Quando si tratta di valutare l’efficienza energetica e dimensionare correttamente una pompa di calore, i calcoli tradizionali spesso non bastano. La realtà operativa è molto più complessa e variabile di quanto mostrano i semplici fogli di calcolo. In questo articolo approfondiamo due metodologie fondamentali: il metodo dei bin per la valutazione energetica e la firma energetica di progetto per il dimensionamento.
Perché i metodi tradizionali non sono sufficienti
Le condizioni di funzionamento di una pompa di calore cambiano continuamente durante la stagione, e le prestazioni variano in modo rapido e non lineare. Questo significa che calcolare il fabbisogno energetico scegliendo un singolo giorno rappresentativo o facendo medie mensili non fornisce risultati attendibili.
La differenza fondamentale sta qui: mentre il dimensionamento può tollerare una certa approssimazione, la valutazione energetica in condizioni reali richiede precisione elevata e deve essere validata con la verifica delle prestazioni effettive sul campo.
Il metodo dei bin: come funziona
Il metodo dei bin rappresenta un cambio di prospettiva intelligente. Invece di dividere la stagione in intervalli temporali (come i mesi), suddividiamo il campo delle temperature esterne in intervalli di pochi gradi Celsius. Per ogni intervallo, o “bin”, consideriamo la temperatura media e la sua durata in termini di frequenza oraria.
La norma UNI-TS 11300 raccomanda questo approccio quando la sorgente è l’aria esterna o quando si utilizzano impianti ad alta temperatura, proprio perché in queste situazioni le variazioni di prestazione nel corso del mese sono significative.
I vantaggi del metodo
Questo approccio permette di considerare una gamma molto più ampia di condizioni operative e di valutare con maggiore accuratezza sia l’energia necessaria dal sistema di back-up sia la corretta dimensione della pompa di calore. Non è un vero e proprio metodo dinamico, ma una suddivisione più intelligente della stagione.
Come si applica in pratica
La metodologia prevede questi passaggi:
- Suddivisione in bin: dividiamo il periodo di calcolo negli intervalli di temperatura
- Calcolo per ogni bin: determiniamo il fabbisogno energetico (riscaldamento e sanitario) e le temperature di acqua e sorgente
- Produzione ACS: valutiamo il funzionamento per l’acqua calda sanitaria (COP, potenza, durata) e sottraiamo questo tempo da quello disponibile per il riscaldamento
- Energia erogabile: calcoliamo quanta energia può fornire la pompa di calore per il riscaldamento in ogni bin; l’eventuale eccedenza viene attribuita al sistema di back-up
- COP effettivo: calcoliamo il coefficiente di prestazione per ogni bin, considerando le temperature delle sorgenti e il carico macchina parziale
- Consumi dettagliati: determiniamo l’energia primaria, quella ausiliaria e quella a carico del back-up per ogni bin
- Totale stagionale: moltiplichiamo i risultati di ogni bin per la rispettiva durata e sommiamo per ottenere il fabbisogno complessivo
Per quanto riguarda i dati climatici, possiamo utilizzare dati reali (come quelli forniti da ARPAV) oppure ricostruirli con soluzioni come quella transitoria del CTI, basata su temperatura media mensile e radiazione solare media.
Capire il COP e lo SCOP
Il COP (Coefficient of Performance) è il rapporto tra l’energia termica utile fornita e l’energia spesa (elettrica, meccanica o termica). Il COP massimo teorico dipende esclusivamente dalle temperature della sorgente fredda e del pozzo caldo e rappresenta un limite invalicabile.
Un parametro interessante è il rendimento di secondo principio: il rapporto tra il COP effettivo della pompa di calore e il COP teorico massimo alle stesse temperature. Le interpolazioni dei dati delle pompe di calore vengono spesso effettuate proprio su questo rendimento.
Lo SCOP (Seasonal COP) è invece un dato sintetico calcolato mescolando teoricamente i risultati ottenuti in quattro punti di prova standardizzati (A, B, C, D), tenendo conto del clima di riferimento, della potenza relativa della pompa rispetto all’edificio, del tipo di regolazione e dell’impianto.
Cosa influenza davvero le prestazioni
Temperature delle sorgenti
Il COP migliora sensibilmente riducendo la temperatura di mandata dell’impianto (ecco perché i pannelli radianti sono ideali) e cercando sorgenti fredde con temperature il più possibile elevate (come il terreno o l’acqua di falda).
Funzionamento a carico parziale
Il COP a carico parziale è diverso da quello a pieno carico. Le macchine inverter tendono ad avere un miglioramento del COP ai carichi medi, mentre per le macchine ON-OFF è utile prevedere un accumulo per limitare le accensioni frequenti.
Il problema del brinamento
Nelle pompe di calore aria/acqua, l’evaporatore può scendere sotto 0°C, causando la formazione di ghiaccio. Questo fenomeno riduce sia il COP che la potenza utile, specialmente nella fascia critica tra 2 e 5°C in presenza di pioggia o nebbia. I cicli di sbrinamento necessari per eliminare il ghiaccio consumano energia e riducono ulteriormente l’efficienza.
