Le pompe di calore possono contribuire a contrastare i cambiamenti climatici e a farci risparmiare. Ecco come funzionano.
Stiamo entrando nell’era delle pompe di calore.
Il concetto alla base delle pompe di calore è semplice: alimentate dall’elettricità, spostano il calore per raffreddare o riscaldare gli edifici. Non si tratta di un’idea nuova: sono state inventate nel 1850 e sono state utilizzate nelle case a partire dagli anni ’60. Ma all’improvviso sono diventate l’elettrodomestico più in voga, grazie al potenziale risparmio economico e ai benefici ambientali, oltre che ai recenti incentivi politici.
Per quanto semplice sia l’idea di base, i dettagli del funzionamento delle pompe di calore sono affascinanti. Nel nome del controllo della temperatura domestica, questo dispositivo sembra quasi infrangere le leggi della fisica. Le pompe di calore stanno anche migliorando, i nuovi modelli infatti sono più efficienti e in grado di gestire meglio il freddo.
Vediamo quindi di scoprire cosa fa funzionare una pompa di calore.
Come funziona una pompa di calore?
A grandi linee, una pompa di calore raccoglie il calore da un luogo e lo immette in un altro luogo. Parleremo principalmente di pompe di calore nel contesto del riscaldamento, ma possono essere utilizzate anche per il raffreddamento, raccogliendo il calore dall’interno e inviandolo all’esterno come un condizionatore d’aria. Molte pompe di calore possono anche funzionare al contrario, riscaldando o raffreddando a seconda delle esigenze.
Il protagonista di una pompa di calore è il refrigerante: un fluido che si muove in un circuito, assorbendo e rilasciando calore durante il percorso. L’elettricità alimenta il sistema, spingendo il refrigerante all’interno del ciclo.
Quando il refrigerante si muove all’interno della pompa di calore, viene compresso ed espanso, passando dalla forma liquida a quella gassosa, in modo da raccogliere e rilasciare calore in diversi punti del ciclo (se questi dettagli sono sufficienti per voi, passate pure alla domanda successiva. Altrimenti, seguitemi in un viaggio all’interno di una pompa di calore per capire come funziona).
Immaginate questo: è una fredda giornata invernale, diciamo 25 °F (-5 °C). Siete seduti sul divano del vostro salotto con un buon libro e il vostro gatto è accoccolato lì vicino. Guardate il termostato, che è impostato su 68 °F. È ragionevole, ma fa un po’ freddo. Vi avvicinate e lo alzate un po’, portandolo a 70°.
La vostra pompa di calore ha ronzato tranquillamente in sottofondo. Ora la pompa di calore dà un’accelerata per aumentare la temperatura: la ventola e il compressore all’interno accelerano e il refrigerante inizia a muoversi più velocemente per trasferire più calore dall’esterno all’interno.
Può sembrare controintuitivo raccogliere calore dall’esterno quando fa così freddo, quindi seguiamo il refrigerante per un ciclo per vedere come funziona. Per la maggior parte delle pompe di calore, il viaggio dura solo pochi minuti.
I refrigeranti delle pompe di calore hanno punti di ebollizione molto bassi, in genere inferiori a -15 °F (-25 °C). All’inizio del nostro viaggio, quindi, il refrigerante si trova a quella temperatura e in forma liquida. Anche nei luoghi più freddi, un refrigerante in questo stato è solitamente molto più freddo dell’aria esterna (nel nostro caso, più di 40 gradi in meno).
Nella prima fase della sua corsa, il refrigerante passa attraverso uno scambiatore di calore, oltrepassa l’aria esterna e si riscalda abbastanza da iniziare a bollire, trasformandosi da liquido a gas.
La seconda fase del viaggio è il passaggio attraverso il compressore. Il compressore comprime il refrigerante in un volume più piccolo, aumentandone la pressione e il punto di ebollizione (questo aspetto diventerà importante tra un minuto). In questo modo il refrigerante si riscalda ulteriormente e, quando ha superato il compressore, è già più caldo dell’ambiente interno.
Il terzo tratto del viaggio del refrigerante lo porta attraverso un altro scambiatore di calore. A questo punto, però, il refrigerante è un gas caldo, superiore a 100 °F, e passa attraverso una stanza relativamente più fredda. Trasferendo parte del calore nell’ambiente con l’aiuto di una ventola, inizia a trasformarsi nuovamente in liquido.
Infine, nel quarto stadio, il refrigerante liquido passa attraverso una valvola di espansione, rilasciando la pressione. Proprio come la compressione di un materiale lo riscalda, l’espansione gli permette di raffreddarsi di nuovo, così ora il liquido è tornato a una bassa temperatura e pronto ad assorbire altro calore da portare all’interno.
