Come si progetta una pompa di calore

Indicazioni generali di come si progetta una pompa di calore complete di rimandi a software completi e funzionanti. Di ottimo ausilio a chi deve effettuare una scelta della tipologia della macchina ed un corretto dimensionamento della stessa.

La progettazione di una pompa di calore è un processo affascinante che coniuga conoscenze scientifiche, ingegneristiche e pratiche per creare un sistema altamente efficiente in grado di sfruttare le risorse termiche dell’ambiente circostante per riscaldare o raffreddare gli spazi abitativi. Questa guida realizzata da Itieffe, è stata concepita per offrire una panoramica completa e approfondita su questo argomento cruciale nell’ambito dell’ingegneria termica e dell’efficienza energetica.

Le pompe di calore rappresentano una soluzione sostenibile per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici, poiché utilizzano una quantità minima di energia elettrica per trasferire il calore da una sorgente fredda a una calda o viceversa. Questo approccio innovativo non solo riduce i costi energetici ma contribuisce anche a mitigare l’impatto ambientale, diminuendo le emissioni di gas serra associate ai sistemi di riscaldamento e raffreddamento tradizionali.

Scopo della guida

Questa guida è stata realizzata da Itieffe per essere un punto di riferimento per ingegneri, progettisti, studenti e appassionati del settore interessati a comprendere in profondità i principi di base e avanzati della progettazione delle pompe di calore.

Inizieremo con una panoramica delle principali caratteristiche e dei componenti necessari al suo funzionamento.

La progettazione di una pompa di calore è un processo multidisciplinare che richiede competenze in termodinamica, fluidodinamica, ingegneria elettrica e molto altro. Tuttavia, con la giusta conoscenza e una guida adeguata, è possibile affrontare questa sfida in modo efficace e sostenibile.

Spero che questa guida vi fornisca una base solida per comprendere e affrontare la progettazione di pompe di calore con fiducia e successo. Buona lettura e buon lavoro nel mondo affascinante e sempre più rilevante delle pompe di calore.

Come funziona e come si dimensiona una pompa di calore

Volendo fare una riflessione sulla tecnologia: “Pompe di calore”, si nota che finalmente in Italia, tutti i tecnici hanno iniziato a fare calcoli in W o in kW.

I BTU (british termal unit) sono finalmente scomparsi ed è così che deve essere visto che nel nostro sistema (SI) i calcoli sono rigorosamente in W (o kW).

Cosa è una pompa di calore

La pompa di calore è una macchina costituita da un circuito chiuso all’interno del quale circola un gas refrigerante, in grado di sottrarre calore ad un ambiente per cederlo ad un altro, mediante il calore latente di evaporazione e condensazione e per mezzo dell’azione del compressore (da tenere a mente che non esistono macchine che producono freddo ma solo quelle che sottraggono calore).

In estate sottrae calore all’interno dell’ambiente tramite l’evaporatore e lo cede all’esterno tramite il condensatore, provocando un abbassa mento della temperatura.

In inverno la situazione si capovolge, l’evaporatore diventa condensatore e viceversa tramite una valvola (a quattro vie), ci sarà, dunque, una sottrazione di calore dall’esterno che verrà ceduta in ambiente, provocando un aumento della temperatura (vedere: Circuito frigorifero – Le basi).

Coefficiente prestazionale

Questo trasferimento di energia fa sì che la pompa di calore riesca a moltiplicare l’energia elettrica utilizzata dal sistema dando come risultato un coefficiente di prestazione (COP – Coefficient of Performance) superiore ad uno.
Grazie al suo COP elevato questa tecnologia risulta pertanto la soluzione ideale in grado di conciliare i costi e consumi energetici e la sostenibilità ambientale. Ogni kW assorbito dalla macchina, ne fornisce circa 3,5 all’ambiente (con COP pari a 3,5).

compressore
condensatore
evaporatore
valvola espansione (laminatrice)
valvola quattro vie

La valvola a quattro vie permette all’evaporatore ed al condensatore di scambiarsi di ruolo in modo che in inverno il condensatore risulti posto all’interno dell’ambiente cedendo allo stesso il calore sottratto all’esterno dall’evaporatore. Viceversa in estate, il condensatore cede calore all’esterno se l’evaporatore sottrae calore all’interno dell’ambiente.

