Sostituire una caldaia con una pompa di calore ad aria è più che sostituire la fonte di calore

Sostituzione di una caldaia tradizionale a gas, olio o elettrica con una caldaiapompa di calore aria-acquaIl progetto di ristrutturazione di edifici residenziali, commerciali e pubblici è sempre più diffuso.

Tuttavia, una ristrutturazione di successo non è semplicemente:

Rimuovere la caldaia → installare una pompa di calore → collegare i tubi esistenti.

Una pompa di calore e una caldaia funzionano in condizioni idrauliche e di temperatura molto diverse.

Una caldaia può normalmente fornire temperature d'acqua relativamente elevate con una differenza di temperatura relativamente grande tra l'acqua di approvvigionamento e quella di ritorno.raggiunge normalmente la sua massima efficienza quando fornisce acqua a bassa temperatura con un flusso d'acqua attentamente controllato.

Ciò significa che prima di sostituire una caldaia, gli ingegneri devono rispondere a diverse domande importanti:

1. Qual è il carico effettivo di riscaldamento e raffreddamento dell'edificio?

2. Quale capacità dovrebbe fornire la pompa di calore alla temperatura esterna di progetto?

3. I ventilatori esistenti, i radiatori o il sistema di riscaldamento a pavimento possono funzionare alle nuove temperature dell'acqua?

4. I tubi esistenti possono fornire un flusso sufficiente di acqua?

5. La pompa di circolazione esistente è adatta?

6. È necessaria una separazione idraulica, un serbatoio tampone o un circuito secondario?

Comprendere queste domande è la chiave per un affidabile aggiornamento della caldaia in pompa di calore.

1. Iniziare con il carico di costruzione, non la capacità della caldaia esistente

Uno degli errori più comuni nel retrofit della pompa di calore è la selezione di una nuova pompa di calore in base alla capacità stampata sulla targhetta della caldaia esistente.

Per esempio:

Capacità esistente della caldaia = 100 kW
Pertanto, installare una pompa di calore da 100 kW.

Questo approccio può essere gravemente fuorviante.

Le caldaie tradizionali sono spesso troppo grandi e la loro capacità nominale non rappresenta necessariamente la domanda effettiva di riscaldamento di picco dell'edificio.

Il punto di partenza corretto è quindicarico di riscaldamento di progettazione.

Per i progetti che richiedono raffreddamento, deve essere calcolato anche il carico di raffreddamento progettato.

Una stima preliminare semplificata può utilizzare:

$$Q = A per q$$

Dove:

• Q.= carico stimato dell'edificio, W

• A= superficie di pavimento condizionata, m2

• q= carico unitario stimato, W/m2

Ad esempio, se un edificio di 10.000 m2 ha un carico di riscaldamento stimato di 70 W/m2:

$$10,000 per 70 = 700.000 W$$

Pertanto:

$$Q_{riscaldo}=700kW$$

Tuttavia, i valori di W/m2 devono essere utilizzati solo perstima preliminare.

La selezione finale della pompa di calore dovrebbe preferibilmente basarsi su un calcolo corretto della perdita/guadagno di calore dell'edificio, tenendo conto dell'isolamento, dei vetri, della ventilazione/infiltrazione, dell'occupazione, dei guadagni interni,temperatura di progettazione esterna e temperatura interna richiesta.

2. La capacità della pompa di calore deve essere verificata alla temperatura esterna di progetto

Ciò è particolarmente importante per le pompe di calore ad aria.

Una pompa di calore pubblicizzata come una pompa di calore da 20 kW non fornisce necessariamente 20 kW in tutte le condizioni esterne.

Con la diminuzione della temperatura dell'aria esterna, la capacità di riscaldamento disponibile e il COP di una pompa di calore a sorgente d'aria possono variare significativamente.

Pertanto, gli ingegneri non dovrebbero selezionare le attrezzature basandosi solo su condizioni nominali come:

A7/W35

Invece, la capacità dovrebbe essere verificata in base alle condizioni di progettazione del progetto, ad esempio:

• A7/W35

• A2/W35

• A−7/W35

• A−15/W45

• A−20/W55

a seconda del clima e dell'applicazione.

Il principio corretto è:

$$Q_{HP, progettazione} geq Q_{edificio, progettazione}$$

a meno che il sistema non sia stato deliberatamente progettato comesistema bivalentecon riscaldamento ausiliario.

Per i progetti a clima freddo, la capacità di riscaldamento a bassa temperatura è quindi spesso più importante del kW nominale stampato su un catalogo.

3I carichi di riscaldamento e raffreddamento possono portare a diverse selezioni di pompe di calore

Per i sistemi di pompe di calore aria-acqua reversibili, appare un'altra domanda:

Dovremmo dimensionare la pompa di calore in base al carico di riscaldamento o al carico di raffreddamento?

La risposta dipende dal clima.

Clima freddo

In un clima freddo, il carico di riscaldamento è generalmente dominante.

La pompa di calore è quindi normalmente selezionata in base allecarico di riscaldamento di progettazione invernale, dopo aver verificato la sua bassa capacità di riscaldamento ambientale.

La capacità di raffreddamento estiva può quