Le pompe di calore hanno avuto una notevole diffusione negli ultimi anni. Questo è dovuto a vari fattori quali, ad esempio, la costruzione di abitazioni sempre più performanti (che richiedono potenze termiche contenute e, quindi, abbinabili con le taglie commerciali più diffuse di queste macchine) e l’adozione di sistemi di emissione che permettono di sfruttare basse temperature di distribuzione compatibili con quelle raggiungibili dalle pompe di calore.
Il fattore più importante è il risparmio energetico che queste macchine garantiscono rispetto a sistemi più tradizionali come le caldaie a gas. Questo, unito all’evoluzione delle leggi sempre più stringenti in termini di impatto ambientale, ha reso l’adozione di tali sistemi lo standard per gli impianti installati nelle nuove costruzioni e per le ristrutturazioni significative.
In genere, ad un risparmio energetico segue un risparmio economico in quanto, a parità di energia erogata, le macchine più efficienti presentano consumi minori. Tuttavia, se confrontiamo un sistema tradizionale, come una caldaia a gas, rispetto ad una pompa di calore, l’entità del risparmio energetico non è uguale a quella del risparmio economico.
RENDIMENTO DI UN GENERATORE
Al fine di confrontare il consumo energetico di generatori alimentati da fonti diverse, si prende come riferimento il consumo di energia primaria. In altre parole, si confronta quanta energia presente in natura viene consumata dal generatore per produrre l’energia termica.
Il rapporto tra energia primaria consumata ed energia termica prodotta è anche detto rendimento del generatore (o di generazione) come riportato dalla formula 1.
IL RENDIMENTO DI UNA CALDAIA TRADIZIONALE E A CONDENSAZIONE
Una caldaia trasforma l’energia contenuta all’interno del combustibile in energia termica. Per semplicità, e poiché sono i generatori più diffusi, focalizzeremo l’attenzione sulle caldaie alimentate a gas naturale anche se le considerazioni sono facilmente estensibili a qualsiasi caldaia a combustibile solido o liquido.
L’energia termica contenuta nel combustibile è indicata dal potere calorifico. Esso, come noto, viene espresso con due valori: uno superiore (PCS - Potere Calorifico Superiore) ed uno inferiore (PCI - Potere Calorifico Inferiore) a seconda che si consideri o meno come energia utile (sfruttabile dalla combustione) il calore necessario per far evaporare la parte di acqua prodotta dalla combustione.
I generatori che possono sfruttare l’energia contenuta nel vapore della combustione vengono detti a condensazione. Tradizionalmente, dato che non esistevano tecnologie su larga scala per lo sfruttamento della condensazione, il contenuto energetico dei combustibili è sempre stato identificato con il potere calorifico inferiore, e, per analogia, anche i rendimenti dei generatori sono sempre stati riferiti al Potere Calorifico Inferiore (PCI).
IL RENDIMENTO DI UNA POMPA DI CALORE
La pompa di calore è una macchina a ciclo frigorifero che trasferisce calore da una sorgente fredda a una calda tramite l’impiego di energia elettrica.
L’efficienza con la quale le PDC trasferiscono il calore è definita tramite il COP. Il suo valore è dato dal rapporto fra calore ceduto al fluido caldo (energia termica resa all’utenza) e il totale dell’energia elettrica assorbita (energia richiesta sia dal compressore sia dai mezzi ausiliari integrati nella pompa di calore: dispositivi antigelo, apparecchiature di regolazione e controllo, circolatori, ventilatori) (fig. 17).
[Per approfondimento si rimanda a Idraulica 33]
Durante il funzionamento in raffrescamento il parametro che rappresenta il rendimento della macchina è identificato con la sigla EER. Si calcola come rapporto tra l’energia termica sottratta all’utenza e il totale dell’energia elettrica assorbita (come nel caso del COP l’energia elettrica assorbita è la somma di quella richiesta dal compressore e da tutti i mezzi ausiliari integrati nella pompa di calore) (fig. 17).
