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L’ACQUA CALDA SANITARIA CON POMPA DI CALORE

centrale

Sommario:

E’ POSSIBILE FARE L’ACQUA CALDA CON POMPA DI CALORE?

Un aspetto che non è ancora chiaro ad alcuni non addetti ai lavori, è se la pompa di calore sia in grado di dedicarsi alla produzione di acqua calda sanitaria. La risposta è sicuramente positiva: “Possiamo tranquillamente riscaldare l’acqua ad uso domestico con pompa di calore”.
Purtroppo la non sicurezza della risposta, in caso di sostituzione di generatore, continua a fare da discriminante, tra quelli superficiali che per andare sul sicuro chiamano l’idraulico e preferiscono rimontare la “vecchia e cara” caldaia e quelli che ostinati nell’approfondire, che poi scoprono che possono produrre l’acqua calda con la pompa di calore e provano ad installarla.
Alcuni incontrando dei validi progettisti e buoni installatori si trovano bene…e capiscono che i tempi tempi delle caldaie sono finiti e altri che purtroppo trovandosi male, a causa dei progetti sbagliati o di installazioni errate iniziano a sostenere che le pompe di calore non funzionano e maledicono il giorno che hanno acconsentito all’installazione (maledicendo anche l’Europa che con la Direttiva EPDB /”Case Green” ha deciso di mettere dei freni all’installazione delle caldaie).
Questo testo nasce con l’idea di spiegare per sommi capi come produrre l’Acqua Calda Sanitaria (A.C.S) con pompa di calore, e fare delle prime riflessioni su, come mai l’Europa ci stimola a levare le caldaie, per inserire le pompe di calore.

LA POMPA DI CALORE DEVE ESSERE ARIA-ACQUA

Il primo concetto che deve diventare chiaro è che per produrre ACS, il sistema più semplice è quello che sfrutta di una Pompa di Calore (PdC) aria-acqua non una pompa di calore aria-aria (vedi articolo introduttivo).
Per chi vuol capire senza tanti fronzoli…”lo splittino “ per il condizionamento estivo (che in alcuni casi se reversibile è anche una pompa di calore) è un macchinario aria-aria per cui preleva il calore dall’esterno per cederlo all’aria interna alle abitazioni.
La pompa di calore aria-acqua si basa sullo stesso principio solo che ha in più uno scambiatore, per gli scambi termici tra il gas refrigerante e il l’acqua calda per il riscaldamento o l’ACS. Nella sua forma più semplice si tratta di uno scambiatore a piastre simile a quello che veniva usato nelle scaldare per trasferire il calore dal riscaldamento all’acqua sanitaria. (vedi figura sotto)

SCAMBIATORE

Premesso che dobbiamo orientarsi verso le PdC aria-acqua poi possiamo avere tre casi:

  1. Pompa di calore dedicata solo a produrre l’ACS;
  2. Pompa di calore combinata per il riscaldamento e l’ACS;
  3. Pompa di calore combinata per riscaldamento, raffrescamento e ACS.
LO SCALDACQUA IN POMPA DI CALORE SOLO PER ACS

Per assolvere al caso n° 1 ci sono delle pompe di calore specifiche, hanno una forma cilindrica, di varie capacità (di solito sono da 200 o 300 litri e si presentano più meno come i vecchi boiler elettrici, visto che proprio quelli dovranno andare a sostituire). Con una differenza fondamentale: nella parte alta sopra l’accumulo dell’acqua calda sanitaria c’è la sezione “miniaturizzata” della pompa di calore.   In questa sezione è nascosto il compressore, il condensatore, la valvola di laminazione e il ventilatore.
Da questa sezione esce l’attacco per due canali di solito di 150 -180 mm per permettere gli scambi termici con l’esterno del condensatore e lo scarico della condensa. Nella parte bassa del bollitore ci sono ovviamente gli attacchi per immettere l’acqua fredda e prelevare l’acqua riscaldata.

