Acqua calda in condominio con la pompa di calore: quanto accumulo serve davvero?

2 nov

Tempo di lettura: 6 min

Il caso della newsletter di novembre: 1500 litri a 45 °C in un'ora e mezza, con acqua d'impianto o materiali a cambiamento di fase.

Con la transizione energetica la pompa di calore serve anche per la produzione dell'acqua calda sanitaria. E lavora in modo diverso da una caldaia.

Una caldaia a gas da 30 kW scalda l'acqua dell'acquedotto in modo istantaneo, con la sua potenza: 30 000 / 1,163 / (45 − 10) ≈ 740 litri l'ora, cioè circa 12 litri al minuto a 45 °C, in continuo. Una pompa di calore no: non scalda l'acqua di rete in istantanea, perché i salti termici che ammette sono bassi. E 30 kW non basterebbero comunque quando le docce aperte insieme sono due o più.

Quindi si accumula: con la pompa di calore è obbligatorio, con la caldaia in un condominio è comunque necessario.

Accumulare acqua calda, ma quale acqua?

L'acqua sanitaria ferma in un serbatoio tra 25 e 45 °C è l'ambiente in cui la legionella prolifera. Per tenerla sotto controllo l'accumulo va mantenuto sopra i 60 °C, con cicli di disinfezione termica e ricircolo: con una pompa di calore che lavora bene a 50–55 °C significa resistenze elettriche, rendimento peggiore e costi di esercizio più alti.

Per questo nei condomini si accumula sempre più spesso acqua d'impianto, non sanitaria. L'acqua calda sanitaria si produce al passaggio, con uno scambiatore rapido: a piastre esterno, oppure con serpentini dentro il serbatoio. Nell'accumulo non c'è acqua da bere, quindi non c'è legionella da gestire nel serbatoio; resta da curare la rete di distribuzione e lo scambiatore, che con acqua dura va protetto dal calcare.

Il prezzo è uno solo: il dimensionamento si complica. Lo scambiatore istantaneo deve reggere la portata di punta, e il serbatoio deve restare abbastanza caldo in sommità per tutta la durata del prelievo. Il volume nominale, da solo, non lo dice. E nessuna norma, nemmeno la UNI 9182, indica come calcolarlo.

l caso: un condominio, 1500 litri in un'ora e mezza

Un condominio, nell'ora di punta, chiede circa 1500 litri di acqua calda a 45 °C in un'ora e mezza: in media circa 17 litri al minuto per 90 minuti, con acqua di rete a 12 °C. Il prelievo reale varia nel tempo, il totale resta quello: nel calcolo uso la portata media. La pompa di calore è da 30 kW e l'accumulo d'impianto è tenuto a 55 °C. Il locale tecnico consente al massimo 2 metri di altezza.

Servono circa 59 kWh in un'ora e mezza. Ma quanto deve essere grande l'accumulo, e come va collegato e regolato?

Con il simulatore ho provato prima un produttore istantaneo unico: scambiatore a piastre da 1,8 m², attacchi da 1½″, serbatoio alto 1,76 m con i fondi bombati, che con 12 cm di isolamento sopra e sotto fanno i 2 metri del locale. Pompa di calore che aspira dal fondo, l'unico modo di caricare tutto l'accumulo, salto termico di 8 K.

Ø 1100, 1534 litri: si ferma a 1473 litri a 45 °C, tre minuti prima della fine.
Ø 1200, 1811 litri: arriva in fondo, 1530 litri. Con l'isolamento è largo 1,44 m.

Oltre il metro un serbatoio diventa difficile da portare in centrale termica.

Allora la produzione si divide su due produttori uguali. Si dividono anche il prelievo e la pompa di calore: ciascuno ha 8,5 litri al minuto e 15 kW.

Ø 700, 642 litri: si ferma a 690 litri, nove minuti prima della fine.
Ø 750, 734 litri: 765 litri a 45 °C per tutti i 90 minuti. È la misura giusta: 99 cm di diametro con l'isolamento.

Due serbatoi da 734 litri, 1468 in tutto, fanno quello che un serbatoio unico fa con 1811: circa il 19 % di volume in meno. Più snelli, stratificano meglio.

E la regolazione conta quanto il volume. Durante il prelievo dalle piastre torna sul fondo acqua a circa 15–17 °C. Una pompa di calore lavora con salti termici bassi, al massimo 8 K: se riparte in piena punta aspira quell'acqua e la rimanda nel serbatoio poco più calda, con una portata quattro volte quella delle piastre. Rimescola, e l'acqua calda in sommità si consuma prima.

Stesso serbatoio da 734 litri, stessa macchina da 15 kW:

sonda in basso, al 30 % dell'altezza: la pompa di calore riparte dopo 28 minuti di prelievo e i litri a 45 °C scendono a 592, con la mandata a metà altezza, o a 716 con la mandata in basso;
sonda in alto, al 67 % dell'altezza: la pompa di calore riparte solo dopo 68 minuti, verso la fine della punta, e i litri restano 765, tutti i 90 minuti.

