Principio di funzionamento

Sistema radiante alimentato da pompa di calore ultima generazione

Il sistema è costituito da una superficie radiante (pavimento, parete o soffitto) all’interno della quale sono state annegate, durante la costruzione dell’edificio, tubazioni dove pompe elettriche e valvole di regolazione fanno scorrere e regolano l’afflusso di acqua calda.

Il calore ceduto dall’acqua all’ambiente, nei sistemi a pompa di calore viene ricavata in piccola parte dall’energia elettrica e per la fetta maggiore sottraendo calore dall’aria esterna attraverso un ciclo frigorifero che raffredda l’aria esterna (già fredda d’inverno…) per “pompare” il calore all’acqua del circuito di riscaldamento a bassa temperatura.

Si definisce rendimento del sistema pompa di calore C.O.P. (coefficient of performance) come il calore prodotto a scapito dell’energia elettrica utilizzata. (C.O.P. = 4 significa che per 1 kWh di energia elettrica ottengo 4 kWh di energia termica: 1 dall’elettricità e 3 raffreddando l’aria esterna).

Riscaldamento pompa calore

Il principio fisico di funzionamento delle pompe di calore (raffreddare un’aria esterna già fredda d’inverno e per di più molto umida in certe zone d’Italia) porta, inevitabilmente alle seguenti limitazioni (1):

il COP dichiarato scende linearmente con il calare della temperatura esterna (figura 1);

Confronto infrarossi e impianti radianti - Figura 1

Confronto infrarossi e impianti radianti – Figura 1

il COP ha dei bruschi cali tra 0 e 5°C al crescere dell’umidità esterna dal 50 al 90% (figura 2);

Confronto infrarossi e impianti radianti - Figura 2

Confronto infrarossi e impianti radianti – Figura 2

Nessuno si nasconde dietro un dito: i produttori di pompe di calore ed i termotecnici sono ben consapevoli di tali limiti ed utilizzano pertanto fattori correttivi per sovradimensionare l’impianto e non avere perdita di comfort termico (a scapito però dell’economia delle gestione energetica annuale):

il COP di una pompa di calore è calcolato tenendo conto di parametri correttivi riduttivi per l’umidità, la temperatura media esterna ed il funzionamento a carico parziale (figura 3);

Confronto infrarossi e impianti radianti - Figura 3

Confronto infrarossi e impianti radianti – Figura 3

per non sovradimensionare l’impianto inutilmente, ci si riferisce alla temperatura media giornaliera del mese di gennaio (3°C per Venezia), quindi la po mpa di calore soddisferà la richiesta di calore dell’abitazione, con il COP di progetto, solo per temperatura esterna superiore ai 3°C; sotto tale valore, la pompa è in grado di funzionare, ma con COP molto inferiori o utilizzando carichi resistivi aggiuntivi, quindi COP=1.

Confronto infrarossi e impianti radianti - Figura 4

Confronto infrarossi e impianti radianti – Figura 4

Esempio tratto dalla pubblicazione “Pompe di calore. Parte teorica. Parte applicativa” di Renato Lazzarin.

Un edificio monofamiliare ubicato a Venezia viene riscaldato con una pompa di calore ad aria. L’edificio presenta una trasmittanza complessiva di 400 W/K. Si impiega una pompa di calore della potenza nominale di 5 kW. L’andamento del COP si può approssimare con la retta: COP = 2,5 + 0,05 x tE
Si devono introdurre al COP due coefficienti correttivi, uno dovuto al brinamento che va valutato con il grafico di fig. 3.16, Il secondo coefficiente è dovuto al funzionamento a carico parziale (Tabella in figura 3).

Si prende poi un mese, ad esempio gennaio e si riportano le ore e le umidità relative più probabili, valutando il coefficiente correttivo per il brinamento della batteria, il COP corretto per lo sbrinamento e le altre grandezze di interesse. Si è così trovato un valore medio mensile del COP pari a 2,29.

