L'Efficienza delle Pompe di Calore

Definizioni e Quantificazione dell'Efficienza delle Pompe di Calore

 

Le definizioni di efficienza

Le pompe di calore d’inverno estraggono calore da una sorgente esterna più fredda per trasferirlo agli ambienti domestici riscaldandoli, oppure per trasferirlo all’acqua sanitaria riscaldandola. Quelle che sono anche in grado di operare in raffrescamento d’estate, prelevano calore dalla casa e lo trasferiscono all’esterno.

Diventa quindi fondamentale determinare con quale efficienza vengano realizzati questi lavori, dal momento che ciò determina sia la convenienza economica delle pompe di calore, sia la loro sostenibilità ambientale.

Parlando di efficienza, sono stati introdotti alcuni termini per descrivere il comportamento delle pompe di calore, a seconda che operino d’inverno o d’estate, o che utilizzino l’elettricità o il gas per la fase di compressione del fluido termovettore.

Si definiscono quindi:

  • il coefficiente di prestazione o COP (acronomio dell’inglese Coefficient Of Performance), che descrive il rapporto tra il calore utile fornito dalla pompa di calore e l’energia elettrica che essa impiega per valorizzarlo per gli usi domestici (riscaldamento ambienti, acqua sanitaria o entrambi);
  • il fattore di utilizzo del gas o GUE (acronomico di Gas Utilization Factor), che descrive il rapporto tra il calore utile fornito dalla pompa di calore e il gas che essa impiega per valorizzarlo per gli usi domestici (riscaldamento ambienti, acqua sanitaria o entrambi);
  • l’indice di efficienza energetica o EER (acronimo per Energy Efficiency Ratio), che descrive il rapporto fra il fresco fornito dalla pompa di calore in estate e l’energia elettrica che essa impiega per valorizzarlo negli usi domestici;

Cosa significa ad esempio possedere una pompa di calore con un COP pari a 4?

Significa che la nostra pompa di calore è in grado di mettere a disposizione per il riscaldamento della casa 4 kWh termici, a fronte di 1 kWh elettrico speso per funzionare. Tipicamente poi, di questi 4 kWh termici, 3 kWh saranno quelli che la pompa di calore è riuscita ad estrarre dall’aria e 1 kWh sarà dato dalla conversione in calore del kWh elettrico. Per questo si tende ad indicare che le pompe di calore hanno una efficienza che supera il 100%. Ma di questo parleremo meglio nella parte dedicata all’etichetta energetica delle pompe di calore.

Se il GUE è più basso del COP e dell’EER?

Per quanto riguarda il GUE, è importante osservare come in Italia spesso questo venga definito come COP, senza distinguerlo a livello di definizione dal COP delle pompe di calore a compressione elettrica.

Apparentemente sembrerebbe quindi che il COP delle pompe di calore a gas sia più basso rispetto al COP delle pompe di calore elettriche, rispettivamente con valori nominali compresi fra 1,3 e 1,6 per le prime e valori nominali compresi fra 3 e 5 per le seconde. In realtà però i due COP non sono direttamente confrontabili, perché il primo fa riferimento al potere calorifico inferiore del gas impiegato per far funzionare l’impianto, mentre il secondo fa riferimento al kWh elettrico.

Similmente, la normativa italiana applica la definizione dell’EER sia alle pompe di calore elettriche che alle pompe di calore a gas, sebbene per le seconde il riferimento più corretto sia l’applicazione del GUE al funzionamento estivo. Le pompe di calore elettriche hanno tipicamente un EER compreso fra 3 e 5, mentre quelle a gas hanno un EER vicino o superiore a 0,6.

 

Il valore del COP in funzione della temperatura

I produttori di pompe di calore, per misurare l’efficienza delle proprie macchine, seguono delle procedure codificate all’interno di norme tecniche specifiche.

In particolare, per le pompe di calore elettriche il riferimento principale è la norma EN 14511, mentre per le pompe di calore ad assorbimento, il riferimento è la norma UNI EN 12309-2.

