Pompe di calore acqua-acqua, il sistema che recupera energia e climatizza ogni ambiente

Negli edifici moderni, i fabbisogni termici delle diverse zone raramente coincidono. I sistemi a pompa di calore che utilizzano l’acqua come fluido termovettore nascono, tra l’altro, proprio per rispondere a questa esigenza, offrendo controllo indipendente dei singoli ambienti, recupero energetico interno ed elevati livelli di efficienza sia in riscaldamento sia in raffrescamento.

Efficienza e recupero energetico

Le pompe di calore che utilizzano l’acqua come fluido termovettore consentono di climatizzare in modo autonomo le diverse zone dell’edificio, adattando il funzionamento alle effettive esigenze di ciascun ambiente. Il principale punto di forza è la capacità di recuperare energia: il calore estratto dalle aree che richiedono raffrescamento può essere trasferito alle zone che necessitano di riscaldamento, riducendo l’intervento di generatori ausiliari.

In modalità riscaldamento i valori di COP possono raggiungere livelli compresi tra 3 e 6, nettamente superiori a quelli dei sistemi elettrici a resistenza. La possibilità di integrazione con sonde geotermiche e l’impiego dell’acqua come mezzo di scambio termico contribuiscono ulteriormente all’efficienza del sistema. Occorre tuttavia prestare attenzione a rumore, accessibilità per la manutenzione e corretta gestione della ventilazione degli ambienti.

In un sistema tradizionale di pompe di calore acqua-acqua, ciascun settore o area di un edificio è dotato di una macchina specifica. Questa unità ha il compito di regolare la temperatura dell’aria, raffreddandola o riscaldandola al fine di mantenere costante il livello termico desiderato in quella determinata sezione dell’edificio. La pompa di calore ad acqua integra tutti gli elementi basilari di un circuito frigorifero, includendo uno o più compressori, uno scambiatore di calore tra refrigerante e aria, un secondo scambiatore tra refrigerante e acqua e un dispositivo per l’espansione del fluido frigorigeno. Un elemento fondamentale del sistema è la valvola di inversione, che consente il passaggio tra modalità di raffreddamento e riscaldamento.

Installazione pompe di calore

L’installazione delle pompe di calore può variare in funzione dell’apparecchiatura selezionata e delle esigenze strutturali dell’edificio. Le unità possono essere collocate lungo una parete interna, sospese nel controsoffitto, installate in un locale tecnico oppure montate sul tetto. L’aria di ritorno viene aspirata attraverso una presa dotata di filtro, attraversa lo scambiatore refrigerante-aria e viene successivamente reimmessa nell’ambiente oppure distribuita tramite canalizzazioni e diffusori. Tutte le pompe di calore sono collegate a un unico circuito idraulico al quale possono essere associati diversi dispositivi ausiliari, come torri di raffreddamento, refrigeratori di fluido o sistemi geotermici di scambio termico. Possono inoltre essere presenti generatori di calore, come caldaie ad acqua calda o sistemi geotermici. Completano l’impianto le pompe di circolazione necessarie a garantire il corretto funzionamento e l’efficienza complessiva del sistema.

In generale, l’aria esterna necessaria per la ventilazione viene trattata e distribuita tramite un impianto dedicato. Ogni pompa di calore dispone di un controllore incaricato di gestire le funzioni di riscaldamento e raffrescamento della zona servita, mentre un controllore centrale coordina il funzionamento dell’intero sistema ottimizzandone le prestazioni energetiche. Quando la temperatura di una determinata area raggiunge il setpoint di riscaldamento, il sistema di controllo attiva la valvola di inversione per passare dalla modalità freddo alla modalità caldo. Allo stesso tempo, la velocità di rotazione dei compressori viene adeguata al carico termico richiesto. In queste condizioni il circuito frigorifero recupera energia dal circuito idraulico e la trasferisce all’aria ricircolata.

