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Pompe di calore elioassistiti

Sistemi a pompa di calore elioassistiti: idee e spunti dall'impianto pilota presso l'Università di Genova

Sommario

Il contesto attuale di incentivi fiscali ed efficientamento energetico degli edifici tende a ridurre drasticamente l'impiego di sorgenti fossili favo rendo la "clean energy transition" tramite un utilizzo a larga scala di energia da fonti rinnovabili, (Direttiva 2009/28/CE).

Il passaggio a fonti energetiche meno inquinanti, ma meno disponibili, richiede la riduzione del fabbisogno energetico degli edifici, agendo sia sull'involucro (nZEBs, near Zero Energy Buildings) sia implementando tecnologie di climatizzazione ad alta efficienza e basse emissioni di carbonio come le pompe di calore.

Introduzione

La diffusione in Italia di queste ultime ha avuto un iniziale incremento fino agli anni 2010-11, per poi rimanere fino ad oggi sostanzialmente inalterata.
A livello europeo, le pompe di calore occupano mediamente il quarto posto nella distribuzione degli impieghi di fonti energetiche rinnovabili, dopo bioenergie, energia idraulica ed eolica, con picchi che raggiungono il 10-12% nei paesi Europei più meridionali (Italia, Francia, Portogallo, Spagna).
Tale quadro non particolarmente favorevole è legato alle pompe di calore aria-aria (più diffuse), che tuttavia presentano variabilità in termini di temperatura e umidità tali da inficiare le prestazioni della macchina stessa sia per il rischio di formazione di brina sia per il minore gradiente termico tra evaporatore e ambiente.
Tali criticità possono essere superate abbinando la pompa di calore ad una sorgente termica più stabile, rappresentata ad esempio dal suolo (pompe di calore geotermiche) o dai pannelli solari (pompe di calore elioassistite, PDCEA). Il vantaggio di una PDCEA rispetto ad una interfacciata con sonde geotermiche è di tipo economico, in quanto è sufficiente l'impiego di pannelli solari termici a bassa efficienza con un costo ampiamente più basso rispetto a quello necessario per la realizzazione di sonde geotermiche. Inoltre la PDCEA permette di sfruttare la risorsa solare continuativamente nel tempo, anche in periodi caratterizzati da un minore irraggiamento e/o da giornate nuvolose. Infatti, nelle applicazioni del solare termico per la produzione diretta di acqua calda, le temperature di esercizio sono molto elevate (50-80 °C), mentre nel caso di interfaccia con la pompa di calore è sufficiente una temperatura di 15-20 °C per apprezzare un significativo miglioramento nel coefficiente di prestazione (COP) della macchina. Nonostante siano presenti molti modelli sia teorici sia sperimentali in letteratura con COP medi stimati attorno a 3-4, la diffusione delle PDCEA sul mercato è praticamente nulla, limitandosi ad alcuni casi isolati legati a facility accademiche o di reparti di ricerca.
Si propone il caso studio dell'impianto pilota a PDCEA presso il palazzetto dello sport "Carmine Romanzi" (Palacus) dell'Università degli Studi di Genova mettendo in evidenza i suoi punti di forza e le criticità emerse dalla nascita dell'impianto (2013) ad oggi. Il vantaggio aggiunto rispetto ad altre facility sperimentali risiede nella presenza di un'utenza reale, rappresentando quindi un'evoluzione rispetto ai modelli di laboratorio e permettendo di verificare il funzionamento dell'impianto in un contesto non simulato.
La tematica di soluzioni impiantistiche ibride come le PDCEA, è un argomento molto attuale, dato il suo elevato potenziale non ancora sfruttato e la richiesta di soluzioni impiantistiche avanzate anche a livello residenziale per accedere agli incentivi statali.

Gli utenti finali e il problema dell'"acceptance"

La tematica dell'accettazione degli utenti finali ricopre un ruolo significativo, ma ancora trascurato nelle fasi di progettazione degli impianti di riscaldamento. Dal punto di vista tecnico si assumono sempre requisiti oggettivi quali l'efficienza di funzionamento, il COP della macchina, tra scurando le aspettative soggettive degli utenti finali nei confronti dell'impianto e la loro capacità di gestione. In particolare, quando vengono coinvolte tipologie impiantistiche complicate che richiedono un maggiore onere gestionale rispetto a impianti come le caldaie a gas, la diffusione delle stesse può essere ostacolata dal rifiuto da parte dell'utente finale di installare impianti troppo complicati, anche a fronte di una promessa di maggiore efficienza.
È questo il caso in cui ricade anche l'impianto pilota a pompa di calore elio-assistita presso il Palacus. Nel corso del funzionamento dell'impianto, il sistema di acquisizione e monitoraggio ha sovente riscontrato un passaggio dalla pompa di calore alla caldaia a gas da parte dei manutentori. Questo fenomeno si verificava spesso in corrispondenza di blocchi da parte della pompa che richiedevano un intervento in sito, controllo della macchina e quindi un riavvio manuale del sistema. Il maggiore impegno richiesto nella normale conduzione dell'impianto a pompa di calore rendeva di fatto preferibile il passaggio al sistema tradizionale, più semplice, anche a fronte di prestazioni energetiche nettamente inferiori rispetto alla PDCEA.

Conclusioni

L'intervento di revamping dell'impianto rappresenta un'ottima opportunità per efficientare l'impianto e per risolvere alcuni degli aspetti sopra riportati. L'analisi sul sottosistema del campo solare mostra come l'efficienza degli impianti a pompa di calore elio-assistita con pannelli ibridi dipenda non solo dalle prestazioni dei singoli elementi, ma anche dal contesto normativo e dagli incentivi presenti. Il caso studio proposto mostra come il criterio di dimensionamento adottato al momento della costruzione dell'impianto non sia più ottimale per impianti di nuova installazione. Anche tramite l'integrazione di accumuli fotovoltaici, l'obiettivo di impianti "stand-alone" non è raggiungibile, a meno di poter sfruttare la rete nazionale come accumulatore virtuale per sfruttare i picchi di produzione estiva per coprire i fabbisogni invernali.
In secondo luogo, l'accettazione dell'impianto da parte degli utenti gioca un ruolo fondamentale sia nella sua diffusione sia nel raggiungimento delle prestazioni previste. Nel caso studio presentato, l'uso dell'impianto tradizionale a caldaia rispetto alla pompa di calore elio-assistita non permette a quest'ultima il raggiungimento delle prestazioni previste rimanendo inutilizzata, parzialmente inficiando i benefici attesi dalla progettazione tecnica effettuata. Un punto cruciale della problematica è di natura gestionale: non tutti gli utenti finali presentano conoscenze impiantistiche sufficienti per gestire autonomamente impianti così articolati come le pompe di calore elio-assistite. Ad esempio, nel caso studio analizzato, nonostante la presenza di un sistema di controllo e monitoraggio esteso con condizioni di regolazione automatizzate, si è riscontrato un basso livello di accettazione da parte degli utenti e dei manutentori. In questo contesto, i risultati sono sintomatici di un livello di automatizzazione del sistema e di interfaccia con l'utente finale ancora non sufficiente.

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