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TUTORIAL
POMPE DI CALORE
Diverse soluzioni impiantistiche quando il fluido termovettore è l’ acqua
NEGLI EDIFICI MODERNI, I FABBISOGNI TERMICI DELLE DIVERSE ZONE RARAMENTE COINCIDONO. I SISTEMI A POMPA DI CALORE CHE UTILIZZANO IL FLUIDO TERMOVETTORE ACQUA NASCONO, TRA L’ ALTRO, PROPRIO PER RISPONDERE A QUESTA ESIGENZA, OFFRENDO CONTROLLO INDIPENDENTE DEI SINGOLI AMBIENTI, RECUPERO ENERGETICO INTERNO E LIVELLI DI EFFICIENZA PARTICOLARMENTE ELEVATI SIA IN RISCALDAMENTO SIA IN RAFFRESCAMENTO
Andrea Verondini
VERSATILITÀ
Efficienza e recupero energetico
Le pompe di calore che utilizzano acqua come fluido termovettore consentono di climatizzare in modo autonomo le diverse zone dell’ edificio, adattando il funzionamento alle effettive esigenze di ciascun ambiente. Il principale punto di forza è la capacità di recuperare energia: il calore estratto dalle aree che richiedono raffrescamento può essere trasferito alle zone che necessitano di riscaldamento, riducendo l’ intervento di generatori ausiliari. In modalità riscaldamento i valori di COP possono raggiungere livelli compresi tra 3 e 6, nettamente superiori a quelli dei sistemi elettrici a resistenza. La possibilità di integrazione con sonde geotermiche e l’ impiego dell’ acqua come mezzo di scambio termico contribuiscono ulteriormente all’ efficienza del sistema. Occorre tuttavia prestare attenzione a rumore, accessibilità per la manutenzione e corretta gestione della ventilazione degli ambienti.
In un sistema tradizionale di pompe di calore che utilizzano acqua come fluido termovettore, ciascun settore o area di un edificio è dotato di una macchina specifica. Questa unità ha il compito di regolare la temperatura dell’ aria, raffreddandola o riscaldandola al fine di mantenere costante il livello termico desiderato in quella determinata sezione dell’ edificio. La pompa di calore ad d’ acqua integra tutti gli elementi basilari di un circuito frigorifero, includendo uno o più compressori, uno scambiatore di calore tra il refrigerante e l’ aria, un secondo scambiatore tra il refrigerante e l’ acqua e un dispositivo per l’ espansione del fluido frigorigeno. Un elemento fondamentale del sistema è la valvola di inversione, che consente l’ inversione del flusso del refrigerante, permettendo al circuito di commutare tra modalità di raffreddamento e riscaldamento. L’ installazione delle pompe di calore aria-acqua può variare in funzione dell’ apparecchiatura selezionata e delle esigenze strutturali dell’ edificio. Le unità possono essere collocate lungo una parete interna, sospese nel controsoffitto, situate in un ripostiglio o locale tecnico adiacente, oppure montate sul tetto. L’ aria di ritorno dell’ ambiente è aspirata nella pompa di calore attraverso una presa d’ aria dotata di un filtro per la purificazione e, successivamente, passa attraverso uno scambiatore di calore refrigerante-aria, per poi, infine, essere reimmessa o direttamente nell’ area trattata o, tramite condotti dedicati e diffusori d’ aria, in aree adiacenti. Tutte le pompe di calore sono collegate ad un unico circuito idraulico, al quale si aggregano vari dispositivi ausiliari. Tra questi vi potrebbe essere, ad esempio, uno scambiatore di calore come una torre di raffreddamento, un refrigeratore o un sistema geotermico di scambio termico. Inoltre, può essere anche presente un generatore di calore, come una caldaia con circolazione di acqua calda o uno scambiatore geotermico. Il circuito comprende infine le pompe necessarie per la circolazione dell’ acqua, che garantiscono il funzionamento ottimale e l’ efficienza complessiva del sistema. In generale, l’ aria esterna necessaria per la ventilazione viene trattata e distribuita tramite un impianto di aria esterna specifico e autonomo. Ogni pompa di calore aria-acqua dispone di un controllore d’ unità preposto alla regolazione dei processi di raffreddamento e riscaldamento per la zona da servire. Un controllore a livello sistemico garantisce il funzionamento sinergico dei singoli controllori delle pompe di calore, promuovendo l’ efficienza complessiva del sistema. Per quanto detto le condizioni da soddisfare possono essere molteplici se ci si limita a considerare solamente la temperatura a bulbo secco( figura 2). Analizzando quanto descritto, si comprende che quando la temperatura in una determinata zona raggiunge il setpoint di riscaldamento, il sistema di controllo della pompa di calore aria-acqua attiva la valvola di inversione del ciclo per commutare dalla modalità freddo alla modalità riscaldamento. Oltre a ciò si evince che anche la velocità di rotazione di uno o più compressori venga modificata per potersi adeguarsi al variare del carico termico. Quando il carico termico aumenta, il compressore tende a funzionare più a lungo tra i cicli. In tali circostanze, il circuito frigorifero recupera calore dal sistema idraulico e lo trasferisce all’ aria ricircolata, mentre un impianto dedicato garantisce l’ apporto necessario di aria esterna per la ventilazione. Quando l’ area è vuota, si preferisce ampliare la banda morta, permettendo un’ escursione più ampia della temperatura. Questi nuovi setpoint sono noti come temperature di riduzione, creando una banda morta notevolmente più ampia( figura 3). Durante periodi di inattività, se la temperatura resta all’ interno di questa banda estesa, il sistema spegne sia la ventola di ricircolo sia il compressore. Se tutte le aree servite dalla pompa di calore sono vuote e le temperature restano nei limiti stabiliti, anche le pompe di circolazione dell’ acqua possono essere disattivate e, dato che, non ci sono persone nel palazzo, non è necessaria la ventilazione, quindi anche la ventola del sistema per l’ aria esterna sul tetto viene spenta. Alcuni sistemi dispongono di un pulsante di“ sblocco temporizzato” nel sensore di temperatura dell’ area, consentendo agli occupanti di attivare temporaneamente la modalità“ occupato” anche se impostata su“ non occupato”. Dopo un periodo definito, ad esempio tre ore, l’ area torna automaticamente alla modalità precedente. Inoltre, l’ uso di un sensore di presenza può rilevare quando un’ area è effettivamente vuota nonostante sia programmata come occupata. Questo segnale può attivare una modalità di“ standby occupato”, dove alcune o tutte le luci si spengono, i setpoint di temperatura vengono leggermente modificati e si riduce l’ afflusso
Figura 1a- Pompa di calore ad acqua in fase di raffrescamento 1. filtro aria – 2. ventilatore centrifugo – 3. valvola espansione termostatica – 4. scambiatore acqua-refrigerante – 5. collegamenti acqua – 6. compressore – 7. valvola inversione di ciclo – 8. scambiatore aria-refrigerante
Figura 1b – Pompa di calore in fase di riscaldamento 1. filtro aria – 2. ventilatore centrifugo – 3. valvola espansione termostatica – 4. scambiatore acqua-refrigerante – 5. collegamenti acqua – 6. compressore – 7. valvola inversione di ciclo – 8. scambiatore aria-refrigerante
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