La norma EN 14511 consente al produttore di determinare le prestazioni della pompa di calore (COP) in funzione di:
- funzionamento a velocità nominale;
- modalità di riscaldamento;
- temperatura esterna fissa;
- temperatura di mandata fissa.
Il punto di funzionamento a potenza nominale, con il quale il produttore identifica la macchina sul mercato, viene di solito calcolato con temperatura esterna dell’aria pari a 7 °C e temperatura di mandata dell’acqua pari a 35 °C (A7W35). Ad esempio, una PDC con potenza nominale dichiarata 6 kW, produce circa 6 kW termici a A7W35.
Tuttavia, tale valore è poco rappresentativo delle effettive condizioni di funzionamento delle PDC durante il loro esercizio in un’intera stagione di riscaldamento. Il COP/EER non è un valore costante e, soprattutto nelle pompe di calore aria-acqua, può variare considerevolmente in base a:
- temperatura dell’aria esterna;
- temperatura di produzione dell’acqua calda o fredda;
- fattore di carico della macchina;
- incidenza dei cicli di sbrinamento.
Le schede tecniche riportano, infatti, più valori di COP (o EER) in funzione delle diverse temperature sia dell'aria esterna sia dell'acqua di mandata.
La figura 19 mostra, a titolo esemplificativo, l’evoluzione del coefficiente di prestazione (COP) a pieno carico di una pompa di calore aria-acqua in funzione di tali parametri.
Come si può notare, le prestazioni:
- peggiorano in funzione della temperatura esterna; minore è la temperatura esterna, minore è il COP.
- diminuiscono a seconda della temperatura di mandata; maggiore è la temperatura di mandata minore è il COP.
In questo esempio, una riduzione della temperatura di mandata da 55 a 35 °C (per temperature esterne superiori a 7 °C) consente di migliorare il COP di oltre un punto.
COP A REGIME DI CARICO PARZIALE
Le curve di andamento del COP riportate nelle schede tecniche (fig. 19), si riferiscono al funzionamento a pieno carico della pompa di calore, cioè quando la macchina eroga la massima potenza utile (ad esempio nelle condizioni di temperature esterne più rigide o durante le fasi di avviamento degli impianti): un funzionamento poco rappresentativo delle reali condizioni di lavoro. Durante il normale funzionamento la potenza disponibile della pompa di calore è spesso maggiore della potenza da fornire all’edificio. Le macchine lavorano quindi a carico parziale.
Il COPPXa carico parziale rappresenta meglio il rendimento reale della macchina e si ottiene moltiplicando il COPmax a pieno carico per un fattore correttivo (fCORR) che dipende solo dal fattore di carico della macchina (FC) e non dalle condizioni di funzionamento. Il fattore di carico della macchina è il rapporto fra la potenza istantanea richiesta e la potenza massima erogabile nelle medesime condizioni (Formula 2). I grafici (fig. 20) rappresentano un esempio di andamento del fattore di correzione (fCORR) al variare del fattore di carico della macchina (FC), nel caso di macchina ON-OFF oppure modulante.
I modelli più vecchi di pompa di calore, definite ON-OFF, modulavano la potenza attraverso cicli di accensione e spegnimento. Tali cicli degradano le prestazioni energetiche della macchina: ogni accensione porta a perdite per correnti di spunto dei motori elettrici e per messa a regime del ciclo frigorifero. Per questo motivo il fattore di correzione del COP nelle macchine ON-OFF è sempre inferiore a 1 (fig. 20), per qualsiasi fattore di carico della macchina. Il COP a carico parziale risulta sempre ridotto rispetto al COPmax.
