Convenienza e limiti delle pompe di calore "Geotermiche"

Ho già scritto a proposito della convenienza economica delle pompe di calore rispetto ai sistemi tradizionali di riscaldamento fissando per l’alloggio una soglia minima di pezzatura sotto la quale  non è conveniente sostituire la classica caldaia a metano con un sistema a pompa di calore.

Di solito si intende per “pompa di calore” il tipo con condensazione ad aria ovvero quelle di uso più comune e facile reperibilità.

La resa delle pompe di calore con condensazione ad aria è però condizionata dala temperatura dell’aria di condensazione.

Le rese sono di solito riferite alle condizioni standard Te = 7°C, Ti= 20°C e variano sensibilmente al decrescere della temperatura dell’aria.

Una buona pompa di calore di costruzione giapponese ha di solito come limite di funzionamento -15°C ma il COP si riduce drasticamente fino all’unità per temperature molto al di sotto dello zero.

Esistono, a patto di avere le condizioni necessarie, delle pompe di calore dette impropriamente  “geotermiche” che utilizzano il terreno, l’acqua di falda o specchi di acqua superficiale (laghi, stagni) come serbatoi termici.

Circa la metà dell’energia solare che raggiunge la Terra viene immagazzinata dal suolo che diventa così un serbatoio energetico di elevata capacità e costanza: la temperatura del suolo, a qualche metro di profondità, rimane in linea di massima invariata nel corso delle stagioni e fa sì che il sottosuolo, le acque sotterranee e quelle superficiali di laghi e stagni siano più caldi dell’aria ambientale in inverno e più freddi invece in estate.

Schema funzionamento pompa di calore
"Geotermica"

Le condizioni termiche che caratterizzano il terreno o i corpi idrici sotterranei e superficiali fanno si che le pompe di calore geotermiche presentino un rendimento più elevato rispetto alle pompe di calore che utilizzano l’aria come sorgente energetica fino a raggiungere con costanza COP superiori a 5.

Ovviamente l’energia geotermica, per poter essere sfruttata, necessita di dispositivi, chiamati connessioni a terra, dedicati allo scambio termico con il sottosuolo o le altre tipologie di serbatoi termici utilizzabili.

Le connessioni a terra possono essere di tipo orizzontale o verticale.

Si tratta in entrambi i casi di un circuito chiuso di tubi in tecnopolimero in cui circola una miscela di acqua e liquido incongelabile con la sola funzione di trasferimento del calore.

Per una stima assolutamente di larga massima, i sistemi orizzontali prevedono uno sbancamento della profondità da 1 a 2 metri e di area pari a 3-3.5 volte l’area da climatizzare o di circa 35-55 m di lunghezza per kW di potenza termica dell’impianto; i sistemi verticali prevedono delle perforazioni profonde in ragione, sempre per una stima di larga massima, di 15/25 metri di profondità per kW di potenza termica.

Le tubazioni dei sistemi orizzontali vengono semplicemente ricoperte con le semplici accortezze di coibentare accuratamente i tratti superficiali e di lasciare l’area interessata a prato evitando alberi e cespugli.

Sistemi di scambio orizzontali

Per evitare interferenze termiche le varie “trincee” devono essere distanziate di circa 7 metri.

Possono essere realizzate svariate configurazioni: a singolo tubo, a tubi multipli, con tubi a spirale o a canestro.

Ovviamente all’aumentare del numero di tubi ubicati nella stessa trincea aumentano le

dimensioni dello scavo però si riduce l’estensione superficiale complessiva dell’impianto.

Lo scambiatore a spirale comporta, a parità di prestazione, il minor consumo di suolo ma

richiede una maggior estensione complessiva di tubazioni e di conseguenza un costo maggiore.

Nei sistemi verticali si realizzano perforazioni del diametro di 15-25 cm distanziate di 7-8 metri per evitare interferenze termiche in cui vengono messe a dimora tubazioni a U connesse, in serie o in parallelo, con i circuiti di mandata e ritorno del circuito di “condensazione” della pompa di calore.

Deve sempre essere particolarmente curata la coibentazione dei tratti superficiali di tubazione.

