PROGETTAZIONE

POMPE DI CALORE per le reti energetiche di quartiere

Luca Stefanutti - Immagini di FairHeat, Vital Energi, Joel Gustafsson, Haworth Tompkins

LA COMBINAZIONE DI POMPE DI CALORE E RETI DI DISTRIBUZIONE DI ENERGIA TERMICA RAPPRESENTA LA SOLUZIONE OTTIMALE PER RIDURRE L’IMPRONTA CARBONICA DEGLI INTERVENTI DI SVILUPPO DI EDIFICI DI NUOVA COSTRUZIONE E DI RIQUALIFICAZIONE, COME DIMOSTRANO DUE PROGETTI IN FASE DI REALIZZAZIONE NEL REGNO UNITO

Chi opera nel settore delle costruzioni, e in particolare in quello degli impianti per gli edifici, ha sperimentato negli ultimi anni una discreta varietà di politiche in campo ambientale e di nuove tendenze tecnologiche. Tuttavia, nessuna è stata così significativa come la transizione energetica che stiamo vivendo che vede protagoniste le pompe di calore. Affermatesi già da anni negli impianti autonomi di piccola e media taglia, esse sono sempre di più impiegate anche per la produzione di energia termica (e spesso anche frigorifera) per reti di distribuzione di grande taglia. In questo ambito esse hanno ormai reso obsoleti i sistemi di cogenerazione di calore ed elettricità, che potranno tornare ad essere un’opzione valida soltanto nel momento in cui l’idrogeno verde potrà sostituire il gas come combustibile. L’altra tendenza che si va consolidando nei nuovi interventi di sviluppo immobiliare vede la prevalenza dei sistemi di riscaldamento di tipo centralizzato, rispetto all’impiego di sistemi autonomi.

DIFFFERENZA TRA LA TEMPERATURA MEDIA DEL RADIATORE E LA TEMPERATURA AMBIENTE (20 °C)

carico termico (kW)

70/40 °C

35 Indiretto VS diretto Può raddoppiare le dimensioni del radiatore

60/40 °C 55/45 °C 55/35 °C 50/40 °C

30 25 50/30 °C 45/35 °C 220%

200%

180%

160%

140%

120%

20 100% aumento della dimensione

Fig.1 - Aumento delle dimensioni dei radiatori in base alle temperature di esercizio

Per fornire agli utenti un servizio affidabile e conveniente, la sfida consiste nell’integrare in modo efficiente la tecnologia delle pompe di calore nelle reti di distribuzione, e ciò richiede in primo luogo l’ottimizzazione della progettazione delle reti di distribuzione del calore a bassa temperatura. Un sistema integrato di questo tipo è composto generalmente da: • una rete di distribuzione di energia a livello di sito o di quartiere che fornisce i servizi di riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria agli utenti finali attraverso unità di interfaccia termica che separano la rete dai sistemi di riscaldamento e di produzione istantanea di acqua calda sanitaria della singola abitazione; • una centrale energetica contenente l’impianto di generazione e distribuzione che serve la rete di distribuzione con acqua calda a bassa temperatura di mandata (55-60 °C) e di ritorno (25-30 °C).

