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29/11/2011

Pompe di calore sottozero…ghiaccioli o ancora pompe di calore?

Al di sotto di una certa temperatura esterna il funzionamento di una pompa di calore non solo è poco redditizio in termini energetici, ma addirittura impossibile per una vastissima parte dei modelli disponibili sul mercato.

Pompe di calore sottozero…ghiaccioli o ancora pompe di calore?
Per chi di noi ha già familiarità con le pompe di calore, risulta evidente pensare che al disotto di una certa temperatura esterna il funzionamento sia non solo poco redditizio in termini energetici, ma addirittura impossibile per una vastissima parte dei modelli disponibili sul mercato.

Sì, perché i tradizionali fluidi frigoriferi, impiegati nelle pompe di calore elettriche, presentano dei cicli di funzionamento usualmente limitati a –10°C, ma diversi modelli si fermano già a –6°C. Non stiamo parlando di temperature polari… ma di una qualunque giornata più fredda della media in pianura padana… la temperatura di progetto di Brescia dopotutto è –7°C!

Quando parliamo di modelli che si fermano, non intendiamo che calano le prestazioni… quello accade già quando si scende sotto gli 0°C… stiamo parlando di arresto della macchina, quindi totale interruzione del servizio di riscaldamento. In altre parole, qualora prevediamo di scendere sotto (anche solo per un giorno) a queste temperature, corriamo il rischio di non avere il servizio di riscaldamento proprio in quella giornata particolarmente fredda, perché la macchina è fuori dalle sue condizioni operative.

I costruttori di pompe di calore elettriche ovviamente hanno cercato e cercano di ampliare il più possibile il range (campo) di operatività delle proprie macchine, ma ci sono dei limiti fisici dovuti alle caratteristiche del fluido frigorifero che non è possibile superare. E infatti spesso nelle macchine vengono previste delle resistenze elettriche di backup (cioè di emergenza, di sicurezza) per garantire il servizio anche in condizioni particolarmente rigide, oppure le pompe di calore elettriche vengono installate con delle caldaie tradizionali di backup, aumentando il costo di investimento in maniera significativa e lasciando comunque spazio a potenziali problemi (la caldaia che entra in funzione ogni tanto può essere soggetta a maggiori problemi a causa dei lunghi periodi di inattività).

Oltre a questo problema di blocco, va tenuto presente che più ci si avvicina ai limiti operativi, più le prestazioni della pompa di calore peggiorano, fino a scendere di parecchio sotto a quelle di una caldaia tradizionale (neppure a condensazione), in quanto il ciclo frigorifero non riesce più a recuperare calore dall’ambiente e il servizio di riscaldamento è supportato (per le macchine che lo prevedono) da una resistenza elettrica che va a scaldare l’acqua di impianto. Possiamo ben immaginare cosa voglia dire in termini di consumi elettrici e di assorbimento di potenza...

Come se non bastasse a temperature inferiori o prossime allo zero, per le pompe di calore si presenta il problema del ghiacciamento della batteria, in quanto il fluido frigorifero all’interno è a temperatura inferiore all’aria esterna e quindi la condensa che si deposita su di esso rapidamente forma una crosta di ghiaccio che impedisce lo scambio termico. Questo problema riguarda tutte le pompe di calore ad aria e per risolverlo i modelli elettrici usualmente invertono il ciclo di funzionamento, quindi fanno funzionare la pompa di calore come se fosse un frigorifero, asportando calore dall’impianto (che invece dovrebbe essere riscaldato) e trasferendolo alla batteria, in modo da eliminare lo strato di ghiaccio. Per velocizzare il processo e impedire di inviare acqua fredda alle utenze alcuni modelli elettrici sfruttano anche in questo caso una resistenza per scaldare l’acqua (che la macchina raffredda per tutta la fase di sbrinamento), con gli ovvi problemi di consumo e di assorbimento elettrico. L’inversione del ciclo comporta ovviamente tempi abbastanza lunghi (decine di minuti) per ripristinare poi il funzionamento in riscaldamento una volta sgelata la batteria, tempi lunghi che si traducono in potenziali disservizi per le utenze servite.

