Premessa

 

Le pompe di calore rappresentano una delle possibili soluzioni per la produzione di acqua calda per il riscaldamento al servizio di un sistema di emissione a pannelli radianti.

La bassa temperatura di esercizio per l’acqua calda richiesta dai pannelli radianti, 35-40°C circa, consente rendimenti interessanti delle pompe di calore xxxx/acqua.

Il termine xxxx individua la possibile sorgente di calore da cui la pdc preleva l’energia termica da trasferire all’acqua e può essere terra, acqua e aria.

Terra: prelevano energia termica dal suolo attraverso sonde orizzontali o verticali ad una certa profondità, nelle sonde scorre un fluido che può essere acqua o più spesso acqua con glicol in quanto questo tipo di pdc è installata in zone climaticamente fredde e quindi soggette a temperature prossime se non inferiori allo zero.

Anche in zone gelide gli strati profondi del terreno mantengono comunque in inverno temperature relativamente alte favorendo le prestazioni di tali apparati.

Acqua: prelevano energia termica dall’acqua di falda attraverso opportuni scambiatori acqua di falda/fluido frigorigeno.

Ovviamente maggiore è la profondità della falda, più alta è la temperatura dell’acqua e più insensibile alle condizioni dell’aria esterna.

Normalmente necessitano di un pozzo di emunzione e di un pozzo di iniezione distanti fra di loro non meno di 10 metri, dipende dalle caratteristiche di percolazione del terreno.

Aria: prelevano energia termica direttamente dall’aria ambiente attraverso uno scambiatore di calore generosamente alettato aria/fluido frigorigeno.

Il loro rendimento è direttamente proporzionale alla temperatura dell’aria ambiente e quindi sono di conveniente installazione in località con clima temperato, tanto che la loro temperatura di riferimento per i dati nominali di potenza è pari a 7°C.

In generale le pdc terra hanno i costi di installazioni maggiori, in quanto incidono pesantemente i costi di installazione delle sonde.

Le pdc acqua/acqua hanno dei costi inferiori però sempre abbastanza alti, legati anche ai costi di verifica delle portate della falda ed alla costruzione dei due pozzi.

Le pdc aria/acqua hanno i costi inferiori in quanto non necessitano di opere di trivellazione, ma di semplici canalizzazioni per il prelievo dell’aria se poste all’interno.

Gli apparati costituenti le pdc aria/acqua sono le meno costose in considerazione della semplicità costruttiva se paragonate alle altre due tipologie di pdc.

Il parametro che individua il rendimento delle pdc è il COP Coefficient Of Performance, che rappresenta il rapporto fra l’energia termica fornita dalla pompa di calore e l’assorbimento elettrico richiesto dal complesso degli apparati che costituiscono il sistema.

Con produzione di acqua a temperatura di 35°C i valori tipici del COP sono: intorno a 4 per le terra-acqua, 3,5 per le acqua-acqua e 2,5-3,5 per quelle aria-acqua.

Il grande limite delle pdc aria/acqua è la sensibilità e la dipendenza dalla temperatura esterna. Vediamo una soluzione che permette di migliorare il rendimento di questi apparati.

 

Il recupero del calore dei fumi.

 

La soluzione prevede di recuperare il calore che viene disperso normalmente attraverso la canna fumaria di una stufa a pellets.

Le stufe a pellets più che una canna fumaria possiedono una tubazione di evacuazione fumi, costituita generalmente da un condotto da 80 mm. di diametro per le stufe di piccola e media potenza; solo in stufe o termostufe di potenza elevata sono necessarie tubazioni di diametro maggiore.

L’espulsione dei fumi di combustione è forzata e viene assicurata da un sistema di ventilazione adeguatamente dimensionato e la cui portata varia in funzione della potenza selezionata al momento.

Il canale da fumo quindi non è a tiraggio naturale e anche se devono essere rispettate le norme relative alle canne fumarie previste per i generatori di calore alimentati a biomasse, si può abbassare la temperatura dei fumi senza compromettere il tiraggio del generatore.

E’ importante comunque considerare il fatto, che il parametro relativo alla portata dei fumi di combustione può essere variato, in quanto le stufe a pellets possiedono un microprocessore che gestisce i parametri di regolazione per una combustione ottimale.

