Pompe di calore e geotermia

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1 14 Pompe di calore e geotermia Il ruolo delle Pompe di Calore alla luce degli obiettivi al 2020 e dell attuale situazione economica Giampiero Colli Segretario Coaer La grave crisi economica che ha avuto inizio nel 2008 e che sta continuando ad avere pesanti ripercussioni sui Paesi dell Eurozona non potrà durare in eterno. L obiettivo è di uscire al più presto da questa recessione e di dare nuovo impulso all economia incrementando l occupazione e facendo ripartire i consumi. In materia energetica è, però, assolutamente necessario educare i cittadini a modificare le proprie abitudini e a consumare in modo più intelligente, rivolgendo una particolare attenzione all efficienza energetica e facendo ricorso alle energie rinnovabili, non solo elettriche ma anche e soprattutto termiche. Lo stesso Presidente del Consiglio dei ministri Enrico Letta, nel suo discorso programmatico, ha ribadito la necessità di investire su ambiente ed energia per rilanciare il futuro industriale dell Italia. Riferendosi a fonti rinnovabili ed efficienza energetica, Letta ha dichiarato FIGURA 1 - Stime FER Pompe di calore: confronto scenario PAN scenario Co.Aer che le nuove tecnologie vanno maggiormente integrate nel contesto esistente, migliorando la selettività degli strumenti di incentivazione esistenti in un ottica organica con visione di medio e lungo periodo. Ha inoltre aggiunto che il nuovo esecutivo adotterà una politica fiscale della casa che limiti gli effetti recessivi in un settore strategico come quello dell edilizia, includendo incentivi per le ristrutturazioni ecologiche. La razionalizzazione dei meccanismi di incentivazione delle fonti rinnovabili, citata da Letta, si inserisce nel percorso già tracciato dalla recente Strategia Energetica Nazionale (SEN) che, ricordiamo, ha confermato e rafforzato quanto già previsto dal Piano straordinario per l Efficienza Energetica (PEE) e dal Piano di Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili (PANER), mettendo fra le sette priorità lo sviluppo delle rinnovabili termiche, riconosciute più efficienti, meno costose e strategicamente indispensabili delle rinnovabili elettriche, e ha anche ammesso che fino ad ora sono state trascurate. Nel disegnare il quadro di interventi per il rilancio economico del nostro Paese, ricordiamoci che l obiettivo è tuttora vincolante, che efficienza, rinnovabili e ambiente fanno ancora parte della nostra strategia energetica e, soprattutto, che esistono tecnologie mature e affidabili, in primis i sistemi a pompa di calore per la climatizzazione annuale degli edifici, in grado di contribuire in maniera importante al raggiungimento dell obiettivo. Ritornando a parlare seriamen- Figura 1 Stime FER Pompe di calore: confronto scenario PAN

2 IL CTI INFORMA 15 FIGURA 2 - Stime FER Pompe di calore: confronto Figura 2 trend Stime PAN FER Pompe Co.Aer di calore: confronto trend PAN Co.Aer valutate fra le miglior tecnologie disponibili negli usi finali, in particolare nell edificio dove gli sprechi sono alti, dimostrando il grande potenziale delle pompe di calore, così riassumibile: ipotizzando dal 2010 al 2020 uno sviluppo del mercato delle pompe di calore nel residenziale e nel terziario tale da coprire nel 2020 il 25% della domanda di servizio ovvero 8 Mtep, si avrebbe una risparmio di energia fossile di 11,7 Mtep (valore integrale ); con questo trend di crescita (13%/anno) nel 2020 la quota FER da Pompe di calore è stimabile in 5,3 Mtep (rispetto ai 2,9 Mtep del PAN) (fig.1). te di politiche energetiche, possiamo con certezza affermare che la PDC è una delle tecnologie che svolgeranno un ruolo chiave per il conseguimento dei target del Pacchetto Clima per il Lo conferma il Piano di Azione Nazionale per le fonti rinnovabili (PA- NER) che, proprio per l energia rinnovabile dell Italia, prevede, già per il 2020, un importante crescita del peso delle PDC negli usi per la climatizzazione degli edifici. Se gli obiettivi nazionali 2020 saranno raggiunti secondo le previsioni del PAN, le PDC saranno responsabili del 30% dello sforzo aggiuntivo per il consumo di rinnovabili termiche e del 14% della riduzione di consumo di energia primaria da realizzare. Anche la SEN, la recentissima Strategia Energetica Nazionale, ha confermato e rafforzato quanto già previsto dal PEE e dal PANER, mettendo fra le sette priorità l efficienza e lo sviluppo delle rinnovabili termiche che, nello stesso provvedimento, sono state riconosciute più efficienti, meno costose e strategicamente indispensabili e ammettendo che, fino ad ora, sono state trascurate. Scenario COAER: secondo le nostre proiezioni fatte nel 2009, il potenziale delle pompe di calore va ben oltre il PAN. In uno studio del Coaer realizzato nel 2008, nell ambito dei lavori della Task