La produzione di acqua calda sanitaria con pompa di calore: funzionamento e vantaggi

La produzione di acqua calda sanitaria può essere fatta attraverso molte soluzioni impiantistiche. Lo scaldabagno a pompa di calore è un’alternativa innovativa ai sistemi tradizionali, che può portare a una consistente riduzione delle emissioni e garantire un risparmio economico. Ci sono però alcuni limiti da considerare, che posso influire parecchio sull’efficienza.

Di seguito cercheremo di capire come progettare e gestire al meglio scaldacqua a pompa di calore che garantiscano elevate prestazioni.

Come produrre acqua calda sanitaria

La produzione di acqua calda sanitaria (ACS) si ottiene riscaldando acqua prelevata dalla rete pubblica alla giusta temperatura richiesta dall’utenza.

Il grado di riscaldamento influenza sensibilmente il consumo energetico e sono molti gli aspetti da tenere in considerazione. Normalmente la temperatura di erogazione dell’acqua calda è compresa fra 45°C e 55°C. La percezione della temperatura può essere soggettiva, ma solitamente al di sotto di 45°C l’acqua può essere percepita come tiepida, se non fredda, mentre, contrariamente, sopra 55°C si ha la sensazione di acqua troppo calda e questa verrà miscelata con acqua più fredda causando uno spreco di energia.

La produzione di acqua calda sanitaria inizia prelevando acqua fredda dalla rete pubblica, questa viene fatta passare all’interno di uno scambiatore di calore o messa all’interno di un bollitore in cui una serpentina la riscalda fino alla temperatura impostata.

L’energia termica necessaria è ottenuta con varie soluzioni: per combustione, ad esempio utilizzando caldaie tradizionali o a condensazione, o attraverso resistenze elettriche, come avviene nei classici bollitori a parete.

Oltre a questi metodi, più tradizionali, da diverso tempo si stanno diffondendo soluzioni più innovative che riducono l’impatto sull’ambiente sfruttando fonti rinnovabili, come nel caso di produzione di ACS integrando il calore prodotto da sistemi solari termici o utilizzando pompe di calore.

Indipendentemente da quella che può essere la fonte energetica utilizzata, i sistemi di produzione, così come l’intera rete di distribuzione, devono soddisfare determinate caratteristiche, queste riguardano i materiali utilizzati e i processi che devono garantire la qualità dell’acqua prodotta a la sua idoneità al consumo umano. Il trattamento termico non deve generare un'alterazione delle caratteristiche fisico-chimiche dell’acqua, soprattutto evitando modifiche che possano ledere gli utilizzatori finali.

Le norme UNI prevedono il riscaldamento dell’acqua fino a 48°C, con una tolleranza di 5°C, e erogazione all’utenza che può variare in base alla lunghezza delle tubazioni, dalla centrale termica ai punti di prelievo.

Le regole introdotte nel tempo hanno come obbiettivo quello di conciliare le esigenze dell’utenza finale con due aspetti fondamentali: il benessere di chi usa il servizio e l’efficientamento del sistema di generazione.

Le prescrizioni suggerite hanno tra gli obbiettivo più importanti quello di ridurre il rischio di formazione di calcare o l’insorgere di fenomeni corrosivi, così da mantenere una buona performance dell’impianto durante l’intero ciclo vita e limitare l’aumento dei costi di esercizio. Un impianto efficiente funziona meglio e riduce i consumi a beneficio dell’intera comunità.

Un altro aspetto fondamentale richiamato all’interno della normativa riguarda i rischi per la salute, un aspetto di grande importanza per chi progetta impianti o per chi e chiamato a gestire sistemi di produzione di acqua calda sanitaria.

Oltre ad una limitazione della temperatura che eviti ustioni o danni fisici al contatto, si deve considerare il potenziale danno chimico/biologico dovuto alla proliferazione di alcuni microorganismi, tra i quali la legionella, fra gli agenti patogeni più pericolosi che si possano trovare negli impianti sanitari.

Tutte queste esigenze si possono conciliare con l’utilizzo di uno scaldacqua a pompa di calore.

Metodi di produzione, stoccaggio e temperature di esercizio influiscono sia sulla qualità del servizio erogato sia sulle performance delle macchine utilizzate. Sono molti gli accorgimenti da tenere in considerazione per ottenere un buon impianto di produzione, con bassi consumi ed alta qualità del servizio.

