𝗣𝗢𝗠𝗣𝗘 𝗗𝗜 𝗖𝗔𝗟𝗢𝗥𝗘 𝗘𝗗 𝗔𝗖𝗖𝗨𝗠𝗨𝗟𝗢: 𝗦𝗜, 𝗡𝗢, 𝗙𝗢𝗥𝗦𝗘 𝗘 𝗖𝗢𝗠𝗘

Post molto lungo e vi 𝘢𝘷𝘷𝘪𝘴𝘰 𝘤𝘩𝘦 𝘦̀ 𝘮𝘰𝘭𝘵𝘰 𝘪𝘯𝘵𝘦𝘳𝘦𝘴𝘴𝘢𝘯𝘵𝘦.

Dopo 14 anni di impianti in pompa di calore un po' di esperienza ce l'ho.

12 anni fa avevo ancora i capelli e l'agilità di un gatto, ma ero alle prime esperienze, quasi pionieristiche, sulle abitazioni totalmente elettriche.

Da allora, i capelli se ne sono andati, il gatto che ero è rimasto con 12 anni in più, ma sugli impianti in pompa di calore, tra successi ed insuccessi (aggiustati) ne ho imparate.

Il salto in avanti, da 6/7 anni a questa parte, è avvenuto con i monitoraggi e con l'implementazione e la "sperimentazione" della possibilità di accumulare energia, in varie forme, qualora sia conveniente.

Oggigiorno si sentono davvero tante parole. Tante parole. Parole in un senso, parole nell'altro senso.

𝗠𝗲𝘁𝘁𝗶𝗮𝗺𝗼 𝗱𝗲𝗶 𝗽𝘂𝗻𝘁𝗶 𝗳𝗲𝗿𝗺𝗶.

E' ora di iniziare a pensare di progettare gli impianti parlando di energia e non di potenza.

Le pompe di calore sono molto particolari nel funzionamento. Le loro prestazioni sono direttamente proporzionali alla differenza tra la temperatura di mandata e quella esterna, indirettamente proporzionali alla temperatura di mandata e sono variabili con il fattore di carico.

Per accumulare energia (termica o elettrica) bisogna produrre per un tempo limitato di ore una maggiore quantità di energia di quella richiesta normalmente e stoccarla da qualche parte, convertendola in termica se del caso..

Attenzione però. In fisica, quella vera e non quella delle parole, ci si perde sempre.

Accumulare vuol dire sempre avere delle perdite.

𝘽𝙚𝙣𝙚, 𝙙𝙤𝙫𝙚 𝙖𝙘𝙘𝙪𝙢𝙪𝙡𝙞𝙖𝙢𝙤?

𝘕𝘰𝘯 𝘯𝘦𝘭𝘭'𝘢𝘳𝘪𝘢. Nell'aria non si accumula calore. Per accumulare il calore serve avere capacità termica e l'aria ne ha poca, 0.34Wh/m3 K. Un numero che vale più di mille parole.

Quindi nell'aria non si accumula energia.

Se aumentiamo la temperatura dell'aria, in realtà aumentiamo la temperatura dei primi strati delle strutture edilizie a contatto con l'aria, in funzione della capacità termica degli stessi.

Aumentando la temperatura dell'aria ci perdiamo... aumentiamo comunque le dispersioni, aumentando il salto termico tra interno ed esterno, anche tenendo conto delle riduzioni dovute all'accumulo termico superficiale di calore.

Prendiamo un appartamento da 100m2 e 270m3, ben isolato il cui fabbisogno energetico giornaliero, a temperatura esterna di 0°C è circa 40kWh.

Aumentando di 1°C la temperatura, avremo un accumulo energetico, a lordo delle dispersioni, di 92Wh. Cosa ce ne facciamo?

Tuttavia per aumentare il calore da immagazzinare dobbiamo produrre energia termica a temperatura di mandata leggermente maggiori di quelle necessarie per mantenere la temperatura di set, riducendo un po' il COP.

Possiamo 𝘢𝘤𝘤𝘶𝘮𝘶𝘭𝘢𝘳𝘦 𝘯𝘦𝘨𝘭𝘪 𝘴𝘵𝘳𝘢𝘵𝘪 𝘤𝘢𝘱𝘢𝘤𝘪𝘵𝘢𝘵𝘪𝘷𝘪 𝘥𝘦𝘨𝘭𝘪 𝘪𝘮𝘱𝘪𝘢𝘯𝘵𝘪 𝘳𝘢𝘥𝘪𝘢𝘯𝘵𝘪, dove abbiamo un massetto (per il pavimento) o degli intonaci (per parete e soffitto). Mediamente possiamo accumulare circa 280Wh/m3 K. Ecco qui, un numero che vale più di mille parole.

La differenza è netta rispetto all'aria e si può accumulare la giusta quantità di energia necessaria per sopperire allo spegnimento notturno degli impianti. Come fare? "Semplice". Mi calcolo l'energia necessaria a mantenere le condizioni di comfort durante lo spegnimento degli impianti e calcolo quanto sia l'incremento di temperatura da dare allo strato capacitativo dei massetti/intonaci in cui sono annegate le serpentine del radiante. A ritroso posso calcolare l'aumento della temperatura di mandata della pompa di calore, rispetto alle condizioni standard, a cui far lavorare la pompa di calore nelle ore di attivazione.

