Gli scaldacqua a pompa di calore

Sostituire uno scaldacqua elettrico con uno scaldacqua a pompa di calore si rivela un ottimo intervento all’insegna del risparmio energetico, se si considerano con attenzione le caratteristiche climatiche del luogo di installazione, la tipologia dell’edificio (condominio, costruzione monofamiliare, ecc.) e le condizioni di impiego.

È noto che la pompa di calore è un sistema termodinamico in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura inferiore, detto “sorgente”, ad un corpo a temperatura più elevata detto “pozzo caldo”.

Le pompe di calore sono macchine che possono produrre energia termica per il riscaldamento ambientale e la produzione di acqua calda, oltre che per il raffrescamento nel caso siano reversibili.

Il vantaggio nell’uso di questi dispositivi deriva dalla loro capacità di fornire energia termica (calore ceduto al mezzo da riscaldare), in quantità superiore all’equivalente elettrica o termica utilizzata per realizzare il ciclo termodinamico.

L’efficienza di una pompa di calore viene valutata in termini di C.O.P. (Coefficient Of Performance), un numero sempre maggiore di 1, e che ordinariamente è compreso tra 3 e 6.

Il C.O.P. è tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura del pozzo caldo che riceve l’effetto utile, e quanto più alta è la temperatura della sorgente termica.

Schema applicativo della pompa di calore aria-acqua, per la produzione di acqua calda ad uso igienico-sanitario.

Nonostante non siano tra le più efficienti, in Italia le pompe di calore più diffuse sono i modelli aria – acqua, ovvero quelli che attingono energia termica dall’aria esterna per riscaldare acqua, sia come fluido vettore per l’impianto di riscaldamento, che per l’uso diretto nelle esigenze igienico-sanitarie.

Il limite operativo di questa tipologia consiste nella diminuzione dell’efficienza al diminuire della temperatura dell’aria esterna, per cui le relative prestazioni sono fortemente influenzate dalle condizioni climatiche stagionali.

La pompa di calore applicata alla sola produzione di acqua calda ad uso igienico, denominata “scaldacqua a pompa di calore”, si basa sulla medesima organizzazione delle più note pompe di calore per la climatizzazione ambientale: tuttavia il peculiare campo di funzionamento e di utilizzo la rende una tecnologia a sé stante.

Infatti le pompe di calore per il servizio di riscaldamento esprimono compiutamente le proprie prerogative, prevalentemente negli impianti a bassa temperatura (sistemi radianti, fan-coil, ecc.), per i quali la temperatura dell’acqua non supera i 40 °C – 45 °C  e comunque si trovano ad operare su piccoli salti termici tra mandata e ritorno (10 °C – 15 °C).

Gli scaldacqua a pompa di calore, viceversa, devono riscaldare l’acqua di consumo dalla temperatura di rete (10 °C – 15 °C) a quella di accumulo (55 °C – 60 °C), con incrementi di termici nettamente superiori.

Organizzazione di uno scaldacqua a pompa di calore aria-acqua ad accumulo (Vaillant).

Si evidenzia altresì che i produttori di acqua calda ad uso igienico vengono utilizzati nell’intero arco dell’anno, salvo brevi periodi di interruzione, mentre l’impianto di riscaldamento è attivo nel solo periodo invernale.

Altra peculiarità è rappresentata dal fatto che la richiesta di acqua calda sanitaria è prevalentemente concentrata in alcuni orari, funzione del tipo di utenza, mentre l’attività di un impianto di riscaldamento è estesa se non all’intera giornata, a buona parte delle 24 ore.

Applicazione dello scaldacqua a pompa di calore

Le direttive spingono gli Stati membri verso la progressiva riduzione dei consumi e della dipendenza dalle fonti energetiche fossili, stabilendo regolamenti e misure per la costruzione di immobili con minimi consumi energetici, e per l’impiego di fonti energetiche rinnovabili a copertura dei servizi primari.

Attualmente la riduzione dei consumi per il riscaldamento degli edifici è sostenuta da consolidate tecniche di coibentazione, sia nelle nuove costruzioni che nella ristrutturazione degli immobili esistenti, tramite le quali è possibile abbattere sensibilmente i relativi fabbisogni termici.

Scaldacqua a pompa di calore monoblocco murale. Capacità di accumulo 80 litri. Potenza elettrica assorbita media  250 W (acqua da 15°C a 55°C con aria a +20°C – EN 255/3) (Ariston)

Azioni equivalenti nei riguardi del fabbisogno di acqua calda sanitaria non sono possibili (se non riducendo il livello di comfort), che conseguentemente, assumerà un crescente ruolo strategico nel bilancio energetico delle costruzioni.

