Da caldaia tradizionale a pompa di calore con refrigerante R290 in un appartamento non isolato. Si può?

La scrittura di questo articolo ha preso spunto da una esperienza progettuale legata alla preoccupazione di un committente in merito al tema della “decarbonizzazione”.

Parlando con vari colleghi è emerso che tante persone hanno il timore che l’immobile di loro proprietà si possa svalutare, tra pochi anni, o a causa di una bassa classe energetica o perché riscaldato tramite una caldaia alimentata a combustibile fossile (gas metano). Per mettersi “al riparo”, tuttavia, non si può pensare di ricorrere con “leggerezza” a pompe di calore che funzionano ad alta temperatura, soprattutto in presenza di involucri altamente disperdenti.

Le analisi energetiche presentate in questo articolo hanno lo scopo di fare un po’ di chiarezza su questo tema. Sono state svolte mediante EC 700 di Edilclima, un software che consente di calcolare le prestazioni energetiche degli edifici secondo la UNI TS 11300.

Le pompe di calore con gas refrigerante R290

La maggior parte delle pompe di calore è stata progettata, fino ad oggi, per funzionare con sistemi di emissione del calore a “bassa temperatura” (sistemi radianti a pavimento, parete, soffitto, ventilconvettori, oppure termosifoni adeguatamente dimensionati), facendo ricorso a diverse tipologie di gas refrigeranti.

Recentissimamente si sono affacciate sul mercato le pompe di calore con gas refrigerante R290 (gas propano) che si differenziano rispetto a quelle più conosciute poiché sono in grado di produrre acqua calda di mandata sul circuito primario dell’impianto di climatizzazione invernale fino a 75-80 °C (come si legge nelle documentazioni aziendali. Solitamente in fase di progettazione è prassi considerare temperature massime inferiori, ad esempio sui 70-75°C, quando necessario.).

R290 – Gas refrigerante naturale per pompe di calore
L’R290, noto anche come propano, è un gas refrigerante naturale con basso impatto ambientale (GWP pari a 3) e ottime prestazioni termodinamiche. Nelle pompe di calore viene utilizzato per la sua elevata efficienza energetica, contribuendo a ridurre i consumi e le emissioni climalteranti. Essendo infiammabile, richiede particolari accorgimenti progettuali e installativi.

Le pompe di calore a propano, quindi, si configurano come particolarmente adatte per essere utilizzate anche in impianti esistenti a radiatori.

Questa caratteristica può essere particolarmente apprezzata nelle sostituzioni di generatori di calore, come ad esempio vecchie caldaie, in situazioni dove non si prevede lo smantellamento dell’impianto termico esistente. È sempre possibile?

Si è provato a rispondere a questa domanda affrontando un caso pratico, i cui dettagli sono riportati nel prossimo paragrafo.

Descrizione dell’appartamento analizzato

Il contesto analizzato riguarda un appartamento al terzo piano di un condominio costruito nel 1975, in zona climatica E, che non ha subito migliorie eccetto la sostituzione della caldaia e dei serramenti entrambe avvenute nell’anno 2002.

Il generatore di calore è tradizionale (caldaia a gas metano non a condensazione) ed i serramenti hanno un telaio in legno, doppio vetro con una modesta camera d’aria ed una trasmittanza media pari a 2,8 W/m²K.

Mentre il pavimento dell’appartamento confina con i locali riscaldati del piano inferiore, il soffitto risulta disperdente verso un sottotetto non riscaldato.

In Figura 1 sono riportati alcuni scatti realizzati durante un sopralluogo per redigere l’APE (Attestato di Prestazione Energetica). Nessuna struttura opaca è coibentata. La regolazione delle temperature interne e degli orari di accensione e spegnimento dell’impianto di riscaldamento avviene tramite un termostato di zona posizionato nel corridoio di ingresso.

Per la realizzazione dell’APE si è tenuto conto di tutti i dettagli rilevati, come ad esempio la presenza delle nicchie in cui sono alloggiati quasi tutti i termosifoni, le dimensioni di questi ultimi per risalire alla potenza resa, le caratteristiche dei cassonetti, le dimensioni dei balconi e aggetti per il calcolo degli ombreggiamenti, lo spessore dei solai, le dimensioni dei serramenti, ecc.