È tutta questione di temperatura

Per garantire un’elevata efficienza di una rete di distribuzione l’aspetto chiave è costituito dalla progettazione e dal funzionamento con acqua calda a bassa temperatura, in modo da ridurre le dispersioni di calore e i rischi di surriscaldamento, tipici invece dei sistemi che funzionano con temperature di 70 °C e oltre. Una rete di distribuzione può fornire riscaldamento e acqua calda sanitaria per soddisfare le esigenze degli utenti con temperature di mandata di 55-60 °C, ma ciò richiede una concezione integrata tra l’impianto della singola abitazione e il progetto della rete. Con l’introduzione delle pompe di calore, è doppiamente importante che le temperature di esercizio siano le più basse possibili, dato che esse funzionano in modo più efficiente con ridotte temperature di mandata. Un aspetto forse ancora più impegnativo è costituito dal fatto che la maggior parte dei modelli di pompe di calore disponibili sul mercato non sono ottimizzati per il funzionamento in modalità di riscaldamento, essendo in realtà dei gruppi refrigeratori che funzionano a ciclo inverso. Le poche pompe di calore ad alta temperatura disponibili presentano un coefficiente di prestazione (COP) che generalmente inizia a essere compromesso con temperature di uscita superiori a 60 °C, il che pone un limite alla massima temperatura di esercizio delle reti di distribuzione del calore. Per far funzionare in modo efficiente una rete con una temperatura di mandata di 60 °C è necessario adottare un più elevato “approccio” termico (ovvero la differenza di temperatura tra l’acqua calda in entrata e in uscita) attraverso il satellite di utenza per trasferire il calore dalla rete all’abitazione. Se questa differenza di temperatura è ridotta, gli scambiatori di calore a piastre diventano troppo grandi e la stabilità del controllo può essere compromessa. Per la produzione di acqua calda sanitaria, si consiglia di utilizzare un approccio di 5 °C, mentre per il riscaldamento dell’ambiente, esso dovrebbe essere compreso tra 7 e 10 °C a seconda del satellite selezionato. Il satellite deve anche fornire acqua calda sanitaria a temperature sufficienti per soddisfare i requisiti per il controllo della Legionella. È necessario chiarire bene come questo concetto debba essere applicato ai satelliti che producono acqua calda in modo istantaneo, rispetto ai bollitori di acqua calda, per i quali il rischio è molto maggiore a causa della presenza di acqua accumulata. I satelliti che erogano acqua calda istantaneamente sono da considerarsi sistemi a basso rischio e sono tenuti ad erogare una temperatura minima di 50 °C in uscita o immediatamente a monte di qualsiasi valvola miscelatrice. Il satellite dovrà inoltre garantire una temperatura dell’acqua calda per il riscaldamento dell’ambiente che sia sufficiente per ottenere le condizioni di progetto in base al tipo di terminale di emissione. I sistemi di riscaldamento a pavimento, grazie alla grande superficie dei circuiti, funzionano con temperature molto basse, tipicamente di 40-45 °C, e ciò li rende la tecnologia ideale, in quanto non influenzano la temperatura minima di esercizio della rete principale, che è invece determinata dal set point dell’ACS. RCI

NUMERO CUMULATIVO DI ORE ANNUE CON UN DETERMINATO CARICO

1200

1000

carico termico (kW) 800

600

400

200 90% del carico termico sotto il 45% del carico di punta

80% del carico termico sotto il 35% del carico di punta

50% del carico termico sotto il 20% del carico di punta

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

NUMERO CUMULATIVO DI ORE ANNUE CON UN DETERMINATO CARICO

Fig. 2 - Profilo del fabbisogno orario per un progetto di 500 abitazioni

Fig. 3 - Contributo dei vari componenti di un sistema di tipo ibrido 1200

1000

carico termico (kW) 800

600

400

200 Caldaia a gas per coprire il 5% del fabbisogno termico

Accumulo termico per coprire il 95% del fabbisogno termico

Potenza pompa di calore 350 kW

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Ciò consente alle reti di funzionare con temperature di mandata di rete fino a 55 °C. Per i sistemi di riscaldamento che utilizzano radiatori, la soluzione di progetto diventa invece un compromesso tra basse temperature e maggiori dimensioni dei terminali. I radiatori tradizionali funzionano con una temperatura di mandata di 60-70 °C, mentre questa dovrà scendere a circa 50 °C nella rete di distribuzione. Ciò richiede un aumento delle dimensioni del radiatore che può essere problematico per il design dell’abitazione, dovendo installare apparecchi più larghi o profondi che possono risultare esteticamente sgradevoli (figura 1). Il progetto dell’abitazione è quindi intrinsecamente legato alla fattibilità di una rete basata sulle pompe di calore. Ciò richiede che nel processo di progettazione venga effettuata fin da subito una valutazione e un allineamento tra le diverse parti coinvolte. Negli ultimi anni per gli edifici di nuova costruzione si è assistito a un significativo passaggio ai sistemi di riscaldamento a pavimento da parte degli sviluppatori, motivato proprio dai vantaggi che essi offrono in rapporto alle temperature di esercizio delle reti e alla semplicità di messa in servizio rispetto ai radiatori. Diverso è il caso degli edifici esistenti dotati generalmente di radiatori.

Accumulo termico: il miglior amico delle pompe di calore

Le richieste di riscaldamento e acqua calda sanitaria hanno una caratteristica molto problematica per i progettisti delle reti di distribuzione: il carico termico di punta che il sistema deve essere in grado di soddisfare si verifica infatti raramente e per brevi periodi. Il più delle volte, il carico è significativamente inferiore al suo valore di punta. Ciò è illustrato dalla figura 2, che mostra il profilo di carico orario per un progetto residenziale ad alta densità con 500 abitazioni: il 50% del fabbisogno annuale di calore si verifica al di sotto del 20% del carico di punta. Le pompe di calore sono una tecnologia costosa: una pompa di calore ad aria può infatti costare tra 500 e 800 euro per kW di capacità. Di conseguenza, se si trasferisce completamente sulle pompe di calore la richiesta di punta di una rete, si avranno sistemi molto costosi. Per un sistema da 1 MW, il costo può essere compreso tra 500 e 800 mila euro soltanto per le pompe di calore. Un approccio alternativo per limitare la capacità richiesta dalle pompe di calore è costituito dalla loro combinazione con sistemi di accumulo termico e con caldaie a gas per coprire le punte di carico.

