Il risparmio energetico domestico associato a un elevato comfort all'interno delle abitazioni, continua ad essere un tema estremamente attuale e molto importante. Nei prossimi anni anche l'Italia affronterà uno dei cambiamenti più significativi e pervasivi in termini di riscaldamento domestico e, in generale, nel miglioramento della qualità di vita in casa. Per questo oggi vogliamo porre la vostra attenzione sulle pompe di calore, il loro funzionamento e le differenze grazie all'aiuto di un'azienda leader nel settore: Clivet.
IL CASO DEI PAESI NORDICI
Le pompe di calore non sono una novità per l’Europa, basti pensare che nei paesi nordici, su tutti Svezia, Finlandia e Norvegia, già da tempo è stato incentivato il passaggio dai generatori tradizionali alle pompe di calore. O, meglio, sono stati disincentivati installazione e utilizzo di generatori a combustibili fossili con l’applicazione di una tassa basata sulle emissioni di CO2 che, a partire dal 1991, è andata via via crescendo. Questo ha portato gli utenti finali a prediligere l’installazione di pompe di calore, in quanto è diventato più conveniente il generatore funzionante ad elettricità rispetto a quello a combustibile fossile. E, aumentando l’utilizzo, anche gli utenti finali si sono resi conto che le pompe di calore hanno un buon funzionamento anche in riscaldamento, non solo in raffrescamento.
Dai primi anni 2000 si è assistito poi ad un incremento esponenziale dell’installazione delle pompe di calore e, tra i molteplici benefici, c’è soprattutto la riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera.
Per quanto riguarda l’Italia, le pompe di calore sono sempre state associate al raffrescamento. Questo perché, fino a qualche anno fa, a livello residenziale, le pompe di calore più diffuse erano le aria/aria, utili per raffrescare le case nel periodo estivo. Negli ultimi anni, con l’aumento degli isolamenti nei fabbricati, la richiesta di fabbisogno energetico è diminuita e ha cominciato a prender piede l’installazione di pompe di calore idroniche (aria/acqua), sia nelle versioni full electric che, nei climi più rigidi, ibride.
RIPASSINO DI TERMODINAMICA
Per chi è proprio a digiuno di termodinamica può essere utile un breve ripassino su alcuni concetti base:
- Il freddo è in realtà assenza di calore. Quindi per ottenerlo dobbiamo togliere calore a un fluido (l'aria o l'acqua ad esempio).
- Il calore, in natura, si sposta da una zona calda a una più fredda: se abbiamo una stanza con un fuoco acceso a destra, il flusso di calore sarà da destra verso sinistra finché non si raggiungerà uniformità di temperatura. Il trasferimento di calore è più veloce quando la differenza di temperatura tra due mezzi è maggiore.
- La temperatura misura l'energia cinetica di un oggetto, fotografandone lo stato. Il calore è invece un flusso di energia da un luogo/oggetto all'altro.
I sistemi di riscaldamento e raffreddamento non fanno altro che seguire le leggi della termodinamica utilizzando un refrigerante, sostanza che può essere manipolata per assorbire e rilasciare calore.
Ovviamente la manipolazione richiede del "lavoro" (e quindi dell'energia) in alcune fasi del suo ciclo, per questo serve un ingrediente esterno (l'elettricità) che alimenta un compressore influendo sulla pressione che, per fisica, aumenta temperatura e attività cinetica delle molecole. Vedremo di seguito che, oltre alle leggi naturali della termodinamica, il nostro ciclo di riscaldamento o raffreddamento funziona con:
- elettricità
- variazione di pressione
- cambiamento di stato (da liquido a gassoso e viceversa)
POMPA DI CALORE ARIA-ARIA VS ARIA-ACQUA
Ormai da tempo, anche prendendo in considerazione le sole pompe di calore aria-aria, i sistemi di condizionamento con gli split sono in grado di produrre anche aria calda e quindi di riscaldare gli ambienti. A incrementare il campo di impiego, però, ci hanno pensato sistemi più evoluti che si basano sulle pompe di calore aria-acqua.
