Riscaldamento e raffreddamento con una pompa di calore-Parte 1

introduzione

Se stai esplorando le opzioni per riscaldare e rinfrescare la tua casa o ridurre le bollette energetiche, potresti prendere in considerazione un sistema a pompa di calore. Le pompe di calore sono una tecnologia collaudata e affidabile in Canada, in grado di fornire il controllo del comfort per tutto l'anno per la tua casa fornendo calore in inverno, rinfrescando in estate e, in alcuni casi, riscaldando l'acqua calda per la tua casa.

Le pompe di calore possono essere una scelta eccellente in una varietà di applicazioni, sia per le nuove case che per la ristrutturazione di sistemi di riscaldamento e raffreddamento esistenti. Costituiscono anche un’opzione quando si sostituiscono i sistemi di condizionamento d’aria esistenti, poiché il costo incrementale per passare da un sistema di solo raffreddamento a una pompa di calore è spesso piuttosto basso. Data la ricchezza di diversi tipi di sistemi e opzioni, spesso può essere difficile determinare se una pompa di calore è l’opzione giusta per la tua casa.

Se stai considerando una pompa di calore, probabilmente avrai una serie di domande, tra cui:

• Quali tipi di pompe di calore sono disponibili?
• Quanta parte del mio fabbisogno annuale di riscaldamento e raffreddamento può fornire una pompa di calore?
• Di quale taglia di pompa di calore ho bisogno per la mia casa e per la mia applicazione?
• Quanto costano le pompe di calore rispetto ad altri sistemi e quanto potrei risparmiare sulla bolletta energetica?
• Dovrò apportare ulteriori modifiche alla mia casa?
• Quanta manutenzione richiederà il sistema?

Questo opuscolo fornisce informazioni importanti sulle pompe di calore per aiutarti a essere più informato, aiutandoti a fare la scelta giusta per la tua casa. Utilizzando queste domande come guida, questo opuscolo descrive i tipi più comuni di pompe di calore e discute i fattori coinvolti nella scelta, installazione, funzionamento e manutenzione di una pompa di calore.

Pubblico previsto

Questo opuscolo è destinato ai proprietari di case che cercano informazioni di base sulle tecnologie delle pompe di calore al fine di supportare un processo decisionale informato in merito alla selezione e all'integrazione, al funzionamento e alla manutenzione del sistema. Le informazioni fornite qui sono generali e i dettagli specifici possono variare a seconda dell'installazione e del tipo di sistema. Questo opuscolo non deve sostituire la collaborazione con un appaltatore o un consulente energetico, che garantirà che l'installazione soddisfi le vostre esigenze e gli obiettivi desiderati.

Una nota sulla gestione energetica in casa

Le pompe di calore sono sistemi di riscaldamento e raffreddamento molto efficienti e possono ridurre significativamente i costi energetici. Considerando la casa come un sistema, si raccomanda di ridurre al minimo le perdite di calore provenienti da aree quali perdite d'aria (attraverso fessure, buchi), pareti, soffitti, finestre e porte scarsamente isolati.

Affrontare prima questi problemi può consentire di utilizzare una pompa di calore di dimensioni più piccole, riducendo così i costi delle apparecchiature della pompa di calore e consentendo al sistema di funzionare in modo più efficiente.

Presso Natural Resources Canada sono disponibili numerose pubblicazioni che spiegano come eseguire questa operazione.

Cos’è una pompa di calore e come funziona?

Le pompe di calore sono una tecnologia collaudata utilizzata da decenni, sia in Canada che a livello globale, per fornire in modo efficiente riscaldamento, raffreddamento e, in alcuni casi, acqua calda agli edifici. È probabile, infatti, che tu interagisca quotidianamente con la tecnologia delle pompe di calore: frigoriferi e condizionatori funzionano utilizzando gli stessi principi e la stessa tecnologia. Questa sezione presenta le nozioni di base sul funzionamento di una pompa di calore e presenta diversi tipi di sistema.

Concetti base della pompa di calore

Una pompa di calore è un dispositivo azionato elettricamente che estrae il calore da un luogo a bassa temperatura (una fonte) e lo consegna a un luogo a temperatura più elevata (un lavandino).

Per comprendere questo processo, pensa a un giro in bicicletta su una collina: non è richiesto alcuno sforzo per andare dalla cima della collina al fondo, poiché la bici e il ciclista si sposteranno naturalmente da un luogo alto a uno più basso. Tuttavia, salire in salita richiede molto più lavoro, poiché la bicicletta si muove contro la direzione naturale del movimento.

