Cos’è e come funziona un serbatoio di accumulo inerziale per pompa di calore?
Un serbatoio di accumulo inerziale è un componente essenziale per ottimizzare l'efficienza di un sistema di riscaldamento, permettendo di immagazzinare e distribuire il calore generato da una pompa di calore o da un altro generatore. Questo dispositivo consente di accumulare l'energia termica, rendendola disponibile quando il sistema ne ha bisogno.
Nel funzionamento, la pompa di calore trasferisce il calore prodotto al serbatoio, anziché inviarlo direttamente all'impianto di riscaldamento. Il serbatoio, riempito con acqua tecnica, accumula l'energia termica e la distribuisce al sistema di riscaldamento secondo le necessità. Quando l'acqua nel serbatoio si raffredda, la pompa di calore la riscalda nuovamente, mantenendo il ciclo costante e garantendo un'efficienza ottimale.
Questo approccio permette di ridurre gli sprechi e di avere una riserva di calore pronta all'uso, migliorando la gestione energetica dell'impianto e assicurando un riscaldamento continuo anche nei momenti di maggiore richiesta.
Tipi di serbatoio di accumulo inerziale
Esistono diverse tipologie di serbatoi di accumulo utilizzati in combinazione con una pompa di calore, ciascuno progettato per rispondere a specifiche esigenze tecniche:
- Serbatoio monovalente: un sistema isolato che accumula calore generato dalla pompa di calore, mantenendo l'acqua tecnica a temperatura costante.
- Serbatoio bivalente: capace di sfruttare due fonti di energia, come un impianto solare termico e una pompa di calore, per massimizzare l’efficienza.
- Serbatoio stratificato: separa l’acqua in diverse fasce di temperatura, con l'acqua calda in alto e quella fredda in basso, migliorando l'efficienza e riducendo i costi di esercizio.
- Serbatoio combinato: gestisce sia l'acqua per il riscaldamento che quella sanitaria, garantendo una distribuzione efficiente del calore.
- Serbatoio integrato: integrato nell'unità della pompa di calore, ideale per chi ha poco spazio a disposizione.
- Serbatoio ibrido: include un sistema di accumulo elettrico, che sfrutta l'energia prodotta dai pannelli solari per riscaldare l'acqua tramite una resistenza, quando c’è eccesso di elettricità.
Per scegliere il serbatoio di accumulo più adatto, è essenziale valutare il proprio fabbisogno termico. Ad esempio, per una famiglia di quattro persone, un serbatoio da 500 litri offre una buona capacità senza richiedere troppo spazio, con un’altezza media di circa 1,75 metri.
Pompa di calore con accumulo: vantaggi
L'utilizzo di una pompa di calore con accumulo offre numerosi vantaggi nel contesto industriale e lavorativo, ottimizzando l'efficienza energetica e migliorando la gestione del calore. Ecco alcuni dei principali benefici:
- Efficienza energetica ottimizzata: Il serbatoio di accumulo consente di immagazzinare il calore prodotto, riducendo i cicli di accensione e spegnimento e migliorando l'efficienza complessiva.
- Riduzione dei costi operativi: L'energia immagazzinata nel serbatoio permette di utilizzare il calore quando necessario, abbattendo i consumi durante i picchi di domanda.
- Maggiore continuità di riscaldamento: Il serbatoio garantisce una riserva di calore sempre disponibile, assicurando un riscaldamento costante anche in condizioni di maggiore richiesta.
- Integrazione con fonti rinnovabili: Facilita l’accumulo di energia prodotta da fonti rinnovabili, come il fotovoltaico, ottimizzando l’uso dell’elettricità generata.
- Minimizzazione dell’usura del sistema: Riduce lo stress sui componenti principali della pompa di calore, prolungando la durata del sistema e riducendo i costi di manutenzione.
- Gestione flessibile dell’energia: Consente di gestire meglio i consumi energetici, accumulando calore durante le ore non di punta e utilizzandolo quando necessario.
Dimensionamento dei sistemi di riscaldamento e condizionamento
Usualmente il dimensionamento dei sistemi di riscaldamento e condizionamento viene effettuato sulla base del massimo fabbisogno termico e frigorifero nelle condizioni ambientali più critiche per la località considerata. Questo ovviamente garantisce il rispetto delle condizioni di comfort ottimali anche nelle peggiori condizioni, anche se di contro espone a un massiccio sovradimensionamento dell’impianto di generazione stesso.
Abbinamento di pompe di calore e caldaie a condensazione
Per questo motivo non è inusuale avere impianti di riscaldamento in cui solo il carico di base è coperto con le pompe di calore ad assorbimento, più performanti e dal costo di investimento più elevato, mentre la copertura dei picchi di carico viene affidata a delle meno performanti e più economiche caldaie a condensazione. I gruppi RTAY costituiscono un valido esempio di questo abbinamento vincente.
