Negli ultimi anni, l'utilizzo di pompe di calore per la climatizzazione invernale ed estiva degli edifici ha visto una notevole crescita, grazie alle loro potenzialità di risparmio energetico. Tuttavia, questo risparmio non è intrinseco alle pompe di calore, ma dipende dalla loro corretta configurazione.
Vedremo di seguito il ruolo di un adeguato bilanciamento nel corretto funzionamento di una pompa di calore idronica.
Impianti di Climatizzazione: Significato e Ruolo del Bilanciamento
Sul tema degli impianti di climatizzazione, siamo tutti abituati a sentire parlare di "regolazione", ma un po' meno di "bilanciamento". Con bilanciamento si intendono infatti tutte quelle operazioni finalizzate a fornire a ciascun terminale la corretta portata di progetto, dimensionata in maniera opportuna in modo da assicurare le condizioni di comfort termico all'interno dell'ambiente, definite dall'utenza finale.
Il bilanciamento è fondamentale per qualsiasi tipologia di impianto (ad acqua - idronico o ad aria - aerotermo), ma in questa sede ci soffermeremo sulla prima tipologia, in quanto la più diffusa a livello residenziale.
Negli edifici dotati di impianti idronici (ovvero con fluido termovettore acqua), il corretto bilanciamento è un elemento fondamentale per garantire comfort e risparmio energetico, riducendo i consumi energetici per il riscaldamento anche fino al 20%.
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È pertanto molto importante individuare la corretta tipologia di bilanciamento idronico a seconda del tipo di impianto di climatizzazione.
Riferimenti Legislativi e Normativi sul Bilanciamento Idronico
Attualmente non esistono riferimenti legislativi specifici in merito al bilanciamento idronico, mentre nel D.M. 26 giugno 2015 “Decreto Requisiti Minimi” sono presenti riferimenti alla regolazione.
Nel caso di edifici di nuova costruzione o soggetti a ristrutturazione importante di primo livello (si veda il decreto per le definizioni), gli impianti di climatizzazione invernale devono essere dotati di sistemi per la regolazione automatica della temperatura ambiente nei singoli locali o nelle singole zone termiche al fine di non determinare sovra riscaldamento per effetto degli apporti solari e degli apporti gratuiti interni.
Tali sistemi devono essere assistiti da compensazione climatica che però può essere omessa, con motivazione nella relazione tecnica, qualora non sia tecnicamente realizzabile.
Nel caso invece di ristrutturazioni importanti di secondo livello o riqualificazione energetica, negli edifici dotati di impianto termico non a servizio di una singola unità immobiliare residenziale o assimilata, devono essere installate valvole termostatiche o altro sistema di termoregolazione per singolo ambiente o singola unità immobiliare, assistita da compensazione climatica (evitabile se presenti sistemi migliorativi o evidenti impedimenti tecnici.
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Infine, nel caso di ristrutturazione o di nuova installazione di impianti di climatizzazione, o di sostituzione di generatori di calore, compresi gli impianti a sistemi ibridi, devono essere installati sistemi di regolazione per singolo ambiente o per singola unità immobiliare, assistita da compensazione climatica, e, qualora l’impianto sia asservito a più unità immobiliari, un sistema di contabilizzazione diretta o indiretta del calore.
Per quanto riguarda la normativa tecnica, sebbene anche in questo caso non esistano riferimenti specifici in merito al bilanciamento idronico, nella norma UNI EN 14336:2004 “Impianti di riscaldamento negli edifici - Installazione e messa in servizio dei sistemi di riscaldamento ad acqua calda” (contenente i requisiti per l'installazione e la messa in servizio dei sistemi di riscaldamento ad acqua calda negli edifici, con una temperatura massima di esercizio di 110 °C e una pressione massima di esercizio di 6 bar), è riportata una guida relativa alle buone pratiche in materia di bilanciamento delle portate di acqua all’interno dell’impianto (Allegato G).
Il bilanciamento del flusso dei circuiti idraulici in un sistema di riscaldamento viene eseguito per garantire che il sistema sia in grado di fornire il calore a tutte le utenze dell'edificio.