Esistono diverse varietà di pompe di calore che differiscono tra loro per come avviene lo scambio dei fluidi.

1 – Pompe di calore aria-acqua

È la più comune per utenze domestiche. Come fonte di energia, viene utilizzata l’aria esterna. Il calore assorbito dall’aria esterna dall’evaporatore, viene ceduto all’acqua del circuito di riscaldamento.

La temperatura esterna ottimale per un funzionamento regolare del sistema, non dovrebbe essere inferiore ai 2 ÷ 4°C.

Al di sotto di questa temperatura si noteranno variazioni di prestazione della macchina proporzionali alla temperatura stessa. Più bassa sarà la temperatura esterna e meno la macchina fornirà prestazioni accettabili.

pompa di calore
kit idronico
serbatoio acqua calda sanitaria
pavimento radiante
radiatori

Questa tipologia di macchina è offerta dalle case produttrici in svariate configurazioni.

A livello impiantistico, esistono modelli tipo monoblocco, tipo split che possono essere forniti anche con accumulo integrato. La configurazione di macchina più comunemente utilizzata è quella split poiché essendo dotata di un modulo idronico installabile a parete all’interno dell’abitazione, consente di minimizzare la parte esterna.

A livello prestazionale esistono modelli standard, per climi rigidi, e per acqua ad alta temperatura.

2 – Pompe di calore acqua-acqua

Come fonte energetica viene sfruttata l’acqua. Può essere utilizzata quella proveniente da pozzi o da falde.

L’acqua mantiene una temperatura stabile nel corso dell’anno (la sua temperatura è sempre di gran lunga superiore ai 4°C).

Questo comporta il mantenimento di ottime prestazioni di funzionamento della macchina in qualsiasi stagione.

falda acquifera (o pozzo)
pompa di calore

3 – Pompe di calore geotermiche

Altro sistema di scambio termico sono le sonde geotermiche. Il terreno possiede calore proprio anche in inverno.

Utilizzando delle sonde geotermiche poste in profondità è possibile catturare questo calore per poi trasferirlo all’acqua del circuito di riscaldamento (ovviamente tramite la pompa di calore).

pavimento radiante
serbatoio accumulo
pompa di calore
sonda geotermica

Quale macchina scegliere

Per la scelta della macchina più idonea alle proprie esigenze, bisogna prendere in considerazione le seguenti valutazioni: la tipologia, la configurazione, la grandezza e l’installazione.

1 – Tipologia

La scelta della tipologia di macchina più adatta alle proprie esigenze ricade maggiormente sulla temperatura alla quale essa dovrà operare e cioè, la temperatura di mandata richiesta dai terminali d’impianto del circuito di riscaldamento.

Esistono sul mercato macchine operanti a bassa oppure ad alta temperatura. La selezione può essere effettuata sulla base del seguente schema:

1 – Termosifone 2 – Ventilconvettore (fan coil) 3 – Impianto radiante

Temperatura esercizio 65 °C Temperatura esercizio 50 °C Temperatura esercizio 35 °C

Macchina alta temperatura Macchina standard o climi rigidi Macchina standard o climi rigidi

Macchine per Alta Temperatura

Utilizzabili in sostituzione della caldaia in abitazioni dotate di termosifoni con temperatura di esercizio intorno ai 65°C. Consentono di mantenere inalterata la distribuzione ed i terminali d’impianto. Queste macchine sono in grado di produrre acqua calda fino a 65°C. Il COP raggiunto è abbastanza elevato. Arrivano ad operare con temperature dell’aria esterna fino a -15°C.

Macchine Standard

Utilizzabili in nuove installazioni e per abitazioni a basso consumo energetico. Sono in grado di produrre acqua calda fino a 55°C raggiungendo valori di COP elevati.
Seppur in grado di produrre calore con temperature dell’aria esterna fino a -20°C, nel caso di temperature di progetto rigide si debbono verificare le prestazioni dal momento che al di sotto dei 2°C queste macchine subiscono una diminuzione notevole delle prestazioni di potenza effettivamente erogata.

