Le pompe di calore aria-acqua non solo modificano il loro rendimento in base alle fluttuazioni della temperatura esterna, ma regolano anche la potenza erogata in risposta a tali variazioni. L'entità di questa modifica dipende dalla tecnologia specifica impiegata nella pompa di calore.
Nei grafici presentati nella fig. 36, si evidenzia l'influenza della temperatura esterna sulla potenza erogata dalla pompa di calore, distinguendo tra le due principali tecnologie attualmente diffuse sul mercato: quella basata sul gas refrigerante R410 e quella che utilizza il R32. In tali grafici, è stata inclusa anche una linea che rappresenta il 25 % della potenza emessa dalle pompe di calore. Questo elemento riveste un'importanza cruciale in quanto delimita la zona di modulazione delle moderne macchine a compressione. In altre parole, questo limite segna il fattore di carico al di sotto del quale la pompa di calore inizia cicli di accensione e spegnimento, con conseguente riduzione dell'efficienza complessiva del sistema, seguendo le curve illustrate nella fig. 36. Questa regione può essere identificata come zona di modulazione critica.
INTERVALLO DI FUNZIONAMENTO DELLA POMPA DI CALORE E INTERVALLO DI MODULAZIONE CRITICA
Dalla sovrapposizione delle curve rappresentanti la potenza emessa da una pompa di calore e la curva caratteristica dell'edificio, emergono due scenari principali:
- Il primo caso si verifica quando la curva caratteristica dell'edificio rimane costantemente al di sotto della curva di potenza della pompa di calore. Questo avviene negli impianti in cui la pompa di calore rappresenta l'unica fonte di riscaldamento e deve quindi coprire tutte le esigenze termiche dell'edificio in qualsiasi condizione climatica. Tuttavia, questa situazione non è quella che stiamo analizzando.
- Il secondo caso, invece, si verifica quando la curva caratteristica dell'edificio interseca la curva di potenza erogata dalla pompa di calore. Il punto di intersezione è noto come il "punto di equivalenza". Nell'ambito degli impianti ibridi, la temperatura di equivalenza è sempre superiore alla temperatura di progetto
Nei sistemi ibridi, a partire dal punto di equivalenza, è possibile dedurre graficamente (come illustrato nella fig. 38) la temperatura esterna al di sopra della quale la pompa di calore inizia ad attivare cicli di accensione e di spegnimento.
Questa temperatura rappresenta il punto in cui l'edificio richiede una potenza inferiore al 25 % di quella erogata dalla pompa di calore, e tale temperatura sarà definita come temperatura di fattore di carico (Tfc). L'intervallo di temperatura che si estende tra la temperatura di fattore di carico (Tfc) e la temperatura di spegnimento dell'impianto rappresenta quindi la zona di modulazione critica. È importante notare che l'intervallo di modulazione critica è proporzionale all'intervallo compreso tra la temperatura di equivalenza e la temperatura di annullamento del carico. Quest'ultimo intervallo corrisponde anche all'intervallo di funzionamento della pompa di calore. Come regola pratica, l'intervallo di modulazione critica rappresenta solitamente il 30—40 % dell'intervallo di funzionamento della temperatura della pompa di calore. È importante sottolineare che questa proporzione è teorica e si applica quando la pompa di calore opera al 100 % della sua capacità al punto di equivalenza. Tuttavia, nella pratica, le dimensioni commerciali delle pompe di calore implicano salti definiti nella potenza erogabile dalle macchine. È rilevante notare che maggiore è la potenza della pompa di calore rispetto al 100 % teorico al punto di equivalenza, tanto maggiore sarà la percentuale dell'intervallo critico rispetto all'intervallo di funzionamento della pompa di calore. Pertanto, un dimensionamento attento al fattore di carico della pompa di calore favorirà pompe di calore con una potenza leggermente inferiore rispetto a quella di calcolo, invece di sovradimensionare l'unità. È infatti intuitivo comprendere che una pompa di calore sovradimensionata entrerà nella zona di fattore di carico ad una temperatura esterna inferiore rispetto a una pompa di dimensioni più ridotte.