Una grossa differenza la si ha quando si parla di produzione di acqua calda sanitaria con sistemi istantanei o con sistemi ad accumulo. Nel primo caso la temperatura di produzione corrisponde grosso modo a quella richiesta dall’utenza, mentre nel secondo caso, con sistema di accumulo, solitamente si produce acqua ad una temperatura superiore per poi miscelarla prima dell’utilizzo o l’immissione in rete.

Qui di seguito analizzeremo alcune delle principali soluzioni impiantistiche che consentono l’uso di pompe di calore, sia nel caso di nuovi impianti che in quello di ristrutturazioni cercando, in entrambi i casi, di mettere in risalto pregi e difetti della tecnologia.

L’acqua sanitaria e la legionella

Uno degli aspetti imprescindibili quando si parla di produzione di acqua calda sanitaria e l’impatto che la temperatura può avere sulla proliferazione della legionella e sugli accorgimenti che questa impone su molte caratteristiche del sistema.

La Legionella fa parte di uno specifico gruppo di batteri e non è una malattia, bensì l’agente patogeno che può causare l’insorgere di gravi disfunzioni all’apparato respiratorio. L’infezione colpisce prevalentemente le vie aeree e può trasformarsi in una malattia molto pericolosa con il nome di Legionellosi.

Lo studio della legionella è ampiamente trattato a livello scientifico ma nonostante se ne conoscano bene le caratteristiche, tutt’oggi ha un elevato tasso di letalità che può raggiungere il 10% circa.

Una delle forme più acute, la Legionella pneumophila è indicata come un agente biologico di classe 2, ovvero “tra quelli che possono comportare un rischio per i lavoratori, ma che hanno poche probabilità di propagarsi nella comunità e per i quali sono di norma disponibili efficaci misure pro lattiche e terapeutiche.”

Ulteriori approfondimenti: Stop alla legionella nella rete di distribuzione dell’acqua sanitaria

Fra le varie sottospecie, la Legionella pneumophila è certamente la più pericolosa e causa gravi danni ai polmoni, questi possono risultare fatali in soggetti fragili come anziani, bambini o immunocompromessi. Vediamo ora qual è il legame fra la produzione di acqua calda sanitaria e legionella.

Questa forma batterica è molto diffusa nei bacini idrici naturali ed artificiali, e può risalire le reti cittadine e diffondersi nelle condotte di distribuzione dell’acqua potabile fin dentro alle nostre case.

La crescita della legionella è ottimale tra 35°C e 37°C, intervallo di temperature che si sovrappone a quello a cui normalmente possiamo utilizzare acqua calda sanitaria. Al di sotto dei 25°C la proliferazione batterica si arresta come al di sopra dei 45°C, ma questo non significa che non sia più presente nell’acqua.

La temperatura è solo uno degli aspetti che indice sulla diffusione della legionella, sebbene sia fra i i più importanti, anche fenomeni di incrostazione e depositi di calcare favoriscono questo batterio, come anche la contestuale presenza di acqua stagnante o in lento movimento.

Negli impianti per la produzione di acqua calda sanitaria, proprio l’elevata temperatura favorisce la formazione di calcare e la rapidità con la quale si presentano fenomeni corrosivi. Il modo con quale si utilizza l’acqua calda comporta inevitabilmente la presenza di acqua ferma in rete e tutti questi aspetti sono ottimali per il diffondersi della legionella.

Le strategie migliori che nel tempo si sono consolidate per ridurre la diffusione di questo batterio sono molte ed in primis l’eliminazione preventiva, ovvero l’adozione di processi che possano portate alla morte della legionella prima ancora che questa si diffonda.

Come anticipato, sebbene sia facile favorirne la diffusione, la legionella può essere eliminata molto facilmente. Il batterio muore a temperature superiori a 50°C e maggiore è la temperatura a cui è esposto maggiore è la velocità con cui muore. Ad una temperatura prossima a 55°C la legionella muore in circa 5-6 ore mentre a 65°C questo avviene in circa due minuti.

Negli impianti è bene produrre acqua calda sanitaria ad una temperatura superiore o pari a 60°C e, più in generale, evitare che in punti diversi della rete la temperatura scenda al disotto di 55°C. Per evitare la stagnazione dell’acqua calda si adottano sistemi di ricircolazione e per limitare le dispersioni si consiglia l’utilizzo di condotte ben isolate.

