Carico invernale e estivo

Il modello permette anche l’analisi di sistemi con carico di riscaldamento invernale e raffre- scamento estivo, quindi anche in questo caso si vogliono testare le prestazioni dei sistemi GS-GAHP. Le pompe ad assorbimento sono reversibili, anche se intrinsecamente conve- nienti solo con carichi sbilanciati verso l’inverno. Si utilizza come generatore di back-up estiva una pompa di calore aria-acqua modulante. Per l’analisi delle prestazioni si utilizza il metodo di interpolazione di normativa delle specifiche di progetto. Si suppone che il generatore di back-up estivo lavora per dieci ore dalle 9.00 alle 19.00, dunque si considera

la temperatura della sorgente esterna come la media mensile durante queste ore, tramite la distribuzione oraria proposta in normativa [21]. Si deve anche aggiungere un qualche limite alle temperature massime del fluido dal circuito geotermico. Nel catalogo della pom- pa di calore geotermica si dichiara la temperatura massima di ritorno dalle sonde a 45 ℃, ma con alte temperature si deve porre attenzione anche ai materiali dei tubi del circuito geotermico. Si rappresenta il carico termico analizzato in Figura3.31(a), anche esso preso dall’esempio numerico della normativa [27] e scalato con potenza massima media mensile invernale di 40 kW . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 mese Fabbisogno [MWh]

(a) Fabbisogno termico (b) Risultati ottenuti

Figura 3.31: Analisi del sistema con carico estivo

Si analizzano i risultati in Figura 3.31(b). I risparmi massimi sono intorno al 10% ma sono derivanti solamente dal funzionamento invernale, infatti la soluzione prevede in estate lo spegnimento del sistema geotermico e l’utilizzo della pompa di calore elettrica ad aria. Ciò era immaginabile dai rendimenti in gioco delle varie macchine, infatti la pompa di calore ad aria può superare EER di 3 mentre i GUE in funzionamento estivo in condizioni nominali sono sempre inferiori a 0.7 [32]. Ciò comporta varie conseguenze:

1. Si hanno delle prestazioni peggiori dei sistemi ad assorbimento e un maggior consumo di energia primaria, mentre le pompe di calore generalmente assicurano prestazioni di EER = 3, quindi di P ER > 1.

2. Per i sistemi GAHP le potenze frigorifere che possono smaltire in condizioni nominali sono minori di quelle che possono cedere in inverno. Ad esempio per la macchina in esame la potenza termica nominale è0 42 kW mentre quella frigorifera è 17.2 kW . 3. Per il bilancio termico l’energia da smaltire nella sorgente esterna è la somma di

quella estratta dall’utenza e quella sprigionata dalla combustione. Quindi con GUE ≈ 0.6 si deve smaltire una potenza al terreno poco minore del doppio rispetto alla potenza frigorifera richiesta dall’utenza. Con alti carichi si rischia di raggiungere alte temperature del fluido geotermico e violare i vincoli di funzionamento della macchina e i limiti operativi dei componenti del circuito geotermico.

principalmente invernale con carichi estivi sufficientemente piccoli da poter essere coperti da una pompa di calore ad assorbimento, i sistemi GAHP potrebbero essere interessan- ti. Infatti sopperirebbero le basse performance in refrigerazione con il doppio vantaggio di non necessitare dell’integrazione estiva e di alzare la temperatura del terreno con una diminuzione dell’effetto di deriva termica e migliori prestazioni invernali.

Analisi dell’impianto di Oulx

Si analizza l’impianto con pompa di calore ad assorbimento e sorgente esterna geotermica, installato nella scuola materna di Oulx (TO). Dopo una descrizione del sistema di riscal- damento e della logica di gestione, si analizzano i dati di monitoraggio a disposizione e si applicano le informazioni raccolte al modello descritto nel Capitolo3.

