluido refrigerante adatto al trasferimento di calore. Durante il ciclo di lavoro della macchina, il fluido refrigerante subisce infatti un doppio cambio di fase, da liquido a gas e da gas a liquido: tali cambi di fase avvengono per assorbimento e cessione del calore latente che il fluido refrigerante scambierà con le due sorgenti (fredda e calda) della pompa di calore.
Il ciclo di lavoro della pompa di calore ha inizio nell’evaporatore, uno scambiatore di calore nel quale il fluido refrigerante si trova allo stato liquido, con temperatura e pressione particolarmente basse. In questo contesto avviene lo scambio termico con l’aria esterna che, seppur fredda, lo è in misura inferiore rispetto al fluido refrigerante che, passando nella batteria di scambio, assorbe calore dalla sorgente fredda, compiendo il passaggio di stato da liquido a gassoso, caricando su se stesso il calore latente necessario al passaggio di stato.
Il fluido viene quindi aspirato dal compressore rimanendo sempre in fase gassosa: l’aumento di pressione, tramite il lavoro compiuto dal compressore, immette energia nel sistema aumentando l’energia interna del fluido e di conseguenza la temperatura.
Il gas caldo e compresso passa ora nel secondo scambiatore che lo mette in contatto con l’acqua proveniente dall’impianto termico: il fluido passa quindi dalla fase gassosa a quella liquida cedendo all’acqua dell’impianto il calore latente di condensazione. Lo scambiatore in questione è infatti chiamato condensatore.
Il fluido, tornato alla fase liquida, passa infine attraverso la valvola di espansione, riducendo pressione e temperatura, così da far ripartire il ciclo di lavoro.
Il concetto di trasferimento del calore è quindi chiaro: la macchina carica sul fluido refrigerante il calor latente di vaporizzazione prelevato della sorgente esterna e, per mezzo del lavoro svolto dal compressore, lo trasferisce all’acqua di impianto cedendolo sotto forma di calor latente di condensazione.
Sebbene questa spiegazione sul funzionamento della pompa di calore sia molto semplificata, è sufficiente a far intuire la sostanziale differenza di questa tecnologia rispetto a quella di una caldaia, dove il calore non viene trasferito ma “trasformato” attraverso la combustione di gas naturale.
Certo, anche per le caldaie la tecnologia negli anni si è evoluta. L’introduzione delle caldaie a condensazione ha consentito di recuperare il calore latente derivante dalla condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi della combustione: tuttavia le prestazioni di una caldaia, anche a condensazione, non potranno mai essere paragonabili a quelle di una pompa di calore ben dimensionata e fatta lavorare in maniera corretta.