Un’altra soluzione consiste poi nell’adottare sistemi di produzione istantanei che non diano il tempo alla legionella di svilupparsi oppure l’adozione di shock termici con temperature fino a 70°C con l’eliminazione pressoché istantanea della legionella.

Queste temperature sono facili da raggiungere in impianti di tipo tradizionale, ma sono più problematiche quando si utilizzano pompe di calore. In questi casi, infatti, l’acqua tecnica prodotta, da cui poi si passa all’acqua calda, è generalmente a più bassa temperatura; inoltre, al crescere della temperatura erogata, si riduce l’efficienza con conseguente aumentano di consumi e costi.

Quando si sceglie di produrre acqua calda sanitaria utilizzando pompe di calore è sempre necessaria l’integrazione di un altro sistema di generazione così da raggiungere facilmente temperature al di sopra di 60°C, indipendentemente da quelle che possono essere le condizioni di lavoro.

In impianti aria/acqua, più esposti alle condizioni climatiche, per sopperire ai vincoli in temperatura, si affianca alla pompa di calore una caldaia a condensazione creando un sistema idronico. Alternativamente, si possono adottare bollitori a cui è integrata una resistenza elettrica, in questo modo sarà il serbatoio stesso a compensare le mancanze in potenza e a garantire le corrette temperature, quindi la sicurezza del sistema.

Le principali caratteristiche delle pompe di calore

Per capire come produrre acqua calda utilizzando pompe di calore occorre conoscere questa tecnologia, quali sono i suoi punti di forza, da fruttare, e quali condizioni da evitare per non aumentare le inefficienze.

Il principio fisico alla base di questa tecnologia è semplice e sfrutta il passaggio di stato di una sostanza da liquido a gassoso. Un qualunque fluido per evaporare assorbe energia dall’ambiente in cui si trova mentre un vapore per condensare rilascia energia verso l’esterno.

Fruttando questo principio, per ottenete calore si utilizza un vapore in grado di condensare ad una temperatura superiore a quella dell’ambiente. Viceversa, per sottrare energia e raffreddare una sostanza si utilizza un composto allo stato liquido il cui punto di evaporazione si trova ad una temperatura inferiore a quella che si vuole ottenere. Per il funzionamento ciclico della macchina, oltre ad un condensatore e un evaporatore, sono necessari un compressore e una valvola di laminazione, questo per regolare le temperature di funzionamento e rendere la macchina più flessibile e adattabile.

Come suggerisce il nome stesso, una pompa di calore, sposta il calore da posto ad un altro. Il calore “movimentato” è solitamente preso dall’ambiente circostante e lo si può trovare in aria, nell’acqua di falda o direttamente nel terreno.

L’energia primaria è quindi una fonte rinnovabile, ma il lavoro necessario ad effettuare questo spostamento non sempre lo è, solitamente si tratta di un consumo elettrico che può avere diverse origini.

Le pompe di calore con compressore, le più diffuse, assorbono energia elettrica che solitamente è prelevata dalla rete ed è solo in parte di tipo rinnovabile. Ciò nonostante, se paragonata ad altre tecnologie, gli impianti per la produzione di calore attraverso una pompa di calore consumano meno risorse di altri generatori e questo spiega perché sono ampiamente incentivate.

Ogni pompa di calore si caratterizza per il valore di COP, ovvero il “Coefficient Of Performance”, questo dato si definisce come il rapporto fra l’energia termica resa e l’energia spesa.

Le macchine più performanti hanno un coefficiente di prestazione compreso fra 3 e 4, ovvero sono in grado di erogare fino a 3 o 4 kWh di energia termica per ogni kWh di energia assorbita.

Il calore prodotto è la somma dell’energia utilizzata in compressione e quella assorbita dall’evaporatore, questo significa che una parte importante dell’energia utile è rinnovabile, mentre una quota residua è di tipo tradizionale.

Questo è il principale punto di forza dell’utilizzo di pompe di calore, infatti, a differenza di quanto avviene con impianti tradizionali, non è necessario produrre interamente il calore di cui si ha bisogno, ma ne è sufficiente solo una parte, l’altra e presa dall’ambiente circostante ed è rinnovabile.

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