Raffrescamento e riscaldamento degli edifici: risparmiare energia con la pompa di calore e i sistemi radianti

Cos'è la pompa di calore e come funziona 

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire energia termica da una sorgente a temperatura più bassa a una a temperatura più alta, utilizzando differenti forme di energia, generalmente meccanica. Dal punto di vista termo fluidodinamico sono quindi delle macchine che lavorano a ciclo inverso, ossia viene fornito lavoro meccanico dall’esterno.

Il funzionamento ciclico della macchina si basa su quattro trasformazioni principali:

1. compressione;
2. condensazione;
3. espansione;
4. evaporazione.

Il compressore, che fornisce il lavoro meccanico, genera la differenza di pressione che permette al ciclo di funzionare.

Il compressore aspira il fluido refrigerante, nella condizione vapore saturo dall’evaporatore, e lo comprime fino a farlo diventare liquido. Il fluido refrigerante, liquido, entra nel condensatore dove condensa a pressione costante, rilasciando il calore assorbito. Dopo il condensatore, il fluido, allo stato di liquido saturo, attraversa la valvola di laminazione che lo porta allo stato di vapore riducendone la pressione e la temperatura. Successivamente il fluido rientra nell'evaporatore in cui assorbe calore ricominciando il ciclo.

Durante il funzionamento invernale, la macchina preleva il calore da cedere all’ambiente da riscaldare dall’aria esterna, mentre durante il funzionamento estivo, ovvero quando la macchina deve raffrescare un edifico, il calore prelevato dagli ambienti viene ceduto all’aria esterna.

La pompa di calore è dunque un generatore di calore versatile che è in grado di soddisfare il fabbisogno termico durante tutto l’anno.

Le prestazioni della pompa di calore sono legate alla temperatura massima e minima del ciclo, quindi per ottenere la massima efficienza dell’impianto di riscaldamento/raffrescamento è necessario collegare alla macchina gli impianti che lavorano a bassa temperatura come i pannelli radianti a soffitto o a pavimento integrati con i deumidificatori per garantire il benessere termoigrometrico in funzionamento estivo.

1 - Deumidificatore con canali di distribuzione aria

2 - Collettore impianto

3 - Pavimento radiante

4 - Termostato ambiente con sonda di umidità

5 - Display per configurazione e gestione impianto

6 - Pompa di calore

Gli impianti a pavimento radiante a basso spessore per il riscaldamento e il raffrescamento

L’innovazione e lo sviluppo degli impianti a pavimento radiante sono sempre più orientati alle applicazioni a basso spessore e a bassa inerzia termica. Il sistema a pavimento radiante realizzato con questi pannelli è caratterizzato da un limitato ingombro in altezza, caratteristica che risulta particolarmente vantaggiosa nelle ristrutturazioni.

La geometria a rete tridimensionale di questi pannelli permette di trattenere saldamente il tubo durante la posa e di annegarlo completamente nel massetto, garantendo una distribuzione uniforme della temperatura con una bassa inerzia termica al sistema. L’innovativa bugna forata permette di abbinare il pannello sia ai massetti autolivellanti sia ai massetti in sabbia e cemento, questo rende il sistema particolarmente versatile. La riduzione dello spessore complessivo del massetto permette di ridurre la temperatura di mandata all’impianto valorizzando l’abbinamento alla pompa di calore.

L’acqua, circolante in tubi in materiale plastico annegati nello strato cementizio del pavimento, è il fluido termovettore che fa in modo che tutta la superficie del pavimento diventi il corpo radiante, questo garantisce una distribuzione uniforme e ottimale delle temperature. I sistemi di riscaldamento radiante, con l’evoluzione tecnologica dei dispositivi di regolazione, si sono rapidamente affermati anche in regime di raffrescamento estivo, rappresentando una valida alternativa al climatizzatore e divenendo così impianti reversibili e completamente sfruttabili per tutto il ciclo termico dell’unità residenziale.

In entrambi i regimi di funzionamento, riscaldamento invernale e raffrescamento estivo, i pavimenti radianti idronici funzionano con una bassa differenza di temperatura tra l’acqua e l’ambiente da climatizzare, e, allo stesso tempo, tra l’ambiente stesso e l’aria esterna. Comfort termo-igrometrico, risparmio energetico, eccellente sfruttamento di energia da fonti rinnovabili, fruibilità degli spazi, sono tutti risvolti positivi che rendono “l’impianto invisibile” sempre più diffuso nella nuova costruzione come nella ristrutturazione. 

Comfort e risparmio energetico con i pavimenti radianti abbinati alla pompa di calore

La ridotta differenza tra le temperature dell’aria dell’ambiente climatizzato e l’aria esterna, permette la riduzione delle dispersioni (o delle rientrate) di calore, ottenendo un risparmio energetico estremamente interessante e conforme alle nuove normative.

La temperatura superficiale del pavimento radiante, strettamente legata a quella dell’acqua di mandata circolante nei tubi, viene esaltata nel meccanismo di scambio termico per irraggiamento dall’elevazione alla quarta potenza. Questo consente ai sistemi radianti di poter essere eserciti con acqua tipicamente di 16°C in raffrescamento e di 38°C in riscaldamento. Le temperature di mandata caratteristiche del sistema radiante, quindi, consentono notevoli risparmi energetici e permettono, inoltre, l’utilizzo di fonti di energia in un campo di funzionamento con efficienza più elevata come le pompa di calore.