I sistemi di accumulo termico sono indispensabili per sfruttare al massimo il contributo in termini di kWh per ogni kW di potenza della pompa di calore. In considerazione di questo impatto, essi rappresentano un fattore chiave per ridurre il costo totale del sistema, quindi dovrebbero essere considerati il prima possibile nel processo di progettazione in modo da garantire che venga fornito uno spazio sufficiente per la loro installazione. La figura 3 mostra come, per lo stesso progetto di 500 unità abitative di figura 3, una pompa di calore da 350 kW, abbinata a un accumulo termico di 30 m3, possa fornire il 95% del fabbisogno termico annuale, mentre il restante 5% è coperto da caldaie a gas. Dal punto di vista della riduzione dell’impronta carbonica, il risultato è paragonabile a un sistema completamente a pompa di calore, ma con diversi vantaggi. Il costo di investimento risulta infatti inferiore di circa il 50%, e il sistema può anche collegarsi a una vicina rete di teleriscaldamento implementando una strategia di gestione che determina se conviene far funzionare le pompe di calore in loco oppure utilizzare la fornitura della rete, in base all’impronta carbonica, al costo dell’energia o alla combinazione dei due fattori.

Scegliere tra più opzioni

Fondamentale in fase di progettazione, in particolare con l’introduzione di nuove tecnologie in un contesto politico e normativo incerto, in continuo mutamento, è l’attività di optioneering, ovvero la valutazione tra le diverse opzioni disponibili di strategia energetica. Sotto questo aspetto sono due le questioni fondamentali da affrontare, tra loro correlati: • Che tipo di pompe di calore scegliere: ad aria o ad acqua (figura 4). • Dove installare le pompe di calore. Per quanto riguarda il primo aspetto, l’impiego di pompe di calore ad acqua di tipo geotermico (a circuito aperto o chiuso) viene spesso considerato più costoso, complesso e rischioso. Non c’è dubbio che, a causa dei requisiti delle sonde a circuito chiuso o dei pozzi a circuito aperto, i sistemi geotermici presentano un maggiore costo di investimento in termini di euro/kW rispetto a quelli basati su pompe di calore ad aria. Tuttavia, il loro impiego può essere conveniente in termini di minori costi operativi e quando lo spazio a terra o sulla copertura ha un valore particolarmente elevato, dato che potrebbe essere utilizzato per altre funzioni, oppure se il progetto è ampio e deve essere realizzato in più fasi. A differenza di quanto talvolta si creda, i sistemi geotermici a ciclo chiuso non richiedono alcuna autorizzazione di tipo ambientale, che invece è sempre richiesta per i sistemi a ciclo aperto. È infatti possibile installare sonde fino a 200 metri di profondità, il che significa che anche gli sviluppi urbani ad alta densità garantiscono spesso un’impronta sufficiente per un sistema con pompe di calore geotermiche in grado di soddisfare il carico di base. Per effettuare la scelta è sempre consigliabile eseguire sempre una due diligence tecnica e non escludere mai una soluzione in modo prematuro o sulla base di informazioni errate. Quando si tratta invece di valutare dove installare le pompe di calore, il fatto di ignorare frettolosamente le diverse opzioni alternative può portare a dover rifare il progetto con una strategia che inizialmente è stata erroneamente esclusa. Per i sistemi ad aria, che prevedono l’installazione delle macchine all’esterno, può essere ottimale posizionare l’intero impianto sulla copertura, liberando spazio a livello terra e semplificando il coordinamento generale. In conclusione, realizzare edifici carbon neutral rappresenta una sfida molto complessa e la combinazione delle pompe di calore con le reti di distribuzione di energia a bassa temperatura svolgerà un ruolo decisivo in questo scenario.

Fig. 4 - Le pompe di calore ad aria rappresentano la soluzione più semplice quando è disponibile spazio sulla copertura o a terra

CASO DI STUDIO N.1 – QUEENS QUAY DI GLASGOW

Sebbene vi sia ormai un generale consenso per l’impiego delle pompe di calore per progetti di nuova costruzione, esse non sempre sono considerate adatte per il retrofit di edifici dotati di sistemi di riscaldamento di tipo tradizionale. Una progettazione a regola d’arte, tuttavia, le rende una soluzione valida anche per questo tipo di interventi, come dimostra il progetto Queens Quay di Glasgow, commissionato dal West Dunbartonshire Council, una combinazione di edifici di nuova costruzione e di riqualificazione di edifici esistenti. Il cuore della soluzione energetica a basse emissioni di carbonio è costituito dall’Energy Centre (figura 5) che ospita due pompe di calore ad acqua ad ammoniaca da 2,65 MW (figura 6), un accumulo termico da 130 m3, due caldaie a gas da 7 MW e la sala di controllo. Le pompe di calore e l’accumulo termico forniscono circa l’80% del fabbisogno annuale di 51.000 MWh, mentre il resto è coperto dalle caldaie a gas che fungono anche da backup. RCI

