La limitazione principale delle pompe di calore ad aria è un calo significativo delle prestazioni quando le temperature esterne raggiungono lo zero.
Le pompe di calore stanno emergendo come una soluzione efficiente per il riscaldamento degli ambienti e il condizionamento dell’aria, soprattutto se utilizzate in sistemi a flusso di refrigerante variabile. Possono eguagliare i più efficienti sistemi di climatizzazione in modalità raffreddamento e competere con il basso costo del riscaldamento a combustione utilizzando solo elettricità. Rispetto ad un riscaldatore a resistenza convenzionale, una pompa di calore consente, a seconda del modello specifico e delle condizioni operative, un risparmio compreso tra il 40 e l'80%.
Mentre le pompe di calore aria-aria scambiano il calore direttamente con l'aria esterna, le pompe di calore geotermiche sfruttano la stabilità della temperatura sotterranea per ottenere una maggiore efficienza. Considerando il prezzo elevato e le installazioni complesse di un sistema geotermico, le pompe di calore ad aria sono l’opzione più comune.
La limitazione principale delle pompe di calore ad aria è un calo significativo delle prestazioni quando le temperature esterne raggiungono lo zero. Gli ingegneri progettisti devono considerare l'effetto delle condizioni meteorologiche locali quando specificano una pompa di calore e garantire che il sistema sia dotato di misure adeguate per le temperature più basse previste.
In che modo il freddo estremo influisce sulle pompe di calore ad aria?
La sfida principale quando si utilizza una pompa di calore ad aria con temperature gelide è controllare l'accumulo di ghiaccio sulle batterie esterne. Poiché l'unità rimuove il calore dall'aria esterna già fredda, l'umidità può facilmente accumularsi e congelarsi sulla superficie delle batterie.
Sebbene il ciclo di sbrinamento della pompa di calore possa sciogliere il ghiaccio sulle batterie esterne, l'unità non può fornire il riscaldamento dell'ambiente per la durata del ciclo. Quando la temperatura esterna diminuisce, la pompa di calore deve entrare nel ciclo di sbrinamento più frequentemente per compensare la formazione di ghiaccio, e questo limita il calore fornito agli spazi interni.
Poiché le pompe di calore geotermiche non scambiano calore con l’aria esterna, sono relativamente immuni alle temperature gelide. Tuttavia, richiedono scavi che possono essere difficili da eseguire sotto gli edifici esistenti, soprattutto quelli in aree urbane affollate.
Specifica delle pompe di calore ad aria per la stagione fredda
Quando si utilizzano pompe di calore aria-aria con temperature di congelamento, esistono due modi principali per compensare la perdita di calore durante i cicli di sbrinamento:
Aggiunta di un sistema di riscaldamento di riserva, in genere un bruciatore a gas o un riscaldatore a resistenza elettrica.
Specificando una pompa di calore con misure integrate contro l'accumulo di gelo.
I sistemi di riscaldamento di riserva per pompe di calore ad aria sono una soluzione semplice, ma tendono ad aumentare i costi di proprietà del sistema. Le considerazioni sulla progettazione cambiano a seconda del tipo di riscaldamento integrativo specificato:
Un riscaldatore a resistenza elettrica funziona con la stessa fonte di energia della pompa di calore. Tuttavia, assorbe più corrente per un dato carico di riscaldamento, richiedendo una maggiore capacità di cablaggio. Anche l’efficienza complessiva del sistema diminuisce, poiché il riscaldamento a resistenza è molto meno efficiente del funzionamento a pompa di calore.
Un bruciatore a gas raggiunge un costo operativo molto inferiore rispetto a un riscaldatore a resistenza. Tuttavia, richiede una fornitura di gas e un sistema di scarico, facendo aumentare il costo dell'installazione.
Quando un sistema a pompa di calore utilizza il riscaldamento di riserva, una pratica consigliata è impostare il termostato a una temperatura moderata. Ciò riduce al minimo la frequenza del ciclo di sbrinamento e il tempo di funzionamento del sistema di riscaldamento di riserva, diminuendo il consumo energetico totale.
Pompe di calore con misure integrate contro il freddo
Le pompe di calore ad aria dei principali produttori sono generalmente classificate per temperature esterne fino a -4°F. Tuttavia, quando le unità vengono potenziate con misure per il clima freddo, il loro range operativo può estendersi al di sotto di -10°F o addirittura -20°F. Di seguito sono riportate alcune caratteristiche di progettazione comuni utilizzate dai produttori di pompe di calore per mitigare l'impatto del ciclo di sbrinamento:
Alcuni produttori includono accumulatori di calore, che possono continuare a fornire calore quando la pompa di calore entra nel ciclo di sbrinamento.
Esistono anche configurazioni con pompa di calore in cui una delle linee del refrigerante caldo circola attraverso l'unità esterna per prevenire il congelamento. Il ciclo di sbrinamento si attiva solo quando questo effetto riscaldante non è sufficiente.
Quando un sistema a pompa di calore utilizza più unità esterne, è possibile programmarle per entrare nel ciclo di sbrinamento in sequenza e non contemporaneamente. In questo modo il sistema non perde mai la sua piena capacità di riscaldamento a causa dello sbrinamento.
Le unità esterne possono essere dotate anche di custodie che proteggono l'unità dalla nevicata diretta. In questo modo l'unità dovrà occuparsi esclusivamente del ghiaccio che si forma direttamente sulle batterie.
Sebbene queste misure non eliminino completamente il ciclo di sbrinamento, possono ridurne l’impatto sulla potenza termica. Per ottenere i migliori risultati con un sistema a pompa di calore ad aria, il primo passo consigliato è una valutazione del clima locale. In questo modo è possibile definire fin dall'inizio un sistema adeguato; che è più semplice e meno costoso rispetto all'aggiornamento di un'installazione non idonea.
Misure complementari per migliorare l’efficienza della pompa di calore
Avere un sistema a pompa di calore ad alta efficienza energetica riduce le spese di riscaldamento e raffreddamento. Tuttavia, l’edificio stesso può anche essere progettato per ridurre al minimo le esigenze di raffreddamento durante l’estate e di riscaldamento durante l’inverno. Un involucro edilizio con isolamento e tenuta all’aria adeguati riduce al minimo la necessità di riscaldamento e raffreddamento, rispetto a un edificio con uno scarso isolamento e molte perdite d’aria.
I controlli della ventilazione contribuiscono anche all’efficienza del riscaldamento e del raffreddamento, regolando il flusso d’aria in base alle esigenze dell’edificio. Quando i sistemi di ventilazione funzionano sempre a pieno flusso d'aria, il volume d'aria da condizionare è maggiore. Se invece la ventilazione viene regolata in base all’occupazione, il volume totale dell’aria da climatizzare sarà inferiore.
Esiste un’ampia gamma di configurazioni di riscaldamento e raffreddamento che possono essere implementate negli edifici. Tuttavia, i costi di proprietà più bassi si ottengono quando l'installazione viene ottimizzata in base alle esigenze dell'edificio.
Articolo di Michael Tobias
Riferimento: Tobias, M. (nd). Si prega di abilitare i cookie. StackPath. https://www.contractormag.com/green/article/20883974/airsource-heat-pumps-in-cold-weather.
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Orario di pubblicazione: 16 marzo 2022