Discorso contorto, ma penso si sia capito.

Prendiamo un appartamento da 100m2 e 270m3, ben isolato il cui fabbisogno energetico giornaliero, a temperatura esterna di 0°C è circa 40kWh.

Aumentando di 1°C la temperatura nel massetto da 4cm del radiante a pavimento, avremo un accumulo energetico, a lordo delle dispersioni, di 1120Wh. Se lo aumentiamo del doppio, 2240Wh, 2.3kWh. Possiamo aumentare un po' di più perché aumentiamo le dispersioni di solo una porzione disperdente del fabbricato.

Tuttavia per aumentare il calore da immagazzinare negli strati radianti dobbiamo produrre energia termica a temperatura di mandata leggermente maggiori di quelle necessarie per mantenere la temperatura di set, riducendo un po' il COP.

𝘗𝘰𝘴𝘴𝘪𝘢𝘮𝘰 𝘢𝘤𝘤𝘶𝘮𝘶𝘭𝘢𝘳𝘦 𝘯𝘦𝘭𝘭'𝘢𝘤𝘲𝘶𝘢? 𝘔𝘢 𝘲𝘶𝘢𝘭𝘦 𝘢𝘤𝘲𝘶𝘢?

Parliamo di accumuli di acqua. L'acqua ha una capacità termica di 1160Wh/m3 K. Tanta roba!

Negli impianti diversi da quelli tipici degli appartamenti, esistono due tipi di accumuli, quelli sull'impianto termico e quelli sull'acqua sanitaria.

Per il primo. Ipotizziamo l'appartamento di prima e mettiamo un accumulo inerziale abbondante da 100 litri. Per dare un significativo contributo dobbiamo aumentarne la temperatura di 10°C rispetto a quella di set point. Quanto calore otteniamo? 1160Wh, ovvero 1.16kWh.

Tuttavia per produrre questo calore da accumulare, dobbiamo far lavorare la pompa di calore a temperature di almeno 10°C in più rispetto all'ordinario. Quanto può funzionare l'impianto termico con l'energia del puffer? Nell'esempio di prima, dove il fabbisogno è 40kWh al giorno, mediamente necessitiamo di 1.7kWh/h, quindi 1.7kW. Quindi accumuliamo nell'abbondante puffer (abbondante per una abitazione a cui basta una pompa di calore da 4kW), il calore per 40 minuti (1.16/1.7x60), al netto delle dispersioni del bollitore, ma che trascuriamo visto il breve periodo.

Per il secondo, essendo tipicamente un volume di acqua maggiore, esageriamo (per l'appartamento in oggetto) a 300 litri, possiamo accumulare anche qui acqua a temperatura maggiore di 10°C, ottenendo quindi un accumulo di 3480Wh, ovvero 3.48kWh. Ecco, qui però bisogna pensare di considerare le dispersioni dell'accumulo, dato che il calore accumulato non viene subito, o nell'immediatezza, consumato. Un accumulo di quelli che si trovano mediamente installato, se va bene, disperde 2-3kWh/24h, oppure 0.6-1°C/h. Capite bene che accumulare calore la mattina per utilizzarlo 12 ore dopo comporta perdite importanti, quasi dimezzando il contenuto energetico accumulato.

Possiamo pensare comunque di essere bravissimi, accumulare energia solo poche ore prima del consumo.

Tuttavia per produrre questo calore da accumulare, dobbiamo far lavorare la pompa di calore a temperature di almeno 10°C in più rispetto all'ordinario, riducendo di molto il COP dato che le temperature di mandata dell'acqua calda sanitaria sono già normalmente alte.

C'è una nuova possibilità, gli 𝘨𝘭𝘪 𝘢𝘤𝘤𝘶𝘮𝘶𝘭𝘪 𝘢 𝘤𝘢𝘮𝘣𝘪𝘢𝘮𝘦𝘯𝘵𝘰 𝘥𝘪 𝘧𝘢𝘴𝘦.

Iniziamo con il dire che tutti i "sistemi di accumulo" precedenti hanno un costo di installazione nullo, essendo già presenti.

Tuttavia non sono nati e progettati per fare da accumulo, tranne rari casi.

Gli accumuli termici, a cambiamento di fase, sono nati e progettati proprio per fare questo lavoro.

Come funzionano? Sfruttando particolari materiali, i PCM appunto, accumulano calore cambiando di fase (solido-liquido) a determinate temperature (da scegliere a progetto) e lo rilasciano poi cambiando nuovamente fase (liquido-solido).

Si chiamano accumuli latenti proprio per questo motivo, differenziandoli dagli accumuli sensibili (quelli ad acqua) che accumulano tanta più energia quanto più alta è la loro temperatura.

Con i PCM bisogna scegliere il giusto prodotto per la giusta temperatura e dedicarsi a farlo lavorare alla temperatura indicata. Andare oltre, non serve.