Force efficienza energetica della Confindustria, per fornire suggerimenti al Governo per la stesura del PEE, le PdC sono state Gli effetti della crisi e della mancanza di una legislazione chiara e completa Rispetto a tale quadro, i primi dati sui progressi dell Italia verso gli obiettivi 2020 mostrano un trend per l impiego di PDC che non consentirebbe di raggiungere gli obiettivi individuati in sede di pianificazione. I recenti dati sulle vendite in Italia mostrano stagnazione o moderata crescita, che segue gli incrementi rilevanti registrati almeno fino alla prima metà degli anni duemila. La diffusione della tecnologia è più contenuta nel segmento che offre il maggiore potenziale di crescita (soprattutto in considerazione della congiuntura attraversata dal mercato delle costruzioni) ossia quello degli edifici esistenti. Come si vede dal grafico (fig.2) nel periodo c è stato un forte calo della potenza venduta, come vedremo nel capitolo successivo, questo significa che, ripartendo dal 2013 e ponendoci gli stessi obiettivi al 2020, la curva di crescita del Pan deve passare dal 7% al 11,7% e la curva Coaer dal 13% al 20,4%. Anche per il nostro settore un po di follia visionaria (Presidente Letta- Expo maggio) non guasta. Analisi dei dati di mercato Il PAN prevede per il 2020 una crescita del peso delle pompe di calore negli usi per la climatizzazione

3 16 FIGURA 3 - Pompe di calore vendute in Italia degli edifici (residenziale e terziario). Tale crescita, Figura 3 Pompe di calore vendute in Italia nei termini di contabilizzazione stabiliti dalla Direttiva 2009/28/CE, riguarda le pompe di calore che svolgono settori, oltre il 90% del mercato in Italia. la funzione di principale sistema di riscaldamento, con In applicazione di quanto previsto dal DM del 14 gennaio 2012 Metodologia per calcolare il raggiungimen- applicazioni che devono rispettare specifici standard minimi di efficienza. L andamento del mercato italiano to degli obiettivi nazionali in materia di quote dei consumi finali lordi di elettricità, energia per il delle pompe di calore utilizzate per riscaldamento è pe- riscaldamento riodicamente monitorato dal Co.Aer attraverso indagini statistiche trimestrali e annuali che coprono, per alcuni FIGURA 4 - Capacità delle pompe di calore vendute in Italia (MWt) Figura 4 Capacità delle pompe di calore vendute in Italia

4 IL CTI INFORMA 17 e il raffreddamento, e per i trasporti coperti da fonti energetiche rinnovabili, alle statistiche Co.Aer è stata applicata una percentuale del 9,5% per determinare, nell ambito delle pompe di calore aria-aria monosplit e multisplit non VRF, il numero di sistemi utilizzati come impianti principali di produzione di calore. Le pompe di calore aria-aria sono infatti principalmente utilizzate per il solo raffrescamento o per il raffrescamento e l integrazione degli impianti di riscaldamento principali nelle mezze stagioni. Negli ultimi tre anni sono state mediamente le pompe di calore, di tutte le tipologie, vendute sul mercato italiano che, si può stimare, siano usate come sistema primario di riscaldamento (fig. 3). Nel complesso, nel mercato delle pompe di calore, circa l 85% è costituito da modelli aria-aria, circa il 14% da modelli aria-acqua e solo il restante 1% da pompe di calore acqua-acqua. Nel complesso in Italia la nuova capacità installata negli ultimi due anni è stata mediamente pari a circa di MWt, con un trend negativo. Circa il 61% della stessa è attribuibile ai modelli aria-aria, il 35% alle pompe di calore aria-acqua e circa il 5% a quelle acqua-acqua (Figura 4). La diffusione nel mercato delle pompe di calore come sistema primario di riscaldamento è il principale dato utilizzato per misurare i progressi nei consumi di fonti rinnovabili tramite questa tecnologia. Come detto, i primi dati ( ) di monitoraggio sui consumi di fonti rinnovabili tramite pompe di calore in Italia, basati sull incremento degli stock di capacità installato, mostrano un trend che, allo stato attuale, non consentirebbe di raggiungere le previsioni di crescita del PAN. OSTACOLI ALLA DIFFUSIONE DELLE POMPE DI CALORE: IL PUNTO DI VISTA COAER Giampiero Colli Segretario Coaer Strumenti di sostegno non adeguati È evidente che se nonostante il potenziale descritto nell articolo precedente il mercato delle PdC non dà segni significativi di crescita, esistono degli ostacoli che vanno rimossi. Vediamo quali. Dimenticando per un attimo tutte quelle complesse formule sul ritorno attualizzato dell investimento e mettendosi nei panni dell utente normale che ragiona solo per schemi semplici, l unica formula comprensibile è la seguente. Qual è il maggior investimento che deve sostenere rispetto alla tecnologia tradizionale? Quanto risparmia ogni anno sulla bolletta energetica e quindi in quanti anni recupera il maggior investimento? Se ci vogliono