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Lo scopo di questa analisi è quello di dimostare che un impianto a tutt'aria realizzato con un aggregato evoluto non determini discontinuità superiori ad un impianto classico ad acqua (anzi, ne determina di meno), esegua meno defrost (vedi entalpia della miscela), ha una temperatura ed una portata d'immissione che dipendono dal carico e soprattutto sfrutti meglio (ed a pieno) il proprio compressore.
Lo scopo di questa analisi è anche quello di evidenziare il divario tecnologico tra un aggregato ed una classica pompa di calore aria/acqua.
Questa analisi vuole inoltre evidenziare come un sistema radiante alimentato da una pompa di calore aria/acqua di taglia commerciale si trasformi in una macchina On/Off al ridursi dei carichi termici (nzeb) e che richieda una serie di accortezze esterne (costo e spazio) spesso e chiaramente indicate dal costruttori.
Casa da 100 m² con 30 kWh/m² di fabbisogno termico invernale di picco alla temperatura di progetto di -5°C.
Portata di rinnovo pari a 100 m³/h.
Fabbisogno giornaliero di acqua sanitaria pari 200 litri a 45°C. Energia totale pari a 8100 kWh. Potenza oraria pari a 330 W.
Impianto 1
Pompa di calore aria/acqua di taglia 6 kW (7°C/87%) con potenza di 4,5 kW a -5°C, impianto radiante a soffitto passo 10 (Leonardo 10, Eurothem), VMC con recuperatore statico da 85% di resa media.
Impianto 2
Aggregato compatto a tutt'aria con recupero termodinamico della quota di rinnovo e funzione di desurriscaldamento. tagli a da 6 kW (7°C/87%), con potenza di 4,5 kW a -5°C.
La stessa analisi può essere condotta su una casa più isolata e con una taglia inferiore di pompe di calore (entrambe). Non cambierebbe nulla. Anzi i carichi di ventilazione e ACS farebbero ampliare il regime di funzionamento in modulazione del compressore dell'aggregato spostando a temperature ancor più alte il suo limite della sua fase On/Off.
Nell'impianto n.1 il carico istantaneo è costituito o da quello per dissipazioni dell'involucro o dalla produzione ACS.
La macchina commuta la propria potenza dall'impianto all'accumulo, determinando una discontinuità provvisoria sull'impianto.
Il carico istantaneo è quindi costituito dai soli carichi per dissipazione a cui si aggiunge la quota del 15% non recuperata dalla VMC.
Nell'impianto n.2 l'aggregato a tutt'aria in espansione diretta tratta una miscela di aria ambiente ed esterna, prelevando calore da una miscela di aria esterna ed ambiente estratta (quota di ventilazione). Il circuito frigorifero, già in funzione per il riscaldamento ambiente (dissipazioni), recupera energia dall'entalpia dell'aria estratta. La percentuale di recupero è superiore al 150% ed il COP globale aumenta (aumenta la temperatura di evaporazione) permettendo di compensare i carichi di ventilazione senza aumentare l'assorbimento del compressore (già in funzione per il riscaldamento).
E' proprio in questa applicazione che trova vantaggio il recupero termodinamico rispetto a quello statico. La stessa macchina privata della funzione di ventilazione meccanica tramite recupero termodinamico, quindi solamente in grado di trattare aria ambiente utilizzando la sola aria esterna, si troverebbe aria a temperature più fredda sull'evaporatore ed aria più calda sul condensatore con il risultato di una resa più bassa.
Otterrei la stessa potenza trasferita all'ambiente con un COP più basso ed un consumo superiore a quello precedente. Un recupero termodinamico proporzionale alla portata massima della macchina (da 1/4 ad 1/6) è gratuito in termini di energia elettrica assorbita. Ovviamente richiede degli Hz di frequenza da parte del compressore. E' un carico per il compressore ma non per il contatore! ABC dei circuiti frigoriferi, di cui serve conoscere il funzionamento.
