Il dimensionamento delle pompe di calore: metodi e buone pratiche per scegliere la taglia corretta
Negli ultimi mesi sul blog di Progetto 2000 sono stati trattati vari temi relativi alle pompe di calore: abbiamo approfondito il principio di funzionamento di questa tecnologia e analizzato i principali benefici e criticità, valutato l’applicabilità su impianti a radiatori, l’ottimizzazione della temperatura di mandata e spiegato come il calcolo dinamico orario permetta la perfetta regolazione di un sistema in pompa di calore.
Con questo articolo portiamo a compimento il percorso scoprendo tutti i dettagli del dimensionamento di una pompa di calore: la scelta della taglia corretta, infatti, non è un processo scontato, soprattutto se paragonato con la prassi prevista in caso di utilizzo di una caldaia, e per questo merita un adeguato approfondimento.
DIMENSIONAMENTO DI UNA CALDAIA
Le caldaie presentano importanti capacità di modulazione della potenza, maggiori rispetto a quelli di una pompa di calore, e un costo rapportato al kW di potenza decisamente ridotto. Spesso, in particolare nel caso di edilizia residenziale dotata di impianti autonomi, le caldaie non vengono affatto dimensionate tenendo conto del servizio riscaldamento. In caso di produzione istantanea di acqua calda sanitaria sono necessarie potenze che si aggirano attorno ai 24/26 kW a fronte di una potenza richiesta per il solo riscaldamento (secondo UNI EN 12831) che solitamente non supera i 10 kW anche in caso di involucri poco isolati. In caso di impianti centralizzati non è raro trovare centrali termiche dotate di caldaie la cui potenza totale installata è pari anche al doppio della potenza calcolata.
Possiamo rappresentare la prestazione di una caldaia rispetto ai carichi in riscaldamento di una classica unità immobiliare nel seguente grafico:
Potenze orarie in riscaldamento richieste dall’involucro per un funzionamento dell’impianto termico pari a 14 ore al giorno rispetto alla potenza massima e minima di una caldaia da 26 kW nominali.
Il grafico mostra le potenze orarie calcolate in regime dinamico orario secondo UNI EN ISO 52016, richieste dal fabbricato per un funzionamento dell’impianto con spegnimento, in funzione della temperatura esterna: si tratta di un impianto acceso per 14 ore al giorno dalle 07.00 alle 13.00 e dalle 17.00 alle 23.00 in un’unità immobiliare di circa 100 m² di superficie utile, non particolarmente isolata, ubicata in zona climatica E.
I valori maggiori e più isolati si registrano nelle ore in cui l’impianto viene riattivato mentre quelle inferiori, entro i 5kW, sono rappresentative delle ore in cui l’impianto funziona con continuità. La caldaia riesce tranquillamente a soddisfare sia la potenza richiesta durante il funzionamento continuativo dell’impianto che la potenza richiesta nelle ore di riattivazione dello stesso. Riesce poi a modulare fino a circa il 10% della potenza nominale fornendo quindi, per un’ampia parte di stagione, la giusta quantità di potenza all’impianto. La caldaia non richiede quindi metodi di calcolo particolarmente raffinati per determinare la sua taglia, che spesso, almeno in residenze unifamiliari, è dettata dalla necessità di produrre istantaneamente l’acqua calda sanitaria. Inoltre, soddisfa pressoché qualsiasi tipologia di conduzione dell’impianto, sia discontinuo che continuo, potendo contare su un largo campo di modulazione.
DIMENSIONAMENTO DI UNA POMPA DI CALORE
Il funzionamento in continuo dell’impianto, almeno nei mesi più freddi dell’anno, consente di far lavorare l’impianto, anche a radiatori, a temperature di mandata contenute, rendendo possibile l’utilizzo di una pompa di calore. Aumentando il tempo di funzionamento dell’impianto, oltre ad un calo delle temperature di mandata, si osserva anche una riduzione della potenza richiesta dall’impianto. Il funzionamento in continuo dell’impianto consente di soddisfare il fabbisogno energetico del fabbricato con potenze decisamente più basse rispetto a quelle di un funzionamento discontinuo, a vantaggio di una riduzione dei costi di acquisto della pompa di calore.
Potenze orarie in riscaldamento richieste dall’involucro per un funzionamento continuo dell’impianto termico.
Il grafico mostra le potenze orarie, calcolate secondo la norma UNI EN ISO 52016, in funzione della temperatura esterna: risulta evidente come la distribuzione sia più compatta rispetto al grafico precedente e punti, per le temperature esterne più basse, ad una potenza di circa 6 kW, decisamente inferiore rispetto a quella richiesta dal funzionamento discontinuo.
La pompa di calore ha una capacità di modulazione della potenza inferiore rispetto alla caldaia: si tratta generalmente di un valore pari al 30% della potenza a pieno carico. Minore sarà la sua taglia, più bassa sarà la potenza al di sotto della quale la pompa di calore non potrà più modulare passando ad un funzionamento on/off. In tale regime di funzionamento si verificano assorbimenti elettrici non utili al riscaldamento del fluido termovettore e i continui cicli di accensione e spegnimento, i pendolamenti, risultano deleteri per il compressore: è quindi necessario ridurre al minimo l’utilizzo di tipo on/off e solo un corretto dimensionamento della taglia della pompa di calore consente di raggiungere un risultato soddisfacente.
METODI DI CALCOLO: NON SOLO DINAMICO ORARIO
I grafici fin qui mostrati sono la base per effettuare il dimensionamento dei generatori di calore secondo il metodo della FIRMA ENERGETICA che tiene conto sia delle caratteristiche dell’edificio sia del suo utilizzo. In funzione degli apporti interni e delle ore di utilizzo otteniamo grafici più o meno dispersi, tendenti a potenze più o meno elevate.
L’applicazione del calcolo dinamico orario per la costruzione della firma energetica porta certamente a informazioni più precise, soprattutto in caso di variabilità di utilizzo dell’edificio, ma non è strettamente obbligatoria: è infatti possibile lavorare anche su una firma energetica ottenuta con il calcolo energetico mensile secondo la UNI TS 11300 – 1.
Dividendo la domanda energetica mensile del fabbricato per il numero di ore di funzionamento giornaliero dell’impianto moltiplicato per i giorni mensili, otteniamo la potenza media mensile necessaria a soddisfare il fabbisogno energetico che possiamo correlare con la temperatura esterna media mensile. Disponendo su grafico le potenze medie riferite alle temperature medie mensili, possiamo tracciare una linea di tendenza fra i vari punti ed estenderla fino alla temperatura esterna di progetto, individuando così la potenza di picco.
Firma energetica mensile del fabbricato per un funzionamento in continuo dell’impianto termico
La firma energetica basata sul calcolo mensile fornisce generalmente valori di potenza leggermente maggiori rispetto a quelli riscontrabili con il calcolo dinamico orario, a parità di condizioni al contorno, ma soprattutto non dà informazioni sul numero di ore in cui viene richiesta una certa potenza: il dimensionamento della pompa di calore basato sul calcolo mensile potrebbe quindi richiedere una taglia della pompa di calore leggermente superiore rispetto a quello richiesto da una firma energetica oraria.
Il seguente grafico mostra la scelta di una pompa di calore in grado di coprire il fabbisogno energetico del fabbricato determinato secondo il calcolo mensile delle norme UNI TS 11300. L’area compresa fra le due curve che identificano la potenza massima e minima della pompa di calore rappresenta il campo di lavoro in modulazione della pompa di calore. Il punto di intersezione fra la potenza minima della pompa di calore e la firma energetica indica la temperatura esterna a partire dalla quale la potenza fornita dalla pompa di calore risulta maggiore rispetto a quella richiesta dal fabbricato e da cui si possono riscontrare pendolamenti nel funzionamento. Per ovviare a tale situazione si potrebbe optare, in caso di temperature esterne superiori, per un funzionamento discontinuo dell’impianto, magari solo giornaliero. La riduzione del numero di ore di attività dell’impianto alzerebbe di fatto la firma energetica spostando a temperature esterne maggiori l’intersezione con la curva della potenza minima della pompa di calore. Inoltre, il funzionamento giornaliero della pompa di calore premierebbe l’eventuale compensazione con un impianto fotovoltaico e consentirebbe di lavorare con una sorgente esterna “più calda” a tutto beneficio del COP. In questo caso sarebbe però consigliabile una verifica sulla caduta della temperatura interna ad impianto spento, magari eseguita con una simulazione dinamica oraria.
Firma energetica mensile del fabbricato per un funzionamento in continuo dell’impianto termico VS potenza termica massima e minima resa da una pompa di calore da 8 kW (denominazione commerciale).
Possiamo applicare lo stesso ragionamento alla firma energetica derivante dal calcolo dinamico orario.
Questo grafico fornisce potenze di picco leggermente inferiori che suggeriscono di poter optare per una pompa di calore di taglia inferiore. Sulla firma energetica oraria è stata quindi considerata una pompa di calore di taglia inferiore rispetto a quella ipotizzata nella firma energetica mensile.