Macchine per Climi Rigidi

Utilizzabili in ambienti molto freddi. Sono l’opzione ideale per garantire che la capacità di riscaldamento venga mantenuta anche a temperature molto basse.
Queste macchine sono in grado di produrre calore con temperature dell’aria esterna fino a -28°C.

Con temperatura esterna di -20°C mantengono costante la potenza effettivamente erogata senza il bisogno di un surriscaldatore elettrico supplementare.

2 – Configurazione

Per poter soddisfare tutte le esigenze impiantistiche e di installazione, le pompe di calore vengono prodotte con diverse configurazioni: la monoblocco, split e la tower anche chiamata “All in one”.

– Monoblocco:

è la più semplice e meno invasiva da installare. Si tratta di una singola unità che deve essere installata all’esterno dell’abitazione, non richiede la realizzazione di connessioni nel circuito del gas che arriva pertanto già completo e collaudato dalla casa produttrice facilitando l’installazione.
Uno svantaggio da considerare è quello di dover realizzare le connessioni delle tubazioni di mandata e ritorno dell’acqua calda all’esterno dell’abitazione. Nella stagione invernale, bisogna trovare accorgimenti che evitino, durante l’inoperatività della macchina, la formazione di ghiaccio.

Si potrebbero anche utilizzare cavi riscaldanti che però, diminuiscono di fatto le prestazioni della macchina poiché vanno a sommarsi ai consumi elettrici dell’abitazione.

– Split:

è la più diffusa tra quelle disponibili. Dotata di compressore da installare all’esterno dell’abitazione e modulo idronico da installare all’interno.
Il modulo idronico interno contiene la parte di condensazione del refrigerante e mandata dell’acqua calda pertanto non genera alcun rumore essendo privo di compressore.
Anche le dimensioni sono ridotte consentendo l’installazione negli spazi che prima erano occupati dalla caldaia. In questo caso però, l’installatore dovrà realizzare in opera le connessioni di mandata e ritorno del circuito frigorifero tra l’unità interna e quella esterna.

A – motocondensante pompa di calore

B – modulo idronico

1 ÷ 2 – tubazione andata – ritorno del gas refrigerante

3 – tubazione mandata acqua calda impianto ed utenze (inverno)

4 – tubazione ritorno acqua calda impianto ed utenze (inverno)

A completamento dei due sistemi, esistono in commercio delle soluzioni complete di tutto: motocondensante, modulo idronico, volano termico (vedere come si calcola un serbatoio inerziale) e serbatoio accumulo acqua calda sanitaria (ACS).

Questa soluzione comporta un notevole risparmio nelle tempistiche di realizzazione ed una bassa possibilità di commettere errori di installazione.

3 – Grandezza

Quale dimensione deve avere la macchina

Calcolo della potenza termica nominale

La pompa di calore deve reintegrare l’energia termica dispersa dal complesso in modo da mantenerne costante la temperatura interna.

Di seguito vengono indicati tre metodi che possono essere di ausilio a calcolare la taglia di macchina più idonea alle proprie esigenze anche da parte di chi non è propriamente del settore.

1 – Primo metodo

È necessario avere dei dati precisi per effettuare il calcolo.

Si parte dal fabbisogno annuo di energia termica per la climatizzazione invernale.

ETH -Fabbisogno annuo energia termica per climatizzazione invernale: l’energia termica richiesta, nel corso della stagione di riscaldamento, per la climatizzazione invernale. Disponibile nell’attestazione di Prestazione Energetica (APE).

S – Superficie utile: la superficie netta calpestabile degli ambienti riscaldati dell’edificio al netto di tramezzi e muri esterni, comprensiva delle soglie delle porte e degli spazi al di sotto i terminali d’impianto. Disponibile nei dati di progetto dell’abitazione.
gg – Gradi giorno: la sommatoria delle sole differenze positive fra la temperatura interna fissata convenzionalmente a 20°C rispetto a quella esterna, durante un periodo di riscaldamento invernale stabilito in base alla zona climatica della località stessa. Disponibile nell’Allegato A al Dpr 412/93 e successive revisioni (vedere Zone climatiche e Dati indicativi paesi).
T_{EST –} Temperatura esterna di progetto (T₂): la temperatura esterna minima alla quale il generatore di calore fornisce l’energia termica comunque sufficiente a garantire che la temperatura interna rimanga stazionaria. Il dato è disponibile consultando la norma UNI 5364 e successive revisioni oppure la norma UNI 10339 (vedere Temperature esterne di progetto).
h – Ore giornaliere di funzionamento: gli orari giornalieri massimi di funzionamento del riscaldamento (vedere Zone climatiche).