Per misurare le prestazioni delle pompe di calore, le norme tecniche richiedono di considerare le seguenti condizioni di misura:

  • compressori alla massima potenza;
  • salto termico tra mandata e ritorno di 5° K (5° C);
  • valori ben definiti della temperatura esterna, tra i quali sono compresi i 7° C a b.s. (bulbo secco) e 6° C a b.u. (bulbo umido);
  • valori ben definiti della temperatura di mandata del fluido termovettore, quali ad esempio i 30° C e i 35° C;

Talvolta i produttori stessi preferiscono fare riferimento allo standard Eurovent, che pur essendo molto simile alla EN 14511, richiede di effettuare le misurazioni per un numero inferiore di condizioni di temperatura esterna e di mandata del fluido termovettore.

Nelle schede tecniche dei produttori potremo trovare quindi ad esempio l’indicazione di un COP (A+7/W 35), che indica il coefficiente di prestazione di una macchina che operi con una temperatura della sorgente di 7° C e una temperatura di mandata del fluido termovettore di 35° C.

La figura qui a fianco mostra l’andamento del COP al variare del valore di Delta_T, che rappresenta la differenza fra la temperatura dell’ambiente esterno da cui viene prelevato il calore e la temperatura di mandata del fluido termovettore, che viene inviato ai corpi scaldanti per il riscaldamento dell’edificio.

Come si può notare, il valore del COP diminuisce in modo importante all’aumentare del valore di Delta_T.

Questo ci fa capire come in presenza di basse temperature esterne l’efficienza delle pompe di calore diminuisce in maniera importante. La diminuzione è maggiore inoltre se decidiamo di aumentare la temperatura di mandata del fluido termovettore e quindi la potenza di lavoro della pompa di calore a fronte dell’aumento delle dissipazioni termiche dovute al calo della temperatura, scelta che infatti aumenta maggiormente il Delta_T.

Il grafico appena riportato è stato recuperato da un post del sito lamiacasaelettrica.com, in cui viene valutato sperimentalmente il comportamento di una pompa di calore in un caso reale di utilizzo domestico.

 

Dal COP delle normative al COP effettivo

Facendo riferimento più nello specifico alle pompe di calore aria – aria e alle pompe di calore aria – acqua, quale che sia la norma tecnica di riferimento, le condizioni di misura previste non tengono conto di alcuni fattori che incidono sulle prestazioni delle macchine, tra le quali sono ricomprese l’umidità relativa dell’aria esterna e la necessità di operare dei cicli di sbrinamento dal lato dell’evaporatore.

L’influenza dell’umidità relativa sulle prestazioni delle pompe di calore

Per quanto riguarda l’umidità relativa, infatti, è opportuno osservare che a parità di temperatura dell’aria esterna, per ottenere la stessa quantità di calore con valori più bassi dell’umidità relativa:

– la temperatura del fluido termovettore in uscita dalla batteria dell’evaporatore deve essere più bassa;

– di conseguenza, la temperatura di evaporazione del fluido termovettore deve essere anch’essa più bassa;

– di conseguenza, il compressore deve portare il fluido frigorigeno ad una temperatura e pressione più basse, diminuendo così di efficienza;

Il calo delle prestazioni al diminuire dell’umidità relativa dell’aria è legato al minor scambio di calore latente. Al di sotto del 50% di umidità relativa, non avviene più scambio di calore latente e lo scambio di calore è solo sensibile, dinque le prestazioni della pompa di calore non diminuiscono ulteriormente.

D’altra parte, è importante osservare che anche valori di umidità troppo elevati, se abbinati a basse temperature, risultano sfavorevoli in quanto comportano la formazione di brina sull’evaporatore, richiedendo l’attivazione di cicli di sbrinamento, che riducono le prestazioni delle pompe di calore. In particolare, il ghiaccio si può iniziare a formare già con temperature di 5° C e un’umidità del 78%.

