Il corretto dimensionamento di una pompa di calore

Può succedere che, nella fase di dimensionamento di una pompa di calore, vengano commessi degli errori che non dipendono dal costruttore ma da valutazioni legate all’impianto stesso. Il costruttore, come in questo caso, può suggerire in base alla propria esperienza ed alle proprie conoscenze alcune strade percorribili per permettere poi che venga scelto il miglior prodotto compatibilmente con le esigenze di progetto.

  • Dimensionamento al picco massimo invernale: il dimensionamento al picco massimo invernale è una richiesta molto comune nel campo delle pompe di calore. Questo dimensionamento ha il beneficio di proteggere l’impianto andando a sovradimensionare una unità per garantire che per qualche ora all’anno o per qualche giorno all’anno l’impianto possa erogare quella prestazione di picco. Tale dimensionamento non tiene però conto che trattandosi di un sovradimensionamento, in quanto tale, porta con sé alcuni aspetti negativi per l’utente e per il buon funzionamento stesso del prodotto quali ad esempio:
    1. garantire una prestazione ad una temperatura limite di aria esterna comporta che per tutto l’arco della stagione la unità sia sovradimensionata per cui funzionerà in maniera intermittente aumentando gli ON-OFF dei compressori e riducendo il proprio ciclo vita;
    2. una unità sovradimensionata comporta che tutto l’impianto sia tarato sul suo sovradimensionamento per cui elementi di impianto come pompe, tubazioni, isolamento, serbatoio di accumulo, valvole, valvole di by pass, cavi elettrici, protezioni elettriche, consumi elettrici, siano adeguati alla prestazione di picco che come detto si verifica raramente durante il periodo invernale;
    3. tarare l’impianto su una unità sovradimensionata significa in generale aumentare i consumi all’utente finale, aumentare la superficie disponibile per l’installazione della unità e del suo equipaggiamento di corredo nonché aumentare il costo per l’acquisto della pompa di calore stessa
  • Non considerare che nelle pompe di calore reversibile lo scambiatore è lo stesso sia nel funzionamento in caldo che nel funzionamento in freddo: in quanto reversibili lo scambiatore è dimensionato per un flusso di acqua costante in caldo ed in freddo. Molto spesso ci troviamo davanti a richieste che, data la frequenza del dimensionamento al picco massimo invernale, portano a risultati di calcolo improbabili. Nel dimensionamento della pompa di calore, anche questo fosse al picco massimo invernale (attenzione: parleremo in seguito anche della temperatura dell’acqua), si deve temere conto di ciò che avviene effettivamente in campo: la portata in estate ed in inverno sarà sempre la stessa (parliamo di impianti a 2 tubi) per cui è necessario che nel dimensionamento sia fissata la portata (solitamente si prende come riferimento quella che deriva dal calcolo in freddo a 35 °C di aria esterna) e la temperatura dell’acqua in uscita. In questo modo, indipendentemente da dT tra acqua in ingresso ed in uscita che sarà quello derivante dallo scambio termico, si ha un dimensionamento effettivo della pompa di calore in campo.
  • Considerazione dei volumi inerziali: la tendenza che vediamo come costruttori è quella di minimizzare l’accumulo inerziale. Si deve tenere in considerazione che durante il funzionamento della unità esistono dei periodi transitori quali ad esempio lo sbrinamento, che trattandosi di scambi di reversibilità, producono un acqua ad una temperatura opposta a quella richiesta dall’impianto. Il corretto uso dei volumi inerziali, permette di minimizzare questo effetto a livello di impianto. Allo stesso modo, a prescindere dalla tipologia di tecnologia utilizzata, il corretto dimensionamento dei volumi inerziali garantisce un minor numero di accensione e spegnimento della unità non intaccando in questo modo l’affidabilità della stessa nel tempo.