Utilizzando acqua di falda come sorgente di energia termica questa viene direttamente utilizzata – qualora l’acqua abbia le condizioni di pulizia e di durezza adatte - o, molto più correttamente,utilizzando uno scambiatore intermedio.

Sistema di scambio a media profondità

In pratica si realizzano pozzi, alimentati dalla falda, da cui l’acqua viene prelevata ed inviata allo scambiatore connesso con la pompa di calore, per poi essere pompata

nuovamente in falda o utilizzando un pozzo diverso da quello di prelievo o, nel caso venga utilizzato lo stesso pozzo pompando l’acqua di ritorno in superficie mentre quella di alimentazione viene prelevata dal fondo.

Gli scambiatori intermedi sono assolutamente necessari nel caso si utilizzi acqua di laghi o stagni che possono avere condizioni chimiche o di pulizia incompatibili con gli scambiatori delle pompe di calore geotermiche.

Le pompe di calore geotermiche rappresentano una valida alternativa ai sistemi tradizionali ma sono limitate, al contrario di quelle con condensazione ad aria, nelle applicazioni possibili.

Dalla loro hanno grande costanza di rendimento, ingombri interni limitati, assoluta silenziosità e assenza di condensatori esterni.

Come tutte le pompe di calore anche quelle geotermiche il limite di funzionamento in regime invernale e di 50-55°C per cui l’impianto deve essere dimensionato per funzionare a bassa temperatura.

Per questo motivo gli impianti esistenti devono essere verificati e eventualmente adeguati.

La conversione purtroppo non è sempre possibile senza interventi che prevedano opere edili anche importanti.

Le immagini sono tratte da http://www.caleffi.it/

Impianto di climatizzazione di un complesso sportivo in Campania

Il progetto dell’impianto è stato commissionato da una Impresa generale che non si è poi aggiudicata l’appalto del complesso sportivo che comprendeva una piscina, i servizi annessi e un bar al pianterreno e un centro benessere al primo piano.

Architettonici edificio

Tutti gli impianti sono stati previsti al piano seminterrato ad esclusione della Centrale termica che avrebbe dovuto essere installata in un edificio separato per permettere l’accesso ai Vigili del Fuoco.

Era stata prevista l’installazione in parallelo di due generatori di calore del tipo in acciaio ad alto rendimento alimentati a gas metano (buciatori a doppio stadio) della potenzialità termica di 450 kW cadauno.

I gruppi termici alimentavano lo scambiatore per il riscaldamento della piscina (previsto a fascio tubiero dal progettista dell’impianto specifico della piscina), i boiler ad accumulo per l’ ACS e gli impianti di riscaldamento al piano terra e al primo piano.


Schema generale impianto idraulico

Schema collegamento pannelli solari

Una superficie di circa 50 mq. di pannelli solari del tipo a svuotamento integravano il sistema di riscaldamento dell’ACS.

Non è stato possibile prevedere l’installazione di un numero maggiore di pannelli per motivi di ordine architettonico.

Non è stata prevista l’installazione di pompe di calore sia perchè il complesso avrebbe avuto un funzionamento prevalentemente invernale data la sua vicinanza al mare della costiera amalfitana sia per problemi tecnici del fornitore dell’energia elettrica.

Un solo chiller di potenza relativamente modesta (130 kW) avrebbe alimentato gli elementi terminali ventilconvettivi posti al primo piano dell’edificio e le batterie fredde delle UTA a servizio dei vari piani (ad esclusione del locale piscina).

Il circuito idraulico delle UTA era separato da quello degli elementi terminali per poter permettere il funzionamento contemporaneo e consentire un minimo di controllo delle condizioni igrometriche dell’aria di rinnovo pur in assenza di una batteria di postriscaldamento.

A servizio del locale piscina era stata prevista l’installazione di una UTA a tutt’aria esterna e dotata di recupero del calore e di serranda di by pass della portata di 32000 mc/h (n. 8 tratt./ora).

Aeraulico piano seminterrato

Aeraulico e idraulico piano terreno

Aeraulico e idraulico primo piano

Un sistema di regolazione con comparazione entalpica avrebbe gestito e ottimizzato il funzionamento della UTA agendo sui servomotori delle serrande e la valvola a tre vie.