In modo simile, il calore fluisce naturalmente dai luoghi con temperatura più alta verso luoghi con temperatura più bassa (ad esempio, in inverno, il calore dall'interno dell'edificio viene disperso verso l'esterno). Una pompa di calore utilizza energia elettrica aggiuntiva per contrastare il flusso naturale di calore e pompare l’energia disponibile in un luogo più freddo in uno più caldo.

Quindi, come fa una pompa di calore a riscaldare o rinfrescare la tua casa? Quando l'energia viene estratta da una fonte, la temperatura della fonte viene ridotta. Se si utilizza la casa come fonte, l’energia termica verrà rimossa, raffreddando questo spazio. Ecco come funziona una pompa di calore in modalità raffreddamento, ed è lo stesso principio utilizzato dai condizionatori e dai frigoriferi. Allo stesso modo, quando si aggiunge energia ad un lavandino, la sua temperatura aumenta. Se la casa viene utilizzata come lavandino, verrà aggiunta energia termica, riscaldando l'ambiente. Una pompa di calore è completamente reversibile, il che significa che può riscaldare e rinfrescare la tua casa, garantendo comfort tutto l’anno.

Sorgenti e Pozzi per Pompe di Calore

La selezione della sorgente e del dissipatore per il tuo sistema a pompa di calore contribuisce notevolmente a determinare le prestazioni, i costi di capitale e i costi operativi del tuo sistema. Questa sezione fornisce una breve panoramica delle fonti e dei pozzi più comuni per le applicazioni residenziali in Canada.

Fonti: due fonti di energia termica sono più comunemente utilizzate per il riscaldamento delle case con pompe di calore in Canada:

• Sorgente aria: la pompa di calore preleva calore dall'aria esterna durante la stagione di riscaldamento e respinge il calore all'esterno durante la stagione di raffreddamento estiva.
• Può sorprendere sapere che anche quando le temperature esterne sono fredde è ancora disponibile una buona quantità di energia che può essere estratta e consegnata all’edificio. Ad esempio, il contenuto termico dell'aria a -18°C equivale all'85% del calore contenuto a 21°C. Ciò consente alla pompa di calore di fornire una buona quantità di riscaldamento, anche durante i periodi più freddi.
• I sistemi ad aria sono i più comuni sul mercato canadese, con oltre 700.000 unità installate in tutto il Canada.
• Questo tipo di sistema è discusso più dettagliatamente nella sezione Pompe di calore ad aria.
• Geotermica: una pompa di calore geotermica utilizza la terra, l’acqua freatica o entrambe come fonte di calore in inverno e come serbatoio per respingere il calore rimosso dalla casa in estate.
• Queste pompe di calore sono meno comuni delle unità ad aria, ma stanno diventando sempre più utilizzate in tutte le province del Canada. Il loro vantaggio principale è che non sono soggetti a fluttuazioni estreme di temperatura, utilizzando il terreno come fonte di temperatura costante, risultando nel tipo di sistema a pompa di calore più efficiente dal punto di vista energetico.
• Questo tipo di sistema è discusso più dettagliatamente nella sezione Pompe di calore geotermiche.

Lavandini: due dissipatori per l'energia termica sono più comunemente utilizzati per il riscaldamento delle case con pompe di calore in Canada:

• L'aria interna viene riscaldata dalla pompa di calore. Questo può essere fatto attraverso:L'acqua all'interno dell'edificio viene riscaldata. Quest'acqua può poi essere utilizzata per servire impianti terminali come radiatori, pavimento radiante o ventilconvettori tramite un sistema idronico.
  • Un sistema canalizzato centralmente o
  • Un'unità interna senza condotto, come un'unità montata a parete.

Un'introduzione all'efficienza della pompa di calore

Forni e caldaie forniscono il riscaldamento degli ambienti aggiungendo calore all'aria attraverso la combustione di un combustibile come gas naturale o gasolio da riscaldamento. Sebbene i rendimenti siano costantemente migliorati, rimangono ancora al di sotto del 100%, il che significa che non tutta l’energia disponibile dalla combustione viene utilizzata per riscaldare l’aria.

Le pompe di calore funzionano secondo un principio diverso. L'energia elettrica immessa nella pompa di calore viene utilizzata per trasferire l'energia termica tra due luoghi. Ciò consente alla pompa di calore di funzionare in modo più efficiente, con efficienze tipiche ben superiori

100%, cioè viene prodotta più energia termica rispetto alla quantità di energia elettrica utilizzata per pomparla.

È importante notare che l'efficienza della pompa di calore dipende molto dalle temperature della sorgente e del pozzo. Proprio come una collina più ripida richiede uno sforzo maggiore per salire in bicicletta, maggiori differenze di temperatura tra la sorgente e il dissipatore della pompa di calore richiedono un lavoro maggiore e possono ridurre l’efficienza. Determinare la giusta dimensione della pompa di calore per massimizzare l’efficienza stagionale è fondamentale. Questi aspetti sono discussi più dettagliatamente nelle sezioni Pompe di calore aria-aria e Pompe di calore geotermiche.

Terminologia dell'efficienza

Nei cataloghi dei produttori vengono utilizzati numerosi parametri di efficienza, che possono rendere alquanto confusa la comprensione delle prestazioni del sistema per un acquirente alle prime armi. Di seguito è riportata una ripartizione di alcuni termini di efficienza comunemente utilizzati:

Metriche allo stato stazionario: queste misure descrivono l'efficienza della pompa di calore in uno "stato stazionario", ovvero senza fluttuazioni reali della stagione e della temperatura. Pertanto, il loro valore può cambiare in modo significativo al variare delle temperature di sorgente e pozzo e di altri parametri operativi. Le metriche dello stato stazionario includono:

Coefficiente di prestazione (COP): Il COP è un rapporto tra la velocità con cui la pompa di calore trasferisce l'energia termica (in kW) e la quantità di energia elettrica necessaria per eseguire il pompaggio (in kW). Ad esempio, se una pompa di calore utilizzasse 1 kW di energia elettrica per trasferire 3 kW di calore, il COP sarebbe 3.

Indice di efficienza energetica (EER): l'EER è simile al COP e descrive l'efficienza di raffreddamento a stato stazionario di una pompa di calore. Si determina dividendo la capacità di raffreddamento della pompa di calore in Btu/h per l'energia elettrica assorbita in Watt (W) ad una temperatura specifica. L'EER è strettamente associato alla descrizione dell'efficienza di raffreddamento in stato stazionario, a differenza del COP che può essere utilizzato per esprimere l'efficienza di una pompa di calore sia in riscaldamento che in raffreddamento.

Metriche delle prestazioni stagionali: queste misure sono progettate per fornire una stima migliore delle prestazioni durante una stagione di riscaldamento o raffreddamento, incorporando le variazioni “reali” delle temperature durante la stagione.

Le metriche stagionali includono:

• Fattore di prestazione stagionale del riscaldamento (HSPF): HSPF è il rapporto tra la quantità di energia che la pompa di calore fornisce all'edificio durante l'intera stagione di riscaldamento (in Btu) e l'energia totale (in Wattora) utilizzata nello stesso periodo.

Le caratteristiche dei dati meteorologici delle condizioni climatiche a lungo termine vengono utilizzate per rappresentare la stagione di riscaldamento nel calcolo dell'HSPF. Tuttavia, questo calcolo è generalmente limitato a una singola regione e potrebbe non rappresentare completamente la performance in tutto il Canada. Alcuni produttori possono fornire su richiesta un HSPF per un'altra regione climatica; tuttavia in genere gli HSPF sono riportati per la regione 4, che rappresenta climi simili a quelli del Midwest degli Stati Uniti. La regione 5 coprirebbe la maggior parte della metà meridionale delle province del Canada, dall'interno del BC fino al New BrunswickFootnote1.

• Indice di efficienza energetica stagionale (SEER): SEER misura l'efficienza di raffreddamento della pompa di calore durante l'intera stagione di raffreddamento. Viene determinato dividendo il raffreddamento totale fornito durante la stagione di raffreddamento (in Btu) per l'energia totale utilizzata dalla pompa di calore durante quel periodo (in Watt-ora). Il SEER si basa su un clima con una temperatura media estiva di 28°C.

Terminologia importante per i sistemi a pompa di calore

Ecco alcuni termini comuni che potresti incontrare mentre esplori le pompe di calore.

Componenti del sistema a pompa di calore

Il refrigerante è il fluido che circola attraverso la pompa di calore, assorbendo, trasportando e rilasciando alternativamente calore. A seconda della sua ubicazione, il fluido può essere liquido, gassoso o una miscela gas/vapore

La valvola di inversione controlla la direzione del flusso del refrigerante nella pompa di calore e cambia la pompa di calore dalla modalità riscaldamento a quella raffreddamento o viceversa.

Una serpentina è uno o più anelli di tubi in cui avviene il trasferimento di calore tra la sorgente/dissipatore e il refrigerante. La tubazione può essere provvista di alette per aumentare la superficie disponibile per lo scambio termico.

L'evaporatore è una serpentina in cui il refrigerante assorbe calore dall'ambiente circostante e bolle fino a diventare vapore a bassa temperatura. Quando il refrigerante passa dalla valvola di inversione al compressore, l'accumulatore raccoglie l'eventuale liquido in eccesso che non è stato vaporizzato trasformandosi in gas. Non tutte le pompe di calore però sono dotate di accumulatore.

Il compressore comprime insieme le molecole del gas refrigerante, aumentando la temperatura del refrigerante. Questo dispositivo aiuta a trasferire l'energia termica tra la sorgente e il pozzo.

Il condensatore è una serpentina in cui il refrigerante cede calore all'ambiente circostante e diventa liquido.

Il dispositivo di espansione abbassa la pressione creata dal compressore. Ciò fa sì che la temperatura scenda e il refrigerante diventi una miscela vapore/liquido a bassa temperatura.

L'unità esterna è il luogo in cui il calore viene trasferito da/verso l'aria esterna in una pompa di calore ad aria. Questa unità generalmente contiene una batteria dello scambiatore di calore, il compressore e la valvola di espansione. Sembra e funziona allo stesso modo della parte esterna di un condizionatore d'aria.

La batteria interna è il luogo in cui il calore viene trasferito da/verso l'aria interna in alcuni tipi di pompe di calore ad aria. Generalmente, l'unità interna contiene una serpentina dello scambiatore di calore e può anche includere una ventola aggiuntiva per far circolare l'aria riscaldata o raffreddata nello spazio occupato.

Il plenum, presente solo nelle installazioni canalizzate, fa parte della rete di distribuzione dell'aria. Il plenum è un compartimento d'aria che fa parte del sistema di distribuzione dell'aria riscaldata o raffreddata nell'abitazione. Si tratta generalmente di un ampio compartimento immediatamente sopra o attorno allo scambiatore di calore.

Altri termini

Unità di misura per capacità o consumo energetico:

• Un Btu/h, o unità termica britannica all'ora, è un'unità utilizzata per misurare la potenza termica di un sistema di riscaldamento. Un Btu è la quantità di energia termica emessa da una tipica candela di compleanno. Se questa energia termica venisse rilasciata nel corso di un'ora, equivarrebbe a un Btu/h.
• Un kW, o kilowatt, equivale a 1000 watt. Questa è la quantità di energia richiesta da dieci lampadine da 100 watt.
• Una tonnellata è una misura della capacità della pompa di calore. Equivale a 3,5 kW o 12.000 Btu/h.

Pompe di calore ad aria

Le pompe di calore ad aria utilizzano l'aria esterna come fonte di energia termica in modalità riscaldamento e come dissipatore per respingere l'energia in modalità raffreddamento. Questi tipi di sistemi possono generalmente essere classificati in due categorie:

Pompe di calore aria-aria. Queste unità riscaldano o raffreddano l'aria all'interno della tua casa e rappresentano la stragrande maggioranza delle integrazioni di pompe di calore ad aria in Canada. Possono essere ulteriormente classificati in base alla tipologia di installazione:

• Canalizzato: la batteria interna della pompa di calore è situata in un condotto. L'aria viene riscaldata o raffreddata passando sopra la batteria, prima di essere distribuita attraverso le canalizzazioni in diversi punti della casa.
• Senza condotto: la batteria interna della pompa di calore si trova in un'unità interna. Queste unità interne sono generalmente posizionate sul pavimento o sulla parete di uno spazio occupato e riscaldano o raffreddano direttamente l'aria in quello spazio. Tra queste unità, potresti vedere i termini mini e multi-split:
  • Mini-Split: All'interno dell'abitazione è posizionata un'unica unità interna, servita da un'unica unità esterna.
  • Multi-Split: nella casa sono presenti più unità interne e sono servite da un'unica unità esterna.

