Pompa di calore “aria-aria”: principio di funzionamento, dispositivo, selezione e calcoli

Desidera installare un riscaldamento a convettori in casa, dove per riscaldare il fluido termovettore viene utilizzata una pompa di calore «aria-aria», che garantisce un notevole risparmio sui costi di riscaldamento? Ammetterà che ottenere un riscaldamento completo insieme all'acqua calda praticamente gratis è un'impresa molto allettante.

Ma Lei non sa come realizzare un sistema simile per riscaldare gli ambienti in modo alternativo e ottenere acqua calda per le esigenze domestiche?

La aiuteremo a chiarire questo problema: nell'articolo viene spiegato il principio di funzionamento e la struttura della pompa. Un tale sistema richiederà energia solo per il funzionamento del compressore, mentre la maggior parte del calore verrà prelevata semplicemente dall’esterno, dall’atmosfera, per cui attualmente non ci vengono richiesti soldi.

Vengono inoltre esaminati i vantaggi della sua integrazione nel sistema e gli svantaggi sostanziali. Particolare attenzione è dedicata alla selezione e al calcolo della pompa.

Agli appassionati del fai-da-te, proponiamo di realizzare una pompa simile autonomamente, utilizzando materiali facilmente reperibili. A supporto, forniamo materiali fotografici e video-consigli sulla struttura e il funzionamento della pompa di calore ad aria.

Caratteristiche della pompa di calore aria-aria

Qualsiasi pompa di calore appartiene alle attrezzature del settore dell'energia alternativa. Essa preleva l'energia termica delle masse d'aria all'esterno, dallo spazio circostante all'interno, per riscaldare con essa gli edifici residenziali e non.

Inoltre, non vengono utilizzati combustibili di alcun tipo.

Esternamente, la pompa di calore (PC) aria-aria è simile a un condizionatore inverter, un sistema split composto da un'unità esterna e una interna.

Per principio di funzionamento, assomiglia più a un frigorifero, ma funziona “al contrario”. Tuttavia, a differenza di entrambi, questa pompa di calore è in grado sia di raffreddare che di riscaldare le masse d'aria in casa.

La pompa di calore preleva l'energia termica a basso potenziale dall'atmosfera esterna e riscalda con essa l'aria interna fino a temperature confortevoli.

Principio di funzionamento e struttura interna

Alla base del funzionamento della PdC aria-aria c'è un semplice fenomeno fisico della termodinamica: un liquido, durante l'evaporazione, raffredda la superficie da cui si diffonde. Ad esempio, il vapore sopra una tazza di tè caldo dimostra lo stesso effetto.

Su questo principio funziona anche un normale frigorifero. All'interno sono disposti dei tubi attraverso i quali circola il refrigerante ad alta pressione. Esso assorbe il calore dallo spazio interno del congelatore, riscaldandosi leggermente.

Poi il calore raccolto viene ceduto all'aria della stanza tramite uno scambiatore di calore (la griglia sul retro del frigorifero).

In inverno la pompa di calore aria-aria riscalda l'aria ambiente, mentre in estate può raffreddarla.

E affinché il refrigerante si raffreddi fino alle temperature di esercizio, viene compresso nel compressore. Inoltre, durante il ciclo di lavoro, il freon all'interno del sistema compressore-condensatore-evaporatore passa continuamente dallo stato gassoso a quello liquido e viceversa.

La pompa di calore ad aria funziona in modo del tutto analogo. Solo che prende il calore dall'esterno, e non da un congelatore chiuso. Anche se fuori c'è gelo, nell'atmosfera c'è comunque una notevole quantità di energia termica.

Per produrre calore, la pompa di calore necessita solo dell'energia spesa per il funzionamento del compressore. Nello schema è illustrato in dettaglio il processo di trasferimento del calore.

La pompa di calore aria-aria è composta dai seguenti elementi:

• compressore;
• evaporatore con ventilatore a tiraggio forzato;
• valvola di espansione;
• tubi di rame per il pompaggio del freon tra l'esterno e la casa;
• condensatore con ventilatore per l'immissione di aria riscaldata nell'ambiente.

I primi tre elementi costituiscono l'unità esterna, mentre l'ultimo fa parte della sezione interna della pompa di calore. I tubi di rame coibentati sono destinati al movimento continuo del fluido termovettore tra questi moduli del sistema split.

Il movimento del freon nella pompa di calore avviene in un circuito chiuso, per cui esso viene costantemente compresso e si espande.