Progettazione

SCHEDA DI PROGETTO

Committente: West Dunbartonshire Council Sviluppatore: CRL & Dawn Developments Completamento previsto: 2022 Architetti Energy centre: Cooper Cromar Architects Concept design: Howley Energy and Water Specifiche di progetto: Ramboll Progetto e installazione: Vital Energi Costruttore pompe di calore: Star Refrigeration Progetto strutturale: Goodson Associates General Contractor: Muir Associates Costo di costruzione: 20 milioni di sterline

È stata anche prevista la possibilità di aggiungere altre due pompe di calore nel corso della costruzione se la richiesta di calore dovesse aumentare. Il camino alto 30 metri contiene il sistema di ventilazione delle pompe di calore e il sistema di spurgo di emergenza dell’ammoniaca, che garantisce un’adeguata dispersione e nessun impatto in caso di fughe. Nel camino sono convogliate anche le canne fumarie delle caldaie. Nella centrale sono installate anche le pompe di emungimento (figura 7) che prelevano l’acqua dal fiume Clyde e la fanno circolare attraverso le pompe di calore, prima di restituirla al fiume, con il vincolo che essa non può essere scaricata a una temperatura inferiore di più di 3 gradi rispetto a quella di presa. La pompa di calore produce acqua calda che viene distribuita tramite una rete di teleriscaldamento lunga 2,5 km a servizio dell’area che si sviluppa su 23 ettari. Al termine dei lavori essa servirà 1.200 abitazioni e le infrastrutture di servizio, come centri sanitari e commerciali.

Un sistema di teleriscaldamento di tipo ibrido

Sebbene le pompe di calore fossero in grado di fornire calore a 80 °C, il progetto si è posto come obiettivo quello di abbassare il più possibile la temperatura di mandata dell’acqua calda adottando un sistema di distribuzione a bassa temperatura, dato che ogni riduzione di 1 K avrebbe portato a un aumento dell’efficienza della pompa di calore di 1,5 %. Ciò ha creato un dilemma per i progettisti, che avrebbero dovuto mantenere temperature relativamente alte per soddisfare le esigenze degli edifici esistenti, ma sufficientemente basse per ot-

Fig. 5 - L’Energy Centre del progetto Qeens Quay in costruzione a Glasgow, con il camino alto 30 metri

7,000

6,000

MWh 5,000

4,000

3,000

2,000

1,000

0

Lug Ago Set Ott Nov Dic Gen Feb Mar Apr Mag Giu

Produzione pompa di calore (MWh) Consumo elettrico pompa di calore (MWh) Temp. acqua di fiume (°C) Fabbisogno calore (MWh) COP 18.00

16.00

14.00

12.00

10.00

8.00

6.00

4.00

2.00

0 *C/COP

Fig. 8 - Profilo del fabbisogno e della produzione termica dell’impianto

tenere la massima efficienza dalla pompa di calore. Gli impianti tradizionali di riscaldamento serviti da caldaie a gas funzionano con temperature di mandata di 80 °C con ritorno a 70 °C, il che significa che temperature di mandata fino a 90°C sono comunemente utilizzate nelle reti di teleriscaldamento per soddisfare questo requisito mediante uno scambiatore di calore a piastre. Una verifica dettagliata dei sistemi esistenti ha concluso che questi edifici possono funzionare a 75 °C di mandata e 60 °C di ritorno, mentre i nuovi edifici sono stati progettati per funzionare a 70 °C e 45 °C di ritorno. Grazie alla compensazione climatica è possibile ridurre la temperatura per ottenere ulteriori vantaggi in termini di efficienza. La temperatura di mandata deve essere sufficientemente alta da soddisfare le esigenze di retrofit dei quattro edifici esistenti ma, poiché questi rappresentano soltanto il 10% della richiesta, essi non influenzano la temperatura complessiva di distribuzione della rete e ciò consente di dare la priorità all’efficienza complessiva del sistema. La riduzione della temperatura tramite compensazione climatica è importante per garantire che il sistema possa soddisfare la produzione di acqua calda sanitaria, nonché eventuali specifiche esigenze, come lo shock termico dell’acqua calda sanitaria. Con questa combinazione di nuove costruzioni e di ristrutturazione, i progettisti hanno raggiunto un COP di 3,1, rendendo il sistema notevolmente più efficiente rispetto alle soluzioni tradizionali, come le caldaie a gas o la cogenerazione.