Il principio di funzionamento è lo stesso visto che l'unità esterna parte sempre dall'aria, ma lo scambio termico avviene con un circuito alimentato ad acqua. Questo circuito si collega, in un'installazione tipica, con due altri elementi. Il primo è formato da un'autostrada di tubi nascosti sotto il pavimento (o a soffitto) che raffredda o riscalda gli ambienti facendo passare acqua in temperatura inferiore o maggiore a quella ambientale. Ci sono poi i retrofit parziali dove l'acqua riscaldata viene portata ai radiatori esistenti, sostituendo quindi la caldaia a gas con la pompa di calore.
Il secondo è invece il circuito che serve a generare acqua calda sanitaria (anche in estate) ed è generalmente collegato ad un accumulo (serbatoio) isolato termicamente per evitare dispersioni. Qui l'acqua riscaldata resta a disposizione, e per le emergenze, esiste un riscaldatore rapido che agisce in maniera simile al classico "boiler" elettrico.
COME FUNZIONA UNA POMPA DI CALORE
Di base una pompa di calore contiene un liquido refrigerante che evapora nello scambiatore di calore, cambia il suo stato da liquido a gassoso e assorbe il calore dal circuito dell'acqua, riducendone la temperatura. Il compressore, alimentato dall'elettricità, si occupa poi di comprimere il refrigerante nel suo stato gassoso cambiandone la pressione e, di conseguenza e per leggi della fisica, la temperatura.
A questo punto il sistema si trova con il refrigerante gassoso ad alta pressione e ad alta temperatura che viene convogliato verso lo scambiatore di calore esterno. Qui avviene un altro passaggio dato che il calore viene rilasciato e il gas passa nuovamente allo stato liquido (situazione in cui sentite con la mano che la pompa di calore emette aria calda). L'ultimo passaggio del ciclo è quello che forza il refrigerante, ora liquido, tramite una valvola di espansione a controllo elettronico: qui la pressione cala in maniera repentina, la temperatura si abbassa e il liquido prosegue nel suo ciclo.
In modalità raffreddamento il calore viene scambiato tra refrigerante (nell'evaporatore) e circuito dell'acqua. In modalità riscaldamento, il calore viene scambiato tra il refrigerante e l'aria/l'acqua.
Modalità riscaldamento
Trattandosi di un ciclo, è chiaro che se lavoriamo in inversione, si può portare in casa il calore invece di dissiparlo all'esterno. Si parte sempre dallo scambiatore di calore esterno: qui il liquido refrigerante assorbe il calore dall'ambiente e passa dallo stato liquido a quello gassoso.
Può sembrare impossibile, ma anche in condizioni di freddo, il liquido refrigerante è in grado di assorbire calore proprio perché esiste comunque un delta termico tra l'aria e il liquido.
Il circuito si trova quindi nella fase in cui il refrigerante è diventato gassoso: interviene ora il compressore che lo comprime aumentando la pressione (e di conseguenza la temperatura). Il refrigerante in questo stato passa dallo scambiatore di calore dell'unità interna dove accadono due cose: cede il calore al circuito ad acqua (quello che va nel pavimento o nei radiatori a parete) e passa nuovamente dallo stato gassoso a quello liquido. Si conclude poi il ciclo con il passaggio nella valvola di espansione che porta ad un calo di pressione e temperatura. Quanto descritto sopra vale, ovviamente, anche per la produzione di acqua calda sanitaria, semplicemente c'è una valvola a tre vie che dirotta verso il serbatoio di accumulo.
Green
22 Ott
CHI � CLIVET
Poste le basi tecniche di funzionamento, parliamo brevemente di Clivet, azienda che ci ha invitati a scoprire le soluzioni integrate per la casa. Oggi parte del gruppo Midea (l'acquisizione è del 2016), Clivet nasce a Belluno nel 1989 e da 35 anni si occupa di pompe di calore. Oggi, vista la direzione dalle Case Green, Clivet realizza sistemi integrati che abbracciano l'intera casa: il concetto è quello di ottimizzare per ridurre gli sprechi, esattamente come accade nelle auto elettriche dove il calore generato dalle batterie viene convogliato nell'abitacolo per riscaldare ad esempio.