L’influenza dei cicli di sbrinamento sulle prestazioni delle pompe di calore

Lo sbrinamento si rende necessario quando la superficie della batteria dell’evaporatore raggiunge gli 0° C, provocando così la condensazione prima e il brinamento poi delle ghoccioline di acqua presenti nell’aria ambiente. Il deposito del ghiaccio sulla superficie della batteria innesca un progressivo calo delle prestazioni dovuto al minor afflusso d’aria e alla diminuzione della superficie di scambio termico, il che comporta un aumento ulteriore della brina. Il brinamento si può avere con diverse condizioni di temperatura ambiente e umidità, ad esempio, con 5° C e condizioni di nebbia.

Per ovviare a questo problema, le pompe di calore sono dotate di cicli di sbrinamento più o meno efficienti e automatizzati, durante i quali le pompe medesime interrompono il loro normale funzionamento per trasferire il calore all’evaporatore, permettendo anzitutto lo sbrinamento della batteria e in secondo luogo la sua asciugatura, necessaria per evitare che si inneschi nuovamente il brinamento.

Nel caso di giornate fredde e molto umide, può risultare necessario attivare numerosi cicli di sbrinamento, riducendo in modo importante l’efficienza della pompa di calore. Ad esempio, su una pagina dedicata allo sbrinamento nel sito lamiacasaelettrica.com, in cui viene descritto il comportamento di una pompa di calore in un caso reale di esercizio, viene analizzata una giornata in cui ben il 25% circa dei consumi della pompa di calore sono stati diretti allo sbrinamento dell’evaporatore. Sullo stesso sito sono presenti numerosi articoli relativi allo sbrinamento che evidenziano due aspetti interessanti:

– i cicli di sbrinamento si possano attivare anche quando non è presente della brina nell’evaporatore;

– il comportamento della pompa di calore acquistata può differire da quello indicato nelle specifiche tecniche di prodotto;

Per quanto riguarda il primo aspetto, inoltre, questo è dovuto alle caratteristiche delle logiche di controllo del sistema di brinamento, che molto spesso sono molto cautelative nel gestire il rischio della formazione di brina. Infatti, talvolta non si tratta di un vero e proprio controllo, ma di un’attivazione temporizzata dello sbrinamento ad intervalli di tempo regolari (ad esempio, ogni 25 minuti), talvolta invece alla temporizzazione aggiungono la misura statica della temperatura dell’aria in uscita dall’evaporatore e talvolta aggiungono alle precedenti ance la misura statica della pressione del fluido termovettore nella batteria dell’evaporatore. Per finire, le logiche più recenti misurano questi parametri in maniera dinamica, riuscendo in questo modo ad identificare con maggiore specificità la formazione di brina, ottimizzando gli autoconsumi. Per maggiori informazioni al riguardo, vi invitiamo a leggere il capitolo 5 del quaderno tecnico sulle pompe di calore evaporanti ad aria disponibile a questo link.

Allo stesso tempo, è bene evidenziare che dal Direttore del centro di competenza delle pompe di calore di RSE ENEA Walter Grattieri, nei modelli più recenti di pompe di calore aerotermiche “gli episodi di formazione di brina sulla superficie dell’evaporatore non rappresentano più un fenomeno rilevante nel bilancio energetico della macchina” (QualEnergia, speciale tecnico “La pompa di calore elettrica per la climatizzazione domestica”, pag. 15).

 

Il fattore di prestazione stagionale o SPF delle pompe di calore

Come abbiamo visto nel capitolo precedente, il COP indicato dai produttori non è un dato sufficiente per capire il reale funzionamento e consumo di una pompa di calore installata nella nostra abitazione.

Per questa ragione è stata introdotta la definizione del fattore di prestazione stagionale SPF (acronimo inglese per Seasonal Performance Factor), detto anche SCOP (acronimo inglese per Seasonal Coefficient Of Performance). Il SPF stima i consumi stagionali di energia della pompa di calore in base alle proprie condizioni di lavoro e alle condizioni climatiche, ovverosia in base alla temperatura della sorgente calda e alla temperatura di lavoro del fluido termovettore durante il periodo in cui la pompa viene utilizzata. Possono essere calcolati il caso del solo riscaldamento domestico, il caso di sola produzione di acqua calda sanitaria e il caso combinato di produzione di acqua calda sanitaria e riscaldamento domestico.