Il sistema di distribuzione dell’aria era stato previsto realizzato con tubazioni a sezione circolare in lamiera di acciaio inox A316 interrata per il collettore principale e aerea per le diramazioni.

Tale tipologia era stata espressamente richiesta dall’Impresa generale che produce condotte di questo tipo.

Assonometrico impianto aeraulico

La distribuzione era affidata a bocchette di mandata a doppio ordine di alettatura regolabile realizzate in acciaio inox.

La realizzazione della canalizzazione di ripresa era invece prevista in cls e ricavata nel materiale di riporto posto ai margini della vasca e le bocchette di ripresa erano previste come disposte sui due lati lunghi della vasca e a filo pavimento al fine di minimizzare l’effetto “nebbia bassa”.

Al piano seminterrato era prevista l’installazione delle UTA a servizio dei vari piani.

Le UTA a servizio del piano terreno erano previste del tipo con recupero del calore mentre quella a servizio del primo piano era prevista senza tale dispositivo in quanto non necessario per richiesta specifica del fornitore delle attrezzature e apparecchiature per il fitness poste a tale piano.

In sostanza le UTA provvedevano al solo ricambio d’aria mentre il riscaldamento era fornito da elementi radianti al pianterreno e da elementi ventilconvettivi al primo piano.

IMPIANTO DI CLIMATIZZAZIONE INTEGRATO IN UN CASOLARE IN COLLINA

Il committente dell'impianto è proprietario di un casolare su tre piani in collina dove ancora non è ancora possibile l'allaccio alla rete del metano che comunque stato scartato per la scarsa convenienza economica dell'utilizzo di questo combustibile.

Ancor meno conveniente sarebbe stata, conti alla mano, l'installazione di un serbatoio di GPL.



Schema idraulico



Si è scelto quindi di installare delle pompe di calore aria acqua “Aquarea” di produzione Panasonic integrando in regime invernale con un termocamino – nei terreni annessi all'edificio c'è ampia disponibilità di legna – e in regime estivo, per la produzione di acqua calda sanitaria, con collettori solari del tipo a svuotamento.

Le necessità di climatizzazione risultano ovviamente indispensabili in regime invernale mentre, per la particolare collocazione, in regime estivo è limitata agli ambienti esposti a sud ovest.

La scelta è caduta quindi, come logico le pompe di calore, su un impianto di riscaldamento a pavimento con circuiti separati per i vari livelli.

Si è scelto anche di installare due pompe di calore di potenza unitaria pari al 60% del fabbisogno termico per la migliore efficienza delle macchine di taglia inferiore e per la continuità di funzionamento in caso di avarie.

E' anche stato predisposto l'impianto per l'installazione di una eventuale terza macchina.

In regime invernale quindi il fluido termovettore delle pompe di calore viene inviato a un “puffer” del tipo “tank in tank” dotato di serpentino di scambio.

Il serpentino è collegato al termocamino e la temperatura viene gestita con una valvola a tre vie miscelatrice con sonda nel Puffer.

Il serbatoio interno è invece collegato al circuito dell'acqua calda sanitaria.

Non è stata data priorità a nessuna delle due fonti di calore e la gestione, su richiesta del cliente, è manuale.

La temperatura nel serbatoio, dovendo provvedere anche al riscaldamento dell'acqua calda sanitaria, è necessariamente più alta di quella necessaria per l'impianto a pavimento per cui dovrà essere regolata dalle valvole a tre vie dei collettori dell'impianto a pavimento.

Il boiler ad accumulo in regime invernale è inattivo

In regime estivo il Puffer viene intercettato e viene aperto il circuito del boiler ad accumulo.

Il boiler è dotato di due serpentini di scambio, uno per le pompe di calore e uno per i collettori solari del tipo a svuotamento.

Se l'insolazione è sufficiente le pompe di calore sono escluse o provvedono alla climatizzazione degli ambienti con la peggiore esposizione; in caso contrario invertono il ciclo e provvedono al riscaldamento dell'acqua del boiler fino al raggiungimento della temperatura impostata.

Si sono scelti i collettori solari a svuotamento per la sicurezza intrinseca di questa tipologia, per evitare di “glicolare” in percentuali alte il fluido termovettore ( aumento di resa ) e per evitare di dover installare dei dissipatori di calore che rappresentano un ulteriore punto di avaria di un sistema già abbastanza complesso.