Inciso per coloro che hanno qualche nozione avanzata:
a) l'entalpia dell'aria esterna a -5°C/80% è pari a 0,12 kJ/Kg;
b) l'entalpia di una miscela costituita da 1/6 d'aria ambiente (20°C/50% pari a 38,5 kJ/Kg) è pari a 6,49 kJ/Kg;
c) l'entalpia di una miscela costituita da 1/4 d'aria ambiente (20°C/50% pari a 38,5 kJ/Kg) è pari a 9,68 kJ/Kg.
Per costoro credo non serva aggiungere altro.
La VMC statica che dovrei affiancarci, oltre a non recuperare il 100%, mi darebbe anche un consumo elettrico (ventilatori).
Contemporaneamente la macchina è in grado di desurriscaldare il gas producendo ACS contemporaneamente al riscaldamento e con i suoi COP. Il desurriscaldamento del gas è una funzione che permette di sfruttare la temperatura di scarico del compressore per prelevare calore dal gas senza farlo condensare (il condensatore è un elemento che il gas incrocerà successivamente). E' un piccolo prelievo di potenza che non inficia la funzione principale per cui il circuito frigorifero sta funzionando. Non la inficia nel momento in cui c'è un controllo del desurriscaldamento: se prelevo troppo calore il desurriscaldatore si trasforma in condensatore.
Il principio è quello di sfruttare lo stesso compressore per fare più cose contemporaneamente massimizzando la resa.
La parola chiava di questa analisi è CONTEMPORANEITA' del carico per il compressore.
Dimenticavo: un aggregato compatto a tutt'aria in regime estivo è in grado di scaricare la potenza di condensazione nell'accumulo ACS piuttosto che smaltirla all'esterno (recupero termico della potenza di condensazione). Acqua calda sanitaria gratis.
E' possibile desurriscaldare anche con una pompa di calore aria/acqua?
Si, è possibile. Rispetto ad una classica macchina aria/acqua bisogna aggiungere: una pompa modulante, uno scambiatore a piastre, un circuito interno più evoluto e dell'elettronica (e software). Ovviamente devo aggiungere anche qualche migliaia di euro in più.
E' possibile recuperare l'energia di condensazione estiva anche con una pompa di calore aria/acqua?
Si, è possibile. Rispetto ad una classica macchina aria/acqua bisogna aggiungere: una pompa modulante, uno scambiatore a piastre, altre due tubazione tra l'unità interna ed esterna (4 tubi), un circuito interno più evoluto, dei ricevitori di liquido adeguati, qualche etto di gas in più, dell'elettronica (e software).
Ovviamente devo aggiungere anche qualche migliaia di euro in più.
E' possibile realizzare il recupero termodinamico della quota di ventilazione anche con una pompa di calore aria/acqua?
No, non è possibile. Soprattutto non è possibile farlo aggiungendoci degli elementi interni.
Un aggregato compatto ad inverter con recupero termodinamico, desurriscaldamento invernale e recupero termico estivo è una macchina tecnologicamente più evoluta di una classica pompa di calore aria/acqua. Contiene più elementi e li sfrutta in modo decisamente più completo.
Differenza tra “regime di On/Off compressore” e “regime di On/Off macchina (termostato)”
Citerò più volte queste due modalità della pompa di calore, sono diverse. Il regime di On/Off compressore è relativo alle sole pompa di calore aria/acqua. Queste macchine controllano la temperatura di mandata dell'acqua ad un valore desiderato (fisso o dipendente dalla temperatura esterna e raramente da quella ambiente). Quando, ad ambiente non soddisfatto, la potenza minima della pompa di calore eccede la potenza richiesta il compressore si spegne ed accende al fine di garantire una temperatura media dell'acqua che soddisfa le dissipazioni. Quindi la pompa gira ed il compressore si accende e spegne.