Cosa forniscono i costruttori
I produttori forniscono dati di potenza utile, potenza assorbita e COP in funzione delle temperature delle sorgenti (indicati ad esempio come A7W35, dove 7 è la temperatura dell’aria esterna e 35 quella dell’acqua in mandata). La norma UNI-TS 11300 richiede che questi dati siano disponibili per diversi punti tipici, in base alle tipologie di sorgenti e pozzi caldi utilizzati.
Il dimensionamento: sfida critica
Dimensionare una pompa di calore è particolarmente delicato perché la macchina ha la prestazione minima proprio quando le esigenze sono massime, e il costo per kW installato è molto più elevato rispetto a una caldaia tradizionale. I metodi basati sulla sola potenza di progetto portano spesso a un forte sovradimensionamento con costi elevati e problemi di funzionamento a regime ridotto.
Due approcci diversi
È importante distinguere tra:
- Calcolo di dimensionamento: serve a stabilire la taglia degli apparecchi in condizioni di progetto (estreme), ma può portare a sovradimensionamento
- Calcolo di prestazione energetica: valuta l’impianto in esercizio reale e deve essere molto preciso
La firma energetica di progetto: un approccio innovativo
Questo metodo è più preciso e valorizza gli elevati apporti gratuiti (solari, interni) degli edifici ben isolati. Inoltre permette di tenere conto dell’inerzia termica dell’edificio, permettendo di aumentare la temperatura di progetto (ad esempio da -5°C a -1°C).
Come si costruisce
- Calcoliamo il fabbisogno energetico mensile di progetto e la potenza media mensile
- Costruiamo un grafico della potenza mensile in funzione della temperatura esterna media mensile
- Interponiamo i dati con una retta
- Leggiamo la potenza richiesta alla temperatura di progetto desiderata
Questo metodo consente di dimensionare la pompa di calore in modo che la potenza utile sia sufficiente alla temperatura di progetto, considerando realisticamente gli apporti gratuiti e l’inerzia dell’edificio.
Attenzione ai rischi
Sebbene più preciso, questo approccio comporta dei rischi se non valutiamo correttamente la presenza effettiva di apporti gratuiti nelle giornate più fredde, l’impatto dei ponti termici e le perdite per ventilazione. È sempre consigliabile concordare l’approccio con tutti i soggetti coinvolti nel progetto.
Considerazioni progettuali fondamentali
Scelta del pozzo caldo (impianto di distribuzione)
L’obiettivo è avere la temperatura di mandata più bassa possibile per massimizzare il COP:
- Pannelli radianti: la soluzione ideale (22-25°C), utilizzabile anche in raffrescamento
- Ventilconvettori: utilizzabili in raffrescamento e deumidificazione, ma richiedono temperature medio/alte e possono essere rumorosi
- Radiatori: utilizzabili solo con forte sovradimensionamento in edifici molto ben isolati, non adatti al raffrescamento
Un elemento cruciale è il funzionamento continuo 24 ore su 24, che riduce la potenza media richiesta e la temperatura di mandata, aumentando il COP e permettendo l’installazione di una pompa di calore di taglia inferiore.
Scelta della sorgente fredda
Cerchiamo la temperatura più alta possibile per massimizzare il COP:
- Aria esterna: la più comune ma soggetta a variabilità e brinamento
- Terreno (scambiatore orizzontale o verticale): temperature più stabili e generalmente più alte in inverno
- Acqua (superficiale o di falda): ottime prestazioni ma richiede valutazioni accurate della capacità termica disponibile e del consumo energetico delle pompe
Circuiti di distribuzione e generazione
Alcuni aspetti tecnici sono fondamentali:
- Garantire una portata minima di acqua alla pompa di calore per evitare la riduzione del coefficiente di scambio termico e l’aumento dei salti termici. Questo si ottiene con un compensatore idraulico o un accumulo utilizzato a tale scopo.
- Prevedere un volume minimo di acqua nell’impianto per prevenire accensioni e spegnimenti frequenti e per avere energia sufficiente durante i cicli di sbrinamento.
- Evitare la miscelazione diretta nel circuito della pompa di calore.
In conclusione
Il dimensionamento e la valutazione dell’efficienza delle pompe di calore in scenari reali richiedono un approccio metodologico rigoroso che integri:
- Un’analisi dettagliata delle condizioni climatiche variabili attraverso il metodo dei bin
- Una corretta valutazione del fabbisogno energetico dell’edificio che consideri apporti gratuiti e inerzia termica tramite la firma energetica di progetto
- Una progettazione accurata dei circuiti idraulici e degli emettitori per garantire il funzionamento alle temperature più vantaggiose per il COP
Solo con questo approccio integrato possiamo ottenere impianti efficienti, correttamente dimensionati e in grado di fornire le prestazioni promesse in fase di progetto.