Il sistema di regolazione a sua volta si è evoluto per ottimizzare l’erogazione di potenza in funzione del carico effettivamente applicato all’impianto, da cui la nascita di unità modulanti in grado di adeguare le proprie prestazioni in un range di potenza sempre più ampio.
Tuttavia anche il migliore dei sistemi di controllo, quando il dimensionamento è eccessivamente abbondante, non potrà adeguarsi perfettamente al comportamento dell’impianto, e questo porterà a degli squilibri che andranno ad alterare le condizioni di funzionamento.
Nel caso delle unità ad assorbimento a gas la scelta è stata da sempre a favore di unità modulari da assemblare sulla base delle specifiche esigenze dell’impianto, in modo da “ritagliare” per ogni impianto una soluzione il più possibile su misura, evitando di installare potenza non richiesta a causa di una dimensione troppo rigida delle unità proposte (come avviene per le grosse unità monoblocco) e permettendo anche di garantire elevata continuità del servizio in quanto le unità non interessate da guasti/manutenzioni continuano a funzionare regolarmente.
Funzionamento delle unità in fase di parzializzazione
Il sistema di controllo attuale permette di impostare fino a 10 gradini di parzializzazione gestiti con logica on/off, ma come si comporterà l’impianto qualora la richiesta di potenza sia “a metà” tra un gradino di parzializzazione e il successivo? O nel caso limite di una singola unità?
Variazione dell’efficienza complessiva dell’impianto
In queste condizioni il sistema di controllo gestirà l’unico gradino in fase di parzializzazione (poiché tutti gli altri gradini impostati saranno completamente accesi o completamente spenti) alternando fasi di spegnimento a fasi di accensione in funzione dell’andamento della temperatura rispetto al setpoint richiesto. La frequenza con cui questo evento si verifica fa variare l’efficienza complessiva dell’impianto in modo anche significativo, specialmente nel caso in cui il carico sia soggetto a variazioni molto ampie e la potenza del gradino sia significativa rispetto alla potenza totale (come nel caso limite di macchina singola).
L’obiettivo di ogni sistema di regolazione di questo tipo è infatti di far funzionare le unità al massimo del carico, evitando per quanto possibile di avere più di un’unità accesa a carico parziale.
Funzione dell'accumulo inerziale nel miglioramento dell'efficienza
In questi casi l’installazione di un serbatoio di accumulo inerziale si dimostra la maniera più efficace ed economica per ottimizzare il funzionamento dell’impianto, in quanto il serbatoio provvede ad accumulare l’energia in eccesso quando l’unità è in funzione e a sostituirla quando essa è spenta, permettendo di diminuire i cicli di accensione e spegnimento in modo anche molto significativo, con il risultato di alzare sensibilmente l’efficienza complessiva dell’impianto. Questa modalità operativa è ampiamente descritta nella norma UNI TS 11300-4 relativamente al funzionamento ai carichi parziali.
Accumulo inerziale come pozzo energetico per lo smaltimento della potenza
Il serbatoio di accumulo svolge anche un’altra funzione essenziale per il buon funzionamento dell’impianto, ovvero quella di fare da pozzo energetico per lo smaltimento della potenza termica e frigorifera durante lo spegnimento dell’unità. Immaginiamo infatti il caso di un refrigeratore GA ACF il cui impianto secondario venga spento perché il carico è soddisfatto, l’unità verrà spenta dal sistema di controllo, ma sarà comunque necessario smaltire la potenza frigorifera residua nell’unità, e questo sarà possibile solo garantendo un volume d’acqua minimo che possa ricevere questa potenza senza arrivare al congelamento dell’acqua sul primario e quindi a gravi danni allo scambiatore della macchina. Situazione identica per il funzionamento in riscaldamento dove il problema dell’eccessivo surriscaldamento dell’acqua, potrebbe causare l’arresto della macchina per termostatazione limite e il surriscaldamento della stessa.
Se nella prima situazione l’aggiunta di glicole all’acqua del primario ci può, almeno in parte, mettere al riparo dal problema, nel caso del riscaldamento questa soluzione non è applicabile. Gli accumuli possono essere ulteriormente suddivisi in base al fatto che svolgano o meno funzioni di separazione idraulica (accumuli a 3 o 4 attacchi con setti antimiscela o in questa figura) o servano invece semplicemente come accumuli in linea (e in tal caso è opportuno che vengano installati sul ritorno, preferibilmente a monte della pompa di circolazione, come in figura).
Dimensionamento dell’accumulo inerziale
Per garantire lo smaltimento dell’energia termica e frigorifera in fase di spegnimento può essere sufficiente un volume di 70 litri d’acqua per unità installata, considerando comunque un volume massimo pari a circa 1000 litri (poiché è difficile che tutte le unità di un impianto passino dalla situazione di funzionamento a piena potenza alla situazione di impianto spento senza almeno una riduzione intermedia della potenza). In questo valore va ovviamente compreso anche il volume d’acqua presente nelle tubazioni sul circuito primario e contenuto nelle unità stesse. Interessante valutare un esempio.
