Pompe di calore e sistemi di emissione: guida alle possibili configurazioni impiantistiche

Il raggiungimento del tanto ambito “comfort indoor” dipende da una moltitudine di fattori, di tipo oggettivo e soggettivo, che non possono essere trascurati.

La configurazione impiantistica del sistema di climatizzazione è certamente uno di questi fattori: la corretta sinergia tra sistema di generazione, distribuzione, regolazione ed emissione è infatti un aspetto fondamentale.

Nelle seguenti pagine analizzaremo le varie configurazioni di pompe di calore e terminali di emissioni utilizzabili in ambito residenziale allo scopo di ottenere le migliori condizioni di benessere degli occupanti.

La decarbonizzazione degli impianti termici è una priorità: la pompe di calore sono una soluzione

Il tema del surriscaldamento globale e di tutti i cambiamenti climatici che ne derivano è sempre più all’ordine del giorno. La comunità scientifica attribuisce le cause alle emissioni di gas serra (CO₂) e nocivi (NOx, SOx), prodotti principalmente dai servizi energetici legati sia al settore industriale che a quello residenziale. Con particolare riferimento a quest’ultimo ambito, al fine di ridurre l’impronta ambientale, le normative vigenti promuovono un processo di transizione energetica che mira ad una decarbonizzazione degli impianti termici con conseguente affidamento alle fonti energetiche rinnovabili, consistenti nella quasi totalità dei casi nell’utilizzo di pompe di calore elettriche in abbinamento ad impianti fotovoltaici. Allo stesso tempo, si pone sempre maggior attenzione al comfort indoor inteso come elevata qualità dell’aria, considerando sia le caratteristiche termoigrometriche che la concentrazione di inquinanti.

Criteri di scelta di una pompa di calore

Il sottosistema di generazione maggiormente utilizzato nel settore residenziale e che vede il suo funzionamento basato sull’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili consiste nella pompa di calore elettrica. Questa tipologia impiantistica utilizza il ciclo frigorifero per traferire calore dall’esterno (sorgente fredda, ovvero il fluido da cui si estrae il calore) all’interno dell’ambiente (pozza caldo, ovvero il fluido a cui si cede il calore).

Senza dilungarci troppo sulle sorgenti fredde utilizzabili, possiamo affermare che esse coincidono essenzialmente con tre tipologie ovvero aria, acqua (di falda o superficiale) o terreno. La scelta dell’una o dell’altra deve essere effettuata in modo da sfruttare la fonte rinnovabile maggiormente presente, e quindi ottimizzare le prestazioni impiantistiche, in funzione delle caratteristiche climatiche e geografiche del sito, come ad esempio le temperature minime esterne, la presenza (e la profondità) di una falda avente portate sufficienti a garantire il corretto funzionamento della macchina o la superficie di terreno avente a disposizione per l’alloggiamento delle sonde nonché le sue caratteristiche di scambio termico. Il pozzo caldo utilizzabile può essere di due tipologie: aria o acqua.

Le pompe di calore endotermiche che utilizzano come pozzo caldo l’aria coincidono con le pompe ad espansione diretta, comunemente note con il nome di “split”, e composte da una o più unità esterne collegate a varie tipologie di unità interne che hanno il compito di riscaldare o raffrescare l’ambiente in cui sono posizionate in funzione della stagione considerata. La peculiarità di tale sistema consiste nel fatto che l’unità esterna e quella interna sono collegate da un sistema di distribuzione in cui non circola acqua (fredda o calda) ma un particolare fluido refrigerante che ha il compito di trasferire il calore tra le unità.

Tale tecnologia viene principalmente utilizzata in applicazioni commerciali o terziare, come ad esempio uffici, in quanto sono caratterizzati da rendimenti elevati e sono in grado di riscaldare e/o raffrescare l’impianto in tempi più brevi rispetto ad altre tecnologie.

Tuttavia, essa viene scelta anche per applicazioni residenziali specialmente lì dove ci sono dei limiti dal punto di vista dimensionale: gli spazi tecnici necessari per la realizzazione di un impianto ad espansione diretta sono inferiori in quanto sia le macchine, esterne ed interne, che le tubazioni di collegamento hanno dimensioni modeste ed inoltre non sono necessari puffer di acqua tecnica.

Ulteriori tecnologie impiantistiche coincidono con le pompe di calore caratterizzate da un pozzo caldo coincidente con acqua. Tale tipologia è la più largamente utilizzata in quanto nella maggior parte degli edifici residenziali i terminali di emissione sono ad acqua ed è pertanto facilmente adattabile in funzione delle esigenze. Dal punto di vista tecnologico, se consideriamo la tipologia aria-acqua in quanto la più facilmente installabile, vi possono essere due configurazioni ovvero monoblocco o splittata.