SCALDACQUA

I vantaggi di questo sistema sono diversi: è un sistema semplice, è facile da installare ma purtroppo avendo limitati scambi termici ha dei rendimenti piuttosto bassi. In più, se abbiamo bisogno anche del servizio di riscaldamento saremo costretti a farlo con un altra pompa di calore, con relativi aggravi nei costi di manutenzione per dover provvedere a due macchine anziché ad una. Questa è la strada più semplice anche per il progettista “pigro” che ormai sa benissimo come progettare la PdC per il riscaldamento, a questa affianca uno scalda-acqua in PdC e tutti sono felici (eccetto il proprietario che ha costi di manutenzione superiori e rendimenti bassi sul lato sanitario).
L’alternativa è ricorrere alla pompa di calore unica che faccia tutti i servizi: riscaldamento, raffrescamento e ACS. Qui iniziano le difficoltà : la maggioranza dei progettisti e degl installatori non è ancora preparata.

COSA STANNO “COMBINANDO” IDRAULICO E TERMOTECNICO?

Diamo pertanto le prime dritte agli utenti finali per capire se il proprio tecnico o idraulico stanno procedendo bene o stanno facendo degli errori grossolani. Per la produzione di ACS è necessaria molta potenza. Quanta?
Per poterci fare un un idea conviene ricorrere a degli esempi.Il rubinetto di un lavandino eroga circa 6 litri/minuto di acqua, per la doccia siamo intorno ai 9 l/min . Supponendo di avere convenzionalmente l’ingresso dell’acqua fredda a 15° e la temperatura di erogazione di 40°C avremo una differenza di temperatura di 25°C per cui è presto detto:
Supponendo di aprire solo il rubinetto di un lavabo :
6 litri/minuto portata
6×60=360 l/h portata oraria
360×25 =9000kcal =10440 W =circa 10,4kW
Oppure facendo solo la doccia:
9×60=540 l/h portata
540×25= 13500 kcal = W =15560 W = circa 15,5 KW

Considerando un lavandino ed una doccia avremo bisogno di circa 25kW
Considerando due docce avremo bisogno di 31-32 kW
Considerando due lavandini e una doccia circa 35 kW
Da questo “conto delle serva” nascevano le  taglie delle caldaie: 24-28-35 kW.

Da qui la seconda riflessione: visto che produrre l’acqua calda in regime istantaneo impone molta energia e potenza (ricordo che la potenza è l’energia/tempo) e che le pompe di calore per le abitazioni fino ad oggi hanno avuto potenze limitate dovremo considerare di produrre l’ACS con il sistema ad accumulo.
Le pompe di calore in genere hanno potenze ridotte con tagli correlati al riscaldamento delle abitazioni: 3kW- 6kW- 12kW- 16kW. Pertanto in relazione alla superficie delle abitazioni, che in mancanza di altri dati determina il numero convenzionale di occupanti, determina indirettamente anche il volume di acqua calda da produrre. Se la potenza è insufficiente l’acqua calda sanitaria va prodotta prima per essere utilizzata nei periodi di richiesta (in genere la mattina o la sera al rientro dal lavoro).
Per esempio se si utilizza la formula della UNI TS 11300 per un appartamento medio di 100 mq è richiesto un volume giornaliero di produzione di ACS di circa 150 litri che potrebbero essere 3-4 docce che teoricamente gli utenti potrebbero fare tutti una di seguito all’altra al rientro da lavoro in fascia 18-20.
Supponiamo che gli utenti siano tre e che generosamente ufruiranno di 50 litri l’uno. Se si considera di fare le tre docce in regime istantaneo ci sarebbe bisogno di 15-16 kW, magari per il tipo di appartamento e sue esigenze di riscaldamento viene installata una pompa di calore da 6 kW per produrre l’acqua calda con questo generatore dovremo impiegare circa 2 ore e mezzo.
Ma che succede al riscaldamento quando la pompa di calore produce l’ACS? Inevitabilmente la casa si raffredda visto che la PdC essendo intenta a produrre calore per ACS non può produrre calore per il riscaldamento(fortunatamente l’inerzia delll’ivolucro ci aiuta).
Da qui la terza considerazione: se vogliamo evitare questo fenomeno dobbiamo accumulare calore anche da cedere all’impianto di riscaldamento mentre la PdC produce l’ACS. Gli accumuli di conseguenza diventano due : uno per il il riscaldamento uno per l’acqua calda.
Ma questi bollitori quando devono essere grandi? per il termico non si può ricorrere una relazione univoca perché dipende dalle temperature a cui sono serviti i terminali e dall’inerzia dell’impianto e dall’inerzia dell’edificio che si oppone al raffreddamento delle strutture. Di base deve contenere una quantità d’acqua, alla temperatura sufficiente ad accumulare quel calore che dovrebbe essere prodotto dal generatore di calore, se non fosse occupato a fare l’ACS. Il tema esula da questa trattazione eventualmente su richiesta dei lettori potrebbe essere approfondito in un articolo a parte.
Torniamo all’Acqua Sanitaria e al suo bollitore. L’utente viste le esperienze pregresse con il boiler elettrico, potrebbe dire: pari al volume di ACS oppure meno…E invece no, non pari al volume, ma molto di più. Qui c’è da fare un riflessione sulle temperature. Con la caldaia di poteva produrre acqua calda a temperare alte, più era alta la temperatura più avremo avuto la possibilità di ridurre il bollitore.