Reperiti questi dati è possibile effettuare il calcolo della Potenza termica nominale della macchina utilizzando la seguente formula:

Dove:

P_tn = Potenza termica nominale della macchina in kW

ETH = Fabbisogno annuo energia termica per climatizzazione invernale

S = Superficie utile in m²

T₁ = Temperatura interna in °C

T₂ = Temperatura esterna in °C

gg = Gradi giorno

h = Ore giornaliere di funzionamento.

Facciamo un esempio

Paese = Roma (zona climatica D)
Gradi giorno = 1415
Temperatura esterna di progetto = 0°C
Superficie utile = 90 m²
ETH = 75
h = 12

Applicando la formula:

Quindi la potenza utile nominale della macchina è pari a 7,95 kW

Facciamo un altro esempio:

Paese = Milano (zona climatica E)
Gradi giorno = 2404
Temperatura esterna di progetto = -5°C
Superficie utile = 90 m²
ETH = 75
h = 16

Applicando la formula:

Anche se a qualcuno può sembrare strano, analizzando i dati, si nota che la potenza termica che la pompa di calore deve utilizzare per mantenere valori ottimali di temperatura per lo stesso tipo di ambienti in due città con temperature differenti, a Roma è pari a 7,95 kW, mentre a Milano è pari a 4,39 kW.

Vedere: “Dimensionamento pompa calore – metodo“

2 – Secondo metodo

È possibile calcolare il fabbisogno annuo di energia termica per climatizzazione invernale (ETH) tenendo in considerazione i dati di consumo indicati nella bolletta del gas.

Per effettuare questa operazione bisogna avere a disposizione i consumi di gas per almeno gli ultimi 4 anni consecutivi in modo da ottenere un consumo medio affidabile.

Si può applicare la seguente formula:

Dove:

ETH = Fabbisogno annuo energia termica per climatizzazione invernale

C = consumo di gas espresso in sm³ (standard metro cubo)

Q = potenza ricavata per sm³ (standard metro cubo) di gas (9,6 kWh per il metano e 24,5 kWh per il GPL).

nota: il GPL normalmente si acquista in litri. Ha un potere calorifico inferiore pari a 12.790 W/kg – 6.500 W/litro e 24.500 W/sm³

η = rendimento caldaia (0,82 camera aperta – 0,86 camera stagna – 0,97 condensazione).

N = è il numero utenti per consumo di ACS

500 = consumo energetico annuo pro-capite per la produzione di ACS (acqua calda sanitaria) espresso in kWh

S = superficie utile: superficie netta calpestabile degli ambienti riscaldati dell’edificio.

Facciamo un esempio

C = 833 sm³

Q = 10,5 kW/h

h = 0,97

N = 4 persone

ACS = consumo 500 kW/h

S = 90 m²

Applicando la formula:

Con il valore di ETH calcolato con questo modo è possibile, utilizzando il metodo precedente, risalire alla potenza termica nominale (P_tn) della macchina espressa in kW.

Vedere: “Dimensionamento pompa calore – metodo“

3 – Terzo metodo

Metodo che prende in considerazione i fattori ambientali dando come risposta il fabbisogno termico occorrente per ogni singolo ambiente.

Più dispendioso dei metodi precedenti ma, a nostro modesto avviso, quello più affidabile e che oltremodo indica il fabbisogno termico suddiviso per ogni singolo ambiente.

I tempi per riscaldare un ambiente vengono accorciati, si raggiunge prima il regime impostato ma, questo ovviamente comporta un maggior onere.

In ogni singola cella va immesso il valore che viene richiesto. Bisogna inserire le dimensioni effettive in larghezza, lunghezza ed altezza di ogni singolo ambiente, l’esposizione cardinale, il tipo di costruzione, la temperatura esterna. I risultati possono essere richiesti nelle unità di misura indicate.

