Questo articolo si propone di confrontare esperienze dirette circa il corretto dimensionamento degli accumuli di ACS (Acqua Calda Sanitaria) con impianti totalmente in pompa di calore. La mia esperienza pratica su dimensionamento serbatoio accumulo ACS pompa di calore e programmazione nell’utilizzo quotidiano.
Produzione ACS con Pompa di Calore
Una pompa di calore, a differenza di una tradizionale caldaia a metano, non è in grado di effettuare la produzione ACS in modo diretto ed istantaneo. Sul mercato non troverete mai una pompa di calore senza accumulo per la produzione di acqua calda sanitaria. Questo limite fisico è determinato principalmente dalla potenza termica che sarebbe necessaria alla pompa di calore per la produzione acqua calda sanitaria (ACS) istantanea.
Vediamo concretamente, immaginando di fare una doccia, quale sarebbe la potenza termica necessaria per la produzione istantanea di ACS con una pompa di calore:
- temperatura acqua potabile: 12,5 ºC
- temperatura acqua calda: 42,5 ºC
- portata acqua calda: 10 litri/min = 600 litri/ora
potenza termica = 1,163 * portata * salto termico = 1,163 * 600 * (42,5 - 12,5) = 21 kW
Sarebbe del tutto antieconomico utilizzare una macchina enorme per erogare tutta questa potenza termica solo per pochi minuti al giorno. Ovviamente c’è una soluzione. Si ricorre all’adozione di un serbatoio di accumulo ACS con la pompa di calore, in modo abbinato o integrato, che accumula in modo graduale il calore prodotto ad una potenza limitata per rilasciarlo successivamente in modo brusco ed immediato durante la produzione ACS con pompa di calore.
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Produzione Acqua Calda Sanitaria ed Accumulo ACS con Pompa di Calore
L’accumulatore o accumulo ACS di una pompa di calore è una combinazione di un serbatoio di accumulo di acqua calda e di uno scaldacqua istantaneo. Durante il tempo di reintegro sanitario, il puffer del riscaldamento non sarà caricato.
Dimensionamento Serbatoio di Accumulo ACS Pompa di Calore
Come si vede la combinazione della capacità di accumulo ACS e potenza della pompa di calore determinano di fatto il comfort raggiungibile nella produzione acqua calda sanitaria. Parlando sempre di comfort, ovviamente la temperatura effettiva nella produzione acqua calda sanitaria non potrà mai superare quella corrente dell’accumulo ACS della pompa di calore. Con l’accumulo ACS della pompa di calore Panasonic Aquarea o Mitsubishi il risultato non sarebbe molto diverso.
La mia raccomandazione è, se possibile, di non lesinare con il dimensionamento dell’accumulo ACS della pompa di calore per le ragioni seguenti:
- la vostra famiglia potrebbe malmenarvi se dovesse fare la doccia fredda
- un accumulo di dimensioni maggiori può operare ad una temperatura inferiore e quindi migliorando l’efficienza della pompa di calore
- se l’accumulo termico viene utilizzato anche per gli sbrinamenti invernali, come nella pompa di calore Daikin HPSU Compact, una dimensione maggiore limiterà la frequenza reintegro e le conseguenti interruzioni al riscaldamento
Un altro elemento molto importante in inverno è il meccanismo con cui la pompa di calore effettua gli eventuali sbrinamenti: nel caso della pompa di calore Daikin HPSU Compact l’energia termica viene proprio prelevata dall’accumulo termico.
Calcolo Orientativo
Oltre a tutti i parametri che riguardano l’edificio, è poi necessario tenere conto della potenza necessaria per la produzione di acqua calda sanitaria. Precisiamo che si tratta comunque di un calcolo orientativo, anche se tiene conto di tutte le variabili importanti. Sulla base di questo, possiamo stimare che per un'abitazione di 100 mq una pompa di calore da 6 kW potrebbe essere adeguata. Per una casa più grande, diciamo sui 150 mq, sarebbe più indicata una pompa di calore da 8-10 kW, o anche più potente.
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Partiamo dal caso del sovradimensionamento. A parte la spesa iniziale che risulta (inutilmente) più alta, infatti, crescono anche i consumi e le bollette della luce. La pompa di calore più potente, infatti, raggiungerà rapidamente la temperatura impostata e andrà incontro a cicli di accensione e spegnimento frequenti: proprio quello che la pompa di calore non deve fare per ottimizzare la sua efficienza. Un sottodimensionamento troppo marcato del generatore di calore, invece, penalizza prima di tutto il comfort perché non si riesce a raggiungere la temperatura desiderata in casa.