La gamma di prodotti di Clivet propone soluzioni per ogni esigenza, dalla casa all'industria, e include riscaldamento, raffreddamento, rinnovo dell'aria (le VMC) e produzione di acqua calda sanitaria, senza dimenticare i pannelli solari termici per efficientare al meglio il sistema (qui la differenza tra solare termico e fotovoltaico) e le batterie di accumulo per diventare sempre più autosufficienti energeticamente.
Ogni progetto CLIVET per essere validato passa attraverso una serie di test, performance, rumore, strutturali, elettromagnetici e di sicurezza che vengono condotti nell' Innovation Center.
Qui gli operatori specializzati e formati hanno a disposizione tutti gli equipaggiamenti utili, tra cui 14 camere climatiche, divise tra residenziali e industriali, atte a testare unità da 0 a 2500 kW nelle diverse condizioni ambientali (-30:+60 °C e 10-90% RH - relative Humidity- in aria e -15:+80 °C in acqua anche glicolata) in modo di testare le unità in tutto il loro range di funzionamento verificandone la corretta progettazione.
Ad affiancare questo primo polo, c'è poi la University dove si formano progettisti e installatori e, infine, c'è la rete vendita e assistenza con 160 centri servizio nel nostro Paese da Nord a Sud.
A monte di tutto c'è poi la Ricerca & Sviluppo: il quartier generale è italiano, a Feltre, ed è presente anche anche un polo a Milano e uno se ne aggiungerà a breve a Padova.
In occasione della nostra visita alle strutture Clivet di Feltre abbiamo poi potuto fare alcune domande a chi si occupa della ricerca e sviluppo e qui di seguito trovate un estratto di questa nostra intervista:
Come è stato formato il team di ricerca e sviluppo e quali competenze apporta al settore?
Il team di ricerca e sviluppo delle pompe di calore Clivet è partito dal team di sviluppo delle unità interne delle pompe di calore Clivet. Nel settembre 2022, a questo primo team si è aggiunto un gruppo di esperti nello sviluppo di unità esterne per pompe di calore inviati qui a Clivet dalla sede centrale di Midea, e nel frattempo è stato creato un team di ricerca tecnica dedicato alle pompe di calore, fino a formare un team di ricerca e sviluppo di pompe di calore completo, che comprende team di sviluppo di unità interne ed esterne e team di ricerca tecnica, e che ancora oggi sta crescendo rapidamente.
Ci concentriamo sulla ricerca e sullo sviluppo di tecnologie e prodotti di nuova generazione per le pompe di calore, come l'alta efficienza energetica, l'elevata temperatura dell'acqua di scarico e l'estrema silenziosità delle pompe di calore con refrigerante naturale; abbiamo lanciato la pompa di calore Edge F a carica di refrigerante naturale R290 con un GWP di 3 alla fine dell'anno scorso e un'altra serie di pompe di calore R290 con un'efficienza ancora più elevata e una minore rumorosità è in fase di sviluppo e il lancio è previsto per la prima metà del prossimo anno.
Quali sono i punti di forza delle capacità di R&D?
Siamo un team multiculturale composto da decine di esperti tecnici provenienti da diversi Paesi e settori, e ogni giorno ci scambiamo idee e pensieri diversi. Inoltre, abbiamo diversi siti di R&D situati a Feltre, Milano, Padova e in Cina, il che ci permette di sfruttare i diversi punti di forza delle varie regioni, come Milano con una forte capacità di progettazione industriale, Padova con molte risorse di ricerca universitaria, la Cina con una catena di fornitura competitiva, un'alta efficienza e ricche risorse di test, ecc.
