POMPE DI CALORE: COME DIMENSIONARLE?

L’utilizzo delle pompe di calore si sta diffondendo sempre più, anche in caso di piccoli impianti di riscaldamento. Tuttavia, sebbene si tratti di una notizia positiva, bisogna sottolineare che, spesso, le pompe di calore vengono erroneamente confuse con le caldaie.

Allora, quali sono le differenza fra i due generatori termici?

Pur adempiendo entrambe al riscaldamento dell’edificio e alla produzione di acqua calda sanitaria (acs), le caldaie generano una potenza termica costante, indipendente dalla temperatura dell’aria esterna. Inoltre, permettono una produzione di acqua calda istantanea per una portata di circa 12 l/min. (esempio di una caldaia di uso abitativo da 24kw).

Le pompe di calore, invece, risentono della temperatura esterna, che è in grado di ridurne la potenza erogata. Inoltre, generano una potenza tanto più bassa quanto è più alta la temperatura dell’acqua prodotta. Producono una temperatura di mandata che difficilmente supera i 55° con un rendimento dignitoso. Quindi, per la produzione di acs, hanno necessariamente bisogno di un accumulo sanitario con serpentine dedicate.

Chiarito questo punto, numerosi sono i vantaggi che possono derivare dall’installazione di una pompa di calore, testimoniati anche dal traguardo  di  10 milioni di pezzi  venduti nel continente europeo e festeggiato dall’European Heat Pump Association (è doveroso sottolineare che l’Italia, pur godendo di un clima particolarmente favorevole per la diffusione di questi sistemi, è ancora molto indietro sui volumi del venduto). Tra il 2015 e il 2016 abbiamo assistito a un incremento annuo medio dell’energia prodotta dalle pompe di calore del 18% nell’UE-28, segno dell’interesse crescente per questa tecnologia, che è in grado di consentire risparmi dal 40 al 60% di energia primaria, con conseguente riduzione delle emissioni di gas a effetto serra. A conferma di tali affermazioni, c’è la Direttiva Europea RES (Renewable Energy Sources), che riconosce l’impiego di energie rinnovabili per il funzionamento di tale tecnologia, visto che queste macchine sfruttano il calore immagazzinato nell’aria, nell’acqua superficiale o di falda e nel terreno.

Un ulteriore vantaggio adducibile all’installazione di tale impianto è la capacità che una pompa di calore ha di riscaldare in inverno e rinfrescare in estate, accrescendo contemporaneamente la classe energetica dell’edificio.

Ma, affinché tali potenziali vantaggi siano concreti, diventa fondamentale che la pompa di calore sia correttamente dimensionata e che si scelga la tecnologia più adatta per il sito d’installazione e per l’applicazione finale.

COME SCEGLIERE QUELLA GIUSTA?

Sono passati solo 5 anni da quando organizzammo, per la prima volta, noi di CLIMALAB insieme al nostro partner Panasonic un incontro tecnico per presentare la gamma prodotti Pompe di calore Aquarea. In quell’incontro un po’ visionario, cercammo di dimostrare che questa tecnologia avrebbe rivoluzionato gli impianti delle nostre case future, senza più caldaie a gas, e, come era ovvio che fosse, incontrammo tantissimo scetticismo intorno alla tecnologia appena mostrata. Nei successivi 5 anni, tante sono state le resistenze incontrate, nonostante la Pompa di calore Panasonic Aquarea sia una delle tecnologie più utilizzate per l’impianto di climatizzazione delle nuove case e per la riqualificazione dei vecchi edifici.

Ma, oggi che le referenze positive di questo prodotto sono innumerevoli, ci sentiamo tranquilli nell’affermare che questa tecnologia consente risparmi economici con elevatissima affidabilità, garantendo confort e bollette più leggere.

Però, dall’esperienza vissuta in questi 5 anni, siamo anche in grado di affermare che, per garantire questi risultati, è opportuno valutare tanti fattori tecnici. Con le pompe di calore non ci si può improvvisare tecnico, né tanto meno sovradimensionare la sua potenza, perché si otterrebbe soltanto l’effetto contrario.

