Il presente lavoro di tesi analizza una serie di configurazioni di impianto caratterizzate dalle medesime richieste energetiche. A partire da layout semplici, che utilizzano quasi esclusivamente combustibili fossili quale fonte di energia primaria, si passa progressivamente a layout totalmente elettrici che utilizzano le pompe di calore come unico generatore termico. A queste si affianca l’azione dei pannelli solari che contribuiscono a ridurre il fabbisogno di energia primaria complessiva dell’impianto. La proposta impiantistica di questo lavoro è il layout 4, del quale verranno analizzati i risparmi di energia primaria non rinnovabile ottenuti rispetto alla configurazione del layout 3. Quest’ultimo rappresenterà infatti il modello di confronto totalmente elettrico a cui fare riferimento.
In tutte le configurazioni esaminate l’ACS è prodotta ‘in diretta’ facendo passare l’acqua dell’acquedotto in un apposito serpentino in acciaio inox immerso nell’accumulo. Per quanto riguarda, invece, i generatori di energia termica collegati agli accumuli, questi alimentano direttamente il bulk, interfacciandosi con tutto il contenuto di acqua dell’accumulo. Il solare termico scalda l’accumulo scambiando con il contenuto d’acqua di quest’ultimo attraverso un altro serpentino immerso.
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LAYOUT 1
Configurazione invernale
Configurazione estiva
Questa configurazione rappresenta la grande maggioranza degli impianti esistenti e verrà utilizzata come benchmark di riferimento per gli impianti che, ancora, utilizzano per lo più combustibili fossili per far fronte ai fabbisogni di climatizzazione degli ambienti e produzione di acqua calda sanitaria. Nella fattispecie, viene utilizzata una caldaia tradizionale interfacciata ad un accumulo termico per la produzione di ACS. Per quanto riguarda, invece, i fabbisogni di riscaldamento e raffrescamento, questi vengono soddisfatti rispettivamente da una caldaia a condensazione e un chiller elettrico.
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LAYOUT 2
Configurazione invernale
Configurazione estiva
Rispetto alla configurazione precedente, quest’ultima utilizza una pompa di calore reversibile per far fronte alle esigenze di riscaldamento e di raffrescamento dell’edificio. Per la produzione di ACS, viene mantenuta la tradizionale caldaia a gas.
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LAYOUT 3
Configurazione invernale
Configurazione estiva
Questa configurazione abbandona definitivamente l’utilizzo di combustibili fossili per far fronte alle richieste energetiche di climatizzazione e produzione di acqua calda sanitaria. Rispetto alle precedenti, introduce una ulteriore pompa di calore aria/acqua che sostituisce la caldaia nella produzione di ACS.
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LAYOUT 4
Configurazione invernale
Configurazione estiva
La configurazione proposta nel presente lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di ridurre l’energia primaria utilizzata per la produzione di acqua calda sanitaria nei casi in cui il generatore termico è una pompa di calore aria/acqua.
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La configurazione invernale, per la parte esclusivamente dedicata al riscaldamento dei locali, è del tutto simile alla precedente. Una pompa di calore aria/acqua reversibile è direttamente accoppiata al circuito dei pannelli radianti. Per quanto concerne la produzione di acqua calda sanitaria, le basse temperature dell’aria esterna (tipiche delle applicazioni di produzione ACS) e le elevate temperature di mandata contribuiscono a penalizzare in termini energetici l’utilizzo della pompa di calore con sorgente aria. Si ricorre, allora, alla ‘creazione’ di una sorgente termica a temperatura intermedia caratterizzata da buona capacità di accumulo che possa rappresentare un pozzo termico per la pompa di calore aria/acqua e, allo stesso tempo, una sorgente per l’utilizzo di una seconda pompa di calore. Quest’ultima collega i due accumuli prelevando, secondo opportune logiche, energia termica dall’accumulo ‘freddo’, appena menzionato, e cedendola all’accumulo ‘caldo’. L’energia prelevata dall’aria viene, quindi, stoccata ad un livello termico intermedio, consentendo alla pompa aria/acqua di lavorare a più elevati valori di efficienza, e poi traferita fino al livello termico finale dalla pompa acqua/acqua. Quest’ultima presenta diversi vantaggi rispetto alla aria/acqua, tra questi se ne elencano i principali:
non risente delle continue oscillazioni termiche della sorgente e lavora, pertanto, ad efficienze piuttosto costanti;
non comporta elevati assorbimenti elettici ausiliari, che caratterizzano per esempio i ventilatori all’evaporatore delle pompe aria/acqua;
non è penalizzata dai frequenti cicli di defrost che affliggono il funzionamento della pompe aria/acqua nei climi particolarmente rigidi.
Per quanto riguarda la configurazione estiva, il carico di raffrescamento dell’edificio verrà soddisfatto o direttamente dalla pompa di calore aria/acqua reversibile o dall’accumulo ‘freddo’. Quest’ultimo, infatti, verrà portato a temperature tra i 5 e i 15 °C e sarà in grado di sottrarre energia termica ai locali della palestra. La pompa di calore acqua/acqua, prelevando energia termica all’accumulo ‘freddo’, apporta un ulteriore effetto utile al sistema consentendo a quest’ultimo di raffreddarsi dopo aver sottratto calore dai locali. In determinate condizioni, il prelievo termico all’accumulo ‘freddo’ potrebbe comportare un eccessivo sottoraffreddamento di quest’ultimo. Per evitare questo inconveniente si predispone un apposito scambiatore aria/acqua sul quale, in questi
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casi, verrà effettuato il prelievo di energia termica. Si utilizza quindi l’aria come sorgente evitando di raffreddare troppo l’accumulo. Come si vedrà in seguito, nella descrizione della gestione del prelievo termico all’evaporatore della pompa acqua/acqua, in alcune condizioni questo potrà essere ripartito su entrambe le sorgenti termiche disponibili parzializzando sulla portata d’acqua alla mandata dell’evaporatore. Il funzionamento in modalità polivalente, quando possibile, consente di ottenere ulteriori risparmi legati sia alla elevata efficienza con la quale la pompa di calore soddisfa contemporaneamente le due distinte richieste termiche dell’utenza e sia alla riduzione dell’utilizzo della pompa di calore aria/acqua reversibile direttamente sul carico di raffrescamento. Per tutto il periodo estivo non si rende necessario l’utilizzo della pompa di calore aria/acqua che, nella configurazione invernale, serviva a caricare l’accumulo ‘freddo’.
I pannelli solari termici, in quest’ultima configurazione, possono essere interfacciati ad entrambi gli accumuli per quanto riguarda il periodo invernale. Il collegamento con l’accumulo ‘freddo’, piuttosto che con quello ‘caldo’, comporta una serie di vantaggi e svantaggi legati alle diverse temperature operative del fluido termovettore e alle diverse logiche di gestione degli accumuli e delle pompe di calore. Per quanto riguarda, invece, la configurazione estiva il collegamento con l’accumulo ‘caldo’ rappresenta una scelta obbligata in quanto, in caso contrario, si andrebbero a ridurre gli effetti benefici indotti dal funzionamento in modalità polivalente della pompa di calore acqua/acqua.
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