I vantaggi dell’uso integrato di pompa di calore ed impianto fotovoltaico in termini di efficienza e consumi

Negli ultimi anni, l'integrazione delle Pompe di Calore (PdC) con i sistemi Fotovoltaici ha suscitato un interesse sempre più crescente nel campo dell’efficientamento energetico e della riqualificazione degli immobili integrando tramite una sempre più profonda integrazione con le energie rinnovabili.

Questa combinazione, forse ormai non più tanto innovativa, ma in ogni caso sempre efficiente per l’alta resa costi-benefici, favorisce l'autosufficienza energetica e contribuisce ad abbattere il consumo di energia da fonti fossili e diminuire le emissioni di CO₂. Analizziamo i benefici delle Pompe di Calore, soprattutto quando ad esse viene accoppiato un impianto fotovoltaico.

La combinazione di pompa di calore e fotovoltaico  

La necessità di investire nel risparmio energetico, insieme all'attenzione verso l'utilizzo delle risorse naturali e l'adozione delle fonti rinnovabili, sta profondamente cambiando la nostra concezione degli impianti.

Questa transizione verso un pianeta più sostenibile è alimentata da una crescente consapevolezza riguardo ai cambiamenti climatici e, in particolare, dalle direttive e dai bonus fiscali per l'efficientamento energetico.

L'innovazione nel settore energetico ha trasformato radicalmente il nostro approccio al riscaldamento e al raffreddamento delle abitazioni. Tra i progressi più rilevanti, spicca certamente l'integrazione delle pompe di calore con gli impianti fotovoltaici, un abbinamento che offre vantaggi notevoli in termini di efficienza energetica, risparmio sui costi e riduzione dell'impatto ambientale.

La combinazione di pompa di calore e fotovoltaico ha guadagnato negli anni sempre più consensi tra gli italiani.
In questo articolo, analizzeremo i pro e i contro dell'uso combinato della pompa di calore e dell'impianto fotovoltaico, esaminando le implicazioni pratiche di questa tecnologia.

Forse non più tanto innovativa, ma certamente ancora molto utilizzata perché ha raggiunto ormai un livello di maturità tale da garantire un’altissima resa costi-benefici e tempi di rientro dell’investimento sufficientemente brevi.

Scopriremo come funziona questa sinergia e quali sono le principali considerazioni da tenere a mente sia durante la progettazione che nella gestione dell'immobile.

PER APPROFONDIRE 
Sistemi a pompa di calore: classificazione, dimensionamento, vantaggi e svantaggi

Come funziona una pompa di calore

Le Pompe di Calore sono dispositivi in grado di trasferire calore da una fonte a bassa temperatura (come aria, acqua o suolo) a una fonte a temperatura più elevata, impiegando un ciclo frigorifero inverso.

A differenza delle caldaie tradizionali alimentate da combustibili fossili, le PdC non producono inquinamento poiché non bruciano combustibili, ma sfruttano l'elettricità per trasferire il calore.

Questo le rende significativamente più efficienti dal punto di vista energetico e decisamente più ecologiche, grazie appunto all'assenza totale di emissioni.

Il termine pompa di calore viene spesso usato per indicare un condizionatore d'aria che, grazie ad una valvola reversibile, può cambiare la direzione di moto del fluido refrigerante, potendo quindi sia rinfrescare che riscaldare un locale di un edificio; tale termine è improprio, in quanto i condizionatori d'aria sfruttano sempre il principio di funzionamento della pompa di calore, anche quando vengono usati per rinfrescare.

Il funzionamento di una pompa di calore, quindi, è simile a quello di un frigorifero, ma con una differenza: mentre il frigorifero estrae il calore dall’interno per mantenerlo fresco e lo rilascia nell’ambiente circostante, la pompa di calore estrae il calore dall’ambiente esterno per riscaldare l’interno di una casa. Questo processo si basa sul principio termodinamico dell’effetto Joule-Thomson, secondo il quale i gas cambiano temperatura durante una compressione o un’espansione senza l’aggiunta di energia esterna.

Le pompe di calore possono sfruttare diverse fonti di calore ambientale, tra cui l’aria, il terreno e le acque sotterranee. Queste fonti di calore sono disponibili gratuitamente e in quantità illimitata, ma la loro temperatura iniziale è troppo bassa per essere utilizzata direttamente per il riscaldamento degli ambienti.

Perciò, la pompa di calore utilizza un ciclo termodinamico per aumentare la temperatura dell’ambiente a un livello adatto per il riscaldamento domestico. Nel dettaglio, con l’aiuto dell’immagine sotto, il funzionamento può essere descritto così.

Un compressore aspira il fluido refrigerante, lo comprime e lo trasferisce nella serpentina ad alta pressione del circuito (rappresentata in rosso nell'immagine). Successivamente, il fluido viene inviato a uno scambiatore di calore, che in questa fase funge da condensatore.

Qui il fluido cede calore all'ambiente, si raffredda e condensa, passando allo stato liquido. Il liquido viene quindi fatto attraversare una valvola di laminazione, che divide la zona ad alta pressione da quella a bassa pressione (indicata in blu nell'immagine). Una volta a bassa pressione, il fluido raggiunge un secondo scambiatore di calore, che opera come vaporizzatore. In questa fase, il fluido assorbe calore dall'ambiente, trasformandosi in vapore, e viene nuovamente aspirato dal compressore, completando il ciclo.

In modalità macchina frigorifera (funzionamento estivo) la sorgente termica a bassa temperatura (evaporatore) è l’ambiente interno, mentre l’esterno funge da pozzo caldo.

Le pompe di calore si basano su principi di funzionamento comuni, ma esistono diverse tipologie, suddivise in base a specifiche caratteristiche.