Il SPF rappresenta un valore che viene stimato dai progettisti a partire dai dati di prestazione disponibili nelle schede tecniche, nel rispetto delle disposizioni delle norme tecniche di settore. In particolare, queste norme tecniche sono rappresentate dalla UNI TS 11300/4 (paragrafo 9.4.4) e dalla norma EN 14825, cui la prima fa riferimento.

Ai fini del calcolo del SPF, il periodo di funzionamento della pompa di calore viene suddiviso per mesi, per ciascuno dei quali viene identificato un COP medio di riferimento. Talvolta, al posto del mese, è possibile utilizzare dei periodi di durata minore, definiti bin, che permettono di tener meglio conto della variabilità della temperatura esterna.

Sia per i mesi che per i bin, il COP medio considerato è ottenuto a partire dai dati tecnici dei produttori, riferiti a valori precisi della temperatura esterna e del fluido termovettore, operando su di essi una interpolazione lineare che permetta di calcolare il valore del COP alla temperatura media presa come riferimento.

In aggiunta, si introduce un fattore correttivo (più precisamente riduttivo) del COP in caso di funzionamento della pompa di calore a carico parziale. Occorre infatti considerare che le pompe di calore tipicamente non lavorano a pieno carico, ovverosia alla potenza massima esprimibile, ma ad un carico inferiore legato alla temperatura della sorgente esterna e alla temperatura di mandata del fluido termovettore, che a loro volta vanno a determinare la quantità di calore trasferita all’ambiente domestico e all’acqua sanitaria. La riduzione del carico può comportare una diminuzione più o meno importante dell’efficienza della pompa, dove la riduzione è tipicamente minore in presenza di compressori dotati di inverter.

Il fattore correttivo può essere recuperato ancora una volta dalle schede tecniche di prodotto, oppure, in loro assenza, può essere calcolato tramite specifiche formule riportate nelle norme tecniche richiamate poco sopra.

Il SPF si rivela fondamentale quando dobbiamo studiare il ritorno economico derivante dall’installazione di una pompa di calore, a fronte dei risparmi di energia che questa permette di ottenere, o ancora quando dobbiamo determinare l’Attestato di Prestazione Energetica di un edificio, che richiede appunto di stimare il comportamento del sistema edificio impianto in condizioni reali di esercizio.

Per finire, il SPF viene utilizzato dai produttori per definire la classe di efficienza energetica e la potenza termica nominale delle pompe di calore indicate nell’etichetta energetica di prodotto. Al proposito, è bene evidenziare che questi valori rappresentano una autocertificazione del produttore, dal momento che, diversamente dai dati inseriti in scheda tecnica, non prevedono, almeno per ora, la loro certificazione da parte di un organismo notificato.

 

L’evoluzione tecnologica e il miglioramento dell’efficienza delle pompe di calore

Le pompe di calore sono tuttora in continuo sviluppo e miglioramento dal punto di vista tecnico e delle prestazioni. Come evidenziato dall’intervista al segretario di Assoclima Giampiero Colli riportata nel numero 72 del settembre 2014 de gli Speciali di ExpoClima, “l’evoluzione tecnologica è continua, non abbiamo ancora raggiunto il massimo, ma se confrontiamo le PdC di oggi con quelle di 5 anni fa, sono due prodotti completamente diversi. C’è stata una grande ricerca e sviluppo, sia per i refrigeranti, che sono in grado di dare maggiori risultati, sia per l’elettronica, in particolare nei compressori con inverter e nei sistemi di regolazione e controllo, che consentono di gestire condizioni di comfort in modo corretto. Direi che  questi due campi in particolare saranno la sfida anche per i prossimi anni”.