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Pompa di calore professionale

Dimensionamento della pompa di calore

In questo articolo vediamo un esempio per dimensionare una pompa di calore che intendiamo installare nella nostra casa in sostituzione del generatore esistente.

Va detto che questo esempio utilizza calcoli semplificati che hanno il vantaggio di poter fornire una valutazione preliminare della potenza della pompa di calore ma che non possono ovviamente sostituire i calcoli che verranno fatti dal termotecnico nella fase di progetto.

Il dimensionamento della pompa di calore viene effettuato calcolando le dispersioni termiche dell’edificio in quanto il generatore (caldaia, pompa di calore, ecc.) deve avere una potenza che permetta di produrre l’energia termica che viene dispersa (dalle pareti, dalle finestre, dai ponti termici, per ventilazione).

Esistono inoltre altri 3 metodi, decisamente approssimativi, che permettono di fare una valutazione preliminare e che si basano su:

  1. Radiatori (o ventilconvettori) attualmente presenti
  2. Consumi energetici
  3. Volume riscaldato

Questi metodi verranno trattati in un prossimo articolo.

Dimensionamento basato sulle dispersioni termiche

Isolamento termico - dispersione calore

Questo è il metodo che viene utilizzato dal termotecnico per dimensionare una pompa di calore e calcolarne quindi la potenza necessaria.

Ovviamente il calcolo effettuato dal termotecnico tiene conto di tutte le singole dispersioni termiche dell’edificio (le singole pareti verticali, le singole pareti orizzontali, i vari infissi, i ponti termici, ecc.).

In questo esempio vedremo un calcolo che, seppur semplificato, può rendere l’idea di come sarà effettuato il calcolo più completo che verrà realizzato in fase di progetto.

Come calcolare le dispersioni termiche ?

La dispersione termica dipende da 3 fattori:

  1. S : Superficie della parte disperdente
  2. ΔT : Salto termico (ad esempio 20 °C in casa e – 5 °C all’esterno della casa)
  3. U : Trasmittanza termica (W/m2 °C)

Esempio

  1. Parete di 1 m2
  2. Salto termico di 25 °C
  3. Trasmittanza termica: 1,20 W/m2 °C

In questo caso la potenza necessaria per sopperire alle dispersioni sarà uguale a:

Q = S x ΔT x U = 1 x 25 x 1,20 = 30 Watt

Ora vediamo applicato questo calcolo ad un esempio, anche in questo caso molto semplificato, di una casa. La casa, con pianta di forma quadrata, ha queste caratteristiche:

  1. Edificio ad 1 piano
  2. Lato sud/nord: 10 m (altezza: 3 m)
  3. Lato est/ovest: 10 m (altezza: 3 m)
  4. Sottotetto non isolato
  5. Pavimento controterra
  6. 1 porta di ingresso: 1,50 m x 2,40 m = 3,60 m2
  7. 2 porte finestre (ciascuna 1,60 m x 2,40 m quindi superficie totale = 7,68 m2)
  8. 6 finestre (ciascuna 1,35 m x 1,50 m quindi superficie totale = 12 m2)

Le superfici disperdenti risultano quindi:

  1. Superficie totale (pareti verticali + infissi) = 10 x 10 x 10 x 10 x 3 = 120 m2
  2. Superficie infissi = 23,43 m2 (in questo esempio consideriamo porta di ingresso con stessa trasmittanza degl infissi)
  3. Superfici opache (totale – infissi) = 96,57 m2
  4. Superficie sottotetto: 10 x 10 = 100 m2
  5. Superficie pavimento controterra = 10 x 10 = 100 m2

Ora si tratta di stabilire la trasmittanza delle pareti verticali, pareti orizzontali ed infissi.

Ovviamente questi dati dipendono da:

  1. Stratigrafia delle pareti quindi da come è composta la parete (muro pieno o con intercapedine, spessore intercapedine, ecc.)
  2. Struttura degli infissi (doppio/triplo vetro, materiale della struttura, ecc.)

Trasmittanza delle pareti verticali

In questo esempio (definito utilizzando lo strumento disponibile sul sito di Paesenergia) possiamo vedere che una parete composta da mattoni forati (spessore 12 cm) ed un’intercapedine di 16,5 cm ha una trasmittanza di 0,98 W/m2 °C

Per questo esempio assumiamo questi valori di trasmittanza:

  1. Pareti verticali: 0,98 W/m2 °C (come da calcolo effettuato su sito di Paesenergia)
  2. Sottotetto: 1,30 W/m2 °C
  3. Pavimento controterra: 0,60 W/m2 °C
  4. Infissi: 2,50 W/m2 °C

Il dato che resta da stabilire è il salto termico (ΔT) cioè la differenza di temperatura fra la zona riscaldata (temperatura standard: 20 °C) e la zona non riscaldata (ad esempio il sottotetto) o l’esterno.