Costruire il modello di dati

La fase iniziale del progetto di sviluppo immobiliare prevede la costruzione di una serie di edifici: l’Aurora Building, che ospiterà gli uffici pubblici del Council, il Clydebank College, il Titan Enterprise Centre, un centro ricreativo e una residenza per anziani, la Queens Quay Care Home. In futuro il sistema servirà una struttura sanitaria e 1200 abitazioni di nuova costruzione, ma con l’opportunità di alimentare anche 140 appartamenti e attività commerciali esistenti. Prevedere con precisione quale sarà il fabbisogno energetico di uno sviluppo edilizio di questa entità risulta difficile ma necessario perché detta il dimensionamento dell’impianto, delle apparecchiature e della rete di distribuzione del calore. Per le nuove costruzioni, calcolare la richiesta termica in base alle caratteristiche dell’involucro degli edifici, come la trasmittanza, è relativamente semplice, tuttavia gli occupanti possono consumare l’energia in vari modi, il che influisce sulla richiesta e sul fabbisogno su base annua. I dati energetici degli edifici esistenti raramente sono invece disponibili nella granularità richiesta per costruire profili dettagliati, quindi i calcoli spesso si basano sull’esperienza in modo da trovare una soluzione con una flessibilità intrinseca in grado di affrontare tutti i possibili scenari. Calcolare i picchi di carico per dimensionare la taglia dell’impianto è fondamentale. La vera sfida, tuttavia, è valutare i diversi profili energetici attraverso la rete per selezionare le pompe di calore e l’accumulo termico più appropriati. Ciò significa prevedere con precisione il fabbisogno di energia per tutti gli edifici connessi, oltre al fattore di contemporaneità della rete (figura 8). Senza questi dati, le pompe di calore ad acqua potrebbero essere dimensionate in modo errato: se fossero di taglia troppo grande non funzionerebbero in modo efficiente, mentre se fossero troppo piccole, non si potrebbe ottenere il massimo risparmio in termini di emissioni di carbonio.

Una soluzione flessibile

Progettare nuovi edifici da collegare a un sistema di teleriscaldamento che opera a temperature più basse è relativamente semplice. I regolamenti edilizi hanno contribuito a ridurre le dispersioni di calore migliorando i valori di trasmittanza e riducendo i tassi di infiltrazione, il che significa che il comfort termico può essere raggiunto con temperature inferiori dell’acqua calda. RCI

Gli edifici esistenti, in particolare quelli obsoleti, hanno invece solitamente maggiori dispersioni e infiltrazioni, quindi sono necessarie temperature più elevate per raggiungere gli stessi livelli di benessere. Il collegamento di questi edifici a una rete con basse temperature di esercizio può essere effettuato solo dopo una valutazione completa dei sistemi di emissione termica, come radiatori, ventilconvettori e batterie per unità di trattamento dell’aria, per garantire la compensazione delle dispersioni di calore. Sebbene non fosse necessario per il progetto Queens Quay, i miglioramenti alle prestazioni dell’involucro, grazie all’isolamento termico e alla sostituzione degli infissi, da vetro singolo a doppi vetri, contribuiscono a ridurre le perdite di calore e rappresentano solitamente un buon punto di partenza. Spesso, i sistemi di distribuzione esistenti prevedono pompe a volume costante e valvole di regolazione a 3 vie. Ciò può portare a elevate temperature di ritorno alla centrale termica con il sistema che non funziona come previsto o che si spegne. Ciò, a sua volta, può comportare un aumento delle perdite di rete e un maggiore contributo delle caldaie a gas. La conversione a valvole a 2 vie, del tipo indipendente dalla pressione, garantisce un buon controllo e basse temperature di ritorno, anche se generalmente risulta necessaria una modifica nella filosofia di controllo delle pompe, da portata costante a variabile, che richiede l’installazione di inverter.

Un satellite ottimizzato per la pompa di calore

La maggior parte delle unità di interfaccia termica di tipo tradizionale non sono in grado di funzionare in modo efficiente con basse temperature. Il progetto di Queens Quay può funzionare con temperature di mandata fino a 80 °C ma questa condizione accade di rado e nei mesi estivi più caldi, quando la richiesta di riscaldamento è ridotta, i valori scendono fino a 60 °C. Per garantire la massima efficienza con questi parametri, è stato necessario progettare un satellite già ottimizzato per la pompa di calore, in grado di monitorare le variazioni della temperatura di mandata e della temperatura dell’acqua calda sanitaria ed effettuare una compensazione. Sono stati impiegati due anni per sviluppare una nuova tecnologia in grado di soddisfare questi requisiti. Sebbene sia stato progettato pensando ai sistemi di teleriscaldamento di nuova generazione, il satellite può funzionare in modo efficiente anche a temperature più elevate. Grazie alla sua capacità di reagire alle variazioni di temperatura, esso resta ottimizzato al variare delle portate durante la stagione, garantendo elevate prestazioni in tempo reale. Basse temperature si traducono in perdite ridotte e, sebbene i valori ottenuti con un singolo satellite siano relativamente modesti, quando si moltiplicano per le 1200 abitazioni e si considerano in un periodo di 20 anni, si possono ottenere risparmi significativi nei costi operativi e nella riduzione dell’impronta carbonica.