La portata è normalmente indicata nelle specifiche di progettazione, insieme alla pressione differenziale.
Tipologie di Bilanciamento
Esistono diverse metodologie di bilanciamento, tra cui:
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- Bilanciamento manuale:
- Iterativo: le operazioni di bilanciamento devono essere ripetute fino a quando tutte le valvole di bilanciamento e dei terminali di emissione non hanno i flussi entro le tolleranze specificate.
- Proporzionale: qualsiasi variazione della pressione differenziale all'ingresso dei circuiti modifica i flussi in tutti gli altri circuiti nella stessa proporzione.
- Bilanciamento con misurazione del flusso e valvole di bilanciamento autoazionanti:
- Regolatore di pressione differenziale: mantiene la pressione costante su un gruppo o ramo.
- Limitatore di flusso: mantiene automaticamente il flusso verso i terminali al livello specificato, nel caso di pressione differenziale sufficiente.
- Regolazione mediante bilancio termico: si può ricorrere alla regolazione mediante bilancio termico, ma solo nel caso di sistemi in cui attraverso ciascuna unità terminale sia richiesta la stessa differenza di temperatura.
La qualità del bilanciamento dipende dalla precisione del flusso, ma c’è una grande differenza nella necessità di precisione in vari tipi di sistemi di riscaldamento.
L’installazione delle valvole di bilanciamento non è però sufficiente per garantire un controllo stabile e preciso del sistema, è necessario che l’intero sistema si progettato a regola d’arte, per garantire la portata di progetto in tutti i terminali, evitare sovra-portate (economicamente ed energeticamente non convenienti) e limitare le pressioni differenziali delle valvole entro certi limiti.
I dispositivi di bilanciamento, infatti, possono gestire le portate, ma non possono creare la portata o la pressione differenziale, le quali sono funzioni a carico del sistema di pompaggio dell’impianto.
Pompe di Calore: Funzionamento e Componenti
La pompa di calore è una macchina che utilizza l’energia dell’aria, del suolo o dell’acqua di falda e la converte in energia termica.
La pompa di calore è una macchina che, servendosi di diverse forme di energia, è in grado di estrarre e trasferire energia termica.
La scelta di una pompa di calore dipende dalle caratteristiche climatiche del luogo dove viene installata, dalle caratteristiche tipologiche dell’edificio e dalle condizioni di impiego.
La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta.
Oltre al riscaldamento invernale e alla fornitura di acqua calda a uso sanitario, infatti, invertendo il ciclo garantisce anche il raffrescamento degli ambienti.
Principio di Funzionamento
Il principio di funzionamento della pompa di calore si basa sul fenomeno dell’espansione Joule-Thomson di un fluido refrigerante molto freddo ma che vaporizza a basse temperature.
Tale fluido, compiendo dei cicli di compressione ed espansione, permette alla pompa di calore di trasferire calore all’acqua calda sanitaria.
Per riscaldare l’ambiente, la pompa di calore estrae il calore da una fonte naturale (come l’aria, l’acqua o il terreno) lo porta alla temperatura desiderata e lo trasporta all’interno dell’edificio dove verrà irradiato nell’ambiente per mezzo di impianti radianti a pavimento o terminali come termosifoni o fan coil.
In sostanza, un funzionamento simile, ma opposto, a quello del frigorifero. Quest’ultimo, infatti, tende ad espellere il calore dall’interno verso l’esterno mentre la pompa di calore lo cattura dall’esterno e, dopo averlo portato a temperatura, lo immette all’interno.
Per rinfrescare l’ambiente, invece, il calore viene estratto dall’aria presente all’interno dell’edificio ed espulso, in modo del tutto analogo al frigorifero.
Il mezzo esterno da cui si estrae calore è detto sorgente fredda. Nella pompa di calore il fluido frigorigeno assorbe calore dalla sorgente fredda tramite l’evaporatore.
Le principali sorgenti fredde sono:
- l’aria esterna al locale dove è installata la pompa di calore oppure estratta dal locale dove è installata la pompa di calore;
- l’acqua di falda, di fiume, di lago quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a ridotta profondità.