Per questo calcolo si assumono questi valori di temperatura:

  1. Temperatura esterna: -5 °C (*)
  2. Temperatura sottotetto: 15 °C
  3. Temperatura sottostante al pavimento: 5 °C

(*) -5 °C è la temperatura di progetto che si usa per essere certi che il generatore possa fornire la giusta potenza anche in queste condizioni. La temperatura di progetto varia da comune a comune.

Il salto termico fra zona riscaldata e zona non riscaldata o esterno risulta quindi:

  1. Temperatura esterna: 25 °C
  2. Temperatura sottotetto: 5 °C
  3. Temperatura sottostante al pavimento: 15 °C

Sulla base di questi dati le dispersioni termiche sono le seguenti:

Zona disperdente Superficie (m2) Temp esterna (°C) Trasmittanza Dispersione (W)
Superfici verticali opache 96,57 -5 0,98 2.649,88
Superfici verticali trasparenti 23,43 -5 2,50 2.066,53
Solaio verso sottottetto 100,00 15 1,30 650,00
Solaio controterra 100,00 5 0,60 900,00
Totale dispersioni 6.266,41

Dispersioni dei ponti termici e per ventilazione

A queste dispersioni vanno aggiunte: 1) Le dispersioni dei ponti termici, 2) le dispersioni per ventilazione

Dispersione dei ponti termici: anche in questo caso il calcolo preciso di queste dispersioni non è immediato, per semplicità possiamo indicare le dispersioni dei ponti termici come il 15% delle dispersioni delle pareti opache e trasparenti.

Le dispersioni dei ponti termici sono quindi: 6.266,41 x 0,15 = 939,96 W

Dispersioni per ventilazione: queste dispersioni sono relative agli infissi (porte, finestre, ecc.). Anche in questo caso possiamo calcolare le dispersioni con una formula

Dispersioni per ventilazione = volume (in m3) x 0,5 V/h x 0,34 x ΔT (20 – temperatura di progetto)

Note:

  1. 0,5 V/h indica il ricambio in un’ora, nell’esempio è previsto il ricambio di metà del volume d’aria in un’ora
  2. 0,34: calore specifico dell’aria

Le dispersioni per ventilazione sono quindi: 300 x 0,5 x 0,34 x 25 = 1.275 W

Totale delle dispersioni

Il totale delle dispersioni quindi è:

Dispersione superfici opache/trasparenti 6.266,41 W
Dispersione ponti termici 939,96 W
Dispersione per ventilazione 1.275,00 W
Dispersione totale 8.481,37 W

Questo è il valore di dispersioni termiche che corrisponde alla potenza che dovrà avere il generatore.

Manca ancora un ultimo passaggio: la potenza calcolata è quella che deve essere fornita al sistema di emissione (ad esempio i radiatori) ma occorre tenere conto di:

  1. Coefficiente di rendimento del sistema di emissione (radiatori)
  2. Coefficiente di rendimento del sistema di (tubature)
  3. Coefficiente di rendimento del sistema di generazione (caldaia, pompa di calore).

Considerando che ciascun sistema abbia coefficiente di rendimento pari al 95% possiamo calcolare un coefficiente di rendimento complessivo dell’impianti che sarà: 0,95 x 0,95 x 0,95 = 0,86

Dispersione superfici opache/trasparenti 6.266,41 W
Dispersione ponti termici 939,96 W
Dispersione per ventilazione 1.275,00 W
Dispersione totale 8.481,37 W
Coefficiente di rendimento complessivo 0,86
Potenza centrale termica 9.862,06 W

Questa quindi è la potenza che deve essere fornita dalla centrale termica. Nel nostro caso dovremo quindi installare una pompa di calore da 10 kW.

Ovviamente questa potenza è relativa a dispersioni di una casa dove non abbiamo previsto né un intervento di isolamento termico né la sostituzione degli infissi. Se effettuamo un intervento di isolamento e/o sostituiamo gli infissi si ridurranno le dispersioni e, di conseguenza, la potenza necessaria del generatore.