L'algoritmo di funzionamento della pompa di calore aria-aria è il seguente:

1. L'aria esterna viene aspirata dal ventilatore nell'unità esterna e fatta passare attraverso le alette dell'evaporatore esterno. Il freon che circola nello scambiatore di calore assorbe l'energia termica presente, passando allo stato gassoso.
2. Successivamente, il gas entra nel condensatore, dove viene compresso. Poi viene pompato attraverso i tubi di rame nell'unità interna.
3. Nel condensatore situato all'interno della casa, il gas torna allo stato liquido, cedendo calore all'aria dell'ambiente.
4. Quindi la pressione in eccesso viene scaricata tramite la valvola di espansione, e il freon liquido viene nuovamente inviato all'evaporatore primario.

Il valore della temperatura del freon che entra nell'unità esterna è sempre inferiore alla temperatura ambiente. Pertanto esso assorbe sempre calore dall'atmosfera.

Ma il livello di "raffreddamento" del fluido termovettore nel sistema è costante, mentre la temperatura esterna oscilla continuamente. Per questo motivo, in caso di forte gelo, la pompa di calore perde la sua efficienza.

Il ciclo di movimento del fluido termovettore di una pompa di calore aria-aria: 1. viene compresso dal compressore, 2. si condensa nello scambiatore di calore, cedendo calore, 3. sotto forma di liquido entra nello scambiatore di calore esterno, 4. lì evapora, assorbendo durante l'evaporazione l'energia termica dell'ambiente esterno, 5. ritorna di nuovo al condensatore.

Per aumentare la potenza della pompa di calore, le superfici del condensatore e dell'evaporatore sono rese il più grandi possibile. E per garantire il funzionamento ininterrotto durante il periodo invernale, lo scambiatore di calore esterno è dotato di un proprio sistema di sbrinamento.

Vantaggi e svantaggi della pompa di calore ad aria

Ogni sistema tecnicamente complesso ha i suoi pregi e difetti. I dépliant pubblicitari sono una cosa, ma in realtà i proprietari di pompe di calore rischiano di incontrare alcuni problemi.

Gli impianti di riscaldamento/raffreddamento di tipo aria-aria sono vantaggiosi per una serie di motivi.

Tra i principali vantaggi si annoverano:

• Versatilità. I sistemi consentono di riscaldare e raffreddare gli ambienti in base alla destinazione della stanza, alle esigenze e alla stagione climatica.
• Eco-sostenibilità. Permettono di rinunciare completamente alla combustione di gas naturale, carbone, legna e simili, che inquinano l'ambiente con i prodotti della combustione.
• Semplicità di installazione. Montare il sistema con componenti di produzione industriale non è difficile. Si può persino costruire una pompa di calore fai-da-te con materiali di recupero.
• Sicurezza antincendio. Il processo di ottenimento del calore non prevede l'uso di combustibili. Anche i malfunzionamenti dell'impianto non possono provocare incendi.
• Economicità. Attirano per l'elevato coefficiente di resa termica a costi minimi (per 1 kW di elettricità consumata, producono 4–5 kW di calore). Inoltre, si ammortizzano rapidamente.
• Accessibilità economica. Il costo dei sistemi di fabbricazione industriale permette a quasi tutti di acquistare una pompa di calore. Un'installazione autocostruita sarebbe pressoché gratuita.
• Facilità d'uso. Il dispositivo tecnicamente più complesso del sistema – il compressore, di cui non è difficile occuparsi della manutenzione. Con il carico tipico delle pompe di calore, i compressori raramente si guastano prima della scadenza promessa dal produttore.

Per organizzare il riscaldamento in una singola stanza, è sufficiente installare un sistema split, appendendo il modulo esterno sulla facciata e il convettore sulla parete interna. Per riscaldare più stanze, sarà necessario predisporre i canali di distribuzione dell'aria riscaldata.

Per ogni kilowatt di elettricità consumata, la pompa di calore eroga fino a cinque kilowatt di energia termica

Tutta la gestione della pompa di calore aria-aria è affidata all'automazione integrata. Non sarà necessario dedicare particolare attenzione al funzionamento e alla regolazione di questo sistema. Bisognerà solo pulire regolarmente i filtri dell'aria e cambiarli occasionalmente.

Tra gli aspetti negativi delle pompe di calore si possono menzionare:

• un rumore di fondo, sebbene lieve;
• la diretta dipendenza dell'efficienza del sistema dalla temperatura esterna;
• l'aumento del consumo elettrico quando fa più freddo all'esterno;
• la polvere che rimane costantemente sospesa nell'aria a causa del funzionamento continuo del ventilatore e della convezione dell'aria nella stanza;
• la dipendenza dall'alimentazione elettrica (per un funzionamento ininterrotto sarà necessario un generatore).