4.1

Caratteristiche dell’impianto

L’utenza in esame è la scuola dell’infanzia di Oulx, paese alpino della provincia di Torino, a 1100 msopra il livello del mare e in zona climatica F con 4100 gradi giorno. La struttura è caratterizzata da una superficie utile calpestabile di 893.27 m2_{, superficie lorda disperdente} di 2216.65 m2 _{e volume lordo di 3013.87 m}3 _{(con rapporto S/V = 0.74). La struttura si} trova nella piana alluvionale che si estende intorno al fiume Dora Riparia. Non ci sono particolari vincoli restrittivi sulla disponibilità di terreno nelle vicinanze, dunque il luogo è adatto per il posizionamento di sonde geotermiche verticali sufficientemente lontane (dalla vista aerea in Figura4.1 si osserva che la struttura è sufficientemente isolata rispetto alle altre costruzioni).

La scuola è stata costruita prima del 1990, mentre nell’estate 2012 è stato effettuato il retrofit dei locali con un netto miglioramento delle superfici disperdenti dell’edificio e con l’installazione della pompa di calore ad assorbimento geotermica. La struttura si erige su un piano sopraelevato, in parte sopra ad un locale seminterrato non riscaldato. Le pareti verticali prima dei lavori erano formate da pilastri in cemento armato intervallati da murature in laterizio, le finestre erano a vetro singolo con serramenti in legno e pannelli sottofinestra. Gli sbalzi termici caratteristici dei climi alpini avevano alterato le proprietà volumetriche delle strutture sottofinestra e un’attenta analisi termografica ha mostrato le elevate dispersioni termiche causate da questi elementi. Già nel 2010 è stata completata la riqualificazione del tetto con coibentazione tramite pannelli di poliuretano con lamina di alluminio goffrato. Oltre agli elevati costi di esercizio per le alte dispersioni, le infiltrazioni davano problemi di condensa negli ambienti, di pareti fredde e quindi un basso livello di confort (nonostante si mantenesse la temperatura interna pari a 20℃). Gli utilizzatori erano classici radiatori in ghisa, la regolazione era fatta con valvola miscelatrice che fissava la temperatura di mandata tramite una sonda climatica esterna. Le perdite dei sottosistemi di emissione, regolazione e distribuzione ammontavano a 25%. L’impianto termico era composto da una caldaia tradizionale a gas naturale, con bruciatore atmosferico, gestita a temperatura fissa e funzionamento di tipo on-off, con potenza al focolare di 168 kW e potenza termica utile di 163 kW . La prima azione di retrofit è stata dedicata per il miglioramento dell’involucro edilizio.

(a) L’isolamento del cappotto esterno (b) I pannelli radianti

Figura 4.2: Retrofitting della scuola di Oulx

I lavori di riqualificazione sono stati mirati ad una diminuzione delle perdite termiche, senza modificare l’aspetto dell’edificio. Sono stati modificati i serramenti con nuovi telai in legno, le finestre sono state attrezzate con doppio vetro ed si è attuato un isolamento a cappotto su tutta la superficie perimetrale esterna, sul solaio e sul piano di calpestio (Figura4.2(a)).

Si confrontano in Tabella4.1 le trasmittanze dei vari elementi della struttura prima e dopo i lavori di riqualificazione, confrontati agli attuali limiti di legge imposti. In Figura4.3

(a) Vecchia struttura (b) Nuova struttura

Figura 4.3: Valori delle dispersioni prima e dopo la riqualificazione [35] Superfici Uvecchio Unuovo Ulegge

[W/(m2K)] [W/(m2K)] [W/(m2K)] Muro perimetrale 1.05 0.18 0.25

Falda tetto 0.18 0.18 0.23

Sottofondo con vespaio 1.39 0.35 0.36 Porte e finestre est. 3.27 1.1 1.4 Struttura sottofinestra 4.30 0.14 0.25

Tabella 4.1: Valori delle trasmittanze prima e dopo la riqualificazione [35]

Sono stati scelti come utilizzatori pannelli radianti a pavimento (Figura 4.2 (b)) e la regolazione è attuata con unità di controllo dei singoli ambienti e tutto il sistema controllato da logica PID. Il rendimento complessivo dei tre sottosistemi di emissione, distribuzione e regolazione è del 96%.