Inserendo il COP (Coefficient Of Performance) è possibile risalire anche al consumo elettrico in kW.

Il COP è un coefficiente di prestazione ed indica la qualità della macchina. Più il suo valore è alto e più la macchina fornirà prestazioni elevate. In parole povere, se il COP è pari a 3.5, per ogni kW di energia assorbita dalla macchina, essa fornirà all’ambiente energia termica pari a 3,5 kW di cui 1 kW di energia elettrica consumata e 2,5 kW prelevati dall’esterno dell’ambiente.

Le classi di efficienza energetica pompe di calore secondo sono indicate nella direttiva europea 2002/31/CE.

Vedere: “Dimensionamento pompa calore – calcolatore“

3 – Installazione

Produzione ACS

Le pompe di calore standard e quelle per climi rigidi sono progettate per operare con refrigeranti quali l’R410 oppure l’R32 (vedere “Rapporto pressione temperatura refrigeranti“) per quelle di ultima generazione. Sono in grado di produrre acqua calda fino a 55°C e possono essere utilizzate anche per la produzione di acqua calda sanitaria. A causa della temperatura inferiore ai 60°C non sono in grado di effettuare i cicli di disinfezione termica necessari per evitare l’eventuale formazione di colonie batteriche (legionella).

Si consiglia di utilizzarle per il solo riscaldamento e/o raffrescamento (in caso di una macchina reversibile), lasciando la produzione di ACS ad una unità indipendente più specifica, ad esempio uno scaldacqua in pompa di calore che, grazie all’impiego del refrigerante R134a risulta in grado di effettuare i cicli di disinfezione.

Se invece si dispone di una macchina per produzione di acqua ad alta temperatura operante con refrigerante R407C (oppure con una macchina specifica per riscaldamento e produzione ACS mediante un secondo stadio di compressione con R134a), allora risulta possibile e conveniente mantenere tutta la produzione di calore all’interno della stessa unità.

Accumulo volano termico

Anche se la pompa di calore è una macchina modulante, è sempre consigliabile inserire nel circuito un accumulo di compensazione del carico termico (serbatoio inerziale o volano termico) per i seguenti motivi:

assicura condizioni di funzionamento ottimali della pompa di calore ottimizzando i cicli di fermo – partenza (on – off) del compressore con conseguenti, abbassamenti dei consumi.

consente il collegamento tra differenti circuiti di riscaldamento.
consente il disaccoppiamento idraulico tra la pompa di calore e l’impianto in modo tale che i due circuiti possano operare con portata e differenziale di temperatura più adatti. Solitamente le pompe di calore operano con DT = 5°C mentre, a seconda dei terminali d’impianto presenti, il circuito di distribuzione potrebbe operare con DT anche superiori.

Se la macchina è dotata di compressore scroll (on – off), l’accumulo inerziale risulta obbligatorio. Il dimensionamento tipico del volume di accumulo lo si può ricavare direttamente dal programma “Calcolo serbatoio inerziale” ed è minimo di 5.5 litri per kW di potenza termica erogabile dalla macchina.

Vaso di espansione

Il vaso di espansione è un “polmone” che viene collegato all’impianto dell’acqua; serve a sopportare la variazione di volume data dal riscaldamento/raffreddamento dell’acqua all’interno dell’impianto (vedere “Massa e volume acqua”. Con questo si eliminano spiacevoli inconvenienti dovuti ad aumenti repentini di pressione quali: apertura delle valvole di sicurezza o rottura di giunti e tubazioni di distribuzione.

Per dimensionare un vaso di espansione si rimanda al programma: “Calcolo volume vasi espansione”.

Per risalire ai litri d’acqua che circolano all’interno dell’impianto, si rimanda al programma: “Calcolo volume acqua impianto”.

Alimentazione elettrica

Per la parte elettrica dell’impianto, per progettare le linee di alimentazione, si può utilizzare il programma: Dimensionamento cavi elettrici – calcolatore.

Per decidere se adottare un sistema monofase o trifase, si rimanda al seguente programma: Calcolo potenze e correnti motori

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