Quali fattori causano la riduzione dell'efficienza della pompa di calore?
Acclamata come una soluzione chiave per sostituire il riscaldamento a combustibili fossili, la tecnologia delle pompe di calore si sta rapidamente diffondendo in tutto il mondo. Tuttavia, poiché molti impianti non riescono a raggiungere livelli di efficienza teorici nel funzionamento reale, le cause sottostanti sono sotto esame.
Un'indagine condotta dall'Energy Saving Trust (EST) del Regno Unito ha rivelato un dato sconcertante: L'83% delle pompe di calore installate nel Regno Unito non sono efficienti, con l'87% che non riesce a soddisfare il parametro minimo di efficienza energetica di una classificazione a 3 stelle.
Una ricerca condotta dall'ETH di Zurigo, in collaborazione con diverse università, ha analizzato i dati operativi reali di 1.023 pompe di calore in 10 paesi dell'Europa centrale. Sono state rilevate significative variazioni di prestazioni tra le unità, a parità di condizioni di temperatura. il divario del coefficiente di prestazione (COP) tra alcuni dispositivi ha raggiunto 2-3 volteQuesta scoperta ha spinto il settore a riesaminare i fattori critici che influiscono sull'efficienza delle pompe di calore.
01 Problemi di apparecchiature e installazione
I principali responsabili della bassa efficienza delle pompe di calore risiedono nell'apparecchiatura stessa e nella qualità dell'installazione. L'indagine EST ha identificato gestione disorganizzata del settore dell'installazione come problema fondamentale.
Simon Green, responsabile dello sviluppo commerciale di EST, ha dichiarato con franchezza: "Se installata e utilizzata correttamente, la tecnologia delle pompe di calore potrebbe ridurre significativamente le emissioni di CO₂ del Regno Unito. Tuttavia, la situazione attuale differisce notevolmente dalle nostre stime".
Nel Regno Unito, l’Heating and Hotwater Industry Council (HHIC), responsabile delle installazioni di pompe di calore residenziali, ha riconosciuto pubblicamente mancanza di manodopera sufficiente per aiutare i consumatori a scegliere prodotti adattiQuesta assenza di una guida esperta porta a frequenti errori di scelta: gli utenti spesso acquistano apparecchiature non adatte alle caratteristiche dell'edificio in cui vivono.
L'invecchiamento delle apparecchiature è un altro fattore che compromette l'efficienza. I produttori di pompe di calore ad aria moderne indicano nelle loro guide di manutenzione che componenti chiave come compressori e scambiatori di calore si usurano nel tempoUna tenuta inadeguata provoca perdite di refrigerante, riducendo l'efficienza di riscaldamento/raffreddamento, mentre l'invecchiamento degli impianti elettrici influisce direttamente sulla stabilità operativa.
02 Fattori ambientali e di progettazione
Le condizioni ambientali sono la seconda variabile principale che influenza l'efficienza. La temperatura ambiente influenza in modo decisivo l'efficienza di riscaldamento delle pompe di calore aria-aria. temperature più basse portano a un'efficienza significativamente ridotta.
La posizione di installazione è altrettanto cruciale. Il posizionamento vicino a fonti di calore o radiatori limita il flusso d'aria, compromettendo direttamente l'efficienza dello scambio termico. Anche l'umidità interna e la qualità dell'aria creano effetti a cascata sulle prestazioni di riscaldamento.
L'analisi dei dati su larga scala dell'ETH di Zurigo ha rilevato che le pompe di calore geotermiche hanno raggiunto un COP medio di 4,90, superando di gran lunga la media di 4,03 delle unità ad ariaFondamentalmente, l'efficienza dell'energia geotermica è meno influenzata dalle fluttuazioni della temperatura esterna, dimostrando prestazioni più stabili.
La ricerca ha anche scoperto un difetto di progettazione chiave: circa Il 7-11% dei sistemi a pompa di calore sono sovradimensionati, mentre circa l'1% sono sottodimensionatiQuesta discrepanza nelle dimensioni impedisce il funzionamento in condizioni ottimali, causando sprechi di energia.
03 Funzionamento e manutenzione impropri
Lo stato di manutenzione di un sistema a pompa di calore influisce direttamente sulla sua efficienza a lungo termine. La manutenzione regolare è fondamentale per garantire il normale funzionamento, ma questo requisito fondamentale viene spesso trascurato nella pratica.
Una manutenzione inadeguata può causare l'intasamento o il danneggiamento dei componenti, mentre metodi di manutenzione non standard introducono nuovi problemi. Livelli di carica del refrigerante non corretti, sia eccessivi che insufficienti, riducono significativamente l'efficienza di riscaldamento. Anche l'utilizzo di detergenti inadeguati sugli scambiatori di calore ne compromette le prestazioni.
La ricerca europea indica che riducendo l'impostazione della curva di riscaldamento di 1°C è possibile aumentare l'efficienza media della pompa di calore di 0,11 COP e ridurre il consumo energetico domestico del 2,61%Molti utenti non sono a conoscenza di tali metodi di ottimizzazione, il che si traduce in un funzionamento non ottimale per periodi prolungati.