La temperatura di uscita fumi rilevata dal sensore posto immediatamente all’uscita della camera di combustione parte da valori intorno ai 150°C e diminuisce lungo il percorso in canna fumaria.

 

Descrizione della canna fumaria

 

Solitamente l’uscita fumi è orizzontale e dopo un breve canale orizzontale, che dovrebbe essere quanto più corto possibile, 50-75 cm rappresenta una lunghezza ragionevole, si innesta in un elemento a T che dispone nella parte inferiore di un tappo, dove deposita la fuliggine che ricade lungo la canna da 80 mm.

La canna prosegue in verticale e va ad innestarsi in un diffusore con diametro di imbocco da 100 mm, che è l’elemento che viene investito dall’aria da riscaldare a cui cede calore:

http://web.tiscali.it/risparmio_energetico/canna_fumaria.jpg

di fronte al diffusore si posiziona la pompa di calore aria-acqua:

http://web.tiscali.it/risparmio_energetico/pdc_diffusore.jpg

Questa soluzione non prevede la possibilità della condensazione dei fumi, in quanto si tratta di un’applicazione in una zona climatica C, relativamente “calda” e per giunta l’aria di alimentazione per la pdc transita prima in un vespaio aerato e quindi è aria a temperatura “elevata”.

In zone molto fredde e nel caso l’aria non venga “preriscaldata”, al diffusore potrebbe arrivare aria esterna a temperature molto basse e inferiori allo zero, per cui i fumi potrebbero essere raffreddati al di sotto dei 55-57°C, raggiungendo la temperatura di condensazione dell’acqua presente nel pellets.

Ricordiamo comunque che l’umidità dichiarata presente nel pellet è molto bassa e non superiore al 10%, è comunque necessario prevedere la sua raccolta.

Nella soluzione della foto, la condensa ricadrebbe nella canna fumaria raffreddando notevolmente i fumi.

Occorre quindi prevedere uno spezzone di canna fumaria verticale parallela alla prima, ponendo sotto il diffusore un raccordo a T che consenta la raccolta della condensa, senza che la stessa precipiti nella canna principale:

http://web.tiscali.it/risparmio_energetico/canna_fumaria_condensazione.jpg

 

Risultati sperimentali

 

Per la valutazione dei dati di funzionamento si è utilizzata una stufa a pellets ad aria di potenza dichiarata 1,9-5,1 kW e consumi pari a 0,5-1,2 kg/h, capacità del serbatoio pellets pari a 11 kg.

La stufa è stata posizionata in un seminterrato ben coibentato di circa 70 mq. e volume di circa 210 mc. ed è stata utilizzata esclusivamente al minimo della potenza; la stufa dispone di cinque livelli di potenza selezionabili con un tasto.

Nel seminterrato non vi era altro sistema di riscaldamento se non la stufa suddetta e le temperature rilevate dal sensore di temperatura installato sulla parete opposta al locale, a circa 11 metri di distanza, durante l’inverno hanno avuto una variazione compresa fra 18 e 23°C.

Una conseguenza dell’uso della stufa ad aria è stata una certa diminuzione dell’umidità relativa dello scantinato di circa 5 punti percentuali, caratteristica che rende molto interessante l’installazione della stufa a pellets negli scantinati, tradizionalmente umidi.

La stufa permette una programmazione delle accensioni settimanale ed è stata usata questa funzionalità per interrompere il funzionamento per quattro ore, dalle dodici alle sedici, ore solitamente più calde, anche per effettuare una pulizia giornaliera della durata di cinque minuti e la ricarica del pellets.

Il consumo reale è stato di 0,6 kg/h e quindi 12 kg/giorno, per cui si è reso necessario rabboccare il serbatoio pellets da 11 kg, anche perché il pellets si raccoglie ai lati del serbatoio, mentre la coclea è al centro e quindi non viene consumato il pellets presente ai lati del serbatoio.