Una macchina in espansione diretta (aria/aria) non ha questa esigenza. Nessuna macchina si spegne sulla temperatura di mandata dell'aria. Quando, ad ambiente non soddisfatto, la potenza minima della pompa di calore eccede la potenza richiesta il compressore (alla minima frequenza) rimane acceso fino a quando l'ambiente non viene soddisfatto, regime di On/Off macchina.
Quindi:
- regime di On/Off macchina: compressore alla minima frequenza ed accensione/spegnimento macchina da termostato ambiente.
- regime di On/Off compressore: compressore alla minima frequenza ed accensione/spegnimento del compressore su limite della temperatura di mandata dell'acqua.
In un impianto con pompa di calore aria/acqua si evita il regime di On/Off del compressore alzando (poi vedremo come e cosa ne consegue) la temperatura dell'acqua di mandata (quindi aumentando il potere del sistema di distribuzione), passando al regime di On/Off macchina (termostato).
Il regime di On/Off compressore è caratterizzato da un numero di accensioni e spegnimenti più elevato che dipende dal volume d'acqua dell'impianto (transitori frequenti, rese basse). Il regime di On/Off macchina sfrutta le masse termiche e le inerzie del sistema distributivo. A parità di condizioni è soggetto a meno accensioni/ripartenze, ma lo si paga con il range di modulazione (lo vedremo dopo).
Cosa c'è in tabella?
Descriviamo le colonne.
Testena: temperatura dell'aria esterna.
Potenza Dissipazioni: valore delle dissipazioni dell'involucro in funzione della temperatura esterna. Le dissipazioni sono proporzionali al salto termico tra ambiente ed esterno. Come previsto dalle norme (su cui si basa la legge 10) il carico per dissipazioni a 16°C esterni è pari a 0.
Potenza Ventilazione: è la potenza necessaria a riscaldare la quota d'aria di rinnovo (100 m³/h) portandola dalle condizioni esterne a quelle interne (20°C).
Potenza ACS: è la potenza oraria necessaria a garantire il fabbisogno giornaliero di acqua sanitaria di 200 litri a 45°C. Una pompa di calore aria/acqua classica soddisfa tale fabbisogno interrompendo il riscaldamento e deviando la potenza sull'accumulo.
Retta Potenza Massima PdC: rappresenta la potenza massima generabile dalla pompa di calore in funzione della temperatura esterna (per soddisfare i fabbisogni alla condizione di progetto serve una taglia da 6 kW a 7°C/87%).
Retta Potenza Minima PdC: rappresenta la potenza minima generabile dalla pompa di calore in funzione della temperatura esterna (1/3 della potenza massima, 30Hz sui 90Hz massimi).
Carico CONTEMPORANEO per PdC Acqua: rappresenta la potenza contemporanea che la pompa di calore ad acqua deve erogare in funzione delle condizioni esterne. Equivale al carico per dissipazioni a cui viene sommato il 15% del carico di ventilazione (la VMC recupera il restante 85%). Come si può notare (colonna gialla) la minima potenza del compressore viene raggiunta a 4°C esterni. Al di sopra di questo valore o si entra in regime di On/Off del compressore (al fine di garantire la temperatura superficiale media necessaria a compensare il carico decrescente, vedi climatica) o si alza la temperatura di mandata (a mano?) facendo lavorare le masse termiche (e le inezie termiche del radiante) ed il termostato ambiente (regime di On/Off macchina).
Carico CONTEMPORANEO per PdC Aria: rappresenta la potenza contemporanea che la pompa di calore ad aria deve erogare in funzione delle condizioni esterne. Equivale al carico per dissipazioni a cui viene sommato quello di ventilazione (recupero termodinamico) e quello ACS (desurriscaldamento). Come si può notare (colonna verde) la minima potenza del compressore viene raggiunta ad 8°C esterni. Al di sopra di questo valore la temperatura di mandata si alza in modo naturale (minima frequenza, carico decrescente, portata d'aria decrescente) facendo lavorare le masse termiche (e le inezie termiche del tutt'aria) ed il termostato ambiente (regime di On/Off macchina).
