Impianti Ibridi Pompe di Calore e Caldaie Tradizionali, Tesi

POLITECNICO DI MILANO

Facoltà di Ingegneria dell’Edilizia

A.A. 2012-2013

Andrea Orlando

Matr. 757072

Relatore: Enrico Sergio Mazzucchelli

Impianti Ibridi – Pompe di Calore e Caldaie Tradizionali

Indice:

1. Introduzione pag. 3

2. Impianti Ibridi pag. 3

3. Tipologia di Impianti Ibridi

pag. 5

4. Componenti Principali pag. 8

5. Protezione Antigelo

pag. 9

6. Costi Termici dell’Energia Elettrica e Gas Metano pag. 10

7. Dimensionamento PdC – Impianti Ibridi Nuovi

pag. 11

8. Dimensionamento PdC – Impianti Ibridi Esistenti pag. 12

9. Energia Rinnovabile Prodotta da una PdC pag. 13

10.Esempio di Dimensionamento Impianto Ibrido

pag. 15

11.Schemi di Impianti Ibridi pag. 17

12.Conclusioni pag. 21

13.

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1. Introduzione:

Dal 31 maggio 2012 è in vigore il D.L. 03-03-2011 N° 28 che stabilisce le percentuali

minime di energia rinnovabile in relazione al fabbisogno termico dell’edificio

(climatizzazione invernale ed estiva, produzione di acqua calda sanitaria).

Prima di tale data il minimo imposto era pari al 50 % del fabbisogno termico annuo per

la produzione di ACS; attualmente, invece, è necessario garantire una copertura del 20

% del fabbisogno termico totale (valore che nel 2017 verrà portato ad un limite pari al

50 %).

Questa richiesta, ben più esigente e restrittiva rispetto al passato, obbliga i progettisti

a ricercare soluzioni differenti, più performanti e convenienti economicamente.

Per poter rispettare quanto imposto dal suddetto decreto è necessario, pertanto,

incentrare la ricerca e lo sviluppo sulla massimizzazione delle prestazioni ottenibili

dagli impianti, nonché sul contenimento dei costi, facilità di realizzazione e di

gestione.

A tal proposito, si intende evidenziare l’introduzione di impianti, i quali prevedono

l’utilizzo combinato di due fonti d’energia, i cosiddetti sistemi ibridi (in ambito

tecnico questo termine indica proprio l’uso di due differenti tecnologie perseguenti lo

stesso obiettivo).

Gli impianti ibridi più diffusi funzionano con caldaie a combustibili tradizionali e

pompe di calore (PdC) aria-acqua: in particolare, per quanto concerne queste

ultime, si trasferisce l’energia termica dell’aria esterna all’acqua (fluido termovettore

dell’impianto).

2. Impianti Ibridi:

I sistemi ibridi vengono introdotti per sopperire ad un limite di utilizzo delle PdC,

legato a variazioni di temperatura dell’aria esterna rilevanti.

In presenza di temperature molto basse, infatti, le PdC lavorano con COP ridotti,

comportando alti costi di funzionamento e scarsa convenienza economica.

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Per queste ragioni, valutando approfonditamente il contesto climatico in cui sarà

collocato l’impianto, è possibile prevedere l’affiancamento di caldaie tradizionali il cui

intervento avverrà nel momento in cui il costo del calore producibile dalle PdC non

risulti più conveniente, ovvero in condizioni in cui il COP < 3.

Di seguito si riportano diversi esempi di funzionamento, a seconda degli impianti

previsti:

• Impianti monoenergetici senza integrazione elettrica:

La PdC è dimensionata per coprire totalmente il fabbisogno termico dell’impianto; la

soluzione risulta conveniente solo in contesti climatici le cui temperature non siano

eccessivamente rigide (T > 5°C);

• Impianti monoenergetici con integrazione elettrica:

La PdC è dimensionata per coprire il 70-80 % del fabbisogno energetico totale

dell’impianto; l’energia mancante è fornita da resistenze elettriche. Anche in questo

caso la soluzione è conveniente solo temperature non troppo penalizzanti per i COP;

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• Impianti ibridi con PdC e caldaia in parallelo:

La PdC è dimensionata per coprire il fabbisogno energetico totale fino ad una

determinata temperatura dell’aria esterna (temperatura di alternanza); per

temperature inferiori PdC e caldaia funzionano contemporaneamente. Questa

soluzione, pertanto, ha lo svantaggio di far funzionare la PdC anche in condizioni di

basso COP;

• Impianti ibridi con PdC e caldaia in alternativa:

La PdC è dimensionata per coprire il fabbisogno energetico totale fino ad una

determinata temperatura dell’aria esterna (temperatura di alternanza); per

temperature inferiori è previsto il funzionamento della sola caldaia. In questo modo la

PdC lavora sempre con elevati COP con conseguente massimizzazione del rendimento.