La pdc utilizzata è una aria/acqua con 400 watts di potenza assorbita che normalmente viene accoppiata ad un serbatoio da 150-300 litri per la produzione di Acqua Calda Sanitaria a temperature di circa 50°C, a cui viene assegnata la denominazione di “boiler a termopompa”:

http://www.topten.ch/index.php?page=boiler_a_termopompa

Qualche costruttore comincia a proporla per la produzione di acqua calda per sistemi di riscaldamento a pannelli radianti a pavimento in case a forte risparmio energetico, quali le cosiddette “case passive” o case da “tre litri”:

http://www.maico.de/index.php?id=8547&L=1

http://www.ochsner.com/typen_ww.htm

entrambe utilizzano aria esausta, cioè aria prelevata in punti alti della casa, quindi a temperature prossime ai 20°C, che viene aspirata a mezzo di apposite canalizzazioni ed inviata alla pdc.

Però ci si dimentica che a fronte di un certo volume d’aria di cui necessitano le pdc, si parte da 2-300 mc/h, altrettanta aria di rinnovo deve essere introdotta in casa.

E’ pur vero che le “case passive” fortemente ermetiche hanno assoluta necessità di un impianto di ricambio aria, possibilmente a recupero del calore, ma per quanto possa essere efficiente ed avere un rendimento elevato, teoricamente del 75%, ma in pratica non si arriva al 50% del calore recuperato, occorre fornire in ambiente una certa aliquota di energia termica per compensare l’immissione di aria di rinnovo fredda.

Nel caso dell’accoppiata microstufa/micropdc l’aria di alimentazione alla stufa può ed è conveniente fornirla attraverso una tubazione dedicata comunicante direttamente con l’esterno.

Normalmente questa tubazione richiede un diametro ridotto, 40-50 mm. circa e può essere relativamente lunga, in quanto l’aspirazione è forzata.

La pdc della foto si presta bene ad essere utilizzata con il diffusore di calore in quanto risulta molto lineare come disposizione meccanica, come risulta dalla foto che riprende il lato di aspirazione:

http://web.tiscali.it/risparmio_energetico/pdc_aspirazione.jpg

Un’altra pdc aria-acqua che ha una disposizione simile è questa:

http://www.satagthermotechnik.ch/web/satag/satag_publish.nsf/Content/Ueber_500l_Warmwasser-WP_Italian

Però molti chiller ovvero refrigeratori d’acqua in pompa di calore possono prestarsi bene ad essere accoppiati ad un recuperatore di calore come quello utilizzato.

All’interno della pdc è stata posizionata in prossimità dell’evaporatore che si può osservare nel fondo della pdc una sonda di temperatura.

La misura assoluta del valore di temperatura rilevato dalla sonda può anche non essere precisa, però quello che si ritiene interessante è valutare la differenza di temperatura misurata con la microstufa accesa e quindi con il recuperatore di calore in funzione o meno.

A stufa spenta le temperature in ingresso alla pdc si sono mantenute in un range compreso fra 12 e 18°C, in corrispondenza di temperature dell’aria comprese fra 4 e 15°C, questo perché si è in presenza di un vespaio aerato che provvede a mantenere relativamente alte le temperature dell’aria di alimentazione della pdc.

Giova rimarcare il fatto che l’incremento di temperatura non è lineare, nel senso che all’aumentare della temperatura dell’aria esterna diminuisce la differenza di temperatura fra aria esterna e quella dell’aria dopo il transito nel vespaio aerato.

La stessa non linearità si osserva durante l’uso della termostufa, per una temperatura dell’aria esterna di 4°C e di 12°C al passaggio nel vespaio aerato, si ha una temperatura all’ingresso della pdc di 20°C mentre con una temperatura dell’aria esterna di 15°C e quindi di 18°C nel vespaio aerato si ha una temperatura all’ingresso della pdc di 24°C.

Si ritiene utile a questo punto esaminare il grafico del COP fornito dalla Satag per la sua pdc aria-acqua:

http://web.tiscali.it/risparmio_energetico/satag_COP.jpg

Se noi ipotizziamo di inviare una miscela d’aria a 22°cc all’ingresso della pdc l’estrapolazione del grafico fornito dalla Satag fornisce un valore di 1,2 kW di potenza elettrica assorbita ed un valore di 6 kW riguardo la potenza termica per una temperatura dell’acqua di 35°C, quindi un COP pari a 5.

Per una temperatura di 0°C il valore di COP è di circa 2,7; è importante notare che non vengono forniti valori per temperature inferiori a -5°C e oltre i 20°C.