Le tipologie di pompe di calore

Una prima distinzione riguarda le pompe di calore monovalenti, che operano in modo indipendente senza il supporto di altri generatori di calore, e le pompe di calore bivalenti, progettate per integrarsi con altri sistemi di generazione del calore, risultando particolarmente adatte per le aree con temperature invernali molto rigide.

Inoltre, le pompe di calore si classificano in base al fluido coinvolto nello scambio termico, identificando la sorgente fredda (evaporatore) e il pozzo caldo (condensatore).

Le principali tipologie sono quattro:

• PdC aria-acqua: questa tipologia è adatta sia per il riscaldamento che per il raffrescamento. Il sistema scambia calore con l’aria esterna, trasferendolo a un fluido più caldo, come l’acqua sanitaria o quella utilizzata nell’impianto di riscaldamento.
• PdC aria-aria: composta da almeno due unità, di cui una esterna, è dotata di split e sistemi di canalizzazione dell’aria. Un esempio comune di questa categoria sono i condizionatori, che utilizzano l’aria come sorgente sia fredda che calda.
• PdC acqua-acqua: utilizza l’acqua sia come sorgente fredda che come sorgente calda. Lo scambio termico avviene tra il fluido refrigerante e l’acqua, sia nell’evaporatore che nel condensatore.
• PdC terra-acqua (o geotermica): sfrutta il calore naturale del terreno, catturato tramite una sonda geotermica, per riscaldare l’acqua. Questa tipologia garantisce un elevato risparmio energetico, specialmente se combinata con sistemi di riscaldamento a bassa temperatura. Tuttavia, richiede una manutenzione accurata per garantire prestazioni ottimali nel tempo.

Nella modalità pompa di calore (funzionamento invernale) la sorgente termica a bassa temperatura (evaporatore) è al di fuori dell’edificio (aria, acqua, suolo), mentre il pozzo caldo può essere l’aria dell’ambiente da climatizzare, l’acqua calda sanitaria oppure il fluido termovettore che alimenta i terminali.

Per le pompe di calore si utilizza il termine "resa" invece di "rendimento" e si fa riferimento al coefficiente di prestazione (COP).

Questo rappresenta il rapporto tra l'energia resa (il calore fornito all'ambiente) e l'energia consumata (generalmente energia elettrica necessaria al funzionamento del compressore).

In fisica tecnica, il COP è definito come coefficiente di effetto utile. Un COP pari a 3 indica che il sistema trasferisce 3 unità di energia termica per ogni unità di energia elettrica consumata.

In un caso reale, con un clima mite, una pompa di calore ha un COP che va da 3 a 4 (mediamente con una temperatura esterna di 10°C raggiunge 3,3, con una di −8,3°C raggiunge 2,3). Per fornire un paragone, una stufetta elettrica ha un COP teorico pari a 1, ovvero 1 joule di energia elettrica dato alla stufetta si trasforma in 1 joule di calore, mentre 1 joule di energia elettrica dato alla pompa di calore si trasforma in più di 1 joule di energia termica.

L'integrazione delle pompe di calore con l'impianto fotovoltaico

Le pompe di calore rappresentano una soluzione ideale per l’integrazione con impianti fotovoltaici, consentendo di utilizzare in modo ottimale l’energia elettrica autoprodotta dall’impianto solare per alimentare il loro funzionamento.

Questo abbinamento crea un sistema altamente efficiente e sostenibile, capace di ridurre al minimo l’impatto ambientale e i costi operativi.

Con un adeguato dimensionamento della superficie fotovoltaica, è possibile non solo coprire i consumi elettrici della pompa di calore, ma anche fornire energia per altri usi domestici, inclusa la ricarica di veicoli elettrici (auto e moto).

Questa configurazione risponde perfettamente alle indicazioni della Nuova Direttiva EPBD IV, promuovendo un uso intelligente e integrato delle risorse energetiche rinnovabili.

L’abbinamento tra pompe di calore e impianti fotovoltaici offre numerosi vantaggi, rendendo il sistema energetico domestico più efficiente e sostenibile. Utilizzare l’energia solare prodotta dall’impianto fotovoltaico per alimentare le pompe di calore permette di ottimizzare l’energia autoprodotta, riducendo la dipendenza dalla rete elettrica e abbassando significativamente i costi in bolletta.

Inoltre, le pompe di calore possono essere programmate per funzionare durante le ore di maggiore produzione fotovoltaica, evitando così picchi di consumo serale e contribuendo a una gestione più equilibrata dell’energia.

Questo abbinamento incrementa anche l’efficienza complessiva del sistema: nei mesi estivi l’energia solare in eccesso può essere impiegata per il raffrescamento, mentre durante l’inverno può essere utilizzata per il riscaldamento.

Infine, il connubio tra pompe di calore e fotovoltaico rappresenta una scelta sostenibile, in quanto contribuisce a ridurre ulteriormente le emissioni di CO₂, svolgendo un ruolo importante nella lotta contro il cambiamento climatico.

La progettazione di impianti integrati pompe di calore e fotovoltaico richiede competenze trasversali, che spaziano dalla conoscenza della tecnologia fotovoltaica e impiantistica all’esperienza nell’installazione e manutenzione di impianti di riscaldamento, lavorando per favorire la creazione di sinergie fra gli operatori del settore elettrico e del settore idraulico, che devono unire le loro competenze per veicolare sul mercato soluzioni integrate.

Il processo inizia con il corretto dimensionamento della pompa di calore elettrica, un elemento cruciale per stimare accuratamente i consumi annui, tenendo conto dell’andamento delle temperature esterne nella località di riferimento.

Dopo aver calcolato il consumo teorico della pompa di calore, si procede all’analisi dei consumi legati all’abitazione, comprendendo tutte le apparecchiature elettriche utilizzate quotidianamente.

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