Risparmio energetico: l'involucro edilizio

Una buona progettazione è il primo passo per il contenimento del consumo energetico per gli impianti di riscaldamento.

Le dispersioni di energia di un edificio sono correlate alla resistenza termica delle sue superfici (siano esse affacciate verso l'esterno che verso l'interno) e dalla sua capacità di utilizzare gli apporti “gratuiti”.

Intendendo come gratuito in primo luogo quelli solari.

Alcune piccole regole di orientamento degli ambienti, ad esempio, possono portare a benefici non trascurabili.

Come insegnano i bioarchitetti a sud devono essere esposte le stanze che necessitano di luce e calore per tutto il giorno come cucina e soggiorno, a nord i locali di servizio e le scale, a est le camere da letto e a ovest gli ambienti relax come lo studio.

Possiamo distinguere due tipi di sistemi per il guadagno di energia solare: il sistema solare "attivo" e quello "passivo".
Un sistema solare "attivo" è formato da elementi che captano l'energia solare, come per esempio i collettori solari.

Questi permettono l'utilizzo dei raggi solari per il riscaldamento dell'acqua in parte anche per il riscaldamento degli ambienti interni.

I moderni elementi solari possono essere inseriti in modi diversi come elementi architettonici e, grazie alla loro grande flessibilità, possono essere adattati anche a strutture già esistenti. In particolare possono costituire parti di coperture, facciate, schermo parasole o balcone.
Si definisce "sistema passivo" un sistema che utilizza i componenti stessi di un edificio per captare, accumulare e distribuire il calore della radiazione solare senza l'impiego di apparecchiature.
Bisogna fare attenzione perché il concetto di riscaldamento è stato in gran parte sostituito da quello di climatizzazione per cui alcune scelte possono essere assolutamente controproducenti in regime estivo e devono essere vagliate con oculatezza.
E’ buona norma, ad esempio, disporre lungo le facciate più soleggiate degli aggetti – gronde e balconi - al di sopra delle finestre che sfruttando la diversa altezza del sole nelle varie stagioni, ombreggiano l’apertura in regime estivo e lasciano entrare i raggi del basso sole d’inverno.

Possiamo fare una valutazione percentuale esemplificativa della differenza di energia dispersa verso l’ambiente esterno da un locale isolato e uno non isolato e ombreggiato avente le stesse caratteristiche dimensionali:

Finestre = 1.5 mq
Pareti e soffitto = 16.5 mq

Siano:

S = superficie disperdente in mq
U = trasmittanza termica unitaria misurata in W/mqK
Δt = differenza tra temperatura interna e temperatura media esterna
τ = tempo in secondi
Qi = energia dispersa verso l’esterno
Qs = energia gratuita dovuta agli apporti solari
Qh = Qi-Qs è l’energia dispersa dal locale che deve essere fornita dall’impianto di climatizzazione in regime invernale per il mantenimento della temperatura di progetto.

Locale ombreggiato e non isolato					Locale isolato e ben esposto
S mq	U W/mqK	Δt °C	τ Sec.	Qn KJ	S mq	U W/mqK	Δt °C	τ Sec.	Qn KJ
16.5	1.8	12.5	3600	1337	16.5	0.6	12.5	3600	446
1.5	5	12.5	3600	338	1.5	2.3	12.5	3600	155
			Qs	0				Qs	61
			Qn	1675				Qn	540

Le dispersioni termiche del locale ombreggiato e non isolato sono più che triple rispetto a un ambiente isoalto e ben esposto.

L’attuale legislazione prevede:

Il calcolo del fabbisogno di potenza secondo UNI 7357.

Il calcolo del fabbisogno di energia utile Qn secondo UNI 10344.

Contatore unico o doppio contatore negli impianti di climatizzazione

Lo spunto viene da un articolo di Ugo Palmacci apparso su Casa&Clima n° 23 – WWW.CASAECLIMA.COM – dal titolo “ Pompe di calore elettriche, meglio il doppio contatore” che, per chi non abbia voglia di cercarlo, si riassume brevemente.

L'utilizzo per il riscaldamento residenziale delle pompe di calore viene limitato dal costo dell'energia elettrica e dal sistema di contabilizzazione dei consumi da parte dei gestori.

