Nell’ottica del perseguimento di uno o più obiettivi tra quelli sopra descritti, una pompa di calore con accumulo può funzionare tecnicamente secondo vari schemi, in generale riconducibili a due modalità:
modalità accumulo, ovvero alimentando sempre un serbatoio, che a sua volta alimenta l’impianto di riscaldamento secondo la richiesta o modalità combinata, che prevede per una parte della giornata il funzionamento della pompa di calore come se fosse priva di accumulo, mentre in specifiche fasi essa è asservita alla produzione per l’accumulo.
I sistemi di accumulo termico più semplici sono costituiti essenzialmente da un serbatoio dedicato all’accumulo dell’energia termica, gestito in modo più o meno complesso da un’appropriata logica di controllo in relazione al servizio a cui è asservito. Storicamente, uno dei primi utilizzi dei serbatoi di accumulo
solare. In estrema sintesi, un sistema di accumulo termico immagazzina tramite un opportuno mezzo l’energia termica (fase di carica), la conserva per un determinato tempo e poi la rilascia al bisogno (fase di scarica). Si può caratterizzare un sistema di accumulo termico con alcune grandezze:
- la capacità, ovvero l’energia immagazzinata nel sistema, dipendente naturalmente dal tipo di accumulo e dalle sue dimensioni; in alternativa, può essere definita una potenza, ovvero la velocità con cui l’energia può essere accumulata (e resa all’utente)
- un rendimento, definito come rapporto tra l’energia fornita all’utente e quella accumulata, che tiene conto in qualche modo delle perdite durante il tempo di accumulo e durante i cicli di carica e scarica - una durata del ciclo di accumulo, ovvero la durata di accumulo per la quale il sistema è progettato,
che può andare dall’ora ai mesi. Si esplicita come tempo di carica e scarica dell’accumulo
- il costo, per unità di capacità o di potenza, sia in termini di investimento che di esercizio e manutenzione
La capacità, la potenza e il tempo di scarica sono variabili interdipendenti. Valori tipici per i principali parametri sono riportati nella Tabella 24 [64-65], che distingue tra 3 tipi di accumulo, ovvero quello a calore sensibile, quello a calore latente, generalmente associato ai materiali PCM, e quello termo-chimico, associato a reazioni chimiche.
Tabella 24 – Valori tipici dei principali parametri dei sistemi di accumulo termico Sistema Capacità
[KWh/t]
Potenza [kW]
Rendimento % Ciclo di accumulo Costo [€/kWh]
Sensibile 10÷50 1÷10.000 50÷90 Giornaliero/mensile 0,1÷10
PCM 50÷150 1÷1.000 75÷90 Orario/mensile 10÷50
Termochimico 120÷250 10÷1.000 75÷100 Orario/giornaliero 8÷100 Le principali classificazioni degli accumuli termici si basano sull’intervallo di temperatura di esercizio, sull’intervallo di tempo di stoccaggio e sul tipo di scambio termico [66]. Per quanto riguarda la temperatura di esercizio, una delle possibili suddivisione è quella secondo tre intervalli di temperatura:
- HTTES (High Temperature Thermal Energy Storage): accumulo termico ad alta temperatura.
Comprende gli impianti che lavorano a temperature solitamente superiori ai 200 °C
- LTTES (Low Temperature Thermal Energy Storage): accumulo termico a bassa temperatura.
Raggruppa i sistemi che operano tra 10 e 200 °C
- CTES (Cold Thermal Energy Storage): accumulo termico del freddo, con temperature inferiori a 20 °C.
In base al tempo di accumulo, si distingue tra accumulo a breve termine, che indica i sistemi con ciclo giornaliero e quelli con capacità di stoccaggio variabile da poche ore fino ad un massimo di una settimana e accumulo termico a lungo termine o stagionale, con cui si indicano i sistemi con capacità di stoccaggio maggiore di tre o quattro mesi.
In base allo scambio termico tra sorgente, accumulatore e utilizzatore, si distingue generalmente tra tre metodi, già anticipati nella precedente tabella: a calore sensibile (con variazione di temperatura del mezzo di accumulo), calore latente (con cambiamento di fase del mezzo di accumulo) ed energia termochimica (rottura e formazione di legami molecolari). Nel primo caso, l’energia viene accumulata mediante variazione della temperatura di un mezzo liquido (acqua, olio, sali fusi) o solido (roccia, mattoni, sabbia, terreno) senza alcun cambiamento di fase nell’intervallo di temperature del processo. Ciò che varia è quindi l’energia interna del mezzo accumulatore. I sistemi a calore latente si basano sull’assorbimento o il rilascio di calore durante il cambiamento di fase del mezzo di stoccaggio, da solido a liquido o da liquido a gas e viceversa, che avviene senza (o quasi) variazione della temperatura. Nei sistemi ad accumulo termochimico, infine, si sfrutta il meccanismo di assorbimento e rilascio di energia termica durante la rottura e la formazione dei legami molecolari all’interno di una reazione chimica reversibile.