3. Tipologia di Impianti Ibridi:

Il mercato offre diverse soluzioni in modo da poter personalizzare e adattare al meglio

l’impianto alle esigenze dell’utenza:

• Sistemi ibridi preassemblati (o sistemi “tutto in uno”): racchiudono in un solo

contenitore tutti gli elementi di base dell’impianto, compresi quelli atti alla produzione

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di calore e ACS, alla sicurezza, alla gestione e alla regolazione del funzionamento delle

diverse fonti di calore. Pertanto la fase di installazione è particolarmente facilitata, in

quanto questa si limita al solo collegamento dei terminali esterni ed interni

(limitazione della possibilità di installazione non corretta).

• Gruppi ibridi preassemblati: a differenza dei sistemi “tutto in uno”, questi sono

elementi idraulici che consentono il collegamento e l’interazione tra PdC, caldaia e

terminali. Inoltre, provvedono alla gestione del funzionamento delle fonti di calore,

nonché alla loro regolazione.

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In particolare, tali componenti idraulici comprendono una centralina di regolazione

ed un kit di deviazione: il primo, mediante la rilevazione della variabile fisica in

ambiente, assicura il funzionamento automatico alternato della PdC e della caldaia

(previa impostazione della temperatura di alternanza); il secondo è costituito da una

valvola deviatrice a 3 vie ed un raccordo comunicante PdC, caldaia e circuito di

distribuzione.

Rispetto ai sistemi ibridi preassemblati, questa soluzione permette di convertire

impianti tradizionali esistenti in impianti ibridi; inoltre, in caso di malfunzionamento di

una delle due fonti di calore, non sarebbe necessario interrompere totalmente il

circuito di riscaldamento.

Vi è la possibilità di far funzionare il sistema ibrido sia in fase di riscaldamento sia in

fase di produzione ACS: a tal proposito, è necessario prevedere un bollitore per la

produzione e l’accumulo di ACS, un kit di deviazione di diversa tipologia ed un sistema

di regolazione relativo alla produzione di ACS. Si sottolinea come quest’ultima funzione

ha la precedenza rispetto al riscaldamento.

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Per quanto concerne la fase di raffrescamento, è fondamentale che la PdC sia di

tipo reversibile, ovvero includa un commutatore estate/inverno che sia in grado di

invertire il ciclo termofrigorifero.

4. Componenti Principali:

Come visto in precedenza, gli elementi idraulici e gli accessori costituenti i gruppi

ibridi preassemblati risultano di fondamentale importanza per il corretto

funzionamento dell’impianto; è possibile, ora, analizzarli più dettagliatamente:

• Kit di deviazione: è costituito da una valvola deviatrice a 3 vie, da un

raccordo speciale che consente l’attacco diretto di 3 circuiti (PdC,

caldaia e impianto) e da una coibentazione preformata a guscio.

In particolare, il raccordo speciale e la coibentazione preformata

servono a facilitare la realizzazione dell’impianto e ad ottenere

soluzioni esteticamente valide e compatte.

Nel caso di impianti con fase di raffrescamento la coibentazione preformata impedisce

la formazione di

condensa;

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• Valvola deviatrice a 3 vie: è impiegata per deviare il fluido proveniente dalla PdC o

dalla caldaia verso i terminali dell’impianto. In fase di dimensionamento si consiglia di

adottare valvole le cui perdite di carico non risultino eccessive in relazione alle portate

di progetto;

• Centralina di regolazione: è un dispositivo elettronico atto a

gestire i comandi di funzionamento dell’impianto. È dotata di

morsettiera (con 6 attacchi per consentire il collegamento con i

diversi componenti dell’impianto) e di display (interfaccia con

l’utenza) con cui è possibile impostare la temperatura di alternanza o

rilevare la temperatura esterna;

• Sonda esterna: è costituita da un sensore termico per la rilevazione della variabile

fisica in questione; questo è alloggiato all’interno di un apposito

involucro di protezione.

È importante posizionare la sonda sulla parete più fredda

dell’edificio, ad un’altezza minima di 2,5 m, facendo attenzione a

non esporla all’irraggiamento solare, espulsioni d’aria o flussi di

calore (alterazione del rilevamento).

5. Protezione Antigelo:

Analizzando attentamente le caratteristiche delle PdC è possibile riscontrare un

disagio di non poco conto: il gelo.

In presenza di PdC esterne, in particolare, le tubazioni sono esposte alle condizioni

termiche esterne.

Per evitare tale pericolo si possono adottare i seguenti sistemi di protezione:

• Fluidi antigelo: vengono aggiunti al fluido dell’impianto in modo da abbassare il

punto di congelamento di questo stesso. Tale soluzione, però, comporta l’aumento

sensibile delle perdite di carico; inoltre, sono necessari costanti controlli per evitare

che il fluido dell’impianto subisca un degrado chimico, incremento del pH e

conseguente aumento della corrosività;

• Cavi elettrici: è un impianto articolato secondo più c