È quindi necessario intraprendere iniziative mirate a produrre acqua calda con ridotto impiego di combustibili fossili, adottando soluzioni tecnologiche di alta efficienza e coinvolgenti energie rinnovabili.

In tale ambito, ai consueti collettori solari termici si affiancano sempre più spesso gli scaldacqua a pompa di calore, come dispositivi ai quali è riconosciuta l’elaborazione di energia rinnovabile (direttiva R.E.S. – Renevable Energy Sources).

Dovendo risultare un’alternativa efficiente ed economicamente allettante rispetto ai tradizionali produttori di acqua calda elettrici o a gas, gli scaldacqua a pompa di calore sono del tipo aria – acqua, sfruttando come sorgente l’aria esterna disponibile sempre ed ovunque.

Per ovviare alla riduzione dell’efficienza conseguente alla diminuzione della temperatura esterna, si può ricorrere all’impiego di aria interna a locali riscaldati in modo indiretto da vani adiacenti (cantine, garage, ecc.), che nella stagione invernale è caratterizzata da una temperatura meno rigida rispetto all’aria esterna.

L’efficienza di queste macchine può mantenersi su livelli elevati in modo pressoché costante, allorquando come sorgente di calore si sfrutta l’aria espulsa dagli impianti di ventilazione meccanica controllata.

Scaldacqua a pompa di calore disponibile in tre modelli da 100, 200 e 300 litri, in versione normale o con serpentino ausiliario per impianti solari e a biomassa (Rossato Group).

Esistono inoltre alcuni esercizi commerciali (lavanderie, centri estetici, mense, ristoranti, ecc.) che, per garantire un adeguato benessere  termoigrometrico interno, hanno la necessità di smaltire costantemente grandi quantità di calore ed umidità: tali scarti termici possono costituire una preziosa risorsa come sorgente per gli scaldacqua a pompa di calore.

Energia rinnovabile da pompa di calore

Come già accennato, la direttiva 28/2009/Ce (R.E.S.) ed il relativo decreto di recepimento da parte dell’Italia (D.L. 28/2011), in determinate condizioni definiscono rinnovabile l’energia contenuta nell’aria (energia aerotermica), nel terreno (energia geotermica) e negli acquiferi superficiali (energia idrotermica) sia naturali (fiumi, laghi, mari) che artificiali (bacini sufficientemente grandi da poter essere sfruttati).

Tali requisiti risultano osservati nel momento i cui l’efficienza del processo con cui viene estratta l’energia termica dalle suddette sorgenti, è sufficientemente elevata da renderne vantaggioso lo sfruttamento.

L’Unione europea, con “Decisione Commissione UE 2013/114/Ue” e successiva rettifica (emanata l’11/01/2014), stabilisce altresì gli orientamenti per il calcolo da parte degli Stati membri, della quota di energia da fonti rinnovabili prodotta a partire dalle pompe di calore di diversa tipologia, ai sensi dell’art. 5 della suddetta direttiva 28/2009/Ce.

Sinteticamente, la quantità di energia rinnovabile prodotta dalla tecnologia a pompa di calore, indicata con Eres, si determina con la seguente relazione:

Eres = Qusable

dove.

Qusable = calore totale stimato utilizzabile prodotto da pompa di calore [GWh]=

=

HHP = ore di funzionamento equivalenti a pieno regime [h]

Prated = capacità della pompa di calore installata [GW]

SPF = fattore di rendimento medio stagionale stimato (SCOPnet)

Al di là delle perplessità suscitate fin dal primo apparire del suddetto metodo di valutazione, con un valore di efficienza η del sistema energetico fissato al 45,5% (come indicato nella suddetta Decisione), l’SPF minimo delle pompe di calore elettriche (SCOPnet) che rientra nel calcolo della quota di energia da fonti rinnovabili a norma della direttiva, è pari a 2,5.

Per le pompe di calore alimentate da energia termica (sia direttamente che indirettamente attraverso la combustione di carburanti), l’efficienza del sistema energetico è pari ad 1, in modo tale che l’SPF minimo (SPERnet)) ai fini del loro computo nella quota di energia rinnovabile secondo la direttiva, sia di 1,15.

Nel caso delle pompe di calore installate negli scaldacqua, solo in casi eccezionali si riscontra un SPF superiore alla soglia minima.