Da 592 a 765 litri spostando una sonda. Nessuna scheda tecnica lo può dire.

E se lo spazio non c'è? I materiali a cambiamento di fase

I materiali a cambiamento di fase, PCM, accumulano la maggior parte dell'energia fondendo: a temperatura quasi costante assorbono il calore latente, e lo restituiscono solidificando mentre l'acqua sanitaria attraversa lo scambiatore. La temperatura di fusione si sceglie: per l'acqua calda sanitaria tipicamente fra 52 e 58 °C.

Si dividono in due famiglie.

Inorganici: densi, circa 1500 kg/m³, conducono meglio il calore; accumulano molta energia in poco volume; a parità di volume pesano di più.
Organici: più leggeri, circa 800–900 kg/m³, stabili nei cicli, ma conducono poco: a portata alta parte dell'energia resta dentro.

Stesso condominio, stessa richiesta di 1530 litri in 90 minuti, e lo stesso confronto per tutti: la pompa di calore da 30 kW è in servizio, divisa sugli accumuli, e riparte sulla sua sonda.

C'è però un limite che sulla carta non si vede. Una batteria PCM per acqua sanitaria ammette una portata massima, nell'ordine di 20–25 litri al minuto, anche dal lato della pompa di calore. Con 30 kW e 8 K di salto la pompa di calore muove 54 litri al minuto: servono almeno tre moduli, ciascuno con 10 kW e 18 litri al minuto.

E l'ingombro non è quello del materiale. Dentro un modulo almeno metà del volume è occupata dagli scambiatori, poi ci sono l'isolamento e gli involucri.

Acqua, due produttori da 734 litri: circa 60 kWh accumulati, 1468 litri, con l'isolamento due cilindri Ø 990 alti 2 m, circa 1750 kg pieni. Durante la punta la pompa di calore dà solo 11 kWh: riparte tardi, perché ripartendo prima rimescolerebbe il serbatoio.
PCM inorganico che fonde a 58 °C: tre moduli commerciali da 9,5 kWh, 365 × 575 × 870 mm ciascuno, isolamento compreso, circa 450 kg in tutto. Dentro ci sono 62 litri di materiale per modulo.
PCM organico che fonde a 53 °C: il calcolo chiede 9 kWh per modulo, con 8 kWh si ferma a 1468 litri. Fra i moduli commerciali quello da 10 kWh basterebbe in energia, ma ammette al massimo 15 litri al minuto, meno dei 18 della pompa di calore: servono tre moduli da 12 kWh, 455 × 595 × 1200 mm ciascuno, circa 580 kg in tutto.

I tre moduli inorganici stanno in 1,2 × 0,6 m di pianta, alti 87 cm; gli organici in 1,5 × 0,6 m, alti 1,2 m. I due serbatoi ad acqua, con gli scambiatori a piastre, occupano circa 2,1 × 1,2 m e arrivano al soffitto.

Il PCM non si rimescola. L'acqua sì.

Perché tanta differenza? Nell'acqua la stratificazione è tutto: la sommità calda, il fondo freddo, separati. Se la pompa di calore riparte in piena punta aspira dal fondo l'acqua fredda di ritorno, la rimanda nel serbatoio con una portata quattro volte quella delle piastre e rompe la stratificazione: l'acqua calda in sommità si mescola con quella fredda e diventa inutilizzabile prima. Per questo nell'acqua la pompa di calore deve ripartire tardi, e durante la punta dà solo 11 kWh.

Nel PCM il materiale non circola. Il calore della pompa di calore entra da uno scambiatore e resta dove arriva: niente rimescolamento. La pompa di calore riparte dopo 8 minuti di prelievo e cede ai tre moduli 41 kWh durante la punta, senza togliere nulla alla temperatura in uscita.

Così l'acqua deve accumulare quasi tutta l'energia della punta, i moduli PCM circa la metà: 28,5 kWh l'inorganico, 27 l'organico secondo il calcolo, contro 60.

Non conta la dimensione

Non è il volume che conta, ma quanta acqua calda e quanta energia di fusione l'accumulo riesce a cedere alla portata che serve, sopra la temperatura d'uso. E un materiale non si sceglie sulla sola densità energetica per litro: contano il peso sul solaio, il costo, la durata nei cicli, il contenitore, il comportamento al fuoco, la manutenzione dello scambiatore.

Acqua, PCM inorganico, PCM organico: nessuno prevale sempre. Costi, pesi, ingombri, spazi disponibili e trattamento dell'acqua sono scelte del progettista.

Il calcolo, prima di comprare

Con il mio simulatore CFD questi calcoli ora si fanno: il serbatoio, lo scambiatore, la pompa di calore che riparte sulla sonda, la portata vera al rubinetto, minuto per minuto. Non è una misura, è un calcolo, ma validato su prove di laboratorio e di campo, per l'acqua e per i PCM organici e inorganici.

Così non si sovradimensiona: ogni litro di accumulo in più è un costo inutile, di acquisto, di spazio e di dispersioni. E si sa prima quale portata reale l'impianto darà all'acqua calda sanitaria del tuo progetto.