Pompa di calore a doppia sorgente per la climatizzazione di palestra e laboratoriNZEB

ILFABBISOGNO ENERGETICO per la climatizzazione degli edifici richiede in tutti i paesi industrializzati una percentuale dal  al % del consumo complessivo. È un valore elevato che non può che sorprendere chi conosca le tecniche di coibentazione degli edifici e le nuove tecnologie degli impianti.

L’impiego sistematico delle nuove conoscenze in proposito consente di realizzare degli edifi ci che richiedono un contributo di energia fornita dalla rete elettrica e tramite combustibili tradizionali davvero minimo. Si ottengono in questo modo gli edifi ci denominati NZEB (Nearly Zero Energy Buildings) [] []. La ristrutturazione complessiva del blocco laboratori/palestra dell’Istituto “Della Lucia” di Vellai di Feltre (BL), in corso di realizzazione quest’anno, fornisce l’occasione di utilizzare in maniera intelligente diverse moderne tecnologie con il proposito di realizzare un edifi cio non solo ZEB (nessuna energia dall’esterno), ma addirittura in grado di mettere a disposizione dell’energia per edifi ci vicini o per la rete elettrica.

Descrizione dell’intervento

Sulla scorta di una modellizzazione in Trnsys [] con un time step di  min, si sono determinati i carichi termici di riscaldamento e raff rescamento annuali dell’edifi cio (Figura ). Occorre considerare anche il riscaldamento dell’Acqua Calda Sanitaria (ACS). Tale fabbisogno termico è fortemente determinato dalla concentrazione temporale e dalla temperatura della L’utilizzo di pannelli ibridi (PVT) accoppiati al terreno consente risparmi energetici importanti e la completa autosu cienza elettrica di un innovativo impianto con pompa di calore a doppia sorgente termica

Renato Lazzarin, Marco Noro*

richiesta (la seconda è stata fi ssata in questo studio a  °C). Considerando il prolungato utilizzo della palestra anche fuori orario scolastico (oltre le :), si è ipotizzato un consumo di acqua calda distribuito nell’arco della giornata (dalle : alle :) via via crescente, con portate massime dalle : alle :, per un totale di  l al giorno. I valori sono coerenti con quelli determinati con metodo di calcolo secondo UNI TS -: si è optato pertanto per l’installazione di una macchina della taglia nominale indicativa di  kW frigoriferi e  kW termici.

L’impianto e relativa logica di controllo

La caratteristica di originalità dell’impianto di climatizzazione è data dalla sezione solare composta da pannelli ibridi PVT. Si tratta di pannelli fotovoltaici (PhotoVoltaic) in grado di sfruttare una parte dell’energia termica (Thermal) che si è sviluppata per la parte di radiazione solare che non ha prodotto energia elettrica. Il vantaggio è duplice, legato sia al raff reddamento delle celle fotovoltaiche con relativo incremento di rendimento, sia al recupero termico. I PVT disponibili in commercio sono generalmente privi di copertura in vetro (modulo MSS di Figura ), ma vi sono anche sistemi vetrati (moduli PVTWIN e COGEN) che consentono temperature più elevate per l’effetto termico disponibile ([]-[]).

La scarsa diff usione dei sistemi vetrati è dovuta al timore del raggiungimento di temperature troppo elevate che potrebbero danneggiare le celle PV allo spegnimento della pompa di circolazione solare dovuta alla ridotta o assente richiesta termica in particolare nei mesi estivi. Nell’impianto proposto, una pompa di calore elettrica a doppia sorgente (dual-source) produce l’acqua calda e fredda per soddisfare tutti i carichi (riscaldamento, raff rescamento, ACS). Una prima sorgente della pompa di calore è un sistema a tubi verticali a terreno. La seconda è proprio la sezione PVT. La pompa di calore è generalmente alimentata dall’energia elettrica prodotta dalla sezione PVT, alla quale è stata aggiunta una sezione di pari area di PV “tradizionale”. L’energia termica che il PVT mette a disposizione viene impiegata nel preriscaldamento dell’ACS, ovvero come sorgente fredda della pompa di calore, quando i livelli termici siano più vantaggiosi rispetto al terreno. Nel caso di ridotta o assente richiesta termica i PVT inviano l’acqua calda prodotta negli scambiatori a terreno, consentendo un certo livello di ricarica.