Prestazioni per il retrofit e le nuove costruzioni

Un’accurata verifica del sistema di riscaldamento di un edificio esistente, unitamente all’analisi dei dati storici dei consumi energetici, è essenziale per comprendere le modifiche necessarie per renderlo compatibile con una rete di distribuzione a bassa temperatura. Tuttavia spesso le modifiche da apportare al sistema di riscaldamento risultano minime grazie al sovradimensionamento dei corpi scaldanti e alla semplice sostituzione dei sistemi di regolazione. Gli interventi di riqualificazione richiedono maggiore attenzione in fase di progettazione, ma l’intervento di Queens Quay dimostra che le pompe di calore sono una soluzione praticabile per edifici di tutte le età. L’abbassamento della temperatura dell’acqua calda, in combinazione con interventi sull’isolamento termico, sui terminali e sui sistemi di controllo, rappresenta una soluzione energetica estremamente efficiente.

CASO DI STUDIO N.2 – PEMBROKE COLLEGE, CAMBRIDGE

L’elettricità sta ormai sostituendo il gas come fonte di calore pulita. La diffusione delle energie rinnovabili, come l’eolico e il solare, ha reso infatti l’elettricità di rete come la fonte a più basse emissioni di carbonio e più economica per il riscaldamento. Le transizioni energetiche non sono una novità: il gas naturale è stato ampiamente utilizzato come sostituto del gasolio e del carbone, per eliminare lo smog prodotto dalle emissioni. A sua volta il carbone, grazie al suo elevato contenuto termico, aveva sostituito durante la rivoluzione industriale il legno, che era stato bruciato per fornire calore per migliaia di anni. Tutte queste transizioni energetiche hanno avuto luogo a Cambridge, dove il Pembroke College sta intraprendendo il progetto di espansione di Mill Lane nel centro storico della città, in un sito posto vicino al fiume Cam. Il College è il terzo più antico dell’università, essendo stato fondato nel 1347 da Marie de St Pol, contessa di Pembroke. Il progetto di riqualificazione prevede la demolizione di alcuni edifici non significativi e la loro sostituzione con una nuova struttura che ospiterà gli alloggi per gli studenti, il restauro di edifici storici

SCHEDA DI PROGETTO

Committente: Pembroke College Completamento previsto: 2022 Architetti: Haworth Tompkins Concept design: Max Fordham Progetto esecutivo: Joel Gustafsson

KENMARE GARDEN Alloggi per studenti Spazi comuni Spazi per studenti Spazi per spettacoli e conferenze

Edifici pubblici Edifici esistenti

DOLBY COURT

Fig. 9 - Gli edifici del Pembroke College di Cambridge saranno serviti da un impianto con pompe di calore

che saranno dedicati a didattica, riunioni e seminari, e la creazione di nuovi spazi per spettacoli e conferenze nella Emmanuel Reformed Church (figura 9).

Strategie passive

Il miglioramento della prestazione energetica dell’involucro degli edifici sarà fondamentale per il successo del progetto. Le aree di nuova costruzione, come il blocco per alloggi della Dolby Court (figura 10), avranno sin dall’inizio elevati standard prestazionali, mentre quelle degli elementi esistenti che verranno conservati verranno migliorate in modo significativo. Lavorando con l’architetto, è stato intrapreso un audit completo sulla sostenibilità, che ha portato a migliorare la tenuta all’aria degli edifici, aumentare la quantità di pannelli fotovoltaici sui tetti, incrementare i livelli di isolamento termico e ridurre il carbonio incorporato nei materiali. Per sviluppare il design della facciata ed evitare il surriscaldamento delle stanze degli studenti nel blocco principale degli alloggi, è stata utilizzata una combinazione di specifiche stratigrafie. Sfortunatamente la Dolby Court è posizionata sulla trafficata Mill Lane. Il rumore proveniente dalla strada ha impedito l’apertura delle finestre che si affacciano sulla via principale per attivare la ventilazione naturale e raggiungere livelli accettabili di comfort. Gli ambienti saranno quindi dotati di sistemi di raffrescamento e di ventilazione meccanica con recupero di calore.