Traducendo in soldoni: esiste un limite minimo di consumo per gli usi domestici pari a 2640 kWh/anno; di questi 1800 kWh hanno un costo di circa 10 centesimi, da 1800 a 2640 kWh circa 14 centesimi, da 2640 a 4440 il costo sale a poco meno di 20 centesimi e oltre la soglia dei 4440 il costo è di oltre 26 centesimi.

Questi costi unitari vanno maggiorati di IVA e balzelli vari.

Il concetto di base è corretto, chi più consuma più paga proteggendo le fasce più deboli che consumano meno.

I gestori, considerando gli utenti alla stregua di limoni da spremere, contabilizzano “pro quota giorno” - come lo definisce il maggior distributore nazionale - per cui tutti i consumi “voluttuari” (cioè eccedenti i 12 kWh/giorno) come il riscaldamento con le pompe di calore, un piatto di pasta al forno o una lavatrice in più finiscono inevitabilmente per essere contabilizzati alle tariffe più alte e fino a 30 centesimi per kWh.

Tutto questo tenendo conto che la climatizzazione con le pompe di calore viene considerata “da fonte rinnovabile” come stabilito dalla Direttiva 2009/28/CE emanata il 23 Aprile 2009 dal Parlamento e dal Consiglio europeo sulla promozione dell’uso dell'energia da fonti rinnovabili.

Ovviamente nessuno delle Autorità e dei Garanti – bravissimi a garantire soprattutto se stessi – trova nulla da ridire.

Ma tant'è e bisogna cercare di porre in qualche modo rimedio.

Esiste la possibilità di installare un contatore per “usi diversi” come stabilito dalla Autorità per l'Energia e per il Gas con delibera 30/2008, comma 5.2,che modificava la delibera 348 del 2007, introduce la possibilità di un secondo contatore ” nel caso di utilizzo di un impianto in pompa di calore “In deroga a quanto previsto dal comma 5.1, per le utenze domestiche in bassa tensione, con potenza disponibile fino a 3,3 kW, può essere richiesta l’installazione, di un secondo punto di prelievo destinato esclusivamente all’alimentazione di pompe di calore per il riscaldamento degli ambienti, anche di tipo reversibile”.

Il costo è fissato in una tariffa unica di poco superiore ai 13 centesimi per kWh e però gravato da una Quota fissa tripla rispetto alle utenze domestiche e da un Costo potenza nettamente superiore.

Ugo Palmacci fa un raffronto tra un unico contatore con potenza impegnata di 7,5 kW e doppio contatore con potenza impegnata di 3kW per uso domestico e 6 kW per usi diversi.

Il risparmio raggiunge anche il 27%.

Si è voluto verificare il raffronto con l'unità abitativa considerata nell'articolo di questo blog relativo alla convenienza delle pompe di calore rispetto alla tradizionale caldaia a metano.

In pratica nella nostra unità abitativa e per i consumi ipotizzati c'è un sostanziale pareggio tra il contatore singolo e il doppio; il risparmio è del 6% circa ma bisogna considerare gli oneri di allaccio quantificabili in poco meno di 600 Euro.

Il pareggio di costo tra le due tipologie si ha per un consumo annuo di 4600-4700 kWh, il risparmio diventa invece consistente e appetibile per consumi maggiori.




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IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE: Errori più comuni nei sistemi di rinnovo dell’aria.

Gli impianti di climatizzazione prevedono sempre una circolazione di aria.

L’aria è un fluido dotato di massa, calore specifico, conduttività, qualità organolettiche ecc. e si comporta secondo le leggi della fluidodinamica.

Noi viviamo immersi nell’aria, la respiriamo e quindi tendiamo a considerarla “impalpabile”.

Questa “impalpabilità” comporta troppo spesso nella pratica impiantistica errori commessi per lo più da operatori improvvisati o scarsamente preparati.

Nessun “bricoleur” si sognerebbe di modificare o manomettere un impianto idraulico mentre in troppi pensano di poterlo fare impunemente con gli impianti aeraulici.

Quella che segue è una breve casistica, sicuramente non esaustiva degli errori più comuni riscontrati sugli impianti di ventilazione e ricambio dell’aria.