Non oltre i 20°C perché il massimo della temperatura che sarebbe possibile ottenere secondo Satag sarebbe sotto queste condizioni:

·  case mini-energia con preriscaldamento d'aria nella terra

·  abitazioni nelle regioni del Mediterraneo (Sud della Francia, Spagna)

Se andiamo a vedere i dati di targa delle pdc ad aria esausta Ochsner riguardo alla Mini IWP si parla di  COP 4,4 in corrispondenza di aria esausta con temperatura  di 21°C e acqua calda a 55°C, probabilmente con temperatura di produzione dell’acqua calda pari a 35°C, anche con questo modello di pdc si raggiungerebbe un COP pari a 5.

 

Costi di esercizio

 

Con consumi di 0,6 kg/h ed una produzione di 2 kWh/h, se ipotizziamo un prezzo di 20 euro quintale, corrispondente a 3 euro per il sacco da 15 kg., si ha un costo per kWh prodotto di 6 centesimi per quanto riguarda la stufa a pellets.

Si ricorda che la stufa produce aria calda, per certi aspetti è un tipo di riscaldamento paragonabile a sistemi a ventilconvettori, considerato un sistema di emissione del calore non ottimale riguardo al benessere termoigrometrico dell’individuo:

http://web.tiscali.it/risparmio_energetico/distribuzione_temperatura.jpg

Pur tuttavia per uno scantinato, specie se si è in presenza di umidità, rappresenta un sistema di diffusione del calore rapido ed economico, in quanto non richiede costose opere per gli impianti di emissione.

Spesso i seminterrati sono spazi “openspace”, per cui non si hanno le limitazioni dovute alla presenza di ambienti confinati in cui il calore avrebbe difficoltà a diffondersi in maniera naturale.

Con COP pari a 5 una pdc elettrica avrebbe un costo di produzione dell’energia termica pari ad un quinto del costo dell’unità di energia, quindi con un costo del kWh pari a 22 centesimi, la spesa per kWh termico prodotto sarebbe di 4,4 centesimi.

La pdc aria-acqua sarebbe al servizio di un impianto di emissione del calore a pannelli radianti a pavimento, sistema che viene considerato come l’ottimale quanto a benessere termoigrometrico.

 

Il fumino

 

Un’altra possibile soluzione per il recupero del calore dei fumi potrebbe essere l’utilizzo di un apparato chiamato “fumino”.

Si tratta di una vaschetta di acqua, mantenuta a livello costante attraverso un sistema a galleggiante, in cui vengono fatti gorgogliare i fumi provenienti dalla stufa a pellets.

La fuliggine presente nei fumi viene depositata nell’acqua ed i fumi caldi vengono inviati alla pdc aria-acqua.

Sono state fatte alcune prove con un apparato artigianale e la temperatura rilevata dal sensore è risultata molto alta, si è arrivati a temperature prossime ai 30°C, però desta qualche perplessità il tenore molto alto di umidità che possiedono i fumi, che fanno evaporare quantità rilevanti di acqua presente nella vaschetta.

Poiché i componenti della pdc utilizzata non sono progettati per lavorare in ambienti umidi si è sospesa la sperimentazione, con l’intenzione di riprenderla nel momento in cui si reperisse sul mercato un’apparecchiatura che possa lavorare in ambienti bagnati.

 

Conclusioni

 

Con un costo di impianto di 4600 euro (1200 per la microstufa, 2400 per la micropdc e 1000 euro per costi di installazione e boiler) il sistema descritto può rappresentare una soluzione ottimale anche per zone climatiche fredde.

In tale ottica la possibilità di modulare in maniera semplice ed immediata la potenza della stufa a pellet e conseguentemente la temperatura di uscita fumi garantisce la possibilità di far fronte a temperature rigide e persino al di sotto di quelle di progetto.

Rispetto ad altre tipologie di pompe di calore acqua-acqua o terra-acqua comporta costi decisamente più bassi e l’uso di un combustibile rinnovabile, che ha dei costi di produzione quanto ad energia primaria non elevati, rappresenta una soluzione ecologicamente valida.

I costi di esercizio si mantengono a livelli molto bassi e le previsioni di costo del pellets, dopo l’indegna bolla speculativa dell’inverno 2006-2007, garantiscono la possibilità di approvvigionarsi di un combustibile dal costo teorico per kWh prodotto decisamente inferiore ad altri presenti sul mercato.