di Fabio Terni

Nell’ambito dell’Accordo di programma con il ministero dello Sviluppo economico, ERSE (ex Cesi Ricerca) ha svolto un’accurata attività di monitoraggio stagionale di tre impianti, di differente taglia e tipologia, basati su pompe di calore alimentate con acque di falda o superficiali. Il lavoro è stato finanziato dal Fondo di ricerca per il sistema elettrico. Nuova Energia ha chiesto a Walter Grattieri, vice direttore del Dipartimento Sviluppo dei Sistemi Elettrici dell’ERSE, di illustrare i principali risultati.
“Da tempo ci occupiamo anche di pompe di calore - esordisce Grattieri - nelle nostre attività di caratterizzazione in campo delle apparecchiature efficienti per la climatizzazione degli edifici. Esistono vari tipi di pompa di calore, quello più diffuso in Italia ricorre all’aria esterna come sorgente termica e presenta in generale il vantaggio della massima semplicità di realizzazione e installazione, a fronte di prestazioni energetiche soddisfacenti, grazie anche al clima temperato di cui gode il nostro Paese. Altri tipi di macchina possono essere ancora più efficienti, in quanto utilizzano come sorgente di calore il terreno e i corpi idrici sotterranei (acque di falda) o superficiali (mare, laghi, fiumi, canali e perfino condotti fognari) i quali mantengono livelli termici stagionali mediamente più favorevoli all’uso di pompe di calore rispetto all’aria atmosferica”.
“La valutazione delle prestazioni energetiche di questi impianti - prosegue Grattieri - non può però prescindere dalla contabilizzazione dei consumi degli equipaggiamenti ausiliari (essenzialmente pompe di sollevamento e circolazione). In tutti e tre i casi presi in esame si è osservato che tali consumi possono rappresentare una voce rilevante nel bilancio complessivo, contribuendo ad abbassare (anche notevolmente) le efficienze energetiche dell’impianto. Il campione è limitato e non vogliamo generalizzare il risultato. Resta, però, un segnale importante: l’incidenza dei consumi dei macchinari ausiliari deve essere accuratamente valutata e contenuta, non solo in fase progettuale, ma anche operativa e manutentiva”.

Quali caratteristiche hanno i tre impianti analizzati?
Sono tutti collocati in Lombardia, in aree pianeggianti, di dimensioni piuttosto diverse tra loro, dotati di pompe di calore elettriche di tipo idronico e progettati quali unici fornitori degli edifici da essi serviti, sia per il raffrescamento estivo sia per il riscaldamento invernale. Il primo è alimentato con acqua di lago. Il secondo, ad acqua di falda, è installato presso la sede milanese di ERSE, dove è stata monitorata una pompa di calore elettrica del tipo acqua- acqua, con potenza termica nominale 5,5 kW, posta al servizio di in un edificio sperimentale da 60 metri quadrati, così da simulare un’abitazione unifamiliare. Infine il terzo, anch’esso alimentato con acqua di falda, è di grande taglia, per il riscaldamento e condizionamento di un importante centro commerciale sorto sull’area di uno stabilimento industriale dismesso, situato nella periferia sud di Milano.

Scendiamo nel dettaglio del primo caso...
L’impianto è stato concepito per fornire il riscaldamento invernale e una parte del condizionamento estivo (per circa la metà della cubatura complessiva) a un edificio storico situato sulle rive del lago di Como. Il sistema di monitoraggio ha misurato in continuo i parametri essenziali atti a calcolare i bilanci energetici di breve e di lungo periodo dell’impianto stesso (temperature, portate, energia elettrica consumata).
Nella sua configurazione finale l’impianto si affida ad un’unica pompa di calore della potenza termica di circa 500 kW, dotata di due compressori, del tipo a vite. Il progetto preliminare della centrale termofrigorifera prevedeva - anche in funzione della differenza fra carico termico invernale ed estivo - l’utilizzo di due pompe di calore elettriche del tipo acqua-acqua, ciascuna da 240 kW termici, alimentate con l’acqua del vicino lago.
Il circuito di prelievo dell’acqua di lago è stato disaccoppiato da quello della pompa di calore tramite l’inserimento di uno scambiatore di calore a piastre, per evitare il contatto diretto fra l’acqua lacustre (che può essere sporca) e gli scambiatori di calore della pompa. Questo ha costretto ad inserire delle pompe (potenza nominale 5 kW ciascuna) per attivare la circolazione fra la macchina e lo scambiatore a piastre. Il consumo di energia di tali pompe si è aggiunto a quello delle pompe di prelievo dell’acqua di lago; queste ultime sono tre (una di riserva) con potenza nominale di 6 kW ciascuna. Il consumo di ulteriori pompe di circolazione verso i corpi scaldanti periferici dell’edificio non è stato conteggiato, poiché esse sarebbero state necessarie anche se l’impianto fosse stato dotato di un diverso generatore termofrigorifero (ad esempio una caldaia con condizionatore, o una pompa di calore ad aria esterna).