Portata aria PdC Aria : rappresenta la portata d'aria di mandata in funzione delle condizioni esterne (una quota di tale portata è aria esterna). Per veicolare la potenza di progetto servono almeno 500 m³/h. Abbiamo assunto 600 m³/h per analogia con una prodotto reale.
T.mandata aria PdC Aria : rappresenta la temperatura di mandata dell'aria necessaria a soddisfare il carico per dissipazione in funzione della temperatura esterna e della portata d'aria.
Temperatura n.1 acqua PdC Acqua : rappresenta la temperatura di mandata dell'acqua, in funzione del carico, nel caso ideale di controllo continuo (tramite climatica evoluta o sonda ambiente) e inevitabile regime di On/Off del compressore.
Temperatura n.2 acqua PdC Acqua : rappresenta la temperatura di mandata dell'acqua, in funzione del carico, nel caso in cui si voglia evitare il regime di On/Off del compressore (alzo la mandata pe dissipare la potenza minima del compressore). Se ho una climatica attiva: o ad un certo punto la devo disinserire e alzare a mano la mandata desiderata (in funzione delle condizioni esterne, io utente faccio il regolatore umano), oppure devo impostare una climatica che non scenda sotto il livello minimo di temperatura dell'acqua (29/29,5°C). Ma facendo ciò sposto il regime di On/Off macchina dai 4°C ai -1°C esterni. Ogni soluzione intermedia (es. minima di 28°C) determina inevitabilmente i regimi di On/Off del compressore.
Che faccio?
a) faccio il regolatore umano (spengo ed accendo la climatica e vado ad alzare il setpoint dell'acqua in funzione delle condizioni esterne)
b) oppure metto il valore delle climatica minima a 29°C di mandata dell'acqua e sposto il regime di On/Off macchina a -1°C esterni?
c) oppure metto un valore intermedio alla temperatura dell'acqua minima della climatica (es. 28°C) spostando il regime degli On/Off macchina ad 1°C e cadendo in regime di On/Off compressore sopra i 10°C esterni?
La coperta è corta. Ci si può interrogare sul perché vengano indicate soluzioni impiantistiche diverse dal semplice collegare direttamente una pompa di calore aria/acqua all'impianto. Soluzione che servono anche a soddisfare le portate ed i volumi minimi d'acqua delle pompa di calore rispetto a distribuzioni che non le/li garantirebbero (altro interessante argomento che coinvolge e coinvolgerà le nzeb). Soluzioni che richiedono elementi esterni (vedi accumuli inerziali/separatori idraulici, pompe di rilancio, gruppi di miscelazione), manodopera e spazio: la mia casa ha un costo a m² ed ogni soluzione che occupa della superficie (o spazio) ha un costo anche in tali termini.
Infine ho raccolto le temperature medie invernali dei mesi di gennaio/febbraio rilevate in alcune località.
Non credo sia complicato fare 1+1 ed arrivare ad alcune conclusioni. Per ora le lascio a voi.
I numeri sono scienza, le chiacchere sono filosofia. Quando una legge 10, un calcolo strutturale, un'analisi prestazionale, un'analisi di bilancio conterrà chicchere e nessun calcolo sarò disposto a credere che i numeri mentano e che mi sia sufficiente scendere al bar per ricevere una consulenza.
Poi c'è qualcuno, dalle evidenti lacune tecniche, che non sa giustificare perché un costruttore di pompe di calore aria/acqua (vedi un'azienda come esempio la Templari) indichi delle specifiche l'esigenze impiantistiche, accumuli esterni inerziali da 200 litri e pompe (o gruppi di miscelazione di rilancio). Dirà che non servono semplicemente perché sa che gli elementi esterni costituiscono un costo (ed occupano spazio) e nel confronto con un aggregato tutt'aria pesano.
Edited by PID_Block - 28/12/2019, 13:49Attached Image
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