RISCALDAMENTO E CLIMATIZZAZIONE

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1 RISCALDAMENTO E CLIMATIZZAZIONE Gli oneri economici relativi al riscaldamento invernale e alla climatizzazione estiva di un edificio residenziale sono da considerarsi tra le componenti di spesa principali che una famiglia è tenuta ad affrontare. Osservando in maniera meno focalizzata, recenti studi hanno dimostrato che l energia destinata all ambito degli edifici si avvicina al 40% rispetto alla totale energia destinata agli impieghi finali (industria, trasporti, civile, agricoltura). (Figura 1). Figura 1 Impieghi finali di Energia - Italia 2013 Ne risulta quindi l importanza del settore per quanto riguarda la spesa energetica nazionale e, di concerto, il potenziale di riduzione a disposizione. Il settore dell energetica degli edifici è dunque molto dinamico e si presta a una crescita continua. Il trend crescente è aumentato molto negli ultimi anni, presentando sistemi di contenimento della spesa energetica che agiscono su più fronti. Dapprima si sono sviluppati materiali e tecnologie che consentano un maggiore isolamento termico dell involucro edilizio, presentando e sviluppando soluzioni quali l isolamento a cappotto e serramenti con migliori caratteristiche termiche. Ad un buon isolamento termico è necessario abbinare un buon sistema impiantistico che consenta la generazione di calore, trasmissione e diffusione in ambiente nei modi più efficienti possibili.

2 Dal punto di vista della generazione di calore, nel territorio italiano questa avviene nella grande maggioranza dei casi attraverso la combustione di un combustibile. Ad oggi il combustibile più utilizzato risulta essere il gas naturale, ma si è vista una notevole crescita tecnica di impianti che impieghino anche altre tipologie come legname in vari formati (pellets, cippato..). La migliore tecnologia a disposizione per le caldaie a combustione sicuramente è la possibilità di recuperare il calore latente del vapore acqueo presente nei fumi della combustione con le cosiddette caldaie a condensazione. Nei normali generatori a combustione infatti i fumi di scarico caldi venivano fatti evacuare proprio per evitare la formazione di condense acide che avrebbero potuto danneggiare lo stesso generatore; in questo modo viene disperso il vapore acqueo contenuto nei fumi il cui calore latente rappresenterebbe circa l 11% della totale energia resa a disposizione dalla combustione. L impiego di materiali più resistenti ha consentito di recuperare una buona parte di questo calore latente facendo condensare il vapore acqueo in uno scambiatore di calore aggiuntivo. Il fenomeno di condensazione va dunque a preriscaldare l acqua in ingresso alla caldaia (2) prima che questa entri nella sezione degli scambiatori principali (1) (Figura 2). Tanto più bassa è la temperatura dell acqua, tanto maggiore sarà la condensazione e tanto migliore risulterà essere l efficienza; ne viene che queste caldaie funzionano nella maniera migliore quando vengano abbinate a impianti a bassa temperatura, come il classico pavimento radiante, offrendo rendimenti molto vicini all unità. La presenza di un generatore di calore a combustione implicherà per forza di cose (senza voler impiegare macchine ad assorbimento) la presenza di un ulteriore impianto per il condizionamento estivo; sebbene non obbligatorio (a differenza dell impianto di riscaldamento), aumenta di molto il grado di soddisfazione ed il benessere all interno degli edifici.

3 Figura 2 Caldaia a condensazione La combustione non è l unica modalità di generazione di calore. Esistono infatti tecnologie che prevedono uno scambio termico in assenza di combustione. E il caso delle pompe di calore; queste macchine sfruttano le caratteristiche chimico-fisiche di determinati fluidi frigorigeni per trasportare del calore da una sorgente a temperatura più bassa ad un ambiente a temperatura più alta attraverso un ciclo chiuso. In termini di efficienza, nel caso di pompe di calore si fa riferimento al Coefficiente di Effetto Utile (COP) che rappresenta il rapporto tra energia resa alla sorgente di interesse e l energia spesa. Normalmente, l energia spesa è elettrica per il funzionamento del compressore. Valori reali per il COP delle macchine in commercio sono tra il 3 e il 4. Ciò significa che, per ogni kwh di energia spesa, si ottengono 3 (o 4) kwh di energia resa. Questo fatto dimostra come l utilizzo di pompe di calore ad alta efficienza sia molto positivo nei confronti del contenimento della spesa energetica. L energia elettrica necessaria inoltre può essere prodotta in parte grazie ad un sistema fotovoltaico, riducendo ancora l energia effettivamente richiesta alla rete. Se questi sono gli aspetti positivi dell utilizzo delle pompe di calore, va considerato tuttavia che l effettivo rendimento dipenderà dalla differenza di temperatura tra i due ambienti. Maggiore è la differenza di temperatura, minore sarà la resa (a parità di energia spesa). Ciò significa che in condizioni molto rigide (tali per cui