E le pompe di calore a gas… sono diverse o anche loro “battono i denti” sottozero?

Per rispondere consideriamo le differenze fondamentali tra la tecnologia elettrica e quella a gas: nelle pompe di calore a gas è sempre presente un bruciatore, esattamente come in una caldaia, e per seconda cosa il fluido refrigerante delle pompe di calore a gas è acqua e ammoniaca.

E quindi, ci chiedete voi?

E quindi, abbiamo mai visto una caldaia che a –20°C si rifiuta di accendersi perché fa freddo? Se non è ghiacciata l’acqua nei tubi o qualche altro componente, rispondiamo di no, ed esattamente allo stesso modo si comporta una pompa di calore a gas. Anche nelle condizioni più rigide (e tra poco vediamo quanto più rigide), anche se non riesce a recuperare calore dall’esterno, la pompa di calore a gas ha comunque il suo bruciatore con cui riesce a cedere calore, attraverso il fluido frigorifero, all’acqua dell’impianto. Quindi nella peggiore delle ipotesi la pompa di calore a gas si comporterà esattamente come una caldaia, continuando a erogare il suo servizio di riscaldamento in ogni condizione, con un’efficienza minima che rimane sempre intorno al 100% (quindi superiore a quella di una caldaia a condensazione nelle stesse condizioni operative).

E il fluido acqua ammoniaca, che beneficio porta rispetto a quelli degli “elettrici”?

Consideriamo che l’ammoniaca evapora a –33°C, quindi questo valore è la temperatura minima alla quale il fluido non è più in grado di recuperare calore dall’ambiente, e quindi solo in prossimità di questo valore le prestazioni della macchina scenderanno a quel 100% di efficienza che abbiamo visto sopra. Mi sembra un limite piuttosto basso, tant’è che abbiamo pompe di calore a gas in Val di Fassa con temperature di progetto tra –12°C e –15°C…non è la Svezia ma è bella bassa comunque!

Quindi come ci confermano anche le tabelle dei manuali di progettazione, l’efficienza di una pompa di calore a gas, a differenza di quanto avviene per i modelli elettrici, varia di poco con la temperatura esterna, anche quando questa scende pesantemente sottozero, e in ogni caso anche nelle condizioni più critiche, quando ogni pompa di calore elettrica si sarebbe fermata ormai da tempo, viene garantita un’efficienza che è comunque superiore a quella della migliore caldaia posta nelle stesse condizioni.

E con il defrosting (il ghiacciamento della batteria) come ce la caviamo?

La pompa di calore a gas, per merito del suo circuito frigorifero, del tutto diverso da quelli elettrici, ha la possibilità di deviare una parte del fluido caldo e inviarla alla batteria mantenendo comunque il 50% della potenza sul servizio di riscaldamento, senza quindi invertire il ciclo di funzionamento. Questo permette di assicurare il mantenimento del servizio di riscaldamento a temperatura accettabile per il comfort delle utenze anche per il breve tempo necessario (attorno ai 180 secondi) per effettuare il defrosting, dopodiché la macchina si riporta in brevissimo tempo nelle condizioni di funzionamento usuali, garantendo un rapido ritorno ai consueti valori eccellenti di efficienza.

Quindi grazie alle pompe di calore a gas non corriamo il rischio di trovarci al freddo proprio quando fuori la temperatura è particolarmente rigida, senza bisogno per fare questo di aggiungere altre apparecchiature o ridurre drasticamente l’efficienza, ma anzi continuiamo a mantenere prestazioni sufficientemente buone da essere certi del risparmio rispetto alle altre tecnologie in qualunque condizione.

Con le pompe di calore a gas, caldo garantito in ogni condizione!

 

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