Ad esempio, se voglio stoccare energia per l'ACS, dovrò scegliere un PCM con punto di fusione intorno alla temperatura di 45°C ed andare, con la pompa di calore, a fondere il materiale solo a qualche °C in più del punto di fusione. A questo punto il PCM si scioglierà, accumulando molto calore, in funzione delle sue specifiche.

Esistono tanti PCM a temperatura diversa di fusione, da 5 ad oltre 60°C e vanno scelti in funzione del tipo di utilizzo.

Per un radiante possiamo scegliere il PCM a punto di fusione minore, mentre per i radiatori uno con punto di fusione superiore.

Questo materiale, ad alto calore specifico, 50-60000Wh/m3 (manca il K al denominatore parlando di accumulo latente) disperde pochissima energia termica per natura (conducibilità circa 0.2W/mK), ed essendo posto in contenitori ben isolati riesce a mantenere per moltissimo tempo l'energia accumulata, ma deve comunque rimanere sempre sopra il punto di fusione.

Ma quanta energia si può accumulare?

Beh, essendo un prodotto tecnico commerciale va scelto a catalogo. Potremo accumulare 20-40-60kWh, nel nostro caso 20kWh direi che potrebbe essere una quantità più che sufficiente!

Con 20kWh massimi accumulati (possiamo decidere noi quanti accumularne, in funzione della quantità di energia che immettiamo) possiamo mantenere poi la nostra abitazione calda durante lo spegnimento del sistema di generazione.

L'utilizzo di questi sistemi tuttavia è ancora poco conosciuto soprattutto in ambito civile ed in particolare nelle abitazioni.

Può essere, se correttamente ingegnerizzato, un ottimo componente per gli impianti di produzione di acqua sanitaria, potendo ridurre di molto lo spazio occupato dai bollitori di ACS tradizionale.

Oppure un altro caso in cui trovo interessante l'applicazione è il riscaldamento di piscine in ambito non solo residenziale.

Mostrano sicuramente tutto il loro potenziale sugli impianti industriali o di grosse dimensione per limitare i picchi, ottimizzare le produzioni energetiche ed i costi di investimento degli impianti.

𝙀𝙙 𝙞𝙡 𝙛𝙤𝙩𝙤𝙫𝙤𝙡𝙩𝙖𝙞𝙘𝙤?

Non ne abbiamo mai parlato.

Perché? Non tutti possono avere la possibilità di installarlo ad esempio.

E' sempre e comunque, tranne che nelle nuove costruzioni con impianto autonomo, un impianto che deve essere installato appositamente e comporta costi aggiuntivi.

Tuttavia a breve, spero, le comunità energetiche e l'autoconsumo collettivo saranno diffusi ed anche i non possessori di impianti FV potranno beneficiare dell'energia elettrica prodotta da altri impianti FV. Inoltre, essendoci degli incentivi (con il costo attuale dell'energia in realtà poco gratificanti) si potranno realizzare impianti FV da soggetti diversi dai singoli proprietari (ad esempio dal condominio) ed avere quasi i vantaggi energetici paragonabili ad un impianto FV proprio.

Ovviamente avere un po' di FV che ci aiuta è importante, ma deve essere chiara una cosa. L'energia prodotta è ignorante, e non sa se va alla pompa di calore, alla lavatrice o viene immessa in rete e remunerata.

Con impianti FV abbondanti e condizioni climatiche buone (in pianura padana quest'anno è mancato il sole per un mese!), con dei giusti settaggi si può fare molto per l'accumulo. Ma non è quello il segreto.

Inoltre, nell'ottica del tutto elettrico, le auto (ed io che ne ho due di elettriche lo confermo), spostano nettamente l'attenzione dell'autoconsumo dalla pompa di calore alle auto, anche in vista del prossimo passo al V2H.

Per accumulare l'energia elettrica degli impianti FV sarebbe da capire, economicamente, se sia meglio utilizzare i componenti già presenti negli impianti con la loro "ridotta" efficienza, oppure se utilizzare nuovi componenti, nati e studiati per lo scopo, come gli accumuli elettrici (batterie). Oppure condividerla in rete ed essere remunerata. Nella primavera estate 2022, ad esempio, era quasi sciocco accumulare energia elettrica nelle batterie era maggiore il riconoscimento economico dell'energia esportata in rete rispetto al costo energetico che ci si ritrova in bolletta, specialmente per aveva attivo un contratto di fornitura a prezzo fisso. Ecco, in questi casi, era ed è ancora meglio, economicamente, non accumulare energia elettrica e nemmeno autoconsumarla, ma cederla.

Il futuro sarà diverso, molto. CER, ACC, V2H, EV etc stravolgeranno il modo di utilizzare / acculare energia elettrica.

PS: gli esempi sopra sono esemplificativi e non tengono conto di fenomeni di tipo dinamico. Tuttavia è importante governare i fenomeni fisici con numeri e non con parole.

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Nell'immagine il foglio di calcolo che ti permette di calcolare l'accumulo di calore nei vari materiali e componenti di impianto.