Le macchine più moderne, invece, variano i giri del compressore e del ventilatore dello scambiatore esterno per adattarsi a carichi ridotti. Questa modulazione, in genere, può ridurre il carico delle macchine sino ad un valore del 25–30 % rispetto a quello massimo. Al di sotto di questo valore la pompa di calore, non riuscendo più a modulare, regola la potenza in modo analogo alle macchine ON-OFF. Nelle pompe di calore modulanti si può ottenere un andamento del COP con un fattore di correzione superiore a 1, in un campo di modulazione compreso tra il 15 e il 100 %. La pompa di calore è influenzata solamente dalle temperature di evaporazione e di condensazione, le quali determinano delle variazioni di pressione del fluido refrigerante che attraversa il compressore, e non dipende dalla temperatura esterna o da quella di ritorno dell’impianto. Quando il salto termico fra refrigerante e temperatura esterna si riduce (in tutte le condizioni di funzionamento a carico parziale), la differenza di pressione tra monte e valle del compressore diminuisce, così come l’assorbimento elettrico. In questo frangente la macchina lavora a carico parziale: si riduce la potenza termica emessa ma ancor di più l’assorbimento elettrico. Per questo motivo aumenta il COP.
IL COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE STAGIONALE INVERNALE (SCOP) ED ESTIVO (SEER)
L’ampia variabilità dei parametri di efficienza della pompe di calore aria-acqua e la sempre maggiore attenzione rispetto ai temi di risparmio energetico hanno fatto sì che, oltre al valore puntuale di COP, venisse introdotto e riportato in documentazione tecnica da parte dei produttori un altro indice detto SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), definito dalla EN 14825. Questo indicatore è una media pesata dei valori di COP e risulta maggiormente rappresentativo in quanto fa riferimento alle condizioni operative nel corso di una stagione di riscaldamento. Integra le prestazioni della pompa di calore in funzionamento a carico parziale, per diverse temperature esterne sulla base dei dati climatici riferiti a tre zone differenti.
Il valore SCOP descrive quanta energia termica viene generata in un anno da un impianto, in rapporto all’impiego di energia elettrica. Rappresenta quindi un valore più significativo rispetto al COP circa l’efficienza delle PDC aria-acqua in quanto tiene conto delle condizioni climatiche esterne. Tuttavia, il valore SCOP non può ancora essere considerato affidabile poiché il reale rendimento dipende anche dalla temperatura di mandata, dalla tipologia di impianto collegato e dal tipo di regolazione e conduzione dell’impianto. Ad esempio, a parità di PDC, un impianto radiante progettato per funzionare a bassa temperatura di mandata ha un’efficienza migliore e consumi energetici minori rispetto ad un impianto a ventilconvettori con temperature di mandata più elevate. Allo stesso modo, una regolazione di tipo climatico consente di ottenere un’efficienza migliore rispetto allo stesso impianto regolato a punto fisso. Per i motivi elencati è necessario affidarsi ad un altro indicatore più realistico: il COPMEDIO EFFETTIVO.
Così come SCOP rappresenta il rapporto tra l’energia resa e l’energia elettrica consumata nel periodo di riscaldamento, allo stesso modo l’efficienza stagionale di una pompa di calore durante il funzionamento in raffrescamento è misurata dall’indice “SEER” (Seasonal Energy Efficiency Ratio).
IL COP MEDIO EFFETTIVO
Il rendimento reale di una pompa di calore, inserita in uno specifico impianto dotato di regolazione, può essere calcolato tramite procedimenti laboriosi od opportuni software di calcolo e riassunto in un coefficiente medio di efficienza che chiameremo COPMEDIO EFFETTIVO. Questo valore può scostarsi, anche in modo significativo, da COP e SCOP caratteristici della pompa di calore.
In Figura 21 è rappresentato un esempio di andamento reale del COP di una pompa di calore aria-acqua. La linea rossa orizzontale rappresenta la media pesata di ogni punto di funzionamento della macchina e, quindi, il COPMEDIO EFFETTIVO.
IL RENDIMENTO DI GENERAZIONE
Il rendimento di generazione di una pompa di calore (ηGEN PDC) può essere quindi calcolato come il prodotto tra il fattore di conversione dell’energia elettrica (ηEL) e il COPMEDIO EFFETTIVO (Formula 3).