La taglia scelta lascia però scoperte alcune ore in cui la potenza richiesta dall’involucro risulta essere superiore a quella prodotta dalla pompa di calore: si tratta tuttavia di un numero limitato di ore, non significative da influenzare il dimensionamento della pompa di calore. In questi casi, una resistenza elettrica di pochi kW può essere la soluzione ideale e più semplice, che permette di evitare la scelta di una pompa di calore di taglia maggiore, sicuramente più costosa e soggetta a maggiori pendolamenti; è importante che, da progetto, le eventuali ore di funzionamento siano poche in quanto dotata di un’efficienza molto bassa.
Firma energetica oraria del fabbricato per un funzionamento in continuo dell’impianto termico VS potenza termica massima e minima resa da una pompa di calore da 6 kW (denominazione commerciale).
Nel corso di questo approfondimento sul dimensionamento delle pompe di calore non è stato mai nominato il calcolo di potenza secondo UNI 12831: si tratta infatti di un calcolo troppo cautelativo per la scelta della taglia di una pompa di calore. Un dimensionamento condotto secondo UNI EN 12831 individuerebbe una pompa di calore sovradimensionata per la copertura del carico energetico, con un costo decisamente maggiore e con problemi legati ad un funzionamento con pendolamenti per periodi importanti. Il calcolo della potenza invernale secondo UNI EN 12831 può comunque essere ancora utilizzato, ma limitatamente al dimensionamento dei terminali dell’impianto termico dove l’abbondanza di potenza è utile per abbassare le temperature di mandata.
COMFORT ED EFFICIENZA: SOLO UN DIMENSIONAMENTO CORRETTO PUÒ GARANTIRLI
Non è raro, in seguito alla rapida diffusione dell’uso delle pompe di calore sulla scia degli incentivi fiscali, imbattersi in utenti che lamentano un cattivo funzionamento della pompa di calore con conseguenti consumi elettrici elevati, tali da rimpiangere la “vecchia caldaia”: in alcuni casi il problema risiede proprio nel dimensionamento della pompa di calore, eseguito in maniera convenzionale e non sulla base della firma energetica! Non si tratta quindi di un problema di installazione o dovuto alle caratteristiche tecniche del modello scelto. Eventuali interventi correttivi non sono affatto semplici da attuare.
E come comportarsi quando la pompa di calore provvede sia alla produzione di riscaldamento che di acqua calda sanitaria? Data la potenza ridotta rispetto a quella di una caldaia, la produzione istantanea non è fattibile. È quindi necessario prevedere un bollitore in cui conservare acqua calda sanitaria pronta all’uso oppure un accumulo in cui produrre un volume di acqua tecnica che provvederà alla produzione istantanea di acqua calda sanitaria tramite un apposito scambiatore. In entrambi i casi la produzione di energia per il servizio acqua calda sanitaria ridurrà il tempo in cui la pompa di calore sarà a disposizione del servizio riscaldamento. Se la riduzione del tempo giornaliero dedicato al servizio riscaldamento per la produzione di acqua calda sanitaria (prioritaria rispetto al riscaldamento) è ridotta (massimo 1 / 2 ore) non è necessario aumentare la taglia del generatore. La tempistica dedicata alla produzione di acqua calda sanitaria è direttamente legata al fabbisogno giornaliero di acqua calda sanitaria: al crescere di tale fabbisogno, aumenterà la volumetria dell’accumulo e la tempistica dedicata al suo reintegro.
Per ridurre i tempi di reintegro si può valutare il passaggio ad una taglia superiore di pompe di calore, valutando però sempre l’effetto che ciò può avere lato riscaldamento (sempre tramite firma energetica).
Si tratta, in ultima analisi, di priorità: privilegiare il comfort, con tempistiche di reintegro dell’accumulo inferiori, oppure l’economia di esercizio, con conseguenti tempi dedicati al servizio acqua calda sanitaria superiori?
Per quanto riguarda invece casistiche in cui il fabbisogno di acqua calda sanitaria risulta essere particolarmente elevato, non è da escludere l’ipotesi di separare il servizio acqua calda sanitaria dal riscaldamento adottando un generatore dedicato.
Abbiamo quindi visto come la progettazione ed il dimensionamento siano fondamentali per un corretto funzionamento della pompa di calore. I metodi sono decisamente diversi da quelli previsti in passato per il dimensionamento delle caldaie ma grazie al software di calcolo e ad un suo utilizzo consapevole, possiamo contare sugli strumenti necessari ad eseguire una corretta progettazione.