Data l’alta capacità termica dell’acqua in rapporto a quella dell’aria, nei sistemi idronici il trasporto di una stessa quantità di calore è più efficiente: si riducono così i costi connessi all’energia elettrica consumata dai ventilatori nei sistemi a tutt’aria. I sistemi di riscaldamento e raffrescamento radiante, caratterizzati da elevata resa e bassi consumi di gestione, abbinati alla pompa di calore, rappresentano la scelta ideale per aumentare l’efficienza energetica del sistema edificio-impianto.

I soffitti radianti per ridurre il consumo energetico degli edifici 

L’utilizzo dei soffitti radianti per l’abbattimento dei carichi sensibili consente di ridurre il fabbisogno d’aria per la ventilazione degli ambienti al minimo necessario, in dipendenza dall’affollamento previsto e dalla destinazione d’uso degli spazi.

Un punto di forza dei soffitti radianti, così come per i pavimenti radianti, è la temperatura dell’acqua richiesta per il funzionamento, tipicamente di 15°C in raffrescamento e di 35°C in riscaldamento. La potenza specifica che il soffitto radiante scambia con l’ambiente è la somma di una componente di scambio convettivo, che incide per circa il 25 % del totale, e di una componente di scambio per irraggiamento, pari a circa il 75 % del totale.

Al contrario, i sistemi tradizionali ad aria – nei quali lo scambio termico avviene esclusivamente per convezione – necessitano di acqua a 6-7 °C in raffrescamento e a 50-60 °C in riscaldamento. È evidente che i sistemi radianti permettono di sfruttare al massimo le pompe di calore. 

Ciò che determina in gran parte la sensazione di benessere, oltre al tasso di umidità, è la temperatura operante To, esprimibile come To = (Ts + Ta)/2: in altre parole, la temperatura operante è la media aritmetica tra la temperatura media di tutte le superfici – Ts – che racchiudono l’ambiente e la temperatura dell’aria – Ta – in esso presente.

Ora, in fase di raffrescamento, si intuisce che la temperatura operante di 25°C è ottenibile con un sistema tradizionale che porta a 23°C la temperatura dell’aria e lascia le superfici (pavimento, soffitto, pareti) a 27 °C; d’altronde, un sistema a soffitto radiante consentirebbe di ottenere la stessa temperatura operante di 25°C con l’aria ambiente a 27°C e con una temperatura media delle superfici di 23°C.

È evidente come le rientrate di calore dall’esterno, che ipotizziamo a 35°C, verso l’ambiente siano maggiori quando l’aria ambiente si trova a 23°C. La medesima considerazione vale pure in condizioni di funzionamento invernale. I sistemi a soffitto radiante offrono lo spunto per compiere un passo decisivo verso la significativa riduzione del consumo energetico degli edifici.

In un mercato immobiliare sempre più impegnativo, per rendere maggiormente appetibile un moderno edificio si deve puntare ad elevate classi energetiche mediante coibentazioni dell’involucro sempre più spinte. Questa esasperazione degli isolamenti comporta la necessità di controllare le condizioni estive di temperatura, umidità e qualità dell’aria negli ambienti occupati.

I vantaggi dell'impianto radiante abbinato a impianti di deumidificazione e ventilazione 

Nei moderni impianti di climatizzazione, compresi quelli residenziali, il raffrescamento estivo è dunque un’esigenza imprescindibile. Mentre in inverno si deve aumentare la temperatura con il sistema di riscaldamento - l’umidità, essendo normalmente già a un livello adeguato, non richiede particolari esigenze di controllo - in estate è necessario ridurre sia la temperatura (raffrescamento) sia l’umidità (deumidificazione) per sottrarsi a condizioni di discomfort, possibilmente evitando eccessivi sbalzi di temperatura tra esterno e interno, e garantire la necessaria sicurezza contro la condensa.

L’impianto radiante, abbinato a macchine appositamente progettate per la deumidificazione dell’aria e la ventilazione, rappresenta una valida opzione impiantistica per conseguire un adeguato comfort termoigrometrico e un significativo risparmio energetico durante tutto il ciclo annuale di occupazione degli ambienti.

Tra i vantaggi offerti dalle macchine di deumidificazione: 

• richiedono acqua a 15-18° C, la stessa temperatura richiesta dai pavimenti raffrescanti, e consentono alle pompa di calore di lavorare con temperature dell’acqua più alte dei classici 7°C necessari ai sistemi di climatizzazione idronici, con grande beneficio in termini di rendimento energetico (EER – Energy Efficiency Ratio);
• presentano un alto rapporto potenza latente/portata d’aria: con un valore che raggiunge i 2,5 W per ogni m3/h, minimizzano la quantità d’aria da mettere in gioco per coprire i carichi latenti, a tutto vantaggio della silenziosità, dell’assenza di correnti d’aria e del minimo consumo di energia elettrica.