Quando un ambiente non è occupato, il sistema può ampliare la banda morta consentendo una maggiore escursione della temperatura. Se i valori rimangono entro i nuovi limiti impostati, ventole e compressori vengono arrestati, riducendo i consumi energetici. In presenza di sensori di occupazione, è possibile attivare strategie ancora più evolute. Se un’area risulta vuota, pur essendo programmata come occupata, il sistema può passare a una modalità di standby che riduce l’illuminazione, modifica leggermente i setpoint di temperatura e limita l’apporto di aria esterna. Al ritorno degli occupanti, l’impianto ripristina automaticamente le condizioni di comfort.

Durante la stagione estiva, quando la maggior parte delle pompe di calore lavora in raffrescamento, il calore sottratto agli ambienti viene trasferito al circuito idraulico, aumentando la temperatura dell’acqua. Per mantenere il corretto equilibrio energetico è necessario smaltire tale calore attraverso una torre evaporativa a circuito chiuso o un refrigeratore dedicato, mantenendo generalmente la temperatura dell’acqua attorno a 32 °C. Nel periodo invernale avviene il processo opposto. Le pompe di calore trasferiscono energia all’aria degli ambienti e sottraggono calore al circuito idraulico, facendo diminuire la temperatura dell’acqua. In questo caso interviene un generatore termico, generalmente una caldaia, che mantiene la temperatura dell’acqua attorno a 16 °C. Le condizioni più interessanti si verificano durante le mezze stagioni. In primavera e autunno alcune aree dell’edificio possono richiedere raffrescamento mentre altre necessitano di riscaldamento. Le pompe di calore installate nelle zone esposte al sole trasferiscono calore all’acqua del circuito, mentre quelle collocate nelle aree più fredde lo prelevano dallo stesso circuito. Finché la temperatura dell’acqua resta compresa tra circa 16 °C e 32 °C, né la caldaia né la torre di raffreddamento devono entrare in funzione. È proprio in queste condizioni che il sistema esprime al meglio la propria capacità di recupero energetico interno.

Vantaggi delle pompe di calore acqua-acqua

I sistemi a pompa di calore acqua-acqua consentono di gestire in modo indipendente il comfort delle diverse zone dell’edificio. Ogni area può richiedere modalità operative differenti senza compromettere il funzionamento generale dell’impianto. Uno dei principali vantaggi è la capacità di recuperare calore. L’energia termica rimossa dalle zone che necessitano di raffrescamento può essere utilizzata per riscaldare gli ambienti che richiedono calore, con una significativa riduzione dell’impiego di caldaie e sistemi di dissipazione. Anche sotto il profilo energetico le prestazioni risultano particolarmente interessanti. In modalità riscaldamento il coefficiente di prestazione (COP) può assumere valori compresi tra 3 e 6, decisamente superiori rispetto a quelli dei sistemi elettrici a resistenza. Ulteriore vantaggio è la possibilità di integrazione con sistemi geotermici, che utilizzano il terreno come serbatoio termico, riducendo o eliminando la necessità di torri di raffreddamento e generatori ausiliari. Durante il funzionamento in raffrescamento, inoltre, il ciclo frigorifero viene condensato mediante acqua, una modalità generalmente più efficiente rispetto alla condensazione ad aria. Tra gli aspetti da considerare vi sono invece gli ingombri, la presenza del compressore e della ventilazione, oltre alla necessità di garantire livelli sonori compatibili con gli ambienti occupati.

Manutenzione pompe di calore

Dal punto di vista manutentivo, le pompe di calore ad acqua sono normalmente installate all’interno dell’edificio, in controsoffitti, locali tecnici o ambienti adiacenti alle aree servite. Questo rende particolarmente importante garantire una buona accessibilità alle apparecchiature. La manutenzione effettuata in spazi occupati può infatti generare disagi agli utenti e, se gli accessi non sono adeguatamente previsti in fase progettuale, può diventare più complessa e meno efficace. Occorre inoltre ricordare che questi sistemi utilizzano apparecchiature distribuite per il riscaldamento e il raffrescamento, mentre la ventilazione è generalmente affidata a un impianto dedicato per il trattamento dell’aria esterna. Tale soluzione consente di controllare in modo più preciso i ricambi d’aria e la qualità dell’ambiente interno, distribuendo uniformemente l’aria trattata nelle diverse zone dell’edificio.