Le pompe di calore funzionano con il freddo?
Le pompe di calore non funzionano bene in condizioni di freddo intenso. Si tratta di un’affermazione spesso ripetuta dalle aziende produttrici di combustibili fossili, che hanno un prodotto concorrente da vendere.
C’è un fondo di verità: le pompe di calore possono essere meno efficienti in caso di freddo estremo. Quando la differenza di temperatura tra l’interno e l’esterno aumenta, la pompa di calore deve lavorare di più per raccogliere il calore dall’aria esterna e disperderlo nell’ambiente, per cui l’efficienza diminuisce.
Ma anche se le pompe di calore non funzionano al massimo dell’efficienza nei climi più freddi, “funzionano ovunque”, afferma Sam Calisch, responsabile dei progetti speciali di Rewiring America, un gruppo no-profit che si occupa di elettrificazione.
Negli Stati Uniti le pompe di calore sono in funzione ovunque, dall’Alaska al Maine. Circa il 60% degli edifici in Norvegia è riscaldato con pompe di calore, e il 40% in Svezia e Finlandia.
Le pompe di calore possono funzionare in modo efficiente anche nei luoghi più freddi. Tuttavia, la scelta della pompa di calore giusta è fondamentale per assicurarsi che funzioni bene quando le temperature scendono, afferma Andy Meyer, senior program manager di Efficiency Maine, un’agenzia che gestisce i programmi di efficienza energetica nello Stato.
Alcune pompe di calore non sono in grado di riscaldare una stanza quando la temperatura è inferiore allo zero, ma ci sono modelli che funzionano in modo efficiente a temperature più basse, dice Meyer. Piccoli riscaldatori per ambienti possono aiutare a fornire un supporto per i momenti di freddo, ma se si sceglie un sistema ben dimensionato, non dovrebbe essere necessario, aggiunge.
Cosa c’è di nuovo nella tecnologia delle pompe di calore?
I miglioramenti apportati a diversi componenti principali hanno contribuito ad aumentare l’efficienza e le prestazioni delle pompe di calore, soprattutto in caso di freddo, afferma Meyer.
Uno dei principali miglioramenti riguarda i refrigeranti. Il freon, chiamato anche R-22, dominava il mercato, ma è stato gradualmente eliminato negli Stati Uniti e in altri mercati importanti per i suoi effetti di riduzione dell’ozono.
Oggi, una miscela di sostanze chimiche denominata R-410A è uno dei refrigeranti più utilizzati nelle pompe di calore. Oltre a essere leggermente meno dannoso per lo strato di ozono, l’R-410A ha un punto di ebollizione più basso rispetto all’R-22, il che significa che può assorbire più calore a temperature più basse, aumentando l’efficienza al freddo.
Anche altri componenti sono migliorati. I nuovi compressori utilizzati nelle pompe di calore oggi possono portare i refrigeranti a pressioni più elevate utilizzando meno energia. Esistono anche nuovi compressori a velocità variabile che consentono alle pompe di calore di aumentare e diminuire la loro potenza. Infine, gli scambiatori di calore che trasferiscono il calore tra l’aria e il refrigerante sono sempre più grandi e migliori, in modo da spostare il calore in modo più efficace.
Oggi è già disponibile un’ampia gamma di pompe di calore. Circa l’85% di quelle installate sono pompe di calore ad aria come quella descritta. Queste sono disponibili in un’ampia gamma di forme e dimensioni. Ma altri modelli, le cosiddette pompe di calore geotermiche o a terra, raccolgono il calore dal sottosuolo invece di raccoglierlo dall’aria.
In che modo le pompe di calore contribuiscono al cambiamento climatico?
Il riscaldamento degli edifici si basa spesso sul gas naturale o sul gasolio da riscaldamento, motivo per cui il settore è oggi responsabile di circa il 10% delle emissioni globali. Le pompe di calore saranno la tecnologia principale utilizzata per ridurre l’impatto climatico del riscaldamento, prevede Yannick Monschauer, analista energetico dell’International Energy Agency.
Le pompe di calore funzionano utilizzando l’elettricità della rete. Sebbene le centrali a combustibili fossili contribuiscano ancora all’alimentazione delle reti in tutto il mondo, anche le fonti di energia rinnovabili e a basso contenuto di carbonio vi contribuiscono. Pertanto, con l’attuale mix energetico in tutti i principali mercati, le pompe di calore sono migliori per il clima rispetto al riscaldamento alimentato direttamente da combustibili fossili, afferma Monschauer.