Strategie attive

Il riscaldamento è a pavimento, con tubazioni annegate nel massetto, mentre il raffreddamento è fornito da tubi incorporati nel soffitto in cemento, per quella che può essere definita come “una strategia passiva aumentata”. Le temperature del sistema di raffreddamento, progettate per funzionare a 14 °C di man-

Fig. 10 - Il blocco della Dolby Court sarà destinato a nuovi alloggi per gli studenti

RISCALDAMENTO E PRODUZIONE ACS

pompa di calore primaria Acqua 45 °C

OPZIONE B Refrigerante naturale Acqua calda 65 °C pompa di calore secondaria solo OPZIONE A Acqua 65 °C OPZIONE A: sistema con pompe di calore a 2 stadi OPZIONE B: pompe di calore con refrigerante naturale

Produttore ACS ACS 60 °C

Acqua calda 45 °C

Fig. 11 - Schema dell‘impianto nelle due opzioni a singolo e doppio stadio Acqua refrigerata 14 °C

data e 18 °C di ritorno, potranno essere ridotte se le condizioni esterne fossero molto calde. Sia il caldo che il freddo sono forniti da una rete di distribuzione alimentata da pompe di calore ad aria elettriche alloggiate nel locale tecnico al piano terra, sotto il Dolby Court. Il progetto di base prevede tre pompe di calore, ciascuna con la capacità di fornire fino a 150 kW termici per il riscaldamento degli ambienti e 135 kW frigoriferi, che servono la rete a livello di sito (figura 11). Il circuito primario caldo è predisposto per funzionare a una temperatura di 45 °C di mandata e 40 °C di ritorno. Il sistema è del tipo a doppio stadio, con una pompa di calore secondaria che porterà la temperatura dell’acqua da 45 a 65 °C per alimentare i bollitori di acqua calda sanitaria, situati in un locale tecnico seminterrato accanto al locale tecnico principale. Il circuito di acqua refrigerata funzionerà invece a 14 °C di mandata e 18 °C di ritorno per fornire raffreddamento alla Dolby Court e a una sala di proiezione posta al piano interrato, a una galleria d’arte e a spazi didattici. Gli ambienti dell’ex chiesa saranno invece trattati in modo passivo poiché la ventilazione naturale dell’edificio di epoca vittoriana consente di soddisfare gli standard imposti dalla normativa per l’impiego per conferenze e spettacoli. Lo sviluppo del progetto è ancora in fase di finalizzazione. I progettisti stanno studiando la possibilità di utilizzare pompe di calore con refrigerante naturale, dato che il cliente è desideroso di comprendere i possibili guadagni in termini di efficienza e di impatto ambientale. In questo caso sarà possibile produrre direttamente l’acqua calda a 65 °C. Inizialmente, è stata anche considerata una soluzione con una pompa di calore di tipo geotermico da affiancare alle unità ad aria. Tuttavia, dati i vincoli spaziali del sito, il campo geotermico sarebbe stato limitato a una singola coppia di sonde, con una potenza stimata di circa 100 kW, pari al 20% della potenza di picco. Si è quindi valutato che il costo e la complessità per il funzionamento di due sistemi in simultanea non erano giustificati, quindi l’idea è stata abbandonata. La rete di riscaldamento a bassa temperatura rende più difficile fornire calore agli edifici ristrutturati del sito. Originariamente erano riscaldati con caldaie a gas tradizionali con circuiti che funzionavano a temperature di circa 80 °C in mandata e 70 °C di ritorno. I nuovi circuiti a bassa temperatura richiedono corpi scaldanti più efficienti. Per la chiesa, per esempio, al momento sono previsti terminali sottili nascosti dietro pannelli che verranno mantenuti, quindi si prevede l’utilizzo di radiatori in alluminio dotati di un piccolo ventilatore per favorire la trasmissione di calore.