più di 5 anni, l utente difficilmente fa l investimento sulla nuova tecnologia. Maggior investimento Conto termico Le nuove tecnologie sono quasi sempre più costose di quelle tradizionali e almeno per un certo periodo vanno sostenute con strumenti che aiutino l utente a impegnarsi in un maggior investimento; sono quindi necessari adeguati strumenti di sostegno all investimento, purtroppo il recente decreto Conto Termico sta dimostrando una scarsa remunerabilità e quindi appare di scarso interesse e utilità per l utente finale. Scarsa remunerabilità del Conto Termico: il DM 28 dicembre 2012 Conto Termico è una tappa essenziale per raggiungere gli obiettivi della Strategia Energetica Nazionale e si propone il duplice scopo di incentivare la produzione di energia termica da fonti rinnovabili e di accelerare gli interventi di efficienza energetica degli edifici. Dobbiamo ricordare che tuttora e fino al 30 giugno 2013 il Conto Termico convive con il meccanismo del 55% di detrazione fiscale per cui diventa inevitabile fare i confronti tra i due strumenti di incentivazione. Qui di seguito alcune nostre considerazioni: sapevamo che il Conto Termico non avrebbe avuto la stessa remunerabilità del 55% ed eravamo preparati a confrontare una minor remunerabilità (40%) con un incentivo erogato in un numero di anni inferiore ( 2 e 5 anni rispetto ai 10 anni del 55%). Avremmo quindi rimandato ogni valutazione ad una verifica successiva, per verificare se il mercato

5 18 avrebbe premiato un minor incentivo, ma dato in tempi brevi. Purtroppo il Decreto Termico contiene una serie di requisiti, inaspettati, che difficilmente consentiranno quello sviluppo del mercato delle rinnovabili ampiamente auspicato nella SEN. Scarsa remunerabilità: nelle note di accompagnamento presenti anche sul sito del MSE si annuncia che il Conto Termico garantisce circa il 40% dei costi di investimento. Secondo le nostre stime invece non supera il 20% dei costi di investimento. Se prendiamo ad esempio la sostituzione di un impianto termico esistente con un impianto con pompa di calore di 10 kw termici, verrebbe erogato in 2 anni un contributo complessivo che varia dai 499 euro in zona A fino ad un contributo di euro nella zona più fredda, la F. Costi fissi dell investimento: secondo le nostre stime, il costo dell investimento di un impianto a pompa di calore di 10 kw aria-acqua (IVA inclusa, al lordo di eventuale incentivo) è di circa 8000 euro, quindi la massima remunerabilità si ha nella zona F con il 18% dell investimento, a nostro parere di scarso interesse per l utente. Se facessimo un esempio con le pompe di calore geotermiche, dove i costi di investimento sono decisamente più alti, avremmo una copertura dell investimento inferiore al 10%. Inutile fare un esempio per la zona A!!! Risparmio sulla bolletta tariffa elettrica Accantonando per un attimo la scarsa remunerabilità nella speranza che, nonostante le nostre perplessità, il mercato dimostri interesse per il Conto Termico, prendiamo in esame i risparmi sulla bolletta energetica, condizione indispensabile per giustificare l investimento. Purtroppo, come vedremo, il sistema tariffario elettrico in vigore è estremamente penalizzante in particolare nel settore residenziale, dimostrandosi il vero ostacolo alla diffusione dei sistemi a pompa di calore. Le tariffe elettriche: il vero ostacolo alla diffusione delle pompe di calore: l utente, una volta sensibilizzato ed essendo disponibile ad impiegare le nuove tecnologie, decide in base ad un principio molto semplice: la convenienza, ovvero una sensibile riduzione dei costi di esercizio. Purtroppo non è così per le macchine elettriche, perché le tariffe elettriche sono il maggior ostacolo alla diffusione delle pompe di calore nel residenziale. Gli attuali regimi tariffari applicabili alle PdC non contribuiscono a rendere i costi variabili più contenuti di quelli dell opzione gas, non riflettendo il risparmio di energia primaria, né il contributo al consumo di energia rinnovabile, che la tecnologia PdC permette di conseguire. Nel caso delle PDC, come in quello delle altre tecnologie elettriche in grado di produrre risparmi di energia primaria, l applicazione dell attuale regolazione tariffaria entra in contraddizione con gli obiettivi di tutela ambientale e uso efficiente delle risorse. TABELLA 1 - Esempi di calcolo incentivo COP 4,1 Pompe di calore elettriche potenzialità fino a 35Kwt contributo Ci 0,055 complessivo erogato in 2 anni Quf Potenza/Zona climatica A B C D E F Tab. 1 Esempi di calcolo incentivo