SISTEMA CON CALDAIA

Per esempio nel caso specifico dovendo produrre 150 litri/giorno di acs con la caldaia avremo potuto produrre 88 litri d’acqua a 70° da mescolare con 62 a 10° per produrre i nostri 150 litri a 45°(e ricorrere ad un bollitore da 90-100 litri)…Con la pompa di calore non è cosi. La sua temperatura massima di lavoro è 55-60°! …farla lavorare sempre così, sarebbe controproducente. E’ come guidassimo con la nostra auto sempre alla massima velocità, nel giro di poco avremo fuso il motore.
Si stabilisce allora, di avere una temperatura di produzione di 45°, teoricamente potremo avere un volume di accumulo pari  a quello che dovremo consumare…No! Nemmeno così funziona…perchè la prima persona forse riuscirebbe a farsi la doccia ma le altre 2 se la farebbero al freddo! Se analizziamo il sistema in maniera più approfondita possiamo vedere che mentre il primo si è fatto la doccia con circa 50 litri, mentre usciva l’acqua a 45° entrava nel bollitore 50 litri di acqua a 10° che mescolandosi con i 100 litri di acqua 45° davano origine a 150 litri di acqua a 33°! Ecco la quarta considerazione: a meno che non si utlizzino bollitori speciali “a stratificazione” se si tiene conto del fenomeno della miscelazione ricaveremo che in questo caso il bollitore dovrebbe essere almeno 2-3 volte il volume dell’acqua richiesta.

Generalizzando, per lo meno dovremo inquadrare che il volume deve essere maggiore del volume richiesto, decrescendo a mano a mano che aumenta il numero di utenti. Se si ammette che tre utenti, non si lavano uno dopo l’altro, il volume può essere ridotto. Per questo è basilare il dialogo tra utilizzatori e progettista (contatta CSGT per una consulenza)