Equivale a rapportare il COPMEDIO EFFETTIVO alla quantità di energia primaria consumata attraverso il fattore medio di conversione dell’energia elettrica. Tale fattore attualmente in Italia vale 0,43 e tiene conto sia di tutti i generatori di energia elettrica collegati alla rete (quali ad esempio le centrali termoelettriche) sia dell’efficienza della rete di distribuzione.
In Tabella 1 sono riportati i rendimenti di generazione di una pompa di calore generica al variare del COPMEDIO EFFETTIVO.
IL RISPARMIO ENERGETICO
Il risparmio energetico, cioè il risparmio di energia da fonti primarie presenti in natura, tra l’utilizzo di un impianto di riscaldamento tradizionale, alimentato da una caldaia a gas, e l’utilizzo di un impianto con pompa di calore aria-acqua può essere calcolato confrontando i relativi rendimenti di generazione. Se il rendimento di generazione di una caldaia (tradizionale o a condensazione) è facilmente calcolabile, quello di una pompa di calore dipende fortemente dalle sue condizioni di lavoro. Considerando i valori di COPMEDIO EFFETTIVO di funzionamento possiamo riassumere i rendimenti di generazione della pompa di calore in Tabella 1.
Il rendimento di generazione di una pompa di calore è sempre elevato se confrontato con quello di una caldaia a gas, che si ferma sempre, ad esempio, al 106 %. Una pompa di calore presenta rese maggiori già con valori di COP maggiori di 2,5: valori ampiamente raggiunti e superati dalla maggior parte delle pompe di calore in commercio anche se utilizzate in condizioni di lavoro non ottimali. Se si abbina ad un modello recente di macchina una buona regolazione dell’impianto si raggiungono valori di efficienza tra il 130 % e il 170 %. Infine, se si installa un nuovo modello di pompa di calore e si gestisce l’impianto con una buona regolazione si può ottenere un’efficienza di circa il 200 %.
IL RISPARMIO ECONOMICO
Il confronto economico tra un impianto tradizionale alimentato da una caldaia a gas ed uno a pompa di calore può essere valutato calcolando il costo sostenuto per produrre l’energia termica per entrambi i sistemi di produzione.
Il costo di un kWhTERMICO prodotto con una caldaia a gas è calcolabile attraverso la formula 4. Considerando un valore medio del PCI del gas pari a 9,7 kWh/ smc, possiamo riassumere il costo del kWhTERMICO in Tabella 2. Analogamente a quanto calcolato per gli impianti serviti da una caldaia a gas, è possibile calcolare il costo del kWhTERMICO prodotto da una pompa di calore attraverso la Formula 5. Con questo tipo di generatori, il costo di produzione dell’energia termica (Tabella 3) è influenzato dal costo di acquisto dell’energia elettrica e dal COPMEDIO EFFETTIVO che, come già visto, è a sua volta condizionato da molti fattori.
Nelle tabelle 2 e 3, a titolo di esempio, sono evidenziati i valori tipici di rendimento del generatore e i costi dei vettori energetici per un’utenza domestica.
Ad esempio, in un impianto con caldaia a gas, considerando i valori evidenziati in tabella 2, il costo del kWhTERMICO è pari a 7,36 c€/kWh.
In un impianto a PDC con i seguenti dati:
- COPMEDIO EFFETTIVO = 3,5
- costo energia elettrica = 0,24 €/kWhel
si ottiene un costo del kWhTERMICO pari a 6,86 c€/kWh (tabella 3).
Confrontando i costi del kWhTERMICO si evidenzia un risparmio economico del 7 % se si utilizza la pompa di calore invece di una caldaia a gas.
In modo analogo, se consideriamo una pompa di calore con COPMEDIO EFFETTIVO pari a 3,0 si ottiene un costo del kWhTERMICO pari a 8,00 c€/kWh: superiore rispetto ai 7,36 c€/kWh della caldaia a gas. In questa situazione l'utilizzo della PDC non è conveniente.