I sistemi aria-aria sono più efficienti quando la differenza di temperatura tra interno ed esterno è minore. Per questo motivo, le pompe di calore aria-aria generalmente cercano di ottimizzare la loro efficienza fornendo un volume maggiore di aria calda e riscaldandola a una temperatura inferiore (normalmente tra 25 e 45°C). Ciò contrasta con i sistemi a fornace, che forniscono un volume d’aria inferiore, ma riscaldano l’aria a temperature più elevate (tra 55°C e 60°C). Se stai passando a una pompa di calore da una caldaia, potresti notarlo quando inizi a utilizzare la nuova pompa di calore.

Pompe di calore aria-acqua: meno comuni in Canada, le pompe di calore aria-acqua riscaldano o raffreddano l'acqua e vengono utilizzate nelle case con sistemi di distribuzione idronici (a base d'acqua) come radiatori a bassa temperatura, pavimenti radianti o ventilconvettori. In modalità riscaldamento, la pompa di calore fornisce energia termica al sistema idronico. Questo processo viene invertito in modalità raffreddamento e l'energia termica viene estratta dal sistema idronico e respinta nell'aria esterna.

Le temperature di esercizio nel sistema idronico sono fondamentali quando si valutano le pompe di calore aria-acqua. Le pompe di calore aria-acqua funzionano in modo più efficiente quando riscaldano l'acqua a temperature più basse, cioè inferiori a 45-50°C, e come tali si adattano meglio ai pavimenti radianti o ai sistemi a ventilconvettori. È necessario prestare attenzione se si considera il loro utilizzo con radiatori ad alta temperatura che richiedono temperature dell'acqua superiori a 60°C, poiché queste temperature generalmente superano i limiti della maggior parte delle pompe di calore residenziali.

Principali vantaggi delle pompe di calore ad aria

L’installazione di una pompa di calore ad aria può offrirti numerosi vantaggi. Questa sezione esplora come le pompe di calore ad aria possono apportare benefici all'impronta energetica della tua casa.

Efficienza

Il vantaggio principale dell’utilizzo di una pompa di calore ad aria è l’elevata efficienza che può fornire nel riscaldamento rispetto ai sistemi tipici come forni, caldaie e battiscopa elettrici. A 8°C, il coefficiente di prestazione (COP) delle pompe di calore ad aria varia tipicamente tra 2,0 e 5,4. Ciò significa che, per le unità con COP pari a 5, vengono trasferiti 5 kilowattora (kWh) di calore per ogni kWh di energia elettrica fornita alla pompa di calore. Quando la temperatura dell’aria esterna diminuisce, i COP sono più bassi, poiché la pompa di calore deve funzionare con una maggiore differenza di temperatura tra lo spazio interno ed esterno. A –8°C i COP possono variare da 1,1 a 3,7.

Su base stagionale, il fattore di prestazione stagionale del riscaldamento (HSPF) delle unità disponibili sul mercato può variare da 7,1 a 13,2 (Regione V). È importante notare che queste stime HSPF si riferiscono a un’area con un clima simile a Ottawa. I risparmi effettivi dipendono fortemente dalla posizione di installazione della pompa di calore.

Risparmio energetico

La maggiore efficienza della pompa di calore può tradursi in significative riduzioni del consumo energetico. Il risparmio effettivo nella tua casa dipenderà da una serie di fattori, tra cui il clima locale, l’efficienza del tuo sistema attuale, le dimensioni e il tipo di pompa di calore e la strategia di controllo. Sono disponibili numerosi calcolatori online per fornire una rapida stima del risparmio energetico che ci si può aspettare per la propria particolare applicazione. Lo strumento ASHP-Eval di NRCan è disponibile gratuitamente e può essere utilizzato da installatori e progettisti meccanici per fornire consulenza sulla propria situazione.

Come funziona una pompa di calore aerotermica?

Trascrizione

Una pompa di calore ad aria ha tre cicli:

• Il ciclo di riscaldamento: fornire energia termica all'edificio
• Il ciclo di raffreddamento: rimozione di energia termica dall'edificio
• Il ciclo di scongelamento: rimozione della brina
• accumuli sulle bobine esterne

Il ciclo di riscaldamento

Nota:

Alcuni articoli sono presi da Internet. In caso di violazione, contattaci per eliminarla. Se sei interessato ai prodotti a pompa di calore, non esitare a contattare l'azienda di pompe di calore OSB, siamo la scelta migliore.