In Figura 2 sono riportati i dati di rilievo dei radiatori così come inseriti nel software di calcolo, fondamentali per una corretta conduzione delle analisi energetiche.

La modellizzazione energetica permette di risalire a dati molto importanti, come quelli di Figura 3 dove si vede che il 53% delle dispersioni totali per trasmissione attraverso le strutture opache è dovuto all’ampia superficie del soffitto dell’appartamento che confina con il sottotetto non isolato, mentre alle pareti verticali è da imputare il 35%. Sono di un ordine di grandezza inferiore, in termini di W, le dispersioni attraverso i serramenti e hanno decisamente poco peso quelle dovute ai ponti termici.

L’analisi di questi dati ha molta importanza poiché si riesce comprendere quale intervento di miglioramento energetico dell’involucro abbia il maggiore impatto per la riduzione dei fabbisogni di energia: senza dubbio, in questo caso, l’isolamento del soffitto.

La classe in cui si trova l’appartamento è la G, con un indice di prestazione energetica pari a: 342,05 kWh/m², come si può vedere in Figura 4 dove è riportato un estratto dell’APE.

La potenza totale risultante dai calcoli, ossia il dato che si controlla generalmente per scegliere la “taglia” di un generatore di calore, è di circa 11 kW (11.078 W per la precisione), come risulta dalla schermata riportata in Figura 5. Si vedrà nel prosieguo che per dimensionare una pompa di calore il ricorso a questo dato è estremamente limitante e fuorviante.

La caldaia installata attualmente nell’appartamento ha una potenza di 24 kW ed è ampiamente in grado di soddisfare il fabbisogno richiesto dall’edificio come si può osservare in Figura 6.

In Figura 7 è inoltre possibile osservare i dati di ripartizione dei carichi mese per mese (a sinistra) ed individuare l’andamento delle temperature dell’acqua nell’impianto (a destra).

Il valore di QH,_gen,out, cioè dell’energia in uscita dal generatore, è pari a 24.770 kWh/anno e risulta maggiore rispetto alla domanda energetica degli ambienti Q_h,nd, che è pari a 18.176 kWh/anno (si individua in un’altra schermata di output), a causa dei bassi rendimenti dell’impianto.

Analisi energetiche

Le analisi energetiche possono risultare molto utili per illustrare ad un cliente le reali possibilità di miglioramento di un sistema edificio-impianto.

Nei casi descritti successivamente si è partiti con considerazioni inerenti alla sola sostituzione generatore di calore dell’appartamento per poi ampliare la trattazione anche alla coibentazione dell’involucro edilizio.

Questo approccio è stato utile per poter guidare il committente in una attenta valutazione delle scelte per la riqualificazione energetica del proprio immobile.

Dopo aver approfondito uno studio di fattibilità che contiene anche alcuni dati riportati nel prosieguo, il committente ha deciso di cambiare l’approccio inziale optando in prima battuta di isolare il soffitto per poi valutare, solo in futuro, la sostituzione del generatore di calore.

NOTA GENERALE: nei casi seguenti riguardanti l’installazione di una pompa di calore aria acqua la simulazione energetica ha sempre previsto l’installazione di un serbatoio di accumulo a servizio della produzione di acqua calda sanitaria, necessaria in adeguamenti impiantistici di questo tipo.
Inoltre, volutamente, non sono state eseguite simulazioni che prevedessero il contributo di un eventuale impianto fotovoltaico.

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All'interno si affronterà l'analisi dei seguenti casi e poi le conclusioni finali:

• Caso 1 – Sostituzione della caldaia tradizionale con pompa di calore
  
• Caso 2 – Sostituzione della caldaia tradizionale con pompa di calore e modifiche al sistema edificio impianto
  
• Caso 3 – Sostituzione della caldaia tradizionale con caldaia a condensazione
  
• Caso 4 – Isolamento del soffitto confinante verso il sottotetto non riscaldato
  
• Caso 5 – Isolamento del soffitto confinante verso il sottotetto non riscaldato e sostituzione della caldaia tradizionale con una pompa di calore
  
• Caso 6 – Isolamento del soffitto confinante verso il sottotetto non riscaldato e sostituzione della caldaia tradizionale con una a condensazione