Una volta definita la zona di modulazione critica, è fondamentale valutare l'impatto energetico sull'intero ciclo di lavoro della pompa di calore. In altre parole, è necessario determinare quanta energia viene persa a causa dell'inefficienza ai carichi ridotti rispetto all'energia totale sviluppata dalla pompa di calore durante l'intera stagione di riscaldamento. Questa valutazione richiede l'analisi del comportamento effettivo delle temperature esterne rispetto al sito di installazione della pompa di calore all'interno del nostro sistema ibrido.
CONSIDERAZIONI ENERGETICHE E MODELLI CLIMATICI SEMPLIFICATI
Esistono diverse fonti disponibili per ottenere informazioni sugli andamenti orari delle temperature esterne. Tuttavia, anche se questi dati sono estremamente precisi, possono risultare difficili da interpretare quando vengono rappresentati graficamente. Come mostrato nell'esempio di fig. 39, l'andamento rappresentato non fornisce un'immediata indicazione circa la quantità di ore stagionali ad una determinata temperatura.
Per una migliore analisi di tali dati, è utile suddividere le temperature esterne in intervalli generalmente di 1 °C e calcolare quante ore rientrano in ciascun intervallo di temperatura esterna. Un andamento tipico di questo raggruppamento è illustrato nella fig. 40. È importante notare che ogni località avrà un andamento grafico diverso. Tuttavia, semplificando questi grafici, possiamo estrarre dati caratteristici comuni a tali andamenti.
Attraverso queste semplificazioni, siamo in grado di generare curve climatiche semplificate, che, sebbene non siano adatte per un'analisi dettagliata di progetto, possono comunque fornire indicazioni generali e orientative per il progettista. Un esempio di questa curva semplificata è rappresentata in arancione nella fig. 40.
Come si può notare dal grafico riportato in fig. 41, queste curve possono essere suddivise in tre dati facilmente identificabili:
1. La temperatura media annuale, calcolata utilizzando i gradi giorno e la durata del periodo convenzionale di
riscaldamento, rappresenta il punto centrale della curva semplificata.
2. La temperatura di progetto determina l'inizio della curva e la sua estensione sulla scala delle temperature.
3. L'altezza della curva è correlata alla durata media della stagione di riscaldamento.
Questi modelli risultano utili per le considerazioni energetiche, poiché l'area sotto la curva tra due temperature esterne
rappresenta le ore di funzionamento dell'impianto comprese tra queste due temperature.
Analizzando questi modelli semplificati delle temperature esterne, è possibile suddividere la stagione di riscaldamento
in tre zone energeticamente rilevanti:
- La prima zona rappresenta il 10 % della durata del periodo di riscaldamento ed è caratterizzata da temperature estremamente fredde, richiedendo quindi una maggiore potenza da parte del sistema di riscaldamento. Tuttavia, dal punto di vista energetico, questa zona ha una minore importanza in quanto la sua durata temporale è limitata.
- La seconda zona, che costituisce l'80 % del periodo di riscaldamento, è la più significativa dal punto di vista energetico per le esigenze di riscaldamento invernale.
- La terza zona, invece, rappresenta il restante 10 % della durata del riscaldamento ed è caratterizzata da temperature meno rigide, risultando praticamente insignificante dal punto di vista energetico.
Nell'ambito di modelli energetici semplificati, la suddivisione di queste fasce è relativamente semplice e dipende principalmente dall'ampiezza delle curve, cioè dalla temperatura di progetto e dalla temperatura media dell'impianto.
Semplificando ulteriormente, è possibile calcolare la temperatura al di sopra della quale ci si trova nella fascia ininfluente ai fini energetici basandosi sull'ampiezza della curva del modello climatico invernale di riferimento. Tale temperatura rimane praticamente costante ed è approssimativamente pari al 25 % dell'ampiezza della curva.
VERIFICA SEMPLIFICATA BASATA SUL FATTORE DI CARICO
In breve, è possibile verificare il dimensionamento della pompa di calore in un sistema ibrido seguendo tre passaggi semplici:
1. Identificare, in base al dimensionamento della pompa di calore e al punto di equivalenza, l'intervallo di modulazione critica, che generalmente rappresenta il 30 % - 40 % dell'intervallo di funzionamento della temperatura della pompa di calore.
2. Utilizzando una semplificazione del modello climatico, individuare la zona ininfluente ai fini energetici, che corrisponde approssimativamente al 25 % dell'escursione termica di progetto.
3. Verificare che l'intervallo di modulazione critica sia all'interno della zona non influente ai fini energetici.