Pompe di calore negli edifici esistenti: come dimensionarle e farle funzionare davvero bene

La diffusione delle pompe di calore sta portando progettisti e installatori a confrontarsi sempre più spesso con la loro applicazione negli edifici esistenti, dove il passaggio da un generatore tradizionale a una soluzione elettrica non può essere affrontato come una semplice sostituzione di macchina.

Il primo nodo è il dimensionamento. Prendere come riferimento la potenza nominale della caldaia esistente può infatti condurre a sovradimensionamenti significativi, soprattutto negli impianti autonomi. Occorre invece partire dal fabbisogno energetico dell’edificio, dai consumi reali e dalle caratteristiche dell’involucro, verificando contemporaneamente terminali, temperature di mandata e modalità di funzionamento dell’impianto.

Ma la scelta della potenza è solo una parte del problema. Nei progetti di riqualificazione entrano in gioco anche la compatibilità con i radiatori esistenti, il comportamento della macchina alle effettive condizioni di esercizio, la lettura corretta di COP e SCOP, il dimensionamento dell’accumulo inerziale, la regolazione climatica e gli sbrinamenti. Nei casi più complessi occorre inoltre valutare quando sia preferibile una soluzione full electric, quando abbia senso mantenere un sistema ibrido o bivalente e come individuare il relativo punto di bivalenza.

A questi aspetti si aggiungono la produzione di acqua calda sanitaria, la verifica della potenza elettrica disponibile, l'integrazione con fotovoltaico e accumulo e, soprattutto, la necessità di considerare la pompa di calore come parte di un sistema edificio-impianto, nel quale progettazione, installazione, regolazione e gestione devono essere coerenti tra loro.

Ne abbiamo parlato con Alberto Villa, Consigliere Assoclima, affrontando gli aspetti che più direttamente incidono sulle prestazioni e sulla convenienza reale di una pompa di calore e cercando di distinguere ciò che è tecnicamente possibile da ciò che è effettivamente efficace sotto il profilo energetico ed economico.

Come dimensionare correttamente una pompa di calore negli edifici esistenti

1. Quali sono i dati indispensabili per dimensionare correttamente una pompa di calore e quali errori si commettono quando si assume come riferimento la potenza della caldaia esistente?

Il modo più efficace per dimensionare la pompa di calore nelle abitazioni è la firma energetica, che determina la potenza della pompa di calore a partire dal calcolo del fabbisogno energetico invernale, su base mensile o annuale. In alternativa si può usare il metodo dinamico orario, più laborioso, oppure il calcolo tradizionale secondo UNI 12831 applicando alcune accortezze per evitare sovradimensionamenti.

Per la determinazione del fabbisogno energetico invernale, nel caso di un edificio di nuova costruzione non ci sono problemi in quanto si hanno a disposizione tutti i dati di progetto mentre per un edificio esistente è necessario stimarli attraverso una valutazione dell’involucro esistente oppure attraverso i consumi mensili dell’impianto esistente. I consumi mensili dell’impianto esistente si possono reperire dalle bollette operando le opportune ed eventuali calibrazioni sui consumi legati alla produzione di acqua calda sanitaria (evidenti nei mesi estivi) e agli usi da cucina.

Oltre al calcolo della potenza, nel caso di impianto esistente, è necessario verificare i terminali dell’impianto di riscaldamento (sia il circuito sia le dimensioni dei terminali) tenendo sempre presente che si può lavorare su periodi di funzionamento più lunghi e temperature di funzionamento più basse anche nelle giornate più fredde dell’anno.

Infine, è sempre opportuno confrontare i dati con le abitudini dell’utente finale che possono portare a rivalutazioni della potenza della pompa di calore (ad esempio zone riscaldate solo sporadicamente come una taverna, oppure dimensionamento per temperature richieste in ambiente superiori ai 20°C).

Per quanto riguarda la potenza della caldaia esistente come riferimento, limitando l’analisi alle abitazioni unifamiliari o agli appartamenti con produzione istantanea di ACS, ricordiamo che la potenza di una caldaia esistente è sempre compresa tra i 25 e i 35 kW perché questa produce istantaneamente l’acqua calda sanitaria.

Pertanto dimensionare la pompa di calore basandosi sulla potenza della caldaia esistente è sbagliato per definizione in quanto la pompa di calore produce acqua calda sanitaria sempre attraverso un sistema di accumulo. Le potenze necessarie per il riscaldamento delle abitazioni, anche quelle non isolate termicamente, nella maggior parte dei casi non superano i 15 kW se parliamo di abitazioni indipendenti o gli 8 kW se parliamo di villette a schiera o appartamenti in condominio.