6 Tabella 2 Esempi di calcolo: confronto tariffe D3, D2+BTA, Dedicata IL CTI INFORMA 19 Tariffe a confronto: mettiamo a confronto le tariffe che possono essere applicate all utente domestico: D2: si applica agli utenti domestici residenti che impegnano una potenza fino a 3kW; D3: si applica agli utenti domestici residenti che impegnano una potenza superiore a 3kW. Le tariffe D2 e D3 sono progressive su quattro scaglioni: il costo per kwh consumato cresce con gli scaglioni. D2+BTA (secondo contatore): dal 2008 (delibera AEEG 348/07) gli utenti domestici hanno la possibilità di installare un secondo contatore per i consumi della PdC e possono usufruire della tariffa BTA (flat, non progressiva). Come vedremo la D3 e la D2+BTA sono penalizzanti per le PdC: è quindi necessaria una tariffa specifica, in fase di definizione dalla AEEG, che noi abbiamo indicato come Dedicata per la quale abbiamo formulato una nostra proposta, con la quale si potrebbe ottenere una riduzione del 47% della bolletta energetica. Quando si passa da una vecchia tecnologia alimentata a gas ad una nuova tecnologia alimentata ad energia elettrica, per effetto di un distorcente sistema tariffario, la riduzione dei consumi non equivale ad una pari riduzione dei costi; in questo caso siamo di fronte ad una evidente discriminazione far utente gas e utente elettrico, come illustrato nel grafico seguente, con un esempio di sostituzione, nel domestico, di una vecchia caldaia a gas: L utente 1 decide di sostituirla con una caldaia a condensazione. L utente 2 decide di sostituirla con una pompa di calore: questo utente ( molto virtuoso ) nonostante sostenga un maggior investimento che gli consente di ottenere una forte riduzione dei consumi di energia primaria, maggiore della caldaia a condensazione, avendo applicata la tariffa D3 non viene premiato con una commisurata riduzione dei costi di esercizio. Purtroppo non è così e come dimostrano le seguenti tabelle, le pompe di calore devono scontare l effetto negativo dello fuel switch, ovvero del passaggio dal gas all elettrico. Come si può vedere nel grafico (fig.5) pur ottenendo TABELLA 2 - Esempi di calcolo: confronto tariffe D3, D2+BTA, Dedicata Cliente Kw impegnati 6 kw Consumim obbligati (luce,frigo,lavatrice) Consumielettrici PdC kwheltt SCOP 3,5 Fabbisogno soddisfatto kwhtermici Tariffa Quota/anno fissa Potenza impegnata D3 D2 + BTA Dedicata Costi Costi Costi Costi 22,70 21,58 188,66 45,00 91,43 51,03 89,42 93,00 Costo Consumi fissi CostoConsumi riscaldamento 513,53 417,19 489, ,56 958, ,00 Accise 181,60 167,07 Totale 2.226, , ,00 IVA 10% 222,68 140,41 145,80 Totale costi 2.449,50 489, , ,80 Totali costi riscaldamento (totale costi- costi consumi fissi D2) 1.959, , ,00 /kwh 0,37 0,29 0,21

7 20 Utenza : villa bifamiliare zona E Milano fabbis ogno complessivo Riscaldamento e ACS : Risparmi di kwtermici. Consumi kwh energia primaria Consumi (bolletta) Costi esercizio riscaldamento e ACS ( ) Energia Elett. Situazione Tipologia impianto Efficienza primaria kwh % m3 gas kwh elett Gas Elett. D3 Elett.BT Dedicata Esistente Caldaia Standard 0, Intervento A Caldaia Condensazione 0, ,8% Interevento B Pompa di calore 3, ,6% TABELLA 3 - Esempio di calcolo: intervento di sostituzione di una caldaia gas standard FIGURA 5 - Effetto switch fuel Tabella 3 Esempio di calcolo: intervento vanta giorni di sostituzione dall entrata in vigore di Riduzione dei consumi - Riduzione dei costi del presente decreto, una caldaia gas effetto switch standard fuel l Autorità per l energia elettrica e il gas definisce tariffe Pompa di calore - tariffa Dedicata - 47% - 48,6% elettriche specifiche per l utilizzo di tali impianti. I 90 giorni sono passati e siamo in trepida attesa, perché Pompa di calore - tariffa BT - 26,6% - 48,6% Pompa di calore - tariffa D3-6,8% è evidente che senza una sostanziale modifica tarif- faria non ci sarà quello sviluppo dei sistemi a pompa di - 48,6% Caldaia condensazione - 15,8% calore che tutti attendiamo. Costi Consumi Caldaia gas standard Si parla tanto di rilancio dell economia: quale miglior occasione per far risparmiare l utente sulla bolletta energetica, chiedendogli di investire i suoi risparmi in una Figura forte 5 Effetto riduzione switch fuel dei consumi (-48,6% rispetto alla tecnologia, lavoro e occupazione? caldaia standard), la riduzione dei costi è molto inferire -6,8% con la D3 e -26,6% con la BTA tenendo presente che per il doppio contatore dobbiamo prevedere almeno euro di installazione. È il motivo per cui, come anticipato sopra, è necessaria L ATTIVITÀ NORMATIVA SULLE POMPE DI CALORE Antonio Panvini panvini@cti2000.it una tariffa specifica per le PdC che noi abbiamo indicato come Dedicata con la quale di fronte ad una riduzione dei consumi di energia primaria del 48,6% l utente può riscontare una riduzione dei costi del 47%, che rende quindi conveniente la installazione di un sistema con Pompa di Calore. Il Conto termico, riconosce l esistenza di questo problema e delega l AEEG a definire tariffe elettriche specifiche per gli impianti di climatizzazione alimentati da PdC elettriche. L articolo 16 del Decreto, Misure