Se prevediamo di isolare le pareti verticali e il sottotetto (non il solaio controterra) e di sostituire gli infissi le dispersioni varieranno in questo modo

Zona disperdente trasmittanza ante trasmittanza post
Superfici verticali opache 0,98 0,23 (*)
Superfici verticali trasparenti 3,15 1,30 (*)
Solaio verso sottottetto 1,30 0,20 (*)
Solaio controterra 0,60 0,60

(*) valore limite di dispersione termica previsto dalla norma per la zona climatica E.

Di conseguenza le dispersioni termiche si ridurranno per avere questi valori:

Dispersione superfici opache/trasparenti 2.474,76 W
Dispersione ponti termici 371,21 W
Dispersione per ventilazione 1.275,00 W
Dispersione totale 4.120,98 W
Coefficiente di rendimento complessivo 0,86
Potenza centrale termica 4.791,83 W

In tal caso sara sufficiente installare una pompa di calore da 5 kW.

Come detto in precedenza, questo esempio di dimensionamento di una pompa di calore comprende necessariamente delle semplificazioni.

Ad esempio, le pareti verticali non disperdono tutte allo stesso modo ma le dispersioni possono variare (anche se di poco) sulla base dell’esposizione (sud, nord, est, ovest) della parete.

Nell’esempio che abbiamo visto il fattore di esposizione è sempre 1 ma nel calcolo corretto viene utilizzato un coefficiente di esposizione che è il seguente:

Quindi se una parete esposta a Sud disperde 1.000 W, una parete identica (per superficie e stratigrafia) ma esposta a Nord disperderà 1.200 W

Ora che abbiamo visto come effettuare il dimensionamento di una pompa di calore possiamo considerare quali sono i suoi consumi elettrici.

Se si pensa ad una pompa di calore ovviamente occorre tenere in considerazione il COP (coefficiente di prestazione) dato che, come sappiamo, per produrre 1 kWh di energia termica una pompa di calore, in condizioni ideali, può avere un COP = 4 (questo dato può diminuire o aumentare a seconda della temperatura esterna e la temperatura di mandata.

Se ipotizziamo di installare la pompa di calore nella casa (dove non si fa nessun intervento di isolamento termico o di sostituzione di infissi) con un COP = 4 il consumo della pompa di calore sarà: 9.862,06 W / 4 = 2.465,51 W

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5 Commenti

  • Aniello Saggese ha detto:

    ok

  • Federico casale ha detto:

    Salve, il risultato finale dipende troppo dai gradi giorno e ore giorno. Tra i gradi giorno 2500 al nord, e 1400 a Roma messi al divisore, fanno sempre si che , a parità di abitazione, la potenza a Roma e sempre maggiore che a Milano.
    La temperatura di progetto di zero gradi a Roma rispetto i -5 di Milano non riescono a compensare il divisore nettamente più basso. Allo stesso modo partecipa il divisore dei gradi giorno, inferiore al sud rispetto al nord.
    Ne consegue che le case al sud Italia richiederebbero una pompa di calore più potente che al nord

    Saluti

    • Ecostili ha detto:

      Salve, occorre tenere presente che a parità di caratteristiche di edificio (superficie, ecc.) il fabbisogno termico varia a seconda della zona climatica. Per lo stesso edificio, il fabbisogno termico sarà inferiore a Roma rispetto ad un edificio ubicato a Torino

      Provi a fare un calcolo di dimensionamento su questo sito: Calcolo online dei dati climatici

      Inserendo 2 città diverse (ma con dati dell’edificio simili: superficie, tipologia di isolamento) vedrà che, ad esempio, a Roma la potenza necessaria sarà inferiore rispetto a Torino

  • Vincenzo ha detto:

    Buonasera, ottima descrizione, ma non capisco un particolare, se ho una caldaia di ultima generazione, cioè a condensazione, perche devo considerare nel calcolo piu kwh a mc, mentre una vecchia carretta a camera aperta addirittura 8 kwh? Non c’è forse un errore?

    Saluti

    Vincenzo

    • Ecostili ha detto:

      Salve, immagino si riferisca a quanti kWh può produrre un mc di gas con una caldaia a condensazione.
      In una caldaia più recente 1 mc di gas può produrre circa 10 kWh
      In una caldaia più vecchia (ad esempio a camera aperta) 1 mc di gas può produrre circa 8 kWh, quindi meno rispetto ad una caldaia più recente.

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