Nel caso di condomìni con impianti centralizzati, dove la produzione di ACS già avveniva tramite un accumulo termico, la potenza della caldaia esistente può essere presa come primo riferimento ma è comunque necessario (oltre che obbligatorio per legge) un calcolo di progetto.

Pompa di calore e radiatori: compatibilità e temperature di mandata

2. In un edificio esistente con radiatori, come si verifica concretamente la compatibilità con una pompa di calore e qual è la temperatura di mandata oltre la quale l’intervento rischia di perdere convenienza?

Per quanto riguarda la compatibilità, possiamo dire che l’utilizzo del propano (R290) come gas refrigerante ha di fatto annullato sul nascere ogni problematica legata alle temperature di funzionamento degli impianti esistenti, in quanto le pompa di calore a R290 consentono di funzionare a temperature comprese tra i 70 °C e i 75 °C, compatibili con qualsiasi impianto di riscaldamento e di produzione di ACS esistente.

Per quanto riguarda l’aspetto economico e la convenienza, anche in questo caso è opportuno fare una distinzione tra impianti in abitazioni unifamiliari e impianti centralizzati nei condomini e di conseguenza tra pompe di calore residenziali (< 20 kW) e pompe di calore commerciali (> 30 kW).

Le moderne pompe di calore residenziali sono specificatamente progettate per garantire efficienze elevatissime anche alle temperature di mandata compatibili con i radiatori (ormai sul mercato la maggior parte di queste gode della classe A+++ anche in applicazione media temperatura, che corrisponde a 55°C in condizioni di progetto).

Per queste tipologie di macchine possiamo affermare che i loro rendimenti (anche alle condizioni di progetto, ad esempio -5 °C di aria esterna e 55 °C di mandata) sono tali da rendere più conveniente la pompa di calore quasi sempre (salvo casi particolari ed estremi).

Per quanto riguarda gli impianti centralizzati nei condomini dobbiamo evidenziare che:

• A parità di terminali di riscaldamento le temperature di mandata sono più alte (i manutentori tengono curve climatiche più spinte per evitare problemi e i circuiti presentano perdite maggiori tra la centrale termica e il radiatore più sfavorito)
• Le pompe di calore commerciali sono un po' meno efficienti rispetto alle pompe di calore residenziali.

Per questo è necessario che il progettista termotecnico faccia le valutazioni progettuali del caso (ad esempio fino a potenze contenute, ad es. 60 kW, utilizzare più macchine residenziali in cascata anche nei condomìni oppure valutare l’inserimento della componente gas attraverso un sistema ibrido o bivalente, anche in funzione della disponibilità di fornitura dell’energia elettrica da parte dell’ente gestore).

Sovradimensionamento e sottodimensionamento della pompa di calore: effetti su consumi e prestazioni

3. Quanto incidono sovradimensionamento e sottodimensionamento sulle prestazioni, sui consumi e sulla durata del compressore? Quale margine progettuale è ragionevole adottare?

Nelle macchine residenziali il sovradimensionamento comporta maggiori consumi in quanto nella maggior parte dell’anno la macchina aumenta il numero di accensioni e spegnimenti.

Il sottodimensionamento rispetto al calcolo di progetto può essere una strategia utile a patto che la pompa di calore sia dotata di resistenza elettrica. In questo caso si sceglie di sacrificare i rendimenti per una manciata di ore all’anno (le ore in cui effettivamente si verificano le condizioni di progetto) e di migliorarli per un cospicuo numero di ore all’anno (le mezze stagioni). Questa valutazione di fino deve essere fatta da un termotecnico sulla base di calcoli energetici (ad esempio il calcolo dinamico orario).

Va segnalato che il numero di accensioni/spegnimenti dipende anche dalla tipologia di impianto e dal dimensionamento dell’eventuale serbatoio inerziale.

COP e SCOP delle pompe di calore: quali dati valutare nel progetto

4. COP e SCOP dichiarati dal produttore sono sufficienti per confrontare due macchine? Quali dati devono essere letti nelle curve prestazionali alle reali condizioni di progetto?

Per confrontare i dati di due macchine i dati di COP (secondo UNI EN 14511) e i dati di SCOP (UNI EN 14825) sono sufficienti. È importante che si prendano i valori calcolati secondo la normativa di riferimento.