4 risulterebbe necessaria una resa maggiore) il COP diminuisce. Una corretta progettazione e dimensionamento dell impianto comunque riduce al minimo questa problematica. Figura 3 Schema pompa di calore Una soluzione ancora più complessa si ha qualora si impieghi un sistema che sia in grado di scambiare calore tra ambiente interno e terreno. In questi sistemi pompe di calore geotermiche la sorgente esterna non è più rappresentata dall aria bensì dal terreno (o l acqua che si trova nello stesso). La grande stabilità e costanza della temperatura del terreno consente di limitare in maniera importante la variazione del COP in funzione della temperatura dell aria esterna; tuttavia questi sistemi richiedono investimenti economici maggiori per la realizzazione, anche a seconda della diversa tipologia impiantistica utilizzata. Anche in questo caso, l energia spesa sarà di tipo elettrico per il funzionamento del compressore. In aggiunta, nel caso di pompe di calore geotermiche a circuito chiuso, vi sarà da tenere in considerazione la presenza di pompe di circolazione per il fluido secondario che circola nelle sonde inserite nel terreno. L energia elettrica proveniente dal parco termoelettrico italiano è stata prodotta con un rendimento medio pari a circa il 40%. Ciò significa che mediamente, per ottenere 1 kwh elettrico nelle centrali di produzione dell energia elettrica viene consumata energia termica per 2.5 kwh (1/0.4). Considerando un COP pari a 4, quindi, si ottengono 4 kwh termici avendone spesi 2.5. Per confronto, nelle migliori caldaie a condensazione con rendimento unitario, con una uguale spesa di 2.5 kwh termici si ottiene esattamente 2.5 kwh di energia utile. Risulta quindi piuttosto palese la migliore efficienza di lavoro che caratterizza le pompe di calore.

5 Ulteriore vantaggio di questi sistemi è la totale assenza di emissioni sul posto, presenti invece nel caso di generazione di calore con generatore a combustione. La presenza di un sistema a pompa di calore rende inoltre possibile, con l inversione del ciclo, anche il condizionamento estivo senza ulteriori oneri impiantistici. A fronte di tutto ciò, la spesa necessaria per l installazione di questi sistemi risulta essere superiore a quella necessaria per l installazione di una caldaia e la relativa convenienza risulta dipendere molto dal costo dell energia elettrica. Si è visto come entrambi i sistemi qui brevemente introdotti funzionino al meglio quando lavorino con temperature del fluido termovettore medio/basse. Questa considerazione ha portato negli anni allo sviluppo di sistemi diversi dai classici termosifoni per il riscaldamento degli ambienti; grande impiego infatti si è fatto dei sistemi radianti. La principale peculiarità di questi sistemi è la grande superficie di scambio termico a disposizione, tramite la quale, a parità di apporto termico richiesto, si riesce a far diminuire la temperatura del fluido termovettore. Ne esistono di diverse tipologie; la soluzione classica prevede il posizionamento nel pavimento di una (o più) tubazione entro la quale venga fatto scorrere il fluido termovettore (acqua) proveniente dal generatore, ad una temperatura che generalmente sta tra i 30 e i 35 C. Rispetto a un comune sistema a termosifoni, con il pavimento radiante si riesce a garantire un migliore comfort termico grazie alla maggiore uniformità di distribuzione del calore e dal diverso moto convettivo dell aria ambiente che viene ad instaurarsi. Questo sistema inoltre non pone vincoli estetici e di arredamento, essendo totalmente nascosto alla vista, e con una gestione attenta contribuisce al risparmio energetico delle abitazioni nei quali è installato. La logica di gestione di un impianto radiante è quella di mantenere quando più costante possibile la temperatura all interno degli ambienti. La maggiore inerzia termica delle strutture che vengono a riscaldarsi infatti comporterà un tempo maggiore per il raggiungimento della temperatura di progetto, tuttavia una volta raggiunta l input energetico necessario a mantenerla sarà molto basso. L utilizzo previsto in questi sistemi dunque deve essere di tipo continuativo, evitando continue accensioni e spegnimenti. Avendo a disposizione una pompa di calore, è possibile sfruttare l impianto anche per il raffrescamento estivo, ponendo tuttavia particolare attenzione alla temperatura di mandata