Tabella: Esempio di Dimensionamento Accumulo ACS in base alla Potenza della Pompa di Calore
| Potenza pompa di calore | 300 litri - Quantità acqua calda senza reintegri (prelievo 12 litri/min) | 300 litri - Tempo reintegro 140 litri (un bagno) | 300 litri - Tempo reintegro 90 litri (una doccia) | 500 litri - Quantità acqua calda senza reintegri (prelievo 12 litri/min) | 500 litri - Tempo reintegro 140 litri (un bagno) | 500 litri - Tempo reintegro 90 litri (una doccia) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 4 kW | 184 litri | 90 min | 55 min | 364 litri | 45 min | 30 min |
| 8 kW | 153 litri | 45 min | 30 min | 318 litri | 25 min | 17 min |
| 16 kW | N/A | N/A | N/A | N/A | N/A | N/A |
Limiti Produzione ACS con Pompa di Calore
Se la programmazione della produzione ACS con pompa di calore non è accorta, potremmo rischiare di rimanere addirittura al freddo. Ad esempio nel manuale della pompa di calore Daikin HPSU Compact viene indicato chiaramente che per ragioni di sicurezza il funzionamento è impedito quando la temperatura esterna è < 12 °C e contemporaneamente la temperatura del bollitore è < 30 ºC. Tenetelo sempre a mente nel caso vogliate avventurarvi in un’ottimizzazione spinta riducendo al minimo il set-point di temperatura dell’accumulo ACS pompa di calore.
Ricordo anche che normalmente in una pompa di calore la produzione ACS ha la priorità rispetto al riscaldamento: punto di attenzione in inverno, particolarmente nel caso che pensiate di limitare troppo gli orari di possibili di funzionamento del riscaldamento.
Configurazione Produzione ACS con Pompa di Calore Daikin HPSU Compact
Veniamo ora a descrivere i (pochi) parametri di programmazione relativi alla produzione ACS con pompa di calore Daikin HPSU Compact: la logica è comunque simile per qualsiasi altro modello. E’ possibile definire fino a tre set-point di temperatura dell’accumulo T-ACS nom 1, T-ACS nom 2 e T-ACS nom 3 su tre intervalli temporali.
La pompa di calore Daikin HPSU Compact cerca di regolare il valore di temperatura dell’accumulo termico sul set-point corrente (T-ACS nom x) con un’isteresi definita dal parametro HP Isteresi TDHW.
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Detto in altre parole (sempre nel caso di non utilizzo della resistenza elettrica di backup):
- fino a quando l’accumulo termico si trova ad una temperatura superiore a T-ACS nom x - HP Isteresi TDHW non viene fatta nessuna azione
- quando la temperatura dell’accumulo ACS della pompa di calore scende sotto il set-point corrente - meno l’isteresi, l’unità esterna si accende (oppure interrompe riscaldamento in corso) avviando la produzione acqua calda sanitaria)
- quando la temperature dell’accumulo ACS della pompa di calore raggiunge il set-point corrente l’unità esterna ritorna nello stato precedente spegnendosi oppure ritorna ad alimentare il circuito di riscaldamento
Esistono anche due ulteriori parametri ancillari:
- Max DHW loading time: definisce l’intervallo massimo di produzione ACS della pompa di calore (serve in inverno per evitare di bloccare per troppo tempo il riscaldamento)
- DHW Off Time: definisce l’intervallo minimo tra due cicli consecutivi di produzione ACS della pompa di calore (serve in inverno per evitare di bloccare per troppo tempo il riscaldamento)
Direi che siamo pronti a ricordare un ultimo aspetto, particolarmente importante d’estate: i limiti di funzionamento della pompa di calore Daikin HPSU Compact. In buona sostanza in presenza di temperatura esterne anche non particolarmente elevate, la sola unità esterna non è in grado di raggiungere temperature di accumulo ACS troppo elevate. In questo caso, in cui magari vogliate fare autoconsumo fotovoltaico, potreste attivare la resistenza elettrica.
Le caldaie domestiche hanno potenze che variano da 24 kW fino a 35 kW, mentre le pompe di calore di taglia residenziale hanno potenze decisamente inferiori, normalmente da 4 kW a 16 kW. Le caldaie a gas, inoltre, scaldano generalmente l’acqua calda sanitaria (ACS) in modo istantaneo e per questo necessitano di una potenza supplementare, superiore a quella del fabbisogno termico per il riscaldamento.