Altre sorgenti possono essere costituite dall’acqua accumulata in serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare e dal terreno, nel quale vengono inserite le tubazioni relative all’evaporatore.
L’aria o l’acqua da riscaldare sono detti pozzo caldo. Nel condensatore il fluido frigorigeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l’energia fornita dal compressore.
Componenti Principali
La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore.
Il circuito chiuso è costituito da:
- un compressore;
- un condensatore;
- una valvola di espansione;
- un evaporatore.
Il condensatore e l’evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè tubi posti a contatto con un fluido di servizio (che può essere acqua o aria) nei quali scorre il fluido frigorigeno.
Questo cede calore al condensatore e lo sottrae all’evaporatore. I componenti del circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due parti (sistemi split) raccordate dai tubi nei quali circola il fluido frigorigeno.
Fasi del Ciclo
Nel funzionamento il fluido frigorigeno, all’interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni suddivise in 4 fasi:
- Compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall’evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore.
- Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all’esterno.
- Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda.
- Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dall’esterno ed evapora completamente.
L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia con il compressore, al fluido frigorigeno, questo, nell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.
Tipologie di Pompe di Calore
Esistono diverse tipologie di pompe di calore il cui funzionamento si basa sui medesimi principi. Le pompe di calore si dividono, innanzitutto, in due categorie principali:
- pompe di calore monovalenti: ossia indipendenti da altri generatori di calore;
- pompe di calore bivalenti: che vanno ad integrarsi con altri generatori di calore, particolarmente adatte per quelle aree soggette ad un consistente abbassamento delle temperature.
In funzione, invece, del fluido con cui scambiano calore, le pompe di calore possono essere classificate in 4 principali tipologie, indicando per prima la sorgente fredda (evaporatore) e per secondo il pozzo caldo (condensatore):
- Pompa di calore aria-acqua: svolge sia la funzione di riscaldamento che quella di raffrescamento.
- Pompa di calore aria-aria: è composta da almeno due unità (di cui una esterna) e dotate di split e sistema di canalizzazione dell’aria.
- Pompa di calore acqua-acqua: utilizza l’acqua sia come sorgente fredda che come sorgente calda.
- Pompa di calore terra-acqua (pompa di calore geotermica): riscalda l’acqua servendosi del calore presente nel terreno, catturandolo tramite una sonda geotermica.
Pompe di Calore Monoblocco e Splittate: Differenze
Per le pompe di calore aria-acqua, si sono sviluppati due sistemi distinti: il sistema monoblocco e il sistema split a seconda di dove avviene lo scambio di energia tra quanto recuperato dall’aria esterna e il fluido che circola nell’impianto di riscaldamento.
Nel sistema splittato il trasferimento di energia avviene in uno scambiatore gas-acqua posto in un involucro distinto dall’unità esterna che ha assorbito calore dall’aria.
Nel sistema monoblocco, invece, lo scambiatore è contenuto nell’unità esterna stessa, creando un tutt’uno.
Dunque, la differenza principale tra i due sistemi risiede nel fatto che nella pompa di calore monoblocco tutti i componenti sono raggruppati insieme, mentre in quella split sono distribuiti su due unità separate, un’unità interna e una esterna.
Efficienza e Rendimento di una Pompa di Calore
Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore:
- consuma energia elettrica nel compressore;
- assorbe calore nell’evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua;
- cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua).
Il vantaggio nell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dall’ambiente esterno (aria-acqua).
L’efficienza di una pompa di calore è misurata dal COP (coefficiente di prestazione) che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata.
Il COP è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori prossimi a 3. Questo vuol dire che per 1 kWh di energia elettrica consumato, fornirà 3 kWh (2580 kcal) di calore al mezzo da riscaldare.
Il COP sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene assorbito (nell’evaporatore).
Inoltre, occorre considerare che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore.
Raffrescamento con Pompa di Calore
La pompa di calore è in grado di svolgere anche la funzione di raffreddamento. La premessa fondamentale è che la pompa di calore sia progettata in modo reversibile, ovvero che il processo termodinamico dell’unità possa essere invertito.
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