6 dell acqua nel circuito per evitare la possibilità di condensazione del vapore acqueo dell aria interna attorno alle strutture. In particolare, nel caso di raffrescamento radiante, se si vuol avere un controllo anche sull umidità ambiente sarà necessario impiegare un ulteriore impianto di deumidificazione (tipicamente con macchine progettate ad hoc per la deumidifica isoterma). Gli oneri necessari per una soluzione radiante sono tuttavia superiori rispetto all utilizzo di altri terminali e comportano vincoli negli spessori e nella realizzazione delle strutture che li conterranno. L alta inerzia termica inoltre comporta un adeguamento meno rapido in caso di repentine variazioni della richiesta di calore. Esistono ulteriori modalità di immissione del calore in ambiente; in particolare, attraverso l utilizzo di ventilconvettori si può ottenere una dinamica diversa di gestione degli ambienti rispetto ai pannelli radianti. Queste unità sono composte, nella versione più classica, di una batteria di scambio termico alettata e un ventilatore. All interno della batteria scorre il fluido proveniente dal generatore di calore che scambia calore con l aria ambiente spinta dal ventilatore. Al contrario dei sistemi radianti, queste unità hanno una bassissima inerzia termica e consentono di portare rapidamente in temperatura gli ambienti, adattandosi bene a repentini cambiamenti di richieste. Devono tuttavia lavorare a temperature dell acqua superiori, tipicamente intorno ai C. Anch essi hanno la possibilità di funzionare in modalità di raffrescamento estivo e gestire anche eventuale deumidificazione. Sistemi più complessi prevedono, oltre alla gestione dei carichi termici, anche un eventuale controllo sulla qualità dell aria interna attraverso funzioni di ricambio d aria automatizzate. Negli edifici più efficienti infatti l impermeabilità dell involucro, utile a diminuire le dispersioni, comporta anche una drastica diminuzione del ricambio d aria passivo (infiltrazioni). L unico sistema di ventilazione e ricambio rimane dunque l apertura manuale degli infissi. Unità più complesse prevedono il ricambio d aria automatizzato con bocchette di estrazione e altre di mandata (ventilazione a doppio flusso) e integrazione termica dell aria in mandata attraverso batterie di scambio termico ad acqua o a espansione diretta. Quasi sempre questi sistemi sono dotati di un recuperatore di calore per recuperare parte dell energia dell aria in espulsione che andrebbe altrimenti perduta all esterno.

7 Hanno la possibilità di lavorare sia in stagione invernale sia in stagione estiva, e spesso adottano controllistiche che consentono una gestione intelligente, adottando ad esempio una logica di free cooling se le condizioni lo consentono. Sono unità che si prestano ad essere utilizzate in ambienti ad elevata efficienza energetica, dove l input energetico da fornire è ridotto rispetto alla superficie e alla volumetria e qualora si voglia avere un controllo efficiente in termini di qualità dell aria interna andando così ad aumentare il livello di comfort interno e il benessere percepito. Da questa breve introduzione ai principali sistemi di condizionamento residenziali si può intuire come non vi sia una soluzione univoca. La soluzione ottimale deve considerare infatti un insieme di fattori non solamente tecnici ma anche personali, in una progettazione personale e dedicata, che porta a risultati diversi in funzione di ogni caso analizzato. Oltre a ciò, esistono tecnologie che consentono di controllare in maniera sempre più efficace i parametri di comfort ambientale interno (temperatura, umidità, qualità dell aria) e l utilizzo di queste stesse comporta un aumento del soddisfacimento e del benessere all interno degli edifici, oltre che una sensibile e apprezzabile riduzione del fabbisogno energetico.