Il COP è un parametro puntuale che deve essere valutato per considerazioni progettuali come la definizione della temperatura di bivalenza in un impianto ibrido o la convenienza in determinate condizioni di funzionamento.

Il SCOP è un parametro molto utile per confrontare due pompe di calore sul funzionamento stagionale perché si basa su parametri convenzionali normati. Può essere utilizzato anche per le valutazioni sul funzionamento reale della macchina ma solo per valutazioni preliminari.

In quest’ottica è apprezzato il fatto che l’impianto normativo (sia decreti requisiti minimi e rinnovabili sia per incentivi) si sta spostando dalla valutazione dell’efficienza della pompa di calore tramite il COP verso l’utilizzo del SCOP.

In futuro la normativa ecodesign si svilupperà ulteriormente richiedendo ai produttori di pompe di calore delle metodologie di prova più sofisticate con l’obiettivo di simulare sempre più fedelmente il comportamento reale della pompa di calore all’interno di un edificio.

Sistemi ibridi con pompa di calore: quando sono realmente convenienti

5. Quando conviene adottare un sistema ibrido?

Limitando l’analisi agli impianti idronici, possiamo riprendere quanto accennato prima, un sistema ibrido ha senso negli impianti centralizzati quando non è possibile (o non conveniente economicamente) prevedere un impegno di potenza elettrica necessario per adottare un sistema full electric oppure quando non ci sono gli spazi disponibili per installare le pompe di calore aria-acqua (nel caso non sia fattibile l’utilizzo delle pompe di calore acqua-acqua) oppure per convenienza economica.

In queste situazioni, oltre al tradizionale ibrido factory made (dove la potenza della caldaia è sempre pari a quella dell’impianto esistente e la potenza della pompa di calore non può superare il 50% di quella della caldaia) si possono prendere in considerazione i sistemi bivalenti dove la potenza della pompa di calore e della caldaia possono essere scelti liberamente dal progettista.

Punto di bivalenza: come scegliere tra pompa di calore e generatore di integrazione

6. Come si individua il punto di bivalenza in un sistema ibrido e quando è preferibile mantenere un generatore di integrazione anziché adottare una soluzione completamente elettrica?

Questa domanda si può legare alla risposta precedente.

Da un punto di vista puramente economico il punto di bivalenza di un sistema ibrido si sceglie quando il costo di funzionamento della pompa di calore è superiore rispetto a quello della caldaia.

Questo si ottiene determinando le efficienze di funzionamento (COP) della pompa di calore (in funzione della temperatura di mandata e delle temperature esterne di progetto) e valutando i rispettivi consumi elettrici. In funzione dei costi del kWh elettrico e del m³ di gas metano si possono quindi fare le opportune valutazioni di convenienza.

In generale su impianti centralizzati con radiatori, un punto di bivalenza per un sistema ibrido factory made in zona climatica E è solitamente posto intorno ai 5°C. Come detto però questa valutazione dipende dalla curva climatica impostata (in funzione dei terminali), dalla zona climatica in cui è installato l’impianto e dal costo delle bollette; quindi, non è sbagliato sostenere che il punto di bivalenza possa avere un comportamento dinamico.

Accumulo inerziale nelle pompe di calore: quando serve e come dimensionarlo

7. L’accumulo inerziale è sempre necessario? Quali criteri devono guidarne il dimensionamento per evitare dispersioni, lentezza di risposta e inefficienze?

In generale è necessario. Nel caso di impianti autonomi si può valutare di non inserirlo a seguito di analisi legate al contenuto di acqua dei circuiti idraulici (prevedendo eventuali bypass) o alle indicazioni fornite dai produttori sugli sbrinamenti.

I criteri che ne guidano il dimensionamento sono legati alla portata minima, al volume minimo di impianto e ai collegamenti dei circuiti primario/secondario. Spesso i fornitori danno indicazioni utili ai progettisti e agli installatori per il loro dimensionamento e per il loro collegamento.

Regolazione e curva climatica: gli errori che aumentano i consumi della pompa di calore

8. Quali problemi possono derivare da una regolazione non corretta, da una curva climatica mal impostata o dall’utilizzo intermittente della pompa di calore?

L’utilizzo della pompa di calore, rispetto alla caldaia, richiede alcuni semplici accorgimenti che possono rendere più o meno conveniente il suo utilizzo.

In particolare, segnaliamo la curva climatica mal impostata come un punto critico che può determinare consumi più elevati ma che è molto semplice da correggere. È capitato di riscontrare impianti in pompa di calore con una temperatura di mandata impostata a 70 °C costanti per tutta la stagione invernale!

