L’evoluzione molto rapida del mercato sta portando sempre più installatori e progettisti a confrontarsi con l’installazione di pompe di calore.
I tre elementi chiave, da stabilire prima di iniziare un progetto sono i seguenti:
• Servizio dell’impianto (riscaldamento, raffrescamento, ACS)
• Contesto climatico (zona climatica secondo il DPR 412/93)
• Tipologia di impianto (alta, media, bassa temperatura
Una volta identificati i tre elementi chiave, si deve considerare il fatto che la pompa di calore, a differenza della caldaia, è una tecnologia “capital intensive”. Significa che il costo specifico della potenza installata è molto elevato (può arrivare oltre i 1000 €/kW per le piccole taglie), e garantisce un’ottima economicità di funzionamento. Viceversa la caldaia è una tecnologia “energy intensive”, cioè ha un costo della potenza installata molto basso (al massimo 100 €/kW, per le piccole taglie) a fronte di un’economicità di esercizio decisamente inferiore. Queste considerazioni di carattere tecnico-economico sono quelle che, a fianco delle considerazioni energetiche, suggeriscono la sostanziale differenza tra le scelte progettuali per il dimensionamento delle caldaie e delle pompe di calore: le prime si scelgono in base alla potenza di picco (che costa poco acquistare) mentre le seconde si scelgono in base al fabbisogno energetico del periodo (per trarre il massimo vantaggio dall’economia di esercizio caratteristica delle pompe di calore).
Secondo il pacchetto normativo UNI/TS 11300, la potenza termica di progetto di un edificio è infatti la potenza che si determina considerando:
• la temperatura di progetto invernale, ossia il 99,8° percentile della distribuzione di temperatura (basata su serie storiche);
• assenza di contributi gratuiti (apporti solari e carichi interni);
• un regime stazionario e quindi imperturbato dalla capacità termica dell’edificio.
Si tratta di una condizione che sostanzialmente non si verifica mai, o si può verificare con una probabilità estremamente bassa. Appare quindi più ragionevole cercare di effettuare valutazioni di carattere energetico, utilizzando un approccio diverso e nuovo rispetto a quanto fatto per gli impianti con generatore di calore a combustione.
Esempio
Si supponga di avere un edificio da 120 m2 di superficie, con un fabbisogno di riscaldamento di 75 kWh/(m2 anno), occupato da 3 persone, dotato di un sistema di riscaldamento a fan coil con temperatura di alimentazione 45 °C. Il fabbisogno dell’edificio è quindi di 9000 kWh/anno per il riscaldamento e di 2099 kWh/anno per ACS (50 l/(g x persona) x 3 persone x (45-35) °C x 4,187 kJ/ (kg K) x 1 kg/l x 365 g/anno x 1/3600 (kWh/kJ)). Il fabbisogno totale risulta quindi 11099 kWh/anno. Le due soluzioni alternative sono caldaia a condensazione, con rendimento medio stagionale 90% rispetto al PCS e pompa di calore con rendimento medio stagionale SCOP pari a 3,5. Il prezzo medio del kWh elettrico sia 0,25 e il prezzo del gas metano 0,80 €/Sm3.Il costo di funzionamento annuo diventa quindi:
• 793 € per la pompa di calore (11099 kWh/3,5 x 0,25 €/kWh);
• 1029 € per la caldaia (11099 kWh/(0,90 x 9,59 kWh/Sm3 x 0,8 €/Sm3)).In termini di energia primaria, considerando un fattore di energia primaria elettrico pari a 2,174, otteniamo:
• 6894 kWh per la pompa di calore (11099/3,5 x 2,184 kWhp/kWhel)
• 12332 kWh per la caldaia (11099/0,90).Il confronto finale vede un risparmio della pompa di calore rispetto alla caldaia del:
• 22,3% in termini di costi;
• 44,1% in termini di energia primaria.Il confronto naturalmente è stato effettuato in condizione di prezzi di mercato di vettori energetici molto elevati, ma può essere facilmente replicato in qualsiasi condizione. Naturalmente anche la potenza disponibile in condizioni di progetto è un elemento importante da valutare.
La Figura 14 presenta la curva di prestazione (di esempio) in funzione della temperatura dell’aria esterna per una pompa di calore aria-acqua. Il COP nominale è quello in condizioni A7/W35, medesima condizione di riferimento per la resa (potenza) nominale.
La Figura 15 riporta il confronto tra la curva di potenza resa e quella (esempio) di domanda di un edificio residenziale, calcolata secondo il pacchetto UNI/TS 11300.
Se da un punto di vista formale chiaramente la potenza richiesta in condizioni di progetto deve essere soddisfatta dalla potenza dell’impianto, è anche vero che il pacchetto UNI/TS 11300 non è il riferimento formale corretto per la determinazione della potenza di progetto, che è invece costituito dalla UNI EN 12831
All’interno di questa esistono alcuni “margini” per poter gestire la potenza di progetto, costituiti (tra gli altri fattori) da:
• Potenza di ripresa;
• Carichi interni.
Appare allora necessario ragionare in termini di gestione della potenza di progetto, anche con l’utilizzo degli accumuli termici, per rendere più corretto possibile l’accoppiamento della pompa di calore con il carico termico “reale” che dovrà trovarsi a fronteggiare. Chiaramente una situazione come quella raffigurata in Figura 15 rende necessario ricorrere ad un’integrazione termica o elettrica, ma quando invece il “punto bivalente” (incrocio tra curva di produzione e fabbisogno) è soltanto uno o due gradi superiore alla temperatura esterna di progetto, la ragione suggerirebbe di considerare eventualmente di fare affidamento sull’inerzia dell’edificio. E’ possibile sostenere questo ragionamento in maniera rigorosa avvalendosi di tecniche di calcolo dinamico che, dai laboratori di ricerca si stanno ora facendo strada nel mondo delle professioni attraverso l’implementazione nei principali software termotecnici commerciali (spesso in pacchetti dedicati), e sono basati sulla norma UNI EN ISO 52016. Nel mondo dell’espansione diretta il tema degli accumuli e dell’inerzia è già stato affrontato peraltro nell’intento di voler fornire soluzioni che mitighino gli effetti negativi dello sbrinamento, e risolto in buona misura con i sistemi che si avvalgono di materiali a cambiamento di fase (PCM, Phase Change Materials).
Articolo tratto dal volume “Impianti a pompe di calore. Progettazione, installazione e gestione”
