Oggi vedremo le principali regole di progettazione a regola d’arte degli impianti di climatizzazione a pompa di calore. Ci concentreremo sugli aspetti della progettazione: dimensionare un generatore a pompa di calore con un’analisi del panorama legislativo e normativo vigente.
Il corso, che è una piccola parte del corso di termotecnica, è tenuto dal docente Ing. Paolo Savoia e organizzato da Prospecta Formazione, provider per la formazione professionale dedicata al mondo delle professioni tecniche (Architetti, Geologi, Geometri, Ingegneri e Periti) autorizzata dal Ministero della Giustizia, e riconosciuta dal Consiglio Nazionale Ingegneri, sia per la formazione in aula che per la formazione on line.
Ricordiamo che le Pompe di Calore anche quest’anno beneficeranno degli incentivi fiscali per la riqualificazione energetica, i cosiddetti bonus edilizi (sottoforma di ecobonus, bonus ristrutturazione e conto termico). Viceversa, le caldaie a gas anche ad alta efficienza come quelle a condensazione, in rispetto alla direttiva Case Green, ultima normativa energetica dell’Europa, saranno escluse da ogni tipo di agevolazione.
Le pompe di calore: tipi e funzionamento
La pompa di calore è una tecnologia efficiente per il riscaldamento, il raffrescamento di casa e la produzione di acqua calda sanitaria, con vantaggi sia economici che ambientali.
Secondo il fluido termovettore usato, si distinguono 4 tipologie di pompe di calore:
- aria-aria
- aria-acqua
- acqua-acqua
- terra-acqua (o geotermiche)
In base al funzionamento, esistono pompe di calore:
- ad inverter
- on/off (non inverter)
Un climatizzatore non dotato di dispositivo inverter utilizza l’alternanza di accensione e spegnimento (on/off) del compressore per raggiungere le condizioni volute. La tecnologia inverter permette di controllare elettronicamente la tensione, la corrente e la frequenza: i vantaggi sono notevoli, a partire dalla possibilità di ridurre drasticamente i consumi e l’usura del compressore.
Progettazione secondo UNI EN ISO 12831: firma energetica o calcolo dinamico?
Il problema del sovradimensionamento di una Pompa di Calore, si ripercuote sui costi totali di gestione, per canali più grossi, una maggiore potenza della macchina, e i costi aumentano: maggiori costi di installazione e di gestione. Occorre, per questo, scegliere il metodo corretto di calcolo per ottenere la potenza del generatore.
In quest’esempio ne metteremo a confronto tre.
I generatori di calore si dimensionano con:
- Carico termico da UNI 12831
- Firma energetica
- Calcolo orario dinamico (EN 52016)
È un metodo di calcolo di tipo stazionario o statico, quello previsto dalla norma UNI EN 12831, per il calcolo del carico termico di progetto per singole stanze, entità di edifici ed edifici.
Il carico termico di progetto è definito come l’erogazione di calore (potenza) necessaria per mantenere la temperatura interna di progettazione richiesta in condizioni esterne di progettazione. Le pompe di calore lavorano poche ore ai carichi totali, ma molte ore ai carichi parziali (variabilità delle prestazioni).
La firma energetica di progetto
La firma energetica di progetto presuppone un metodo di calcolo semi-stazionario secondo la norma UNI/TS 11300-1-2 da cui si ricava il Qh,nd [kWh] mensile alla temperatura di riferimento di quel mese e poi lo si “spalma” sul tempo (h). In caso di presenza di recuperatore di calore occorre una correzione (il Qh,nd infatti non ne tiene conto).
Il metodo della firma energetica restituisce graficamente una retta che abbina, alle temperature esterne di esercizio, una rispettiva potenza in kW. La potenza ricavata da questo metodo è quella che devono fornire i terminali, da cui si può ricavare quella del generatore (come fanno alcuni software commerciali).
Il calcolo dinamico orario (EN 52016)
La norma UNI EN ISO 52016 del 2018, definisce regole e principi del calcolo dinamico orario, contrapposto a quello statico. Definito “orario” per la durata dell’intervallo elementare di calcolo, “dinamico” perché gli intervalli di calcolo tengono conto (effetto memoria) di quello che succede nelle ore precedenti (qualunque evento che impatta e modifica l’energia dell’ambiente: sole, nuvole, utilizzo degli elettrodomestici, etc).
Fabbisogni energetici per riscaldamento e raffrescamento, temperature interne e carichi termici sensibili e latenti. Il calcolo dinamico orario restituisce graficamente una nuvola di punti (e non una retta come faceva il metodo della firma energetica).
È un metodo di calcolo molto accurato e utile nel dimensionamento dei generatori di calore (e delle pompe di calore in particolare), ma non per quanto riguarda invece i corpi emittenti e radiatori.
Carichi termici estivi: Carrier-Pizzetti e dinamico
A causa dei cambiamenti climatici, l’esigenza del raffrescamento diventa sempre più preponderante. Il metodo “Carrier-Pizzetti”, con la trasmittanza stazionaria (U) riesce a calcolare le perdite per trasmissione, i carichi termici dovuti a:
- Irraggiamento (dipende dalla struttura +o- pesante o inerzia termica)
- Ventilazione (sensibili e latenti)
Il calcolo del carico termico per trasmissione considera un “DT equiv” funzione dell’escursione della temperatura dell’aria esterna, dell’irraggiamento solare sull’involucro (parete o copertura), dell’assorbimento solare, dell’inerzia e dell’orientamento, della latitudine del luogo e dell’ora della giornata.