Sbrinamento delle pompe di calore aria-acqua: effetti su potenza e rendimento

9. Come devono essere valutati gli sbrinamenti nelle pompe di calore aria-acqua e quanto incidono sulla potenza disponibile e sull’efficienza stagionale nei climi freddi e umidi?

Su questo punto è necessario fare chiarezza: la normativa UNI EN 14511 impone di considerare gli sbrinamenti (se si verificano durante i test) all’interno delle prove per la determinazione del COP; quindi i dati di potenza, di COP e di conseguenza di SCOP forniti dai produttori contengono già le riduzioni per sbrinamento alle condizioni previste dalla normativa.

Ad esempio, nel punto di prova previsto dalla UNI EN 14511 che corrisponde a 2°C di temperatura esterna, l’umidità relativa è compresa tra l’80% e il 90% considerando le tolleranze.

Un clima particolarmente umido potrebbe portare ad avere COP puntuali alle condizioni più critiche (ad esempio il punto di prova a 2°C esterni, qualora ci fosse umidità relativa superiore al 90%) inferiori di qualche punto percentuale.

Pompa di calore e acqua calda sanitaria: temperatura, Legionella, comfort ed efficienza

10. Nella produzione di acqua calda sanitaria, come si bilanciano temperatura di accumulo, rischio Legionella, comfort, consumi elettrici e priorità rispetto al riscaldamento?

Nel caso di impianti combinati la produzione di ACS ha sempre la precedenza rispetto al riscaldamento. Per la gestione del rischio legionella, se si predilige l’efficienza optando per temperature di accumulo non troppo elevate, è opportuno valutare strategie antilegionella. Per il rischio discomfort molto dipende dai terminali: generalizzando al massimo, nessun problema con impianti radianti, problema limitato con i radiatori, da tenere in considerazione con i ventilconvettori.

In generale si può prendere in considerazione anche la separazione degli impianti, anche in virtù di possibili utilizzi combinati in regime estivo (raffrescamento + ACS) dove la produzione di ACS, se non supportata da produzione solare estiva (termica o da fotovoltaico), può penalizzare l’efficienza della pompa di calore nella produzione di acqua refrigerata.

Potenza elettrica e pompa di calore: verifiche prima dell'installazione

11. Quali verifiche elettriche sono necessarie prima dell’installazione e quando occorre aumentare la potenza impegnata o prevedere sistemi di gestione dei carichi?

È necessario verificare con il gestore di rete la possibilità di aumentare la potenza al contatore.
Fino a 6 kW di potenza richiesta non ci sono problemi legati alla distribuzione a monte del contatore. Deve essere comunque verificato l’impianto interno (dal contatore al quadro compreso) per accertarci che sia compatibile con la nuova potenza.

Oltre i 6 kW si passa generalmente a un impianto trifase e in questo caso in alcune zone si può riscontrare ancora qualche problema di fornitura.

Nel caso di fornitura trifase, anche se non obbligatorio, è preferibile prediligere una pompa di calore trifase. Si possono in ogni caso valutare sistemi di bilanciamento dei carichi.

Per quanto riguarda i costi, l’aumento di potenza del contatore (ad esempio da 3 kW a 6 kW) comporta dei costi una tantum e un aumento dei costi fissi in bolletta in funzione della potenza impegnata ma questi sono ampiamente compensati dal minore costo al kWh (legato ai futuri maggiori consumi) e soprattutto dall’eliminazione dei costi fissi in bolletta per il gas, in caso di passaggio a una abitazione full electric.

Pompa di calore, fotovoltaico e accumulo: come aumentare l'autoconsumo

12. In che modo fotovoltaico, accumulo elettrico e sistemi di controllo possono migliorare l’autoconsumo della pompa di calore, evitando però di sovrastimare la produzione solare invernale?

L’impianto fotovoltaico e il relativo sistema di accumulo elettrico non sono dimensionati in funzione del fabbisogno invernale della pompa di calore in quanto se così si facesse (spazi sul tetto permettendo) si commetterebbe un errore di sovradimensionamento dell’impianto fotovoltaico.

La pompa di calore, in una casa full electric, è una delle utenze elettriche allacciate all’impianto. L’impianto fotovoltaico domestico in autoconsumo è tipicamente dimensionato sulla base dei consumi annui, in maniera che la producibilità annua dell’impianto sia circa pari al fabbisogno annuo di energia elettrica. Naturalmente in inverno ci sarà un prelievo dalla rete mentre durante i mesi estivi ci sarà un surplus da cedere alla rete.