Il vero superpotere climatico delle pompe di calore è la loro efficienza. Oggi le pompe di calore possono raggiungere un’efficienza del 300-400% o anche superiore, il che significa che producono tre o quattro volte più energia sotto forma di calore di quanta ne consumano in elettricità. Per un riscaldatore d’ambiente, il massimo teorico sarebbe il 100% di efficienza, e i modelli migliori oggi raggiungono circa il 95% di efficienza.
Il divario di efficienza tra le pompe di calore e i riscaldatori è dovuto al loro funzionamento. I riscaldatori funzionano trasformando l’energia dalla forma di elettricità in un’altra forma, il calore.
Le pompe di calore, invece, non trasformano l’elettricità in calore, ma usano l’elettricità per raccogliere il calore e spostarlo. Si tratta di una differenza sottile, ma in pratica significa che una pompa di calore può restituire una quantità di calore significativamente maggiore con la stessa quantità di elettricità.
L’efficienza massima di una pompa di calore dipende dal refrigerante e dal sistema installato, nonché dalla differenza di temperatura tra l’ambiente riscaldato e l’esterno.
Cos’altro dovrei sapere se sto considerando di acquistare una pompa di calore?
I costi iniziali delle pompe di calore sono un ostacolo importante all’adozione: l’acquisto e l’installazione di una singola unità oggi può costare tra i 3.000 e i 6.000 dollari, e le case più grandi spesso richiedono più unità.
Ma nel corso della loro vita di circa 15 anni, le pompe di calore sono già più economiche da acquistare e gestire rispetto ad altri sistemi per alcuni consumatori, soprattutto se vengono utilizzate sia per riscaldare sia per raffreddare una casa durante diversi periodi dell’anno, dice Monschauer.
Oltre 30 Paesi in tutto il mondo hanno programmi di incentivazione per le pompe di calore, spesso con bonus per le famiglie a basso reddito o per chi acquista apparecchiature ad alta efficienza. L’Italia offre sussidi particolarmente generosi per le pompe di calore installate durante la riqualificazione energetica degli edifici: i clienti ottengono fino al 110% del prezzo di acquisto sotto forma di credito d’imposta.
Negli Stati Uniti, l’Inflation Reduction Act offre un credito d’imposta del 30% sul prezzo di acquisto di una pompa di calore, con ulteriori sconti per le famiglie a basso e moderato reddito. Per alcune famiglie, il finanziamento potrebbe coprire il 100% del costo. Rewiring America dispone di un calcolatore per aiutare le persone a determinare le sovvenzioni IRA a cui possono accedere.
Quali sono i prossimi sviluppi delle pompe di calore?
Sebbene le pompe di calore siano notevolmente migliorate rispetto a dieci anni fa, la tecnologia ha ancora un potenziale di crescita molto elevato.
Nuovi progetti, come le unità autonome a finestra della startup Gradient, potrebbero ridurre i costi di installazione. Anche altre aziende, come Midea e LG, hanno iniziato a proporre unità piccole e portatili. Queste nuove opzioni potrebbero consentire alle pompe di calore di entrare in nuovi spazi, come i vecchi condomini dove l’installazione potrebbe essere altrimenti costosa o impossibile.
Un’area matura per ulteriori progressi è quella dei refrigeranti. Sebbene i refrigeranti odierni rappresentino un miglioramento rispetto alle vecchie opzioni, anche quelli più recenti sono potenti gas a effetto serra. Per evitare perdite è necessaria un’attenta manipolazione e una produzione precisa. I benefici climatici delle pompe di calore superano il potenziale di riscaldamento delle perdite di refrigerante, ma le alternative potrebbero contribuire a ridurre ulteriormente questo rischio.
Gradient, ad esempio, utilizza un refrigerante chiamato R-32, che ha un potenziale di riscaldamento globale inferiore a quello dell’R-410A. Altre classi di refrigeranti, come gli idrocarburi propano e butano, presentano un rischio climatico ancora minore. Tuttavia, alcuni di questi refrigeranti più rispettosi del clima tendono a essere estremamente infiammabili, per cui sono necessari sistemi di sicurezza.
I nuovi progressi tecnologici contribuiranno ad ampliare la già vasta gamma di pompe di calore presenti sul mercato. E i costi dovrebbero ridursi nel tempo, man mano che la tecnologia si diffonde.
Le vendite globali di pompe di calore sono cresciute del 15% nel 2021. L’Europa ha registrato la crescita più rapida, con un aumento delle vendite del 35% nel 2021, una tendenza che probabilmente continuerà a causa della crisi energetica. Il Nord America ha ancora il maggior numero di case con pompe di calore installate oggi, ma la Cina si aggiudica il premio per il maggior numero di nuove vendite.
Ovunque si guardi, l’era della pompa di calore è ufficialmente iniziata.