Uno schema semplifi cato dell’impianto è riportato in Figura , dove

L’EDIFICIO

L’edi cio oggetto di ristrutturazione, in Figura 1, di proprietà della Provincia di Belluno, è stato completato nel 1960; esso è a pianta rettangolare di lati 33,1 m x 25,1 m con lato maggiore disposto approssimativamente in direzione nord-sud e presenta un corridoio di collegamento all’istituto scolastico sulla metà a nord del lato est (dimensioni 15 m x 15 m). Si compone di tre piani: il piano terra ospita la palestra del complesso scolastico con annessi spogliatoi, bagni e deposito attrezzi. La palestra si estende su una doppia altezza e al primo piano, sopra agli spogliatoi, saranno collocati la sala pesi e un piccolo bar. Al secondo piano in ne sono presenti varie aule e laboratori, che verranno ristrutturati e resi nuovamente utilizzabili. La totale super cie calpestabile è di 2435 m2, con una super cie disperdente pari a 2505 m2 e un volume riscaldato di 11060 m3. La coibentazione di pareti e coperture porterà i valori di trasmittanza termica a 0,15 W m-2 K-1, mentre pavimento verso terra e sistemi vetrati avranno valori pari a 0,5 W m-2 K-1 e 0,7 W m-2 K-1 rispettivamente.

(a)

Figura 1 – Edifi cio oggetto dell’intervento di ristrutturazione a NZEB: blocco laboratori e palestra dell’Istituto Agrario Della Lucia di Vellai di Feltre (BL). (a) stato attuale; (b) dopo l’intervento previsto

(b)

le principali apparecchiature sono collegate tramite accumuli termici opportunamente dimensionati. L’impianto dà una prima impressione di complessità per la presenza di ben cinque accumuli. La complessità è solo apparente se si tiene conto delle funzioni assegnate ai tre elementi principali: • pompa di calore;

Figu ra 2 – Fabbisogni termici di riscaldamento+ventilazione e di ACS (valori negativi), e di raff rescamento+deumidifi cazione (valori positivi)

(a) (b) Figur a 3 – (a) Tre pannelli PVT studiati presso l’impianto di prova del DTG dell’Università di Padova. MSS = modulo PVT non vetrato di costruzione israeliana; PVTWIN = modulo PVT vetrato, prototipo realizzato dal TNO olandese; COGEN = prototipo vetrato realizzato dal DTG; (b) sezione del pannello COGEN raff reddato ad acqua • pannelli PVT; • accumulo a terreno.

La pompa di calore produce acqua calda per il riscaldamento degli ambienti o dell’ACS e acqua fredda per il carico di raff rescamento. Le sue sorgenti fredde sono la heat source tank, alimentata dal PVT o dal terreno, o la cold tank, quando vi sia carico di raff rescamento. La pompa di calore indirizza il fl usso termico utile alla hot tank. Ma quando il set point di questa sia soddisfatto, il condensatore della pompa di calore scarica sulla heat source tank (funzionamento da chiller).

I pannelli PVT, oltre a produrre energia elettrica, provvedono energia termica alla pre-heating DHW tank che, come suggerisce il nome, preriscalda l’ACS, ovvero alla heat source tank, sorgente fredda della pompa di calore. Qualora non sia richiesta energia termica né da una parte né dall’altra, il calore prodotto va al terreno.

L’accumulo a terreno fornisce energia termica a basso livello alla heat source tank, sorgente fredda della pompa di calore, in alternativa ai PVT, da cui riceve (generalmente d’estate) il calore in eccesso che si aggiunge a quello derivante dal condensatore del chiller, entrambi utili a ricaricare il terreno per l’inverno successivo.

Anche la logica di controllo non è particolarmente complessa dal momento che si basa sul confronto delle temperature nei diversi accumuli e su un rilievo di intensità della radiazione solare (e di temperatura dell’aria esterna). Si stabilisce una soglia critica di radiazione sulla base delle temperature della pre-heating DHW tank e della heat source tank. L’eventuale superamento di uno dei due valori indirizza l’acqua calda o tiepida prodotta sul primo o sul secondo accumulo. Qualora entrambi abbiano raggiunto il valore limite del set point, il PVT scarica sul terreno.

Il funzionamento della pompa di calore è dettato dalla richiesta della hot tank, ovvero in presenza di carico di raff rescamento dalla cold tank. La richiesta dalla hot tank è condizionata anche dalla DHW tank. Ovviamente le richieste dei singoli accumuli sono legate al fabbisogno di riscaldamento, raff rescamento e al consumo di ACS.

La palestra viene riscaldata tramite un impianto a pavimento radiante, e raff rescata tramite un impianto a tutta aria che provvede anche alla ventilazione ( mh). Gli altri ambienti (sala pesi, bar, laboratori e uffi ci) sono climatizzati tramite fan-coils, mentre per i bagni è previsto il solo riscaldamento tramite radiatori. I laboratori vengono serviti da una UTA dedicata ( mh) per le necessità di ventilazione.

Analisi energetica

Rimandando alla bibliografi a per maggiori dettagli riguardanti il dimensionamento e la modellizzazione dei diversi componenti dell’impianto [], si riportano qui alcuni dei principali risultati dell’analisi energetica della confi gurazione d’impianto individuata come la migliore tra quelle

L’utilizzo di pannelli ibridi (PVT) accoppiati al terreno consente risparmi energetici importanti e la completa autosufficienza elettrica di un innovativo impianto con pompa di calore a doppia sorgente termica