LA LEGIONELLA

 La legionella può essere debellata con trattamento termico o chimico . Con trattamento termico già a 60° C può essere debellata entro i 2-5 minuti. La pompa di calore per brevi periodi può arrivare a queste temperature (ecco il quinto punto da tenere a mente).
Ma visto la potenza ridotta, quanto ci mette pompa di calore a portare il sistema a 60°? Sebbene questa domanda sia irrilevante a livello teorico nella realtà dei fatti assume importanza cruciale: diversi produttori di pompe di calore hanno stabilito a priori con il loro software che il ciclo termico anti-legionella può durare al massimo un ora. Ragion per cui la se non arriviamo 60° in questo periodo di tempo il software potrebbe rilevare una errore a far bloccare il sistema.
Ci sono vari modi per contrastare il problema. Molti progettisti ricorrono ad una resistenza addizionale per riscaldare l’acqua più velocemente. Il sistema è deprecabile, prima si cerca l’efficienza con la pompa di calore e poi si abbassano i rendimenti ricorrendo ad una resistenza (è spiegato approdintamente in” Efficienza energetica impianti tecnologici” pag 52). In alternativa al trattamento termico potrebbe essere preso in considerazione l’idea di ricorrere al trattamento chimico. Oppure si potrebbe fare una forzatura software: nelle ore precedenti al ciclo antilegionella si potrebbe programmare di avere un setpoint più vicino ai 60° per consentire di arrivare a quella temperatura più velocemente e con meno sforzo.
Ad esempio la Daikin che ha questa caratteristica,  con il suo software è possibile programmare il setpoint in maniera diversificata giorno pergiorno e ora per ora. Se decidiamo di fare il ciclo anti-legionella il mercoledì notte alle 4 …potremo impostare di avere un set-point di 50° all’ACS partire dalla mezzanotte, riducendo a soli 10° il salto termico da effettuare che sarà ridotto  rispetto a quello che dovrebbe fare partendo da 45°C…
Se invece vogliamo non avere a che fare più con la legionella potremo considerare di utilizzare il  bollitore messo a punto da Daikin. La Multinazionale Giapponese, con la Rotex (cha ha poi acquisito), ha sviluppato un brevetto interessante. La questione viene ribaltata: si realizza un bollitore con acqua tecnica da 200 o da 500litri lì si stiva il calore necessario. Entro il bollitore si inserisce uno scambiatore super maggiorato, grazie a questo scambiatore si fa entrare l’acqua fredda che entrando in contatto con l’acqua calda del bollitore si scalda. L’ACS viene dunque prodotta in istantanea con quello che apparentemente è un bollitore, ma visto il sistema non c’è più da preccuparsi della legionella!

CONCLUSIONI

Riassumendo:

  1. Per produrre A.C.S. abbiamo bisogno di una pompa di calore aria-acqua
  2. L’A.C.S. con la pompa di calore viene prodotta con accumulo
  3. Nella PdC per il riscaldamento e l’ACS gli accumuli termici diventano due avendo il generatore la possibilità di fornire solo uno dei due servizi.
  4. Tenendo conto della miscelazione dobbiamo considerare i bollitori per l’ACS circa 2-3 volte il volume d’acqua richiesta.
  5. E’ possibile gestire i cicli antilegionella sia termicamente che chimicamente, se si ricorre al sistema termico va verificato che il ciclo sia portato a termine nei tempi stabiliti dal produttore. Per evitare tale problema ci sono varie soluzioni, una alternativa è rappresentata dal bollitore Daikin utilizzato per produrre in istantanea.

Dati i primi rudimenti per capire cosa stanno “combinando” l’idraulico e il termotecnico passo a farti mettere a fuoco come mai l’Europa tifa per le pompe di calore e osteggia le caldaie. La questione è semplice (leggi l’articolo sui rendimenti della pompa di calore) installando la caldaia , produci CO2,CO, NOx , inquini e contribuisci ad aumentare l’effetto serra responsabile del cambiamento climatico e della siccità nel sud Italia.
Se installi la pompa di calore, per ogni kW elettrico consumato produci mediamente 3 kW termici di cui due sono di energia rinnovabile gratis estratta dall’ambiente circostante. Molti fanno obiezione, sostenendo che comunque magari l’elettricità consumata è prodotta a monte da centrali tradizionali che utilizzano combustibili fossili. Anche questa opzione può essere quindi inquinate…il pensiero è giusto, ma l’obbiettivo del legislatore è quello intanto di farti ridurre le emissioni, con la pompa di calore già lo puoi fare.
Poi, nel lungo termine possibilmente, puntare al fotovoltaico e all’autoproduzione di energia in loco. Per questo si stanno formando le CER (Comunità Energetiche Rinnovabili): chi non avrà la possibilità di produrre direttamente potrà acquistare la quota parte di energia non più dal gestore ma dal vicino di casa che magari è diventato produttore.

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