Può fornire esempi di innovazioni o progetti che evidenziano la capacità tecnologica del suo team?
Prendiamo ad esempio la pompa di calore R290 di nuova generazione che stiamo sviluppando: le esigenze di marketing sono state raccolte e analizzate dal team di product manager locale, lo schema estetico professionale e alla moda è stato scolpito dal team di design industriale di Milano, il compressore ad alta efficienza e bassa rumorosità è stato sviluppato dal team cinese, mentre le qualifiche di unità e componenti e la verifica della sicurezza sono state condotte dai team di collaudo e certificazione locali; con questo nuovissimo progetto abbiamo sviluppato molte tecnologie all'avanguardia, come la tecnologia a bassissima rumorosità, la tecnologia della centralina elettrica sigillata, la tecnologia della sicurezza, la tecnologia ad alta efficienza, ecc.
APPLICAZIONI PRATICHE
SMART BIOHOUSE: LA BIOCASA
La prima abitazione analizzata è una biocasa prefabbricata, dotata di telaio in legno, isolamento in fibra di legno e cappotto in lana di roccia. Il proprietario ha optato per il sistema Clivet Smart Living, con l'intento di massimizzare l'autonomia energetica e garantire il comfort abitativo durante tutto l'anno. Alla base di questa innovativa configurazione troviamo quattro elementi chiave:
- Pompa di calore SPHERA EVO 2.0: Con tecnologia inverter e refrigerante R32 a basso impatto ambientale, questa pompa di calore si occupa di riscaldamento, raffrescamento e produzione di acqua calda sanitaria con serbatoio di accumulo da 250 litri.
- ELFOFresh EVO: Un sistema avanzato di rinnovo e purificazione dell'aria, efficace nel filtrare nanoparticelle, PM10, fumi, virus, batteri e pollini. Oltre a purificare l'aria, funziona come deumidificatore (immettendo aria a umidità controllata) e recupera l'energia termica dall'aria espulsa.
- Sensori di umidità e temperatura: Installati in ogni stanza, permettono di gestire con precisione riscaldamento, raffreddamento e deumidificazione.
- Controller centralizzato Control4 NRG: Il cuore del sistema, che regola automaticamente il riscaldamento, il raffrescamento, la qualità dell'aria e l'energia prodotta, garantendo la massima efficienza.
A supporto di questi sistemi, la casa è dotata di pannelli fotovoltaici da 5 kW e di una batteria di accumulo da 15 kWh, in grado di immagazzinare l'energia prodotta, rendendo la casa autonoma anche in assenza di produzione fotovoltaica.
RISTRUTTURAZIONE DI UNA BIOFAMILIARE
ll secondo esempio si concentra sulla ristrutturazione di una bifamiliare degli anni '70, situata in provincia di Belluno. In questo caso, il sistema Clivet Smart Living è stato adottato per ridurre i consumi energetici e migliorare la qualità dell'aria, mantenendo il sistema di riscaldamento a radiatori. La ristrutturazione è stata eseguita in due fasi e nella seconda fase è andata a eliminare la caldaia a gasolio da 35 kW utilizzata in precedenza:
- Nella prima fase, nel 2023, sono stati installati un cappotto termico, un impianto fotovoltaico da 6 kW e il sistema di rinnovo dell'aria ELFOFresh Evo, sfruttando incentivi fiscali per le ristrutturazioni edilizie (50%).
- Nella seconda fase, nel 2024, la vecchia caldaia è stata sostituita con due pompe di calore EDGE F da 4,5 kW con refrigerante naturale R290, che gestiscono sia il riscaldamento sia il raffrescamento estivo grazie all'aggiunta di fancoil per i mesi più caldi. A corredo è stato messo un accumulo di acqua calda sanitaria da 300 litri.
Questa soluzione modulare ha permesso al proprietario di raggiungere un'elevata efficienza energetica, abbattendo i costi di gestione e migliorando il comfort abitativo.
VIDEO
in collaborazione con Clivet