• Inesistente o insufficiente reintegro dell'aria espulsa.

Quando si estrae aria da un ambiente – esempi più banali la ventolina dei bagni ciechi o la cappa della cucina quando questa espelle i fumi all'esterno -bisogna provvedere a un adeguato afflusso di aria di reintegro attraverso la realizzazione di opportune aperture o installando un ventilatore di immissione di portata pari a quello di estrazione.

A tutti sarà capitato in qualche albergo sentire un cambiamento di tono nel rumore prodotto dalla ventolina alla chiusura della porta del bagno; il cambiamento altro non è che il risultato del funzionamento “a vuoto” del ventilatore.

Nel caso, oltre ad avere una insufficiente o nulla estrazione si accorcia drasticamente la vita operativa del ventilatore.

Il reintegro dell'aria può risultare insufficiente anche per l'ostruzione totale o parziale delle prese d'aria e delle espulsioni all'esterno per il deposito nelle loro prossimità di materiali vari; molto spesso si trovano all'interno di cortili dove vengono stoccati materiali di tutti i tipi.

Un semplice pezzo di carta è sufficiente ad alterare in maniera sostanziale la dinamica di un impianto di ventilazione o climatizzazione.

• Zone morte dovute alla errata collocazione delle immissioni e delle estrazioni.

L'aria è un fluido “pigro” che risponde come tutti i fluidi alla legge del minimo sforzo per cui la collocazione degli organi di immissione e estrazione dell'aria in ambiente devono essere posti in posizioni idonee perchè il fluido effettui una scansione quanto più ampia possibile dell'ambiente medesimo.

Il fenomeno della cortocircuitazione è la causa della maggior parte dei malfunzionamenti degli impianti di ventilazione e climatizzazione.

Esistono ovviamente anche altri motivi per cui la scansione avviene in maniera insoddisfacente; tra questi il fenomeno per cui masse d'aria a temperature molto diverse - e conseguenti diverse densità ( a volte sono sufficienti 10°C ) - tendono a scivolare una sull'altra senza mescolarsi.

Una bocchetta di mandata posizionata in modo non corretto creerà delle zone in cui la circolazione d'aria sarà nulla, le condizioni termoigrometriche richieste non saranno raggiunte e per la cui eliminazione i sistemi normalmente utilizzati (aumento della velocità di lancio, aumento della temperatura di immissione) sortiscono effetti nulli.

• Immissione di aria contaminata in ambiente

L'aria di rinnovo deve essere prelevata in zone non interessate da gas di scarico o da inquinanti aerei provenienti da attività commerciali o industriali.

E' buona norma prelevare l'aria a una altezza di almeno 4 metri; gli idrocarburi incombusti e le polveri derivanti dal traffico di solito non raggiungono quella quota.

La raccomandazione può sembrare di assoluta banalità ma è sufficiente una passeggiata al centro per notare che una buona percentuale di esercizi commerciali disattende questa semplicissima regola di igiene.

• Pulizia dei filtri

Tutti o quasi gli impianti di ventilazione e climatizzazione prevedono la presenza di filtri di varie classi di efficienza a seconda della destinazione d'uso degli ambienti serviti.

I filtri sono essenziali per mantenere livelli accettabili di qualità dell'aria e vanno puliti o sostituiti con assiduità secondo le prescrizioni del costruttore.

Il filtro di un comune climatizzatore split system andrebbe pulito con cadenza settimanale; l'operazione è effettuabile da chiunque e richiede pochissimi minuti.

E' capitato più e più volte di sentir parlare gli utenti di pulizia semestrale o annuale o addirittura di asportazione dei filtri.

Tutto il materiale che si deposita sui filtri evita di depositarsi nei polmoni di chi fruisce l'ambiente e sulle superfici dell'ambiente medesimo.

Un filtro sporco rappresenta una coltura batterica soprattutto in presenza di umidità.

Un filtro sporco altera le caratteristiche di funzionamento delle apparecchiature e soprattutto è costoso dal punto di vista energetico e quindi economico.

L'asportazione dei filtri riduce drasticamente la resa delle apparecchiature fino alla loro inutilizzabilità e aumentando in maniera esponenziale i costi di gestione.