Ciò è dovuto al fatto che i metodi di prova a cui sono soggetti gli scaldacqua a pompa di calore, sono differenti rispetto a quelli previsti per le pompe di calore per la climatizzazione invernale.

Infatti per i primi si segue un criterio di valutazione basato su profili giornalieri di prelievo di acqua calda, con innalzamento della sua temperatura da 10 °C a 55 °C (UNI EN 16147).

Per le seconde viceversa si determina la performance a varie condizioni di temperatura e carico, con una variazione termica dell’acqua da 25 °C a 35 °C (UNI EN 14511).

A parità di condizioni di funzionamento, gli scaldacqua a pompa di calore hanno un effetto utile alquanto diverso e più gravoso rispetto alle pompe di calore per la climatizzazione.

Scaldacqua a pompa di calore dotato di predisposizioni specifiche per sfruttare al meglio l’impianto fotovoltaico e  l’abbinamento a impianti solari termici. L’accumulo in acciaio vetrificato coibentato ha la capacità di 270 litri (Immergas).

Secondo le più recenti statistiche (Cresme/SI), nell’ambito abitativo italiano sono presenti circa 7,8 milioni di scaldacqua elettrici ad effetto Joule, che determinano costi e consumi energetici non indifferenti: questa circostanza delinea un ambito di intervento caratterizzato da un risparmio energetico disponibile non indifferente.

Soprattutto nei grandi complessi condominiali, non è sempre agevole rimpiazzare uno scaldabagno elettrico con uno a gas. Analogamente la sostituzione con sistemi che fanno riferimento ad energie rinnovabili (come i collettori solari termici), può incontrare notevoli vincoli in termini di disponibilità di superficie o di inadeguati orientamenti delle coperture.

Lo sviluppo della tecnica di produzione di acqua calda con pompa di calore, mette a disposizione un dispositivo che supera i limiti suddetti e che, rispetto ad uno scaldacqua elettrico tradizionale, consente di:

– abbattere i costi di esercizio fino al 70 – 75%;

– impegnare una minore potenza elettrica per la produzione di acqua calda;

– incrementare il valore dell’unità abitativa, tramite il possibile miglioramento della sua classe energetica.

Con i modelli attualmente disponibili, in versione split o monoblocco, murale o a pavimento, è possibile fornire una soluzione adeguata per la maggior parte delle esigenze del settore residenziale.

Conclusioni

Sostituire uno scaldacqua elettrico con uno a pompa di calore si rivela un ottimo intervento all’insegna del risparmio energetico, se si considerano con attenzione:

le caratteristiche climatiche del luogo di installazione;

la tipologia dell’edificio (condominio, costruzione monofamiliare, ecc.);

le condizioni di impiego.

Nelle nuove costruzioni, con i sistemi fotovoltaici sempre più indirizzati verso l’autoconsumo, lo scaldacqua a pompa di calore contribuisce a sfruttare l’elettricità prodotta sia nell’immediato, sia conservandola sotto forma di energia termica nell’accumulo.

Scaldacqua a pompa di calore della potenza termica di 1,7 kW, disponibile con capacità di 200 o 300 litri e versione con resistenza elettrica integrativa e scambiatore (solare o caldaia) integrativo (Baxi).

Analogamente l’abbinamento con impianti solari termici sia in serie che in parallelo, contribuisce a valorizzare entrambe le tecnologie, offrendo importanti contributi coordinati nella gestione energetica degli edifici NZEB.

È inoltre opportuno rammentare che la pompa di calore elettrica non produce emissioni in sede locale, contribuendo così a migliorare la qualità dell’aria esterna nei centri abitati.

L’installazione di questi dispositivi potrebbe incontrare alcuni inconvenienti, per la necessità di disporre di uno spazio ove ubicare l’unità esterna nelle versioni split, oppure per posizionare la versione monoblocco in adiacenza ad una parete esterna (se si utilizza l’aria esterna), o ancora di un locale da cui prelevare l’aria di raffreddamento.

Tra i limiti attuali di questa tecnologia si deve osservare che i prezzi d’acquisto, pur caratterizzati da vistose diminuzioni occorse negli ultimi tempi, permangono ad un livello alquanto superiore rispetto alle soluzioni tradizionali alimentate con energia elettrica.

Una accurata valutazione supportata anche dagli incentivi in vigore, è comunque in grado di guidare ad una scelta consapevole e, in buona parte dei casi, conveniente.

Ing. Giacomino Redondi

 

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