Con temperature esterne fino a -10°C tutto funziona perfettamente, il calore prelevato dall'esterno è sufficiente per creare condizioni confortevoli in casa. Ma con un ulteriore abbassamento della temperatura, l'efficienza della pompa diminuisce drasticamente.

Se la casa è costruita in una zona con clima freddo e forti gelate invernali, non si può fare a meno di una caldaia o di un camino supplementari.

In un clima caldo, la pompa di calore ad aria svolge senza problemi i compiti di riscaldamento di una casa privata, ma con forti gelate un'ulteriore fonte di calore non guasta.

Per la realizzazione del riscaldamento ad aria, tali sistemi sono ideali. Minimo consumo di energia elettrica, sforzi di installazione e problemi di manutenzione. Ma non è possibile riscaldare l'acqua con essi. Per questo, sarà necessario installare ulteriormente un boiler o collegarsi alle reti centralizzate.

Le pompe di calore aria-aria sono il modo ottimale per riscaldare edifici costruiti in legno o in pannelli SIP. Queste costruzioni hanno basse perdite di calore, la potenza della pompa di calore ad aria è più che sufficiente per il loro riscaldamento.

Nel periodo estivo, la pompa di calore aria-aria può essere utilizzata per riscaldare l'acqua della piscina

Differenze sostanziali rispetto al condizionatore

Esternamente, la pompa di calore aria-aria è simile a un condizionatore domestico. Ma ha le sue particolari caratteristiche costruttive e prestazioni tecniche.

Il primo dispositivo viene utilizzato come fonte principale di riscaldamento, che funziona tutto l'anno. Il secondo è invece più destinato al raffreddamento dell'aria durante la calura estiva.

La funzione principale della pompa di calore è il riscaldamento. Tuttavia, molti modelli sono anche in grado di raffreddare l'aria ambientale. Ma in questa modalità di funzionamento, sono nettamente inferiori al condizionatore per quanto riguarda l'efficienza energetica. Si tratta piuttosto di un caso estremo del loro utilizzo.

Per aspetto esteriore, il condizionatore e la pompa di calore aria-aria sono simili, ma hanno scopi e caratteristiche operative completamente diversi.

D'altra parte, anche molti condizionatori inverter possono riscaldare l'aria negli ambienti. Ma consumano molta più elettricità delle pompe di calore. Ogni dispositivo ha il suo scopo.

L'utilizzo della pompa di calore aria-aria è innanzitutto una transizione verso fonti di energia rinnovabile.

Questi sistemi sono economicamente vantaggiosi, nonostante i grandi investimenti iniziali. La riduzione delle spese di riscaldamento compensa tutti i costi iniziali.

Selezione e calcoli della pompa di calore

La pompa di calore aria-aria sarà efficace solo se selezionata correttamente. È necessario calcolare in anticipo la sua potenza in base alla metratura della casa. Solo dopo si possono vedere i prezzi dei diversi produttori.

Nei calcoli si utilizza il coefficiente di efficienza energetica COP (rapporto tra la potenza della pompa di calore e l'energia consumata).

In condizioni “ideali”, raggiunge spesso 4–5 punti, mentre i modelli più moderni arrivano fino a 7–8. Tuttavia, quando la temperatura esterna scende a -15–20°C, questo valore cala bruscamente fino a solo due.

La pompa di calore fornisce la massima produttività di riscaldamento a temperature esterne comprese tra -10…+10 gradi Celsius, poiché prende fino a ¾ dell'energia termica dall'esterno.

Nel calcolo del riscaldamento ad aria è necessario considerare:

• l'isolamento termico e l'irraggiamento solare degli ambienti;
• la superficie delle stanze;
• il numero di persone che vivono nella casa;
• le condizioni climatiche generali della zona in cui si trova la casa.

Per la maggior parte delle case, per ogni dieci metri quadrati sono necessari circa 0,7 kW di potenza della pompa di calore. Ma tutto qui è abbastanza approssimativo. Se i soffitti sono più alti di 2,7 m o le pareti e le finestre sono poco isolate, sarà necessario più calore.

I produttori di pompe di calore aria-aria sono numerosi sia in Asia che in Europa.

Le recensioni positive sono assegnate ai sistemi di Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic e Toshiba. Praticamente tutti i loro modelli sono adattati alle condizioni operative locali e hanno dato buona prova di sé.

Anche in caso di sbalzi di tensione, non si rompono e continuano a funzionare correttamente dopo il ripristino dell'alimentazione.

Il prezzo delle pompe di calore aria-aria più diffuse varia da 900 a 4.500 €. Molto dipende non solo dalla potenza dell'unità, ma anche dalle funzionalità aggiuntive e dal paese di produzione.