Riscaldamento Modalità bilanciata Raffreddamento

Fig. 12 - Modalità operative delle pompe di calore a recupero

Fig. 13 - L’ormai demolito King’s Mill era alimentato dal fiume Cam

Le tre pompe di calore sono dimensionate per soddisfare il carico totale. Non è stata prevista un’unità di riserva poiché si è valutato sufficiente il livello di resilienza. In caso di guasto di una pompa di calore, andrà perso al massimo un terzo del carico di picco. Nella maggior parte delle situazioni, il sistema avrà ancora una capacità sufficiente per garantire un livello ragionevole di servizio per il tempo necessario alla riparazione o alla sostituzione. Inoltre, ogni pompa di calore ha una resilienza intrinseca poiché dispone di due compressori e quattro ventilatori; in caso di guasto di un ventilatore o di un compressore, essa è ancora in grado di soddisfare almeno la metà del carico. Le pompe di calore hanno tre modalità di funzionamento (figura 12): • riscaldamento, con le unità che estraggono calore dall’aria ambiente; • raffreddamento, in cui il calore viene scaricato nell’aria ambiente; • bilanciata, con richiesta di calore equivalente al calore sottratto dal sistema di raffreddamento. L’utilizzo di pompe di calore ad aria con recupero di calore consente di prelevare il calore dagli ambienti che ne hanno in eccesso e sfruttarlo per il riscaldamento e/o per l’acqua calda sanitaria, e ciò riduce il consumo di energia. Il progetto prevede anche l’utilizzo di serbatoi di accumulo per massimizzare il tempo in cui il sistema funziona in modalità bilanciata.

Il raffreddamento dell’acqua sanitaria

Il progetto prevede l’impiego di un piccolo chiller per mantenere fredda l’acqua sanitaria. Le alte temperature stanno diventando un problema crescente per i sistemi di adduzione dell’acqua fredda, in particolare negli edifici universitari. Con l’aumento della temperatura, la gestione del rischio Legionella diventa più onerosa. Per ovviare al problema, il chiller provvederà a raffreddare l’acqua contenuta nel serbatoio di accumulo in modo che essa sia sempre al di sotto di un set point di circa 10 °C. La modesta quantità di calore prodotta dal condensatore del chiller verrà trasferita ai serbatoi dell’acqua calda. Inoltre, verrà monitorata la temperatura dell’acqua in tutto il sistema e una ridotta quantità verrà scaricata automaticamente quando l’acqua nelle tubazioni supererà i 15 °C. Ciò garantirà sempre la disponibilità di acqua fredda a bassa temperatura in ogni punto di utenza, indipendentemente dai profili di utilizzo o dalla temperatura ambiente. Il sistema presenta l’ulteriore vantaggio di eliminare lo spreco d’acqua associato al flussaggio del sistema per gestire il rischio di Legionella.

Passato, presente e futuro

Nel 19° secolo il sito del Pembroke College era il cuore industriale di Cambridge in quanto ospitava un grande mulino ad acqua (figura 13) per la macinazione del grano proveniente dai terreni agricoli circostanti. Successivamente, il sito ospitò il Bailey Grundy Barrett Building (ora in fase di demolizione per far posto alla Dolby Court), quartier generale della Cambridge Electric Supply Company che gestiva la prima centrale elettrica della città utilizzando il carbone trasportato dalle chiatte sul fiume Cam. La centrale ha generato elettricità dal 1893 fino alla nazionalizzazione nel 1947. Oltre a produrre energia, il carbone veniva bruciato per fornire calore in molti degli edifici, come testimoniano i numerosi camini. Le centrali a carbone sono state poi sostituite dalle caldaie a gas più economiche e convenienti, ma presto anche queste scompariranno, sostituite dalle pompe di calore elettriche. Per fornire elettricità al progetto, la sottostazione elettrica esistente, che ora si trova nel Bailey Grundy Barrett Building che sarà presto demolito, è in fase di trasferimento. L’edificio che ospiterà la nuova sottostazione sarà costruito utilizzando i mattoni recuperati dalla demolizione dell’ex sede della prima società elettrica di Cambridge. Oltre a progettare per il presente, si sta pensando già alle future generazioni di studenti. Per garantire che la centrale tecnica possa ospitare le apparecchiature di cui avrà bisogno per soddisfare la prossima transizione energetica, qualunque essa sia, il team di progettazione ha previsto uno spazio aggiuntivo. con la possibilità di ospitare anche batterie di accumulo, che consentiranno al college di acquistare elettricità dalla rete quando essa viene venduta a un prezzo conveniente e di immagazzinare l’energia generata dagli impianti fotovoltaici presenti nel sito. Il sistema di accumulo consentirà di ridurre ulteriormente l’impatto ambientale del progetto, dato che l’elettricità è a basse emissioni di carbonio quando è venduta a basso prezzo o autoprodotta. I lavori per il progetto dovrebbero iniziare nel 2021 con la demolizione di alcuni edifici non sottoposti a vincolo, mentre la costruzione dei nuovi edifici dovrebbe iniziare nel 2022. Quando saranno installate le pompe di calore, l’ultima transizione energetica del sito sarà completata.

Bibliografia

- Michael Ridge, Designing community heat pumps systems for heat networks – CIBSE Journal, April 2021 - Lee Moran, A new era for heat: Queens Quay heat pump, CIBSE

Journal, July 2021 - Andy Pearson, Fuel for thought: Cambridge College plans for heat pump transition, CIBSE Journal, April 2021