di accompagnamento, recita al comma 4 Al fine di favorire la diffusione degli impianti di climatizzazione e scaldacqua utilizzanti pompe di calore elettriche e al fine di consentire la riduzione delle emissioni inquinanti locali, favorendo al contempo il raggiungimento degli obiettivi di cui al decreto ministeriale del 15 marzo , entro no- Come visto nei precedenti articoli, le pompe di calore rappresentano una tematica attuale e di notevole interesse. In ambito CTI esse sono quindi oggetto di particolari attenzioni non solo dal punto di vista generale e di sistema (ad esempio sono prese in considerazione dalla UNI/TS Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria ) ma anche dal punto di vista della normazione tecnica di prodotto tanto che è dedicato loro uno specifico gruppo di lavoro, il GL 503 Impianti di raffrescamento: pompe di calore, condizionatori, scambiatori, compressori, mentre un secondo, il GL 504 Impianti frigoriferi: sicurezza e protezione dell ambiente, ne prende in considerazione gli aspetti in comune con le macchine frigorifere.

8 IL CTI INFORMA 21 Entrambi i GL lavorano prevalentemente a livello internazionale, ma non solo. In particolare il GL 503 è interfaccia (mirror group) del CEN/TC 113 Heat pumps and air conditioning units, del CEN/TC 110 Heat exchangers, dell ISO/TC 86/ SC 02 Terms and definitions, dell ISO/TC 86/SC 03 Testing and rating of factory-made refrigeration systems (excluding systems covered by ISO/TC 86/SC 05, SC 06 and SC 07), dell ISO/TC 86/SC 04 Testing and rating of refrigerant compressors e dell ISO/TC 86/SC 06 Refrigeration and air-conditioning Testing and rating of air-conditioners and heat pumps. Il GL 504 invece segue le attività dell ISO/TC 86/SC 01 Safety and environmental requirements for refrigerating systems, dell ISO/TC 86/SC 08 Refrigerants and refrigeration lubricants e del CEN/TC 182 Refrigerating systems, safety and environmental requirements. Gli argomenti trattati riguardano gli aspetti di sicurezza e protezione dell ambiente legati agli impianti frigoriferi e quindi di conseguenza anche alle PdC. Su questa tematica specifica i progetti di norma elaborati in questi anni hanno avuto l obiettivo non solo di fornire le corrette informazioni sui nuovi refrigeranti in sostituzione di quelli banditi dal protocollo di Montreal, ma anche quelle per la corretta applicazione della direttiva europea PED. I vari WG del CEN/TC 113 a cui partecipano numerosi esperti italiani, si occupano di misura delle prestazioni degli apparecchi, della determinazione della rumorosità, delle pompe di calore con scambio terreno-acqua e delle pompe di calore per acqua sanitaria. Da segnalare in particolare il notevole contributo dato dalla delegazione italiana alla realizzazione della UNI EN 14825:2012 Condizionatori d aria, refrigeratori di liquido e pompe di calore, con compressore elettrico, per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti - Metodi di prova e valutazione a carico parziale e calcolo del rendimento stagionale. La norma si applica alle unità prodotte in serie e definite nella UNI EN , salvo alcune eccezioni e definisce il metodo per la determinazione del coefficiente di prestazione energetica stagionale (SEER e SEERon) e il coefficiente di performance stagionale (SCOP, SCOPon e SCOPnet). La stessa norma fornisce i dati per il calcolo dell efficienza energetica in riscaldamento degli edifici per specifici sistemi a pompa di calore, come definito nella UNI EN Il CEN/TC 113 ha inoltre recentemente pubblicato la specifica tecnica CEN ISO/TS 16491:2012 Guidelines for the evaluation of uncertainty of measurement in air conditioner and heat pump cooling and heating capacity tests, mentre sono in fase di pubblicazione le seguenti norme: EN Air conditioners, liquid chilling packages, heat pumps and dehumidifiers with electrically driven compressors for space heating and cooling - Measurement of airborne noise - Determination of the sound power level ; EN Air conditioners and liquid chilling packages with evaporatively cooled condenser and with electrically driven compressors for space cooling - Terms, definitions, test conditions, test methods and requirements ; EN Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps with electrically driven compressors for space heating and cooling - Part 1: Terms and definitions ; EN Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps with electrically driven compressors for space heating and cooling - Part 2: Test conditions ; EN Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps with electrically driven compressors for space heating and cooling - Part 3: Test methods ; EN Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps with electrically driven compressors for space heating and cooling - Part 4: Requirements ; EN Refrigerant compressors - Rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer s performance data. Per quanto riguarda i lavori ancora in corso invece si evidenzia in particolare il FprEN 14825rev Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps, with electrically driven compressors, for space heating and cooling - Testing and rating at part load conditions and calculation of seasonal performance attualmente allo stadio di Formal Vote (voto finale) che si chiuderà il prossimo 17 giugno. Per l ISO/TC 86 invece si segnalano i lavori sui seguenti progetti di norma, a differenti stadi di avanzamento: ISO/FDIS 817 Refrigerants - Designation and safety

