Pompe di calore, come valutare le prestazioni energetiche

di Francesca Bazzocchi, Lorenzo Croci e Walter Grattieri - RSE SpA, Ricerca sul Sistema Energetico


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On-field Energy Performance
of HVAC Systems

The HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning)
sector in Italy is paying growing interest to the use of
low-enthalpy ground heat as a thermal source for
electricity driven heat pumps. As known, the seasonal performance of said equipment depends on the
temperature of the source, both in winter and in summer, therefore, if on the one side, ground heat represents a
good opportunity, on the other, the higher complexity and costs of this solution require an accurate energy
analysis, to be performed by taking into account the long term behaviour of the ground subjected to the expected
heating and cooling loads.
Today however the most common solution is still represented by air-source heat pumps, which combine satisfactory performances with a simple installation and moderate costs. The introduction into the market of air
heat pumps driven by variable speed motors, permits to maintain high performances also in part load conditions. This study presents the on-field energy monitoring of
both ground-source and air-source heat pumps.
Even if the results can’t be widely extended, they allow
a first comparison between the characteristics of the
two plants, and show how the performances of
geothermal heat pumps are strongly influenced by
the heat exchanger’s design.

Il piccolo edificio sperimentale esistente presso la sede RSE di Milano
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Nel campo della climatizzazione cresce l’interesse per l’utilizzo della geotermia a bassa entalpia come sorgente termica per le pompe di calore. Come è noto, le prestazioni complessive di una pompa di calore nel corso di un intero ciclo stagionale, invernale o estivo, dipendono in buona misura dal livello di temperatura della sorgente utilizzata.
Se da questo punto di vista il terreno può rappresentare una buona opportunità, la complessità impiantistica e l’investimento economico legati all’installazione di una pompa di calore geotermica richiedono una valutazione accurata delle prestazioni energetiche, che andrà eseguita per i carichi termici e frigoriferi dell’edificio attesi nell’arco dell’anno, tenendo prioritariamente in considerazione il comportamento dinamico del sottosuolo, dal quale dipendono sia lo scambio termico a terreno sia il funzionamento della macchina.

Oggi, comunque, la soluzione impiantistica di gran lunga più diffusa continua ad essere rappresentata dalle pompe di calore ad aria, le quali uniscono a prestazioni soddisfacenti una grande semplicità di installazione e un impegno economico contenuto. La comparsa sul mercato di macchine, anche di tipo idronico, dotate di regolazione a velocità variabile rappresenta inoltre un indubbio passo avanti per il mantenimento di standard di efficienza elevati anche ai carichi parziali.
L’articolo presenta dunque i risultati di campagne di monitoraggio energetico di due impianti a pompa di calore del tipo sopra citato: uno con sorgente geotermica e l’altro aerotermica. I risultati proposti, seppur non generalizzabili, permettono un primo confronto tra le caratteristiche di funzionamento delle due macchine, evidenziando fra l’altro come il dimensionamento dell’impianto di captazione del calore influenzi fortemente le prestazioni delle pompe di calore geotermiche.


INTRODUZIONE
Il segmento di mercato attinente le pompe di calore è oggi in significativo sviluppo, anche per quanto riguarda le pompe che sfruttano il calore a bassa entalpia del terreno.
Questi impianti - generalmente denominati geotermici - abbinano una pompa di calore tradizionale a un sistema progettato per scambiare calore con il terreno, che può essere considerato un’ottima fonte di calore, dal momento che rende disponibile energia a temperatura idonea al funzionamento di tali macchine, sia in inverno sia inestate, risentendo solo in minima parte delle variazioni stagionali di temperatura dell’aria. Questo sistema può rappresentare una valida alternativa a soluzioni più tradizionali (caldaie abbinate a condizionatori aria-aria) in quanto, se progettato e gestito in maniera adeguata, garantisce un minor consumo di energia primaria.
Questi impianti si propongono anche come possibili alternative all’utilizzo diretto dell’acqua di falda come sorgente termica, risolvendo in linea di principio alcuni problemi sia di natura giuridica, legati all’ottenimento dei permessi di emungimento, sia di natura energetica, dovuti ai consumi delle pompe per il sollevamento dell’acqua.
In un precedente lavoro si è rilevato che i consumi energetici degli equipaggiamenti ausiliari (si tratta in particolare delle pompe di captazione e di circolazione dell’acqua che alimenta le macchine) necessari al funzionamento di pompe ad acqua superficiale o di falda possono costituire una percentuale rilevante (dal 15 al 45 per cento) dei consumi energetici complessivi e riducono pertanto le efficienze energetiche reali di impianto. (Sullo stesso tema Così incidono i consumi dei servizi ausiliari nel bilancio energetico numero 6-2009] [...].


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