Vediamo insieme allora quali sono i parametri necessari per un corretto dimensionamento. Innanzitutto, fondamentali sono i dati di efficienza energetica dell’edificio, presenti nel documento di certificazione energetica. Attraverso questi dati, sarà possibile effettuare il calcolo più immediato per ottenere un’ottima approssimazione del dimensionamento della potenza della pompa di calore alla temperatura esterna di progetto e un valido confronto tra i dati nominali di efficienza energetica dell’abitazione e i consumi energetici effettivi.

Partiamo da una semplice affermazione: il sistema di riscaldamento di un’abitazione, come ad esempio una pompa di calore aria acqua, serve a compensare le perdite di energia termica dell’edificio.

Nell’immagine, il processo è bene evidenziato:

l’energia termica dispersa, da compensare con l’energia termica prodotta dalla pompa di calore per mantenere la temperatura interna, allora, è proporzionale alla differenza di temperatura tra l’interno e l’esterno dell’abitazione:

E_termica_dispersa = K * (T_int – T_est)

Conoscendo, quindi, il fabbisogno termico a una temperatura esterna di riferimento, possiamo determinare l’energia termica richiesta a una qualsiasi temperatura mediante una semplice proporzione matematica:

E_termica = E_termica_rif * (T_int – T_est) / (T_int – T_est_rif)

I dati di efficienza energetica dell’edificio presenti nel documento di certificazione energetica ci forniscono proprio come riferimento la quantità di energia termica idealmente richiesta per il riscaldamento in tutta la stagione invernale.

Allora per dimensionare correttamente, vanno considerati i seguenti parametri:

• Gradi Giorno di una località: rappresentano la sommatoria delle differenze tra la temperatura interna (convenzionalmente di 20ºC) e la temperatura media esterna della singola giornata per tutti i giorni della stagione di riscaldamento.
• Temperatura esterna di progetto: cioè la temperatura esterna minima alla quale il generatore di calore fornisce l’energia termica sufficiente a garantire che la temperatura interna rimanga stazionaria.
• Fabbisogno annuo di energia termica per climatizzazione invernale (ETH): l’energia termica richiesta, nel corso della stagione di riscaldamento, per la climatizzazione invernale.
• Superficie utile: calcolata come la superficie netta calpestabile degli ambienti a temperatura controllata o climatizzati dell’edificio, al netto di tramezzi e muri esterni e comprensiva delle soglie delle porte e degli spazi al di sotto dei terminali di emissione.

Dobbiamo, inoltre, tenere presente che la temperatura interna è convenzionalmente di 20°C e che la normativa stabilisce gli orari giornalieri massimi di funzionamento del riscaldamento. Assumiamo che nella più fredda giornata le ore di riscaldamento giornaliere siano 14.

Ecco, quindi, il calcolo della potenza della pompa di calore necessaria alla temperatura di progetto:

P_termica_progetto = ETH * Superficie * (20ºC – T_esterna_Progetto) / Gradi_Giorno / Ore_giorno

L’ACQUA CALDA SANITARIA

Nei sistemi con pompa di calore è da scegliere la produzione con accumulo, per evitare le frequenti accensioni e spegnimenti in corrispondenza dei picchi di richiesta, controproducenti per i compressori dell’unità. Il sistema più diffuso prevede un serbatoio di accumulo, la cui capacità deve essere opportunamente dimensionata e dotato di un serpentino scambiatore di calore, in cui circola l’acqua che viene riscaldata dalla pompa di calore.

La potenza necessaria a raggiungere e mantenere la temperatura dell’acqua desiderata può essere erogata sia in corrispondenza della richiesta di punta, sia in assenza di richiesta, poiché stoccata nell’accumulo termico.

La potenza del generatore e il volume dell’accumulo sono inversamente proporzionali perché, chiaramente, tanto maggiore è il fabbisogno soddisfatto istantaneamente, tanto minore è il volume necessario all’accumulo.