9 22 classification ; ISO/FDIS Refrigerating systems and heat pumps - Safety and environmental requirements - Part 1: Definitions, classification and selection criteria ; ISO/FDIS Refrigerating systems and heat pumps - Safety and environmental requirements -Part 2: Design, construction, testing, marking and documentation ; ISO/FDIS Refrigerating systems and heat pumps - Safety and environmental requirements -Part 3: Installation site ; ISO/FDIS Refrigerating systems and heat pumps - Safety and environmental requirements -Part 4: Operation, maintenance, repair and recovery ; ISO/WD 5151 Non-ducted air conditioners and heat pumps - Testing and rating for performance ; ISO/WD Ducted air-conditioners and air-toair heat pumps - Testing and rating for performance ; ISO/WD Multiple split-system air-conditioners and air-to-air heat pumps - Testing and rating for performance ; Sono invece arrivati alla conclusione dell iter, con la pubblicazione finale avvenuta tra il 2012 e il 2013, le seguenti norme ISO: ISO 13971:2012 Refrigeration systems and heat pumps - Flexible pipe elements, vibration isolators, expansion joints and non-metallic tubes - Requirements and classification ; ISO 14903:2012 Refrigerating systems and heat pumps - Qualification of tightness of components and joints ; ISO :2013 Air-cooled air conditioners and air-to-air heat pumps - Testing and calculating methods for seasonal performance factors - Part 1: Cooling seasonal performance factor ; ISO :2013 Air-cooled air conditioners and air-to-air heat pumps - Testing and calculating methods for seasonal performance factors - Part 2: Heating seasonal performance factor ; ISO :2013 Air-cooled air conditioners and air-to-air heat pumps - Testing and calculating methods for seasonal performance factors - Part 3: Annual performance factor. SCHEMA DI CALCOLO PER GLI IMPIANTI GEOTERMICI A POMPA DI CALORE Dario Molinari molinari@cti2000.it Gli impianti geotermici a pompa di calore sono sistemi di climatizzazione che esprimono il massimo delle loro potenzialità quando sono utilizzati sia per la climatizzazio-

10 IL CTI INFORMA 23 ne estiva che per quella invernale; infatti uno dei vantaggi di questo tipo di impianti è proprio il poter evitare l installazione di due sistemi diversi, uno per il riscaldamento e uno per il raffrescamento. Inoltre la funzionalità e resa dell impianto dipendono, come per tutte le fonti di energia, dallo sfruttamento che ne viene fatto. Tuttavia i sistemi geotermici, a differenza della maggior parte delle fonti, presentano il vantaggio (e la necessità, in una qualche misura) di poter ricaricare la sorgente stessa: estraendo il calore durante la stagione invernale, il terreno intorno agli scambiatori subisce un abbassamento di temperatura. A lungo andare questo potrebbe far diminuire il rendimento della macchina, costretta a lavorare di più per estrarre calore da un terreno, che ha via via perso parte della sua riserva di energia. Durante la stagione estiva, tuttavia, il sistema geotermico raffresca l edificio trasferendone il calore nel terreno, di fatto ricaricandolo di energia termica e permettendogli, quindi, di recuperare almeno in parte quell energia che l impianto ha assorbito in inverno. Anche in quest ottica è quindi buona prassi per il progettista cercare di avere lunghezze degli scambiatori di calore, sia per la climatizzazione estiva che per quella invernale, il più possibile vicine, in modo tale da ridurre al minimo la differenza di energia assorbita e restituita al terreno. Nel caso ipotetico di un sistema in cui l energia assorbita dalla macchina sia la stessa di quella immessa nel terreno, nel ciclo annuale di funzionamento, il terreno non sarà soggetto a nessun tipo di deriva termica e le condizioni di effettivo funzionamento dell impianto saranno quelle di progetto; questo impedirebbe una perdita di rendimento della macchina, quindi maggiori risparmi energetici, e non andrebbe a limitare l installazione di un secondo sistema geotermico a pompa di calore nelle vicinanze, in quanto le condizioni termiche del terreno non sarebbero alterate dalla presenza del primo sistema. La fonte di energia degli impianti geotermici è il terreno, inteso come composto