Alcuni modelli sono dotati di:

• filtri per la pulizia e la sanificazione dell'aria;
• riscaldatori di riserva;
• generatori elettrici;
• moduli GSM per il controllo del sistema;
• ionizzatori e ozonizzatori.

La pratica dimostra che con temperature inferiori a -15 °C, negli ambienti riscaldati solo con una pompa di calore aria-aria, diventa fresco. E senza un riscaldatore supplementare, il comfort nelle stanze è decisamente scarso.

Tuttavia, nelle regioni meridionali, dove tali gelate sono rare, la pompa di calore è abbastanza efficace e ripaga ampiamente la spesa grazie al risparmio energetico.

Autocostruzione da un vecchio frigorifero

Costruire da soli una pompa di calore aria-aria utilizzando compressori e condensatori separati, senza conoscenze ingegneristiche specialistiche, è piuttosto complesso. Ma per una piccola stanza o una serra, si può utilizzare un vecchio frigorifero.

La pompa di calore ad aria più semplice si può realizzare da un frigorifero, facendo passare un condotto dall'esterno e montando una ventola sulla griglia posteriore dello scambiatore di calore.

A tale scopo, è necessario praticare due fori nello sportello anteriore del frigorifero. Attraverso il primo, l'aria esterna entrerà nel congelatore, mentre attraverso il secondo, quello inferiore, verrà reimmessa all'esterno.

In questo modo, durante il passaggio attraverso la camera interna, l'aria cederà parte del suo calore al freon.

Si può anche semplicemente incassare il frigorifero nel muro con lo sportello aperto verso l'esterno e lo scambiatore di calore posteriore verso l'interno. Tuttavia, si deve tenere presente che la potenza di tale riscaldatore sarà ridotta e consumerà molta elettricità.

L'aria nella stanza viene riscaldata dallo scambiatore di calore posteriore del frigorifero. Tuttavia, questa pompa di calore può funzionare solo con temperature esterne non inferiori a più cinque gradi Celsius.

Questo elettrodomestico è progettato esclusivamente per l'uso in ambienti interni.

In un grande cottage, il sistema di riscaldamento ad aria dovrà essere integrato con condotti che distribuiscono l'aria calda uniformemente in tutti gli ambienti.

L'installazione di una pompa di calore aria-aria è estremamente semplice. È necessario installare le unità esterna e interna, e poi collegarle tra loro con un circuito contenente il fluido termovettore.

La prima parte dell'impianto viene installata all'esterno: direttamente sulla facciata, sul tetto o vicino all'edificio. La seconda, all'interno della casa, può essere posizionata sul soffitto o sulla parete.

Si consiglia di montare l'unità esterna a qualche metro dall'ingresso del cottage e lontano dalle finestre, senza dimenticare il rumore prodotto dal ventilatore.

L'unità interna viene installata in modo tale che il flusso di aria calda si diffonda uniformemente in tutta la stanza.

Se si prevede di riscaldare una casa con più stanze su piani diversi con una pompa di calore aria-aria, sarà necessario predisporre un sistema di canali di ventilazione con immissione forzata.

In questo caso è meglio affidare il progetto a un ingegnere competente, altrimenti la potenza della pompa di calore potrebbe non essere sufficiente per tutti gli ambienti.

Il contatore elettrico e il dispositivo di protezione devono sopportare i carichi di punta generati dalla pompa di calore. In caso di un improvviso abbassamento della temperatura esterna, il compressore inizia a consumare molta più elettricità del normale.

Per questo tipo di riscaldatore ad aria, è meglio predisporre una linea di alimentazione separata dal quadro di distribuzione.

Occorre prestare particolare attenzione al montaggio dei tubi del freon. Anche la minima scheggia all'interno potrebbe danneggiare il compressore.

Qui non si può fare a meno delle competenze di saldatura del rame. La ricarica del refrigerante andrebbe affidata a un professionista per evitare successivi problemi di perdite.

Le istruzioni passo passo per la realizzazione di una pompa di calore da un frigorifero sono descritte in questo articolo.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Principio di funzionamento del sistema split termico «aria-aria»:

Pompa di calore ad aria nel sistema di riscaldamento di una casa a due piani:

Condizionatore inverter o pompa di calore ad aria – quale è meglio?

Le pompe di calore che funzionano secondo il principio «aria-aria» sono dispositivi ad alta efficienza. Sono semplici da manutenere, comode da usare ed economiche.

Attualmente in vendita c'è una vastissima gamma di tali sistemi; per ogni casa si può scegliere un impianto di riscaldamento. Basta calcolare correttamente la sua potenza, e allora funzionerà efficacemente per molti anni.

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