 

Vc = ((Qm * dp *(tm – tf)/(dp + Pr)) *((Pr/(tc-tr)) = litri accumulo

 

P = ((Qm * dp *(tm – tf)/(dp + Pr)) *1 = Watt generatore

 

dove:

 

Qm= fabbisogno orario massimo acqua calda (l);

dp = durata della punta (h);

tm = temperatura di utilizzo dell’acqua calda (°C);

tf = temperatura dell’acqua fredda dall’acquedotto (°C);

Pr = durata del preriscaldamento (h);

tc = temperatura di accumulo dell’acqua calda (°C).

 

Come criterio da seguire nella scelta dei parametri di dimensionamento, è bene non eccedere né nel volume dell’accumulo né nella potenza della pompa di calore.

Per la temperatura di acquedotto si può fare riferimento a tf = 10 ÷ 15°C , mentre per la temperatura di utilizzo si assume tm = 40°C.

Per la temperatura di produzione dell’acqua calda, occorre consultare i limiti di funzionamento delle singole pompe di calore, fermo restando che questa temperatura può variare nel range dei 50 ÷ 55°C; di conseguenza, per la temperatura di accumulo si fa riferimento a tc = 48 ÷ 50°C.

Anche la durata del periodo di preriscaldamento ha la sua importanza ai fini del corretto dimensionamento e, solitamente, si assume dp = 1 ÷ 3 h.

Le pompe di calore funzionano con rendimenti ottimali quando la differenza di temperatura fra la sorgente esterna e il serbatoio è massimo di 40-50 °C: per differenze superiori l’efficienza diminuisce. Questo vuol dire, per prima cosa, che è meglio utilizzarle con sistemi di riscaldamento radianti a bassa temperatura, poiché quelli a radiatore richiedono temperature più alte.

C’è poi il problema delle pompe di calore aeriformi, le quali estraggono calore dall’aria esterna che ha delle temperature variabili e può diventare molto fredda. Se alla bassa temperatura si unisce un elevato valore di umidità, come avviene spesso nella Pianura Padana, allora la pompa di calore deve usare una parte della sua energia per lo sbrinamento.

Ci sono pompe di calore che perdono in efficienza in maniera trascurabile, altre che non danno più la potenza che serve e usano l’energia unicamente per lo sbrinamento. Le pompe di calore Aquarea prodotte da Panasonic hanno delle efficienze molto elevate (fino a cop 5 con 7° e 35° di mandata) ma, anche alle basse temperature, in particolare nella versione T-cup, riescono a garantire la medesima potenza erogata fino alla temperatura di -15°.

Tutto questo si traduce in uno SCOP altissimo, che consente un rendimento medio stagionale della pompa di calore molto elevato, dimostrazione che negli ultimi anni si sia investito molto in Ricerca e Sviluppo. Panasonic ha sviluppato, ad esempio, un’elettronica che, in funzione della temperatura esterna e della produzione di un eventuale impianto fotovoltaico, forza la pompa di calore per sfruttare la massima produzione generata dal sole (energia gratuita).

L’abbinamento di un impianto fotovoltaico a una pompa di calore elettrica crea un sistema complessivo altamente efficiente e a basse emissioni inquinanti.

Ma qual è la taglia ottimale dell’impianto fotovoltaico? Nonostante si stiano diffondendo sempre di più gli accumulatori di energia, che sfruttano in maniera ottimale l’energia prodotta gratuitamente dal fotovoltaico, consentendo all’utente di utilizzarla solo quando necessario, il costo di tale tecnologia resta ancora elevato. Al momento, allora, la miglior formula di investimento è quella di dimensionare il proprio impianto fotovoltaico per un fabbisogno che non debba necessariamente coprire l’intero consumo dell’edificio. È la tecnologia che fa la differenza. Ad esempio, le pompe di calore Panasonic sono dotate di un’elettronica sofisticata e in grado di ottimizzare la sovrapproduzione del fotovoltaico, forzando la pompa quando si ha un esubero di energia elettrica prodotta e non utilizzata.

Iscrivendosi all’area riservata è possibile scaricare, nell’area di CLIMALAB – Approfondimenti tecnici, una pratica check list da compilare con il vostro cliente per avere tutte le informazioni necessarie alla costruzione di un progetto e relativa proposta economica.

Inoltre, CLIMALAB è sempre a vostra disposizione per affiancarvi in tutte le fasi di progettazione e consulenza tecnica.