Esempio di impianto con serbatoio inerzialeConsideriamo l’impianto in questa figura. È il caso di 10 unità ad assorbimento collegate a un serbatoio inerziale (che fa da separatore idraulico) del tipo a quattro attacchi, con setti antimiscela. Il contenuto d’acqua minimo si attesta attorno ai 700 litri (70 litri per 10 unità installate). A questa quantità va sottratto il contenuto d’acqua all’interno delle unità e nelle tubazioni di collegamento, che supponiamo essere pari a 200 litri. La dimensione corretta del serbatoio di accumulo sarà quindi pari a 500 litri. Nel caso di quest’altro impianto invece il contenuto d’acqua delle macchine e del circuito idraulico è minimo, anche in considerazione della presenza dello scambiatore, e quindi la dimensione minima dell’accumulo è pari ad almeno 210 litri (poiché le caldaie funzionano sullo stesso circuito idraulico della pompa di calore). I 70 litri per ogni caldaia non sarebbero a rigore necessari, in virtù della loro bassa inerzia termica, ma certamente un maggiore volume d’acqua giova moltissimo al buon funzionamento della pompa di calore e quindi dell’impianto nel suo complesso, ottimizzando i cicli di accensione e spegnimento della stessa, specie in presenza di bassi carichi termici. |
Per il dimensionamento dell’accumulo inerziale esistono invece tutta una serie di formule, riportate anche sui nostri manuali di progettazione, che hanno lo scopo di individuare, per lo specifico impianto in esame (la dimensione infatti dipende sia dalla potenza installata, che dalla potenza minima per la parzializzazione, che dall’andamento del fattore di carico dell’impianto), la dimensione più opportuna.
Indicazioni generali per il dimensionamento dell'accumulo
A livello di indicazione l’esperienza ci ha portato a scegliere una dimensione di circa 300/500 litri per ogni unità (se il minimo gradino di parzializzazione è una singola unità) e salire fino a 1000 litri se il minimo gradino di parzializzazione è superiore a 2 unità. Questo, a fronte di un minimo costo di investimento per l’accumulo, ripagherà molto rapidamente in termini di maggiore efficienza dell’impianto e minore usura delle macchine, rivelandosi nella totalità dei casi una scelta progettuale vincente.
NOTE:
- Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.
- Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.
- Tutte le parole che figurano sottolineate sono collegamenti ad altri contenuti, che non saranno quindi disponibili qualora il documento venga stampato.
- I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.
APPROFONDIMENTI
Fattore di carico
Nella figura sottostante è presentato l’andamento tipico del fattore di carico medio di un impianto termico. Dalla figura si rileva come la potenza effettiva richiesta all’impianto alle condizioni climatiche medie non superi neppure nel caso più critico il 65% della potenza complessiva di progetto.
Questo porterebbe a pensare che sia opportuno coprire questo 65% con le pompe di calore, lasciando alle caldaie il solo intervento oltre questo valore, quindi limitato a casi “straordinari”. Tuttavia neppure questo criterio risponde alla necessità di coniugare massima efficienza e ottimizzazione dei costi di installazione.
Per una progettazione ottimale l’informazione sul comportamento del sistema alle condizioni climatiche medie deve essere integrata verificando il G.U.E. complessivo del sistema ottenibile in funzione delle diverse configurazioni (pompe di calore + caldaie) realizzabili.
Il grafico che segue riporta in ascisse la percentuale della potenza termica di progetto prodotta con unità GAHP ed in ordinata le efficienze ottenute nelle varie situazioni impiantistiche.
Dall’esame della curva si evidenzia che un aumento della percentuale di potenza fornita con unità GAHP produce il maggior effetto sull’efficienza dell’impianto per valori compresi tra il 25% e il 45% della potenza di progetto (curva a maggiore pendenza). Questo sarà quindi il valore di potenza in base a cui dimensionare il sistema di pompe di calore al fine di ottenere il miglior compromesso tra costi iniziali di installazione e risparmi energetici ottenibili.
Accumuli inerziali
Per il dimensionamento degli accumuli inerziali destinati allo stoccaggio di acqua calda e fredda possiamo fare riferimento ai componenti disponibili sul nostro catalogo, i cui dati sono messi a nostra disposizione dal costruttore.
Si tratta di accumuli per acqua tecnica con interno non trattato ed esterno verniciato, provvisti di setti antimiscela, con isolamento in poliuretano morbido da 100 mm, cui corrisponde in tabella la sigla PS. Le taglie disponibili a catalogo sono il modello da 300 litri (codice OSRB000), il modello da 500 litri (codice OSRB001), il modello da 800 litri (codice OSRB002) e il modello da 1000 litri (codice OSRB003).
Nella tabella sottostante sono riportate le principali caratteristiche tecniche.
Di seguito vengono presentati i dati dimensionali degli accumuli, senza considerare l’isolamento.
Infine vengono proposti i grafici con i dati di perdita di temperatura attraverso l’isolamento in funzione della differenza tra temperatura interna del fluido e temperatura esterna.
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