Un'altra causa comune di perdita di efficienza sono i problemi di refrigerante. Un'insufficiente capacità di trasporto del calore del refrigerante riduce l'effettivo scambio termico per ciclo. Alcuni produttori utilizzano refrigeranti di qualità inferiore per ridurre i costi, oppure si verificano perdite durante il trasporto, con conseguente mancato raggiungimento delle temperature di progetto dell'acqua.
04 Problemi di configurazione e dimensionamento del sistema
Una configurazione inappropriata del sistema è una causa profonda di inefficienza. Le pompe di calore dedicate alla produzione di acqua calda sanitaria (ACS) mostrano valori di COP significativamente inferiori rispetto a quelle utilizzate per il riscaldamento degli ambienti, perché L'acqua calda sanitaria richiede temperature di mandata più elevateQuesta differenza nelle caratteristiche della domanda energetica viene spesso trascurata in fase di progettazione.
I problemi di dimensionamento sono particolarmente acuti nelle applicazioni residenziali. Il team dell'ETH di Zurigo ha sviluppato metriche di utilizzo per valutare l'adeguatezza del dimensionamento, scoprendo che sistemi sovradimensionati o sottodimensionati sono sorprendentemente comuni.
Nell'industria, i metodi di integrazione dei sistemi hanno un impatto critico sull'efficienza complessiva. Studi condotti su progetti di cattura della CO₂ in cementifici dimostrano che l'integrazione di pompe di calore ad alta temperatura può ridurre il costo incrementale del clinker del 32%Tuttavia, per ottenere tale ottimizzazione sono necessarie capacità di progettazione e integrazione di sistema precise, il che pone delle sfide per molti installatori.
I popolari sistemi a doppia alimentazione (raffreddamento e riscaldamento integrati) in Cina migliorano l'efficienza energetica complessiva grazie a un design innovativo. In estate, il refrigerante viene distribuito tramite unità interne a parete; in inverno, l'acqua calda circola attraverso sistemi di riscaldamento radiante a pavimento, in linea con il tradizionale principio di salute cinese "piedi caldi, testa fresca". Le configurazioni ottimizzate consentono di ottenere significativi guadagni di efficienza.
05 Soluzioni e prospettive future
Per affrontare le sfide legate all'efficienza delle pompe di calore sono necessari sia l'innovazione tecnologica sia adeguamenti politici. Una svolta dei ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong (HKUST) riguarda la lega elastica Ti₇₈Nb₂₂, ottenendo un'efficienza di variazione della temperatura 20 volte maggiore rispetto ai metalli convenzionali, raggiungendo il 90% del limite di efficienza di Carnot.
Questo materiale si riscalda e si raffredda attraverso la deformazione elastica, aprendo una nuova strada alla tecnologia delle pompe di calore allo stato solido. Il team sta attualmente sviluppando un prototipo di pompa di calore industriale basato su questa lega.
Il monitoraggio operativo e la regolazione intelligente offrono guadagni concreti in termini di efficienza. I ricercatori europei raccomandano di stabilire procedure standardizzate di valutazione delle prestazioni post-installazione e sviluppando strumenti digitali per aiutare gli utenti a ottimizzare le impostazioni. Semplici regolazioni, come la riduzione della curva di riscaldamento, consentono di ottenere notevoli risparmi energetici.
La progettazione delle politiche necessita di perfezionamento. L'esperienza tedesca dimostra che gli elevati prezzi dell'elettricità possono ostacolare l'adozione delle pompe di caloreAdeguamenti razionali alle strutture fiscali dell'energia, rendendo l'elettricità più competitiva rispetto al gas naturale, accelererebbero la sostituzione del riscaldamento a combustibili fossili.
Le applicazioni industriali hanno un enorme potenziale. I progetti di cattura della CO₂ nei cementifici che integrano pompe di calore ad alta temperatura dimostrano la capacità della tecnologia di ridurre le emissioni, riducendo al contempo i costi incrementali del clinker del 32%. Con l'espansione dell'elettricità rinnovabile e il perfezionamento della tecnologia delle pompe di calore ad alta temperatura, tali soluzioni potrebbero diventare tecnologie fondamentali per la decarbonizzazione delle industrie ad alta intensità energetica.
Il futuro percorso di sviluppo della tecnologia delle pompe di calore sta diventando più chiaro. La lega elastica Ti₇₈Nb₂₂ sviluppata dagli scienziati dei materiali dell'HKUST offre prestazioni eccezionali in laboratorio. I settori industriali stanno esplorando nuove frontiere. I progetti di cattura del carbonio nei cementifici che combinano pompe di calore ad alta temperatura con la ricompressione meccanica del vapore (MVR) hanno ridotto Costi di cattura della CO₂ a 125,9 euro per tonnellataMan mano che queste innovazioni passeranno dal laboratorio al mercato, le pompe di calore diventeranno davvero una forza fondamentale nella transizione energetica globale.