Sistema infrarossi (IR)

Riallacciandomi alla descrizione fatta nel confronto con impianti a radiatori, aggiungiamo che il funzionamento dei pannelli di riscaldamento ad infrarossi è caratterizzato da:

  • un rendimento del 97% (nulla si crea, nulla si distrugge, solo si trasforma – Antoine Laurent de Lavoisier Parigi, 26 agosto 1743 – Parigi, 8 maggio 1794);
  • trasforma l’energia elettrica in radiazione infrarossa;
  • l’onda infrarossa attraversa l’aria della stanza e colpisce pareti, pavimenti, soffitti, mobili, aumentando la loro temperatura;
  • le superfici, divenute più calde dell’aria, scaldano la stanza attraverso movimenti convettivi creati dal movimento delle persone o dai sistemi meccanici di ricambio aria;
  • tutte le superfici scaldate aumentano il comfort abitativo e riducono la percentuale di umidità adsorbita * (il sistema ad infrarossi è utilizzato normalmente per asciugare le superfici): questo aumenta il loro potere di isolamento (un isolante umido perde anche il 50% di proprietà isolante termica) e impedisce la formazione di muffe;
  • quando l’ambiente riscaldato dai pannelli ad infrarossi ha raggiunto il comfort termico, il sistema di regolazione della temperatura deve intervenire per fermare la produzione di infrarossi e il consumo di corrente. Molti produttori trascurano la regolazione, demandandola a interruttori con cronotermostato di produzione dei grossi gruppi di materiali elettrici. In questo modo però si ottiene solo una regolazione ON-OFF che porta a dover sovradimensionare la richiesta di fornitura dell’energia elettrica. Per questo un plauso va al prodotto Celsius che è dotato di una elettronica dedicata e customizzata montata a bordo che rileva la temperatura attraverso una termocoppia e riduce il consumo di energia elettrica man mano che viene raggiunta la temperatura impostata. Quindi un pannello da 550W di picco, consuma a regime 80W-250W in base all’isolamento dell’abitazione e dalla richiesta di calore. Questo porta a poter utilizzare un impianto con una potenza disponibile inferiore alla potenza di picco, dotandolo, eventualmente, di un centralino con controllo di gestione dei carichi.

Motivazioni del maggiore rendimento dei sistemi ad infrarossi

Il maggiore rendimento dei sistemi ad infrarossi è dovuto a:

  • in un sistema radiante alimentato da pompe di calore ho solo una superficie radiante, mentre col sistema ad infrarossi un pannello di dimensioni contenute (60cm x 60cm) riscalda almeno 3 pareti ed un pavimento (oltre a tutti gli oggetti contenuti nella stanza).
    Tali superfici scaldate diventano radianti e quindi ho superficie 4 volte superiore al sistema precedente.
    Questo aspetto, in particolare, spiega perché i sistemi ad infrarossi siano inarrivabili per case ottimamente isolate e perdano di efficacia con lo scadere delle proprietà isolanti dell’involucro.
    Esiste però uno stratagemma empirico per evitare le dispersioni in case con scarso isolamento: l’onda ad infrarosso viene riflessa dai metalli e quindi basta una parete di cartongesso con una lamina di alluminio, per poter riflettere l’onda all’interno dell’ambiente ed evitare che venga dispersa all’esterno (con questo sistema empirico è stata costruita una sauna che viene portata a 30°C con soli 80W di potenza impegnata).
  • alla capacità di maggiore adattamento alla richiesta di calore: avendo una regolazione distribuita per ogni stanza il riscaldamento a infrarossi nel suo complesso è significativamente più flessibile.
    Questo si traduce in una regolazione ad alta velocità e basso consumo di energia in stanze dove vari il carico endogeno o che ricevano irraggiamento naturale dal sole (energia gratuita) durante i mesi invernali soprattutto da gennaio ad aprile.

(1) Pubblicazione “Pompe di calore. Parte teorica. Parte applicativa” di Renato Lazzarin

(2) adsorbire = molecole di acqua penetrate nello strato superficiale di un materiale e legate ad esso attraverso forze di Van der Waals, forze elettrostatiche, legami idrogeno o legami chimici intramolecolari)

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