(a) Centrale termica (b) Trivellazione delle sonde

Figura 4.4: L’impianto installato nella scuola di Oulx

La caldaia tradizionale è stata sostituita da una pompa di calore ad assorbimento acqua- acqua con scambiatori al terreno da 42.6 kW nominali e GUEnom= 1.69%(Figura4.4(a)). Dato che la potenza di progetto dell’utenza è di poco superiore a 30 kW , non sono necessari altri generatori di back-up. Anche il fabbisogno di acqua calda sanitaria è sopperito dalla pompa di calore ad assorbimento. La macchina è a fiamma diretta, si attua il recupero

di calore dalla condensa dei fumi per preriscaldare l’acqua in ingresso al condensatore- assorbitore. In caso di un carico termico più basso del nominale è possibile modulare la fiamma fino al 50% della potenza termica sprigionata al bruciatore. Dunque solo se si necessita di una potenza minore rispetto a quella fornita dalla macchina con il bruciatore parzializzato al 50%, la GAHP va in regime di on-off.

La Robur costruisce due modelli di pompa di calore acqua-acqua per applicazioni geo- termiche, la HT (high temperature) e la LT (low-temperature), in base alle temperature caratteristiche dell’utilizzatore. Nella scuola di Oulx con pannelli radianti si può utilizzare la GAHP-LT, che raggiunge dei rendimenti migliori rispetto al secondo modello. In caso di necessità per l’ACS, si raggiungono temperature di 60 ℃.

Sono installate tre sonde geotermiche a doppio U profonde 110 m posizionate in fila distanti 10 m. (Figura 4.4 (b)). Il diametro della sonda è 200 mm, mentre i tubi sono DN32. Il fluido circolante nel circuito geotermico è acqua e glicole propilenico al 25%.

Si rappresenta in Figura 4.5 lo schema dell’impianto installato nella scuola di Oulx. Nel lato geotermico la pompa di circolazione elabora una portata costante e i tre scam- biatori a terreno sono collegati in parallelo. Nel circuito dell’impianto, oltre ai vari giunti antivibranti, valvola di sicurezza, vaso di espansione, desareatore e filtro defangatore, si è installato un bollitore per preparazione di acqua calda sanitaria e un serbatoio inerziale a quattro attacchi. Quando il misuratore nel serbatoio di acqua calda sanitaria registra una temperatura troppo bassa, il sistema di regolazione alza il setpoint della temperatura di uscita dal condensatore a 60 ℃ e la valvola a tre vie devia completamente il flusso per fornire al bollitore ACS il calore richiesto, bloccando momentaneamente il funzionamento dei pannelli radianti. Generalmente i periodi di funzionamento per l’ACS durano 20 ÷ 30 minuti.

La gestione dell’impianto si basa sulla determinazione della temperatura di set-point dell’uscita dal condensatore1 _{in funzione della curva climatica legata al misuratore di tem-}

peratura esterno e delle temperature dei singoli ambienti. Generalmente, dato che le presta- zioni delle macchine GAHP non migliorano particolarmente con temperature di mandata minori di 35℃ (Figura3.6) e i pannelli radianti sono caratterizzati da elevate inerzie ter- miche, si usano climatiche molto piatte o regolazioni a punto fisso. Nel caso in esame, in fase di riscaldamento si mantiene la mandata costante a 40℃.

Si mantiene un salto di 10 K ai capi del condensatore e si regola la portata del circuito primario di conseguenza. Al lato geotermici invece si lavora a portata fissa di 3000 l/h e il salto di temperatura varia da 2 K in condizioni parzializzate a 5 K in condizioni nominali. La pompa di calore si avvia con il bruciatore parzializzato al 50 % , se l’energia prodotta non basta a mantenere il set-point, si aumenta la portata di metano bruciata. Al contrario, quando la temperatura di mandata all’impianto aumenta troppo rispetto al set-point imposto, l’impianto si spegne. Dato l’elevata inerzia termica e conseguentemente elevate costanti di tempo dei pannelli radianti, si mantiene l’impianto acceso con continuità per ventiquattro ore al giorno.

1_{Ogni volta che si fa riferimento al condensatore della macchina ad assorbimento, ci si riferisce allo}

scambiatore con l’acqua del circuito idronico che funge sia da condensatore che da assorbitore, rappresentato in Figura2.19.