Le caratteristiche termodinamiche principali richieste ad un materiale per l’accumulo termico sono un’elevata capacità termica ed elevata diffusività termica, al fine di garantire importanti quantità di energia accumulata a parità di volume e rapido scambio di calore nel rilascio e nell’estrazione di energia. Per applicazioni che richiedano temperature inferiori ai 100°C, il materiale per eccellenza è l’acqua grazie alla sua
alta capacità termica, la stabilità chimica e il basso costo, oltre all’assenza di problematiche di tossicità e infiammabilità In aggiunta, l’acqua può fungere sia come fluido termovettore che come materiale di accumulo, eliminando in tal modo il costo e le perdite termiche relative ad un eventuale scambiatore di calore interposto tra di esse. Per temperature maggiori (fino a 1000 °C) aumentano i costi, dovendosi utilizzare fluidi più pregiati (oli, sali fusi, metalli liquidi) e dovendo incrementare la resistenza dei componenti. Passando invece a materiali solidi, rocce (in forma granulare) e ghiaia, combinati ad acqua o aria come fluido termovettore, si possono ottenere costi più contenuti ma con essi decresce la capacità termica e aumenta quindi l’ingombro [66].
Le proprietà termofisiche rilevanti dei principali materiali da costruzione sono riportate in Tabella 25. In termini di capacità termica volumetrica, si osserva che l’acqua è effettivamente il materiale più efficace, grazie al suo elevato calore specifico.
Tabella 25 – Proprietà di alcuni materiali per accumulo termico
Materiale Densità [kg/m3] Calore specifico [J/kg K] Capacità termica [J/m3K]
Acqua 998 4186 4,17
Acciaio 7850 440 3,45
Calcestruzzo armato 2500 1020 2,55
Granito 2500 950 2,38
Calcestruzzo 2100 1020 2,14
Mattone pieno 1800 900 1,62
Legno 400 2510 1
Cartongesso 750 1060 0,8
Quando si considera l’accumulo termico applicato all’edificio si può distinguere tra sistemi attivi e passivi. Un sistema passivo può sfruttare efficacemente le sorgenti termiche già disponibili per mantenere le condizioni di comfort nell’edificio e minimizzare il ricorso a sistemi meccanizzati di climatizzazione. In sistemi di questo tipo, la capacità di accumulo e di rilascio del calore sono legate solo al salto termico tra il sistema di stoccaggio e l’ambiente circostante. Con materiali di costruzione ad elevata massa termica, il calore sensibile consente di immagazzinare un’elevata quantità di energia, dando stabilità termica all’edificio. Tipicamente ciò è ottenuto con mattoni alveolari, pietra, calcestruzzo o materiali in terra battuta. Anche le pareti solari, note come pareti di Trombe, utilizzano il calore sensibile per consentire un risparmio energetico negli edifici. Una parete solare è una parete con elevata capacità termica, schermata da un pannello vetrato, che crea un effetto serra, riducendo le perdite termiche della parete e riscaldando l’aria compresa tra la parete e il pannello stesso. Essa è strutturata in modo tale che per effetto camino l’aria riscaldata venga convogliata nell’ambiente da climatizzare.
Nei sistemi attivi, diversamente, l’accumulo e il rilascio del calore sono resi possibili dall’utilizzo di pompe o ventilatori. L’impiego di sistemi attivi garantisce una miglior capacità di controllo delle condizioni dell’ambiente climatizzato e migliora il meccanismo di accumulo termico. Questi sistemi sono generalmente integrati negli edifici per consentire lo sfasamento del carico termico rispetto al momento della massima richiesta, come ad esempio per la produzione di acqua calda sanitaria.
La maggior parte delle tecniche utilizzate per l’accumulo termico negli edifici è di tipo attivo; tra quelle passive le più importanti sono l’accumulo di calore sensibile negli elementi strutturali con elevata capacità termica e quello a calore latente con l’utilizzo di materiali PCM nelle pareti, nei solai e nei pavimenti. Una categorizzazione generale è riportata nella Figura 46 [67].
Figura 46 – Classificazione delle tecniche di accumulo termico negli edifici
Si possono avere anche combinazioni dei due sistemi, in cui ad esempio la fase di accumulo avviene attivamente e il rilascio in modo passivo, o viceversa