Date le molte variabili che influenzano questi calcoli, in primo luogo il costo dell’energia, si possono costruire grafici (fig. 23) o tabelle dove, in base ai costi rispettivamente del metro cubo standard di gas e del kWhELETTRICO, si può ricavare il COP MINIMO DI CONVENIENZA. Questo valore indica il COP minimo che serve ad un impianto a pompa di calore per produrre energia termica ad un costo inferiore rispetto ad una caldaia a gas.
In funzione del costo del gas (0,70 €/ smc) e del kWhELETTRICO (0,24 €/kWhel) attuali per il mercato italiano, una PDC è economicamente più efficiente rispetto ad una caldaia a gas (cioè produce calore ad un costo inferiore) se il suo COPMEDIO EFFETTIVO risulta maggiore di 3,5.
CONFRONTO TRA RISPARMIO ENERGETICO ED ECONOMICO
Confrontando i valori ottenuti si può facilmente notare come, a parità di COP MEDIO EFFETTIVO, il risparmio energetico sia nettamente superiore a quello economico.
Ad esempio, il rendimento di generazione di una PDC con COPMEDIO EFFETTIVO pari a 3,50 è del 151 %, a differenza del 98 % di una caldaia tradizionale a gas. Il risparmio energetico di tale impianto è, quindi, del 54 %.
Nello stesso impianto a PDC, il costo del kWhTERMICO è pari a 6,86 c€/kWh rispetto ai 7,36 c€/kWh della caldaia tradizionale a gas, come visto nei paragrafi precedenti.
Tale impianto risulta, quindi, economicamente più efficiente solo del 7 %.
In modo analogo, se consideriamo un COPMEDIO EFFETTIVO compreso tra 2,5 e 3,5 si ottiene comunque un risparmio energetico ma non economico, poiché il costo del kWhTERMICO prodotto con una caldaia è più conveniente di quello prodotto con una pompa di calore.
In altre parole, è abbastanza semplice far funzionare gli impianti a pompa di calore con un’efficienza energetica maggiore di quella delle caldaie a gas, consumando meno combustibili fossili e riducendo le emissioni di CO2. Non è, invece, altrettanto scontato far funzionare questi impianti ottenendo un risparmio economico sulla spesa annua per il riscaldamento.
Per ottenere un risparmio economico sulla spesa di gestione degli impianti a PDC è quindi necessaria un’attenta progettazione, che preveda temperature di esercizio dei terminali più basse possibili, ed un’opportuna regolazione, in modo da massimizzare il COP di funzionamento.
INFLUENZA DELLA REGOLAZIONE SUL COP MEDIO EFFETTIVO
Il COP di funzionamento di una pompa di calore è fortemente influenzato della temperatura della sorgente interna, cioè dalla temperatura di mandata all’impianto di riscaldamento. È fondamentale, quindi, progettare impianti che siano in grado di funzionare con basse temperature di mandata, associati a sistemi di regolazione che possano mantenerle più basse possibili in base alle condizioni di effettivo carico dell’impianto. Risulta, dunque, opportuno impostare la temperatura di mandata delle pompe di calore in base a curve climatiche.
Il risparmio ottenibile, rispetto ad una regolazione tradizionale, è considerevole. In figura 24 sono riportati i valori di COPMEDIO EFFETTIVO risultati da una simulazione numerica, per un impianto a pompa di calore aria-acqua, al variare della temperatura di mandata di progetto e del tipo di regolazione. I dati sono riferiti ad una situazione climatica tipica del Nord Italia e si tratta di un esempio.
Come riportato dal grafico, i vantaggi di una regolazione climatica rispetto a una a punto fisso sono tanto più consistenti quanto più è elevata la temperatura di mandata ai terminali, in condizioni di progetto.
Ad esempio, nelle applicazioni di pompe di calore con radiatori a media temperatura (circa 50 °C) si possono ottenere risparmi fino al 30 %; il più delle volte ad investimento nullo, in quanto la maggior parte delle pompe di calore in commercio può essere regolata attraverso curve climatiche senza l’acquisto di componenti aggiuntivi.