I suggerimenti di Hecoclima

  • Eseguire sempre un raffronto tra due unità ai diversi tipi di dimensionamento: come detto, il suggerimento del costruttore resta quello di non dimensionare le pompe di calore reversibili sul picco massimo poiché la macchina sarà completamente sbilanciata per tutto il suo ciclo vita. Tale sbilanciamento si nota in maniera evidente se si paragonano, a parità di portata, i dati della resa effettiva in cooling e la resa effettiva in heating. Il dato permette di capire quanto realmente sia sovradimensionata la macchina e con essa gli accessori dell’impianto correlati (maggiore esborso economico per l’utente finale in termini di acquisto materiali e di gestione energetica del sistema). Accettata la valutazione di cui sopra, sarebbe utile cominciare a proporre come alternativa il dimensionamento alle condizioni standard suggerite dal costruttore da cui chi analizza i dati può trarre poi le proprie conclusioni in termini di costo finale dell’impianto, costo di gestione ed una effettiva valutazione del comportamento della unità in campo alle condizioni richieste (simulazioni alla temperatura minima di aria esterna, a portata costante, massima temperatura dell’acqua in uscita garantita alle condizioni critiche).
  • Controllare l’effettivo punto di lavoro della pompa di calore: in base alla scelta della tipologia di gas refrigerante e del compressore più idoneo all’applicazione è utile far notare dei plus costruttivi di certe serie prodotti piuttosto che di altre in maniera tale da poter approcciare il mercato nel migliore dei modi con valide alternative anche ai prodotti più standardizzati della concorrenza. Valutando di volta in volta il punto di lavoro effettivo della pompa di calore ci si accorge di come varia la temperatura dell’acqua al variare della temperatura di aria esterna (concetto già espresso al punto precedente). Questa analisi serve per coinvolgere l’utente finale o il progettista nella miglior scelta di dimensionamento macchina compatibilmente alle esigenze specifiche dell’applicazione ponendosi delle utili domande:
    1. Quanto tempo effettivamente la pompa di calore dovrà produrre acqua ad una temperatura “X°C” e ad una condizione di aria esterna di “Y°C”?
      POCO » si suggerisce il dimensionamento a condizioni di base e la verifica della macchina alle condizioni di estremo invernale.
      MOLTO » si suggerisce di verificare con il costruttore la migliore proposta per una pompa di calore che debba funzionare in maniera garantita e per periodi molto lunghi a condizioni proibitive (tale per cui si potrebbe non parlare di sovradimensionamento).
      ATTENZIONE: questo ultimo caso, in campo e da esperienza di Hecoclima, è veramente molto remoto.
    2. Nell’impianto è presenta la giusta quantità di riserva inerziale per gestire, nell’eventualità di un dimensionamento a condizione di base, un eventuale abbassamento della temperatura dell’acqua prodotta?
      SI » possibilità di dimensionare a condizioni di base ed integrare la riserva inerziale durante i periodi di funzionamento in condizioni estreme.
      NO » in questo caso il suggerimento è sempre quello di prevedere la opportuna riserva inerziale e nelle schede tecniche di Hecoclima viene sempre indicato un volume adeguato per stimarla.
    3. Il sovradimensionamento della unità crea un disservizio per il restante periodo dell’anno all’utente finale?
      SI » in questo caso va valutato bene quello che accade in campo che deriva da un massivo sovradimensionamento della unità. La presenza di due unità, per esempio, entrambe sovradimensionate, può portare ad avere per tutta la stagione una macchina sempre in OFF con tutto ciò che ne consegue in termini di investimento.
      NO » al contrario di quanto sopra, si sarà valutato che la strada migliore è quella di proseguire nell’offerta e conseguente gestione di unità sovradimensionate per cui, una volta edotte le figure di riferimento in termini di costi macchina, costi impianto, costi di gestione, si provvederà a progettare, dimensionare ed offrire quanto definito.
  • Delta T (dT) nelle unità reversibili: come affrontato in precedenza, per il corretto dimensionamento delle pompe di calore reversibili, si suggerisce sempre di utilizzare lo stesso dT relativamente alla temperatura dell’acqua in caldo ed in freddo. Questo proprio perché lo scambiatore, in questa tipologia di unità, sarà lo stesso una volta invertito il ciclo. Nel caso in cui il dimensionamento sia forzato ad una temperatura di aria esterna molto bassa rispetto il dimensionamento di base, il suggerimento è quello di valutare la resa in caldo (Heating) fissando la portata corretta e fissando la temperatura di uscita dell’acqua al fine di avere un prospetto tecnico quanto più vicino al funzionamento reale della unità nello impianto. Le unità accettano comunque una variazione minima e massima di portata, tale per cui è sempre meglio verificare con il costruttore questi valori qualora ve ne fosse il dubbio.