La prima delle due soluzioni prevede un'unica macchina posizionata all’esterno dell’edificio in cui l’acqua viene scaldata direttamente al suo interno e poi convogliata all’interno dell’edificio; la seconda prevede invece che all’interno della macchina esterna circoli solo del fluido refrigerante e che il trasferimento del calore con l’acqua avvenga poi all’interno dell’edificio in un apposito modulo idronico.

Se la prima ha il vantaggio di avere rendimenti più elevati, la seconda permette di ridurre le dispersioni di energia termica legate alla distribuzione idraulica proprio perché lo scambio avviene già all’interno dell’edificio. Un’ulteriore peculiarità di tale tecnologia consiste nel fatto che essa può lavorare sia a bassa temperatura, con temperatura di mandata massima pari a 60°C, che ad alta temperatura, con temperatura di mandata massima pari circa 75°C, rendendola ancora più versatile dal punto di vista applicativo. Occorre tuttavia aggiungere che nel caso di pompa di calore ad acqua si dovrà prestare particolare attenzione agli spazi tecnici a disposizione in quanto, per garantire il corretto funzionamento della macchina, dovranno essere previsti dei serbatoi inerziali di acqua tecnica.

Comfort termo-igrometrico: i parametri principali

Così come definito della normativa UNI EN ISO 7730, per comfort termo-igrometrico si intende “la condizione mentale di soddisfazione nei confronti dell’ambiente termico”, ovvero quello stato di neutralità termica dell’individuo in cui l’organismo lascia quasi inattivi i meccanismi di termoregolazione comportamentale (assenza di brividi o sudorazione) e vasomotoria (assenza di vasocostrizione o vasodilatazione periferica).

La condizione di benessere, altamente soggettiva in funzione dell’individuo considerato, dipende da parametri personali non misurabili (come ad esempio il vestiario, l’età, il sesso nonché l’attività svolta in quel particolare ambiente dall’individuo considerato) e da fattori ambientali misurabili, ovvero temperatura e velocità dell’aria, temperature media radiante e umidità relativa. Questi ultimi, sono sì dipendenti dalle caratteristiche prestazionali dell’involucro edilizio ma anche dall’impianto di riscaldamento con particolare riferimento al sottosistema di emissione presente all’interno degli ambienti e nella fattispecie dal loro funzionamento: convenzione e/o irraggiamento.

Gli indici attraverso cui è possibile misurare il comfort all’interno degli ambienti per il corpo umano nel suo complesso sono il PMV (Voto Medio Previsto) e il PPD (Percentuale di Persone insoddisfatte in un determinato ambiente). Tuttavia, l’insoddisfazione termica può essere causata anche da un disagio termico di una parte del corpo, ovvero quelli che vengono definiti discomfort locali.

A tal proposito, la UNI EN ISO 7730 individua quattro tipologie di discomfort locali:  

• Corrente d’aria: dovuta alla movimentazione dell’aria non solo per quanto riguarda la velocità ma anche la temperatura con cui la stessa viene immessa all’interno dell’ambiente. Solitamente questa situazione di discomfort si ha nel caso in cui si utilizzino sistemi di emissione ad aria.
• Differenza verticale della temperatura dell’aria: causata da una stratificazione dell’aria che porta ad avere una differenza tra capo e arti inferiori e riscontrabile nel caso in cui si utilizzano pannelli radianti a pavimento o soffitto.
• Pavimenti caldi o freddi: è il caso in cui il pavimento radiante non è progettato correttamente (anche in funzione del materiale di finitura scelto) e quindi la temperatura superficiale del pavimento causa un senso di fastidio agli arti inferiori.
• Asimmetria radiante: causato da una temperatura non uniforme delle superfici che delimitano l’ambiente considerato e solitamente riscontrato in ambienti in cui il sottosistema di emissione coincide con radiatori e/o impianti ad aria.

Tipologie dei sottosistemi di emissione

Generalmente i sistemi di emissione per la climatizzazione di un ambiente di dividono in funzione del meccanismo di scambio termico sfruttato dal terminale:

• Convezione (come i radiatori, ventilconvettori, radiatori a battiscopa, travi fredde, split, bocchette/diffusori);
• Irraggiamento (come ad esempio i pannelli radianti, stufe, camini).

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L'articolo prosegue con una breve descrizione delle varie tipologie dei sistemi di emissione e fornisce a riguardo utili informazioni circa i criteri di scelta da adottare attraverso esempi pratici.

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