Segnaliamo piuttosto che la regolazione delle moderne pompe di calore residenziali è sempre più legata al concetto di smart grid (SG ready), con possibilità di funzionamento integrato con la rete, sia lato domanda, interfacciandosi con le tariffe dinamiche di rete che potranno proporre costi minori in funzione della penetrazione fotovoltaica nazionale, sia lato risposta, andando eventualmente a ridurre la potenza assorbita su richiesta dell’aggregatore di rete.

Inoltre, è sempre possibile gestire al meglio un eventuale surplus da fotovoltaico per aumentare i set point di temperatura dell’impianto (accumuli o ambiente) in modo da sfruttare al massimo l’autoconsumo diretto.

Gli errori più frequenti negli impianti a pompa di calore e come prevenirli

13. Quali sono gli errori più frequenti riscontrati negli impianti reali: scelta della macchina, posa dell’unità esterna, collegamenti idraulici, terminali, regolazione o manutenzione? E come possono essere prevenuti già in fase progettuale?

Questa risposta si lega in parte a quelle precedenti.
Oltre ai punti già affrontati in precedenza (sovradimensionamenti, gestione delle temperature di mandata), è importante far passare il messaggio che il miglior funzionamento della pompa di calore si verifica quando tutte le maglie della catena sono efficienti.

Il progettista, l’installatore, il centro assistenza tecnica e l’utente finale sono le maglie di questa catena e ognuno è responsabile del corretto funzionamento del sistema.

Di certo da questo punto di vista il cambiamento rispetto ai sistemi tradizionali è notevole. E proprio per questo è necessario insistere con la formazione di tutti i componenti della filiera.

Quali edifici esistenti sono davvero adatti alla pompa di calore

14. Alla luce dell’esperienza, quali edifici sono oggi realmente pronti per una pompa di calore e quali richiedono prima interventi sull’involucro, sui terminali o sull’impianto elettrico?

Come già osservato, la maggior parte degli impianti individuali può tecnicamente essere convertita in elettrico. Sono disponibili realizzazioni e monitoraggi anche su impianti esistenti a radiatori e su edifici poco o per nulla isolati. Più è alta l’asticella progettuale più è importante il corretto funzionamento della pompa di calore.

Può sembrare una banalità ma è importante rimarcare la differenza tra il sostenere che una moderna pompa di calore può funzionare in qualsiasi tipo di condizione ma è meglio quando funziona su un impianto a bassa temperatura e su un edificio isolato e il sostenere che una pompa di calore funziona solo su un impianto a bassa temperatura o un edificio isolato, cosa che viene spesso ancora oggi ripetuta.

É anche diverso sostenere che una cosa tecnicamente fattibile sia economicamente conveniente. Quindi è sempre necessario avere il corretto supporto da parte di un progettista o di un installatore qualificato per analizzare l’installazione della pompa di calore, sia tecnicamente sia in termini di convenienza economica.

Per gli impianti autonomi ad oggi l’incognita da risolvere, alla luce delle prossime limitazioni imposte dal nuovo regolamento FGAS all’utilizzo dei refrigeranti tradizionali, è l’installazione di macchine con R290 negli appartamenti in condominio, dove spesso non si riescono a rispettare gli spazi di rispetto attorno all’unità esterna, secondo le attuali condizioni imposte dalle normative o dai produttori stessi.

Il graduale passaggio ai refrigeranti a basso GWP imporrà una valutazione più approfondita della normativa in maniera da rendere il più possibile replicabili questo tipo di installazioni, sia da parte dei produttori sia da parte del legislatore/normatore.

Sugli impianti centralizzati è necessario sempre fare una valutazione approfondita a livello progettuale e prendere in considerazione la soluzione che garantisce il miglior rapporto costi-benefici, tra quelle tecnicamente fattibili.

In entrambi i casi il potenziamento di opportuni strumenti incentivanti, come il conto termico 3.0, e le attività di regolazione della bolletta dell’energia elettrica (tema quanto mai attuale!), unitamente al contenimento dei costi di acquisto da parte dell’utente finale, tramite sia una riduzione dei costi delle pompe di calore sia una politica di accesso al credito agevolato, saranno fondamentali per aumentare la convenienza nell’installazione delle pompe di calore anche in quelle situazioni oggi più critiche.