L’irraggiamento su superficie orizzontale è circa 1.000 w/mq: sui tetti piani è totale ma ne penetra poca (circa 10-20 w/mq) in funzione dell’inerzia termica (Yie). Da una finestra invece entra tutto o parte a seconda del fattore solare (se FS=0,5 ne entra 500 w/mq). Il massimo carico termico da smaltire varia tra le diverse zone della casa e a seconda dell’esposizione (S-E-O-N). La peggiore condizione si verifica nel lato ovest dell’immobile, con pareti e serramenti rivolti ad occidente: è qui infatti che, con il sole più perpendicolare che volge al tramonto, i raggi penetrano meglio all’interno.
Un altro metodo, è il calcolo dinamico per raffrescamento (EN 52016) che considera in automatico sia i regimi da riscaldare che da raffrescare. Per ogni ora, si possono simulare le condizioni al contorno come le temperature interne ai vari livelli, i ricambi d’aria, i carichi interni di occupanti e illuminazione, gli apparecchi elettronici, la presenza di schermature, etc. È un metodo utile per non sovradimensionare la pompa di calore.
Dimensionare la PdC dall’APE
Dall’Attestato di Prestazione Energetica, prendere il valore dell’indice di prestazione termica utile per il riscaldamento invernale dell’edificio da valutare “EPH, nd”, espresso in [kWh/m² anno], che appare sulla terza pagina dell’APE e, in funzione dei giorni di riscaldamento (dipendenti dalla zona climatica), si ottiene la temperatura esterna media invernale.
Ipotizzando la temperatura di progetto (es. 20 °C), si può ricavare la potenza necessaria per riscaldare l’edificio. Questo è un metodo utile per un dimensionamento veloce, ma poco accurato.
Trovare la Potenza dal consumo
Dato correlato all’utenza (1-2 persona, una famiglia, ecc) che può variare nel tempo. Occorre fare attenzione a distinguere la potenza del riscaldamento, da quella legata alla produzione dell’acqua calda sanitaria.
Dalle bollette si ricava il consumo medio annuo del solo riscaldamento. Dato da calcolare: la temperatura media esterna (legata alla zona climatica dove è situato l’immobile, che definisce anche il periodo di riscaldamento in durata di giorni reali e le ore di funzionamento dell’impianto). Ad esempio, la temperatura di progetto invernale della città di Roma (zona climatica D) dell’aria esterna è pari a 0 °C. Altro dato necessario è la Temperatura media interna reale anch’essa funzione della zona climatica.
Sbrinamento e accumuli energetici
La PdC ha una potenza massima che va confrontata con la Temperatura di progetto. La Potenza minima da dissipare va smaltita nei terminali così da evitare gli on/off deleteri. La mancata dissipazione della Potenza minima dona alla pompa di calore un funzionamento a pendolamento.
Il fenomeno dello sbrinamento non avviene a temperature troppo basse a causa della poca umidità assoluta. Il problema maggiore si verifica a temperature sopra lo zero, comprese tra i 2 e i 5 °C. La formazione del ghiaccio può causare la rottura dello scambiatore gas/acqua della PdC. Per togliere la brina alla macchina serve energia (acqua calda o calore): accumulata nell’acqua o prontamente disponibile (inerziale o inerzia dell’acqua).
La dimensione corretta dei sistemi di accumulo inerziale è di circa:
- 20 l/kW per le PdC on/off
- 5-7 l/kW per le PdC ad inverter
Il consiglio è quello di utilizzare il valore indicato dal produttore. Negli impianti a “elevata inerzia termica” come i sistemi a pannelli radianti (a pavimento, parete, o soffitto), l’energia necessaria per lo sbrinamento viene presa non solo dall’acqua ma anche dal massetto capacitativo (se ben realizzato).
Le nuove frontiere dell’accumulo energetico sono i PCM, posti in contenitori fortemente isolati: si riesce con poco ingombro ad avere un accumulo importante (kWh di energia). La strategia di accumulo è immettere energia che deve essere accumulata per riscaldamento o produzione acs.
ACS: produttori o bollitori istantanei
Per la produzione di acqua calda sanitaria si deve parlare di energia (potenza x tempo di utilizzo) e non di potenza. Le pompe di calore non vengono dimensionate per produrre acs, bensì per la climatizzazione. Per produrre ACS occorre molta potenza. La quantità di acqua ottenibile dipende fortemente dalla portata di prelievo.
Come si calcola il volume del bollitore? Con la norma UNI 9182, per il dimensionamento dell’impianto idrosanitario, conoscendo una serie di parametri tra cui il fabbisogno e la temperatura. In genere, serve la seguente energia:
- 1 doccia = 3 kWh
- 1 vasca = 8 kWh
Una buona progettazione deve:
- calcolare il corretto volume di acs;
- avere grandi superfici di scambio;
- accumulare l’acqua a temperatura non eccessiva (non oltre 50-55 °C);
- utilizzare bollitori ad alta efficienza (minimo classe B, meglio A).
Infine il corso tratta della possibilità per la pompa di calore di sfruttare “energia gratuita” e rinnovabile, proveniente dai pannelli fotovoltaici anche in modalità autoconsumo. Ricordiamo in tal senso, la recente semplificazione normativa introdotta dal Testo Unico sulle Rinnovabili, di cui le pompe di calore sono un aspetto cruciale.
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