sia da una parte solida che da, eventualmente, una parte fluida (ovvero acqua di falda): esso costituisce, quindi, il serbatoio di calore che viene continuamente svuotato e riempito a seconda delle necessità dell utenza. Questi impianti sono fondamentalmente costituiti da tre sottosistemi: 1) la macchina pompa di calore, che scambia il calore tra due fluidi, uno che passa negli scambiatori a terreno e l altro che scorre nell impianto di emissione; 2) gli scambiatori di calore, ovvero gli elementi che assorbono o rilasciano il calore al terreno, che sono gli elementi a diretto contatto con il suolo; 3) le tubazioni e i collettori, che connettono la macchina pompa di calore agli scambiatori di calore. La norma UNI 11466:2012 Nel 2012 UNI ha pubblicato un pacchetto iniziale di tre norme per il settore delle pompe di calore a bassa entalpia con scambiatori a terreno, ovvero i sistemi geotermici a pompa di calore. Queste norme riguardano la progettazione, l installazione e gli aspetti ambientali connessi a questo tipo di impianti e devono essere utilizzate insieme. Con questo si intende dire che le tre norme devono essere conosciute e applicate contemporaneamente, in quanto la conoscenza di una sola di esse non garantisce una comprensione sufficiente di un sistema geotermico a pompa di calore. La norma UNI tratta il dimensionamento degli scambiatori geotermici e fornisce gli strumenti adeguati per un corretto dimensionamento del campo sonde, in quanto una buona progettazione deve non solo fornire l energia richiesta all edificio, ma anche evitare che il terreno perda la sua capacità di funzionamento come serbatoio geotermico. Infatti, un utilizzo eccessivo del terreno potrebbe privarlo della capacità di fornire (o assorbire) energia termica, o quantomeno il processo richiederebbe molta più energia elettrica di quanta prevista nel progetto iniziale. La norma richiede la conoscenza di alcuni dati iniziali, in particolare le caratteristiche fisiche del terreno e i fabbisogni energetici dell edificio e fornisce anche alcune indicazioni su come ottenere la caratteristiche del terreno richieste, oltre che la procedura di esecuzione di un test di risposta termica. Dati iniziali necessari per il dimensionamento degli scambiatori di calore verticali Il dimensionamento degli scambiatori a circuito chiuso deve necessariamente tenere in considerazione il fattore

11 24 di scambio termico col terreno e la macchina pompa di calore, che permette il trasferimento di energia termica tra il sistema di emissione (che si trova nell edificio) e quello di captazione (ovvero gli scambiatori a terreno). Si deve comunque tenere in considerazione il fatto che le temperature del terreno, a causa dell interferenza causata dal suo utilizzo come serbatoio di calore, saranno modificate nel tempo. La norma fornisce anche la metodologia di calcolo per prevedere questa variazione e come tenerne conto nei calcoli per il dimensionamento. In particolare, prima di iniziare un qualunque tipo di analisi e di dimensionamento del sistema geotermico, sono necessari tre tipi di dati, su cui il progettista del sistema non ha potere decisionale: 1) le caratteristiche termo-fisiche del terreno, ottenute tramite un analisi geologica del terreno; 2) i dati riguardanti la macchina pompa di calore (COP/ GUE/EER), forniti dal produttore della macchina; 3) i fabbisogni energetici dell edificio nelle due stagioni climatiche (riscaldamento e raffreddamento), ottenuti tramite le norme UNI/TS e UNI/TS A questi dati, che prescindono dalla tipologia di scambiatore che si sta progettando, vanno aggiunti i dati relativi al sistema specifico che si vuole realizzare, ovvero: 4) la tipologia di scambiatori che si sta progettando (verticali, orizzontali, circuito aperto, circuito chiuso, pali geotermici ); 5) le proprietà termiche dei materiali del geoscambiatore (conduttività termica dei tubi, del materiale di riempimento, diametro e tipologia delle tubazioni). Lo scopo della progettazione è calcolare le lunghezze di progetto degli scambiatori necessarie a soddisfare le richieste di energia per la climatizzazione invernale ed estiva. Le formule necessarie al dimensionamento degli scambiatori di calore verticali (che sono strutturalmente simili a quelle per il calcolo di quelli orizzontali) sono formalmente identiche per la climatizzazione estiva e invernale e viene presentata solo quella relativa alla stagione invernale. La formula utilizzata per il calcolo è: L h = Q a R ga + Q g, hd [ R + ( PLF R ) + ( R F )] b θ wi + θ θ g 2 m, hd wo h D gm θ p gd sc dove: è il flusso termico medio scambiato con il terreno Q a nell arco di un anno, espresso in watt; questo fattore tiene in conto le efficienze medie stagionali e il numero di ore equivalenti a pieno carico, nelle due stagioni climatiche, della macchina; è la potenza termica