Fabbisogno Termico
Da cosa dipende il fabbisogno termico? Da alcuni elementi fondamentali che il progettista deve misurare per poi decidere i kW necessari della pompa di calore. tasso di ricambio dell’aria per valutare le dispersioni termiche che avvengono con l’apertura delle finestre o a causa delle infiltrazioni a serramenti chiusi. L’obiettivo di un corretto dimensionamento della pompa di calore è soddisfare il fabbisogno di riscaldamento nel modo più efficiente ed economico possibile, individuando la pompa di calore di potenza minore ammissibile per consentire alla macchina di lavorare più tempo possibile sfruttando la capacità di modulazione. Precisiamo che si tratta comunque di un calcolo orientativo, anche se tiene conto di tutte le variabili importanti.
Le pompe di calore, invece, risentono della temperatura esterna, che è in grado di ridurne la potenza erogata. Inoltre, generano una potenza tanto più bassa quanto è più alta la temperatura dell’acqua prodotta. Producono una temperatura di mandata che difficilmente supera i 55° con un rendimento dignitoso.
Tra il 2015 e il 2016 abbiamo assistito a un incremento annuo medio dell’energia prodotta dalle pompe di calore del 18% nell’UE-28, segno dell’interesse crescente per questa tecnologia, che è in grado di consentire risparmi dal 40 al 60% di energia primaria, con conseguente riduzione delle emissioni di gas a effetto serra. Ma, affinché tali potenziali vantaggi siano concreti, diventa fondamentale che la pompa di calore sia correttamente dimensionata e che si scelga la tecnologia più adatta per il sito d’installazione e per l’applicazione finale.
Innanzitutto, fondamentali sono i dati di efficienza energetica dell’edificio, presenti nel documento di certificazione energetica. Partiamo da una semplice affermazione: il sistema di riscaldamento di un’abitazione, come ad esempio una pompa di calore aria acqua, serve a compensare le perdite di energia termica dell’edificio. I dati di efficienza energetica dell’edificio presenti nel documento di certificazione energetica ci forniscono proprio come riferimento la quantità di energia termica idealmente richiesta per il riscaldamento in tutta la stagione invernale. Dobbiamo, inoltre, tenere presente che la temperatura interna è convenzionalmente di 20°C e che la normativa stabilisce gli orari giornalieri massimi di funzionamento del riscaldamento.
Nelle recenti costruzioni ad alto rendimento, le dispersioni per il riscaldamento e raffrescamento sono molto ridotte. Ne consegue che, spesso e volentieri, la potenza termica da dedicare alla produzione di acqua calda sanitaria dipende dalla modalità di produzione, se istantanea oppure con accumulo. Nei sistemi con pompa di calore è da scegliere la produzione con accumulo, per evitare le frequenti accensioni e spegnimenti in corrispondenza dei picchi di richiesta, controproducenti per i compressori dell’unità. Anche la durata del periodo di preriscaldamento ha la sua importanza ai fini del corretto dimensionamento e, solitamente, si assume dp = 1 ÷ 3 h.
Le pompe di calore funzionano con rendimenti ottimali quando la differenza di temperatura fra la sorgente esterna e il serbatoio è massimo di 40-50 °C: per differenze superiori l’efficienza diminuisce. C’è poi il problema delle pompe di calore aeriformi, le quali estraggono calore dall’aria esterna che ha delle temperature variabili e può diventare molto fredda. Ci sono pompe di calore che perdono in efficienza in maniera trascurabile, altre che non danno più la potenza che serve e usano l’energia unicamente per lo sbrinamento.
Tutto questo si traduce in uno SCOP altissimo, che consente un rendimento medio stagionale della pompa di calore molto elevato, dimostrazione che negli ultimi anni si sia investito molto in Ricerca e Sviluppo.
Panasonic ha sviluppato, ad esempio, un’elettronica che, in funzione della temperatura esterna e della produzione di un eventuale impianto fotovoltaico, forza la pompa di calore per sfruttare la massima produzione generata dal sole (energia gratuita).
È la tecnologia che fa la differenza. Ad esempio, le pompe di calore Panasonic sono dotate di un’elettronica sofisticata e in grado di ottimizzare la sovrapproduzione del fotovoltaico, forzando la pompa quando si ha un esubero di energia elettrica prodotta e non utilizzata.