Quali sono stati i principali risultati ottenuti?
I coefficienti stagionali di prestazione della pompa di calore non sono risultati eccezionali, anche se discreti per una macchina del tipo acqua-acqua. Il valore invernale è risultato migliore. Il consumo di energia degli ausiliari si è dimostrato elevato, in percentuale fra il 70 e l’80 per cento dell’energia elettrica consumata dalle pompe di calore. Questo ha causato un inevitabile, notevole calo del coefficiente di prestazione complessivo dell’impianto e del suo PER (Primary Energy Ratio), ovvero il rapporto fra l’energia utile fornita all’edificio e il consumo complessivo di energia primaria.

Una situazione in qualche modo migliorabile?
Crediamo di sì. Il risultato complessivo è inficiato dal fatto che, sia le pompe di circolazione sia quelle di sollevamento dell’acqua lacustre, ancorché sovradimensionate, sono esercite a velocità costante anziché venire asservite al carico termico dell’edificio. La stessa gestione operativa dell’impianto è stata spesso poco accorta (lasciando per esempio in funzione le pompe anche quando non sarebbe stato necessario). Inoltre, il consumo energetico delle pompe per l’acqua di lago ha avuto la tendenza a crescere con l’andare del tempo, in conseguenza del progressivo peggioramento delle loro prestazioni dovuto allo sporcamento e alla scarsa manutenzione dei filtri.

Passiamo al primo dei due impianti alimentati ad acqua di falda.
In questo caso la pompa di calore è stata alimentata con l’acqua emunta dalla prima falda freatica del sottosuolo milanese, alla profondità di circa 25 metri, con una temperatura quasi costante durante tutto l’anno di circa 15 °C. All’interno dell’edificio la diffusione dell’energia termica è effettuata, mediante fan-coils, consentendo di utilizzare temperature ottimali per l’acqua riscaldata o refrigerata prodotta dalla pompa di calore. L’impianto ha funzionato in maniera automatica per un’intera stagione invernale ed estiva, mantenendo costante la temperatura nell’edificio a 22 °C in inverno e a 25 °C in estate. Il bilancio energetico dell’impianto è stato ricavato monitorando in continuo l’energia termica prodotta dalla pompa di calore e l’energia elettrica consumata dalla pompa e dagli ausiliari.

Quali risultati e quali criticità?
Il valore stagionale, sia estivo sia invernale, del coefficiente di prestazioni della sola pompa di calore ha presentato dei valori soddisfacenti, che si mantengono interessanti anche mettendo in conto l’energia elettrica consumata dalla pompa sommersa per il sollevamento dell’acqua di falda. Si nota peraltro un significativo degrado delle prestazioni nel passaggio dalla stagione estiva a quella invernale, associato ad un corrispondente aumento della percentuale di energia elettrica consumata dalla pompa sommersa rispetto a quella consumata dalla pompa di calore (si passa dal 16 per cento estivo al 25 per cento invernale). Tale effetto è dovuto al progressivo degrado delle prestazioni della pompa sommersa, causato principalmente dallo sporcamento del circuito dell’acqua di falda, dovuto probabilmente alla presenza di ferro-batteri, e che è stato possibile solo in parte contrastare e contenere con una pulizia molto frequente dei filtri dell’impianto.

Un inconveniente gestibile in un impianto sperimentale, ma poco tollerabile in un’applicazione commerciale.
È vero, e questo dimostra che alcuni elementi apparentemente secondari, sottovalutati in fase di progetto, possono provocare fastidiosi inconvenienti e degradi anche delle prestazioni energetiche delle pompe di calore.

Infine, l’impianto di maggiori dimensioni.
L’impianto è suddiviso in quattro sottocentrali denominate CFG, CF1, CF2 e CF3, tutte dotate di pompe di calore elettriche del tipo acqua-acqua, alimentate con l’acqua emunta dalla prima falda freatica. L’acqua di falda (con una temperatura costante di circa 15 °C) viene prelevata, tramite pompe elettriche sommerse, da due pozzi profondi circa 60 metri e distribuita mediante un anello comune alle sottocentrali, alimentate da un gruppo di pompaggio costituito da quattro pompe a velocità variabile. In particolare le pompe pozzo riversano la loro portata in un serbatoio di accumulo, nel quale si riversa anche l’acqua stessa dopo aver lavorato nelle pompe di calore, e prima di essere scaricata all’esterno. In tal modo si riesce a contenere il prelievo annuale complessivo di acqua di falda nei limiti consentiti dalla concessione di prelievo di cui l’impianto dispone, ma si verifica un mescolamento fra l’acqua sotterranea e quella che è già stata elaborata dalle pompe di calore; di conseguenza le macchine sono alimentate in inverno con acqua un po’ più fredda e in estate con acqua un po’ più calda di quella della falda.
Le potenze termiche delle pompe di calore sono di circa 2.600 kW nella sottocentrale CFG (ripartita su due macchine di pari capacità), 450 kW nella CF1, 400 kW nella CF2 e 550 kW nella CF3. Le macchine delle tre sottocentrali CFG, CF2 e CF3 sono dotate di compressori multipli del tipo a vite, mentre la pompa di calore della centrale CF1 ha dei compressori alternativi.

Quali, in sintesi, i dati che avete raccolto?
Il bilancio energetico complessivo dell’impianto è stato ricavato monitorando per un’intera stagione invernale ed estiva l’energia termica fornita dalle pompe di calore. Anche in questo caso il consumo di energia elettrica degli equipaggiamenti ausiliari costituisce una percentuale rilevante, dell’ordine del 25-26 per cento dei consumi di energia elettrica delle pompe di calore. Incide notevolmente il fatto che l’acqua debba essere sollevata dai pozzi e che venga fatta circolare in un anello di distribuzione molto esteso, che serve le quattro sottocentrali sparse in un’area piuttosto vasta. A ciò si aggiunge il fatto che i coefficienti di prestazione stagionali complessivi delle sole pompe di calore installate nelle quattro sottocentrali non hanno valori particolarmente brillanti, né in inverno né in estate, tanto che molto probabilmente tali valori avrebbero potuto essere ottenuti con soluzioni impiantistiche più semplici, quali pompe di calore aria-acqua. Risultati leggermente migliori si ottengono in estate, quando il carico termico dell’impianto è inferiore al carico invernale, come si può comprendere dai consumi elettrici notevolmente differenti nei due periodi. Come conseguenza, i coefficienti di prestazione complessivi di impianto e il coefficiente di utilizzo dell’energia primaria non sono molto buoni.

Questo primo periodo di studio da voi effettuato invita senz’altro ad una sensata cautela nella valutazione di tali soluzioni. E per il futuro?
Anche nei prossimi anni ERSE intende proseguire le sue attività di monitoraggio. L’obiettivo più immediato è quello di valutare le prestazioni di impianti che utilizzano il calore geotermico del terreno per il solo riscaldamento invernale. In particolare, si intende verificare che le prestazioni iniziali si mantengano costanti nel tempo, senza subire un degrado causato dalla possibile saturazione del campo geotermico, proprio per il suo utilizzo esclusivamente invernale. Non ci attendiamo, invece, particolari problemi in termini di efficienza complessiva. Nelle sonde geotermiche si ha una semplice circolazione, in circuito chiuso, del fluido di lavoro e non un sollevamento dell’acqua (come quando si utilizza l’acqua di falda). Quindi è certamente minore l’incidenza dei consumi elettrici degli ausiliari.
In parallelo si procederà con test stagionali riguardanti una pompa di calore aria/acqua dotata di inverter; lo scopo è di verificare se, grazie a tale dispositivo, in grado di variare con continuità il punto di lavoro, anche macchine dimensionate per garantire un servizio continuativo nei giorni invernali più freddi possano presentare una prestazione energetica attraente.

Un sentito ringraziamento da parte di Walter Grattieri va ai colleghi Lorenzo Croci e Gianluca Lapini,
le cui attività in campo e sensibilità di analisi hanno reso possibile questo lavoro.