di progetto lato terreno Q g, h D durante la stagione di riscaldamento, espressa in watt; questo fattore permette di tenere conto dell efficienza di progetto in riscaldamento; è il fattore di carico parziale nel mese di PLF m, h D progetto di riscaldamento, (adimensionale); questo fattore deve essere calcolato partendo dai fabbisogni energetici di riscaldamento nel mese di progetto, che è il mese in cui si registra la maggior richiesta energetica per il riscaldamento; PLF è il fattore di carico parziale nel mese di m, c D progetto di raffrescamento, (adimensionale); questo fattore deve essere calcolato partendo dai fabbisogni energetici di raffrescamento nel mese di progetto, che è il mese in cui si registra la maggior richiesta energetica per il raffrescamento; F è il fattore di perdita per possibile cortocircuito sc termico nello scambiatore di calore a terreno tra tubo di mandata e tubo di ritorno, (adimensionale); il valore di questo termine deve essere calcolato mediante interpolazione dei dati presentati nella norma, a partire dal numero di scambiatori in serie nel circuito e dalla loro portata; R è la resistenza termica equivalente per unità di lunghezza dello scambiatore di calore corrispondente b allo scambio termico tra il fluido termovettore e la superficie della perforazione (superficie di interfaccia tra riempimento della perforazione e il terreno), espressa in [m K/W]; questa resistenza termica è la somma di altre tre resistenze termiche, ovvero quella del tubo, quella del materiale di riempimento e quella del tubo esterno (eventuale). La resistenza termica del tubo dipende non solo dalla conduttività termica del materiale di cui è costituito, ma anche dal rapporto tra i diametri interno ed esterno. Il fattore dipendente dal coefficiente di scambio termico per convezione all interno del tubo può, invece, gene-

12 IL CTI INFORMA 25 ralmente essere tralasciato, in quanto la sua influenza sulle dimensioni finali degli scambiatori è abbastanza trascurabile. La resistenza termica del materiale di riempimento, invece, dipende, oltre che dalla conduttività termica del materiale stesso, anche dal posizionamento dei tubi di mandata e ritorno del fluido termovettore all interno della geosonda: più i tubi sono vicini tra di loro, infatti, maggiore è la resistenza termica. R è la resistenza termica efficace del terreno, per ga unità di lunghezza, riferita all impulso annuale, espressa in [m K/W]; R è la resistenza termica efficace del terreno, per gm unità di lunghezza, riferita all impulso mensile, espressa in [m K/W]; R è la resistenza termica efficace del terreno, per gd unità di lunghezza, riferita all impulso giornaliero, espressa in [m K/W]; Il calcolo delle resistenze termiche del terreno, riferite ai diversi impulsi, deve passare attraverso la definizione dei numeri di Fourier relativi, che dipendono sia dalla durata degli impulsi che dalla diffusività termica del terreno e dal diametro della perforazione. θ è la temperatura del terreno indisturbato (non influenzato dal funzionamento dello scambiatore di g calore), espressa in [ C]; questo dato può essere ricavato tramite un Test di Risposta Termica (TRT), ma visto il costo di esecuzione spesso questo test viene eseguito per impianti di grandi dimensioni. La procedura per eseguire un TRT è specificata nella norma UNI 11466:2012 θ è la temperatura del fluido termovettore entrante wi D nello scambiatore di calore a terreno (temperatura in uscita dalla pompa di calore) in condizioni di progetto, espressa in [ C]; θ è la temperatura del fluido termovettore uscente wod dallo scambiatore di calore a terreno (temperatura in ingresso alla pompa di calore) in condizioni di progetto, espressa in [ C]; θ è la temperatura di penalizzazione, espressa in p [ C]. Questo dato indica la variazione di temperatura all interno del terreno dopo dieci anni di funzionamento del sistema geotermico e serve a tenere in considerazione il fatto che le condizioni di lavoro del sistema cambiano nel tempo. La procedura di calcolo fornisce le lunghezze degli scambiatori di calore sia per la climatizzazione estiva che per quella invernale in quanto, normalmente, i fabbisogni energetici nelle due stagioni sono differenti; sta al progettista decidere per quale delle due lunghezze dimensionare l impianto, ovvero se sovradimensionarlo per una stagione o sottodimensionarlo per l altra. Un occhio di riguardo deve essere riservato alla temperatura di penalizzazione, che è l indicatore dello sfruttamento del serbatoio geotermico. La temperatura di penalizzazione, in un sistema ben dimensionato, dovrebbe tendere a 0: in questo caso infatti il serbatoio geotermico viene sfruttato come polmone termico, ma le sue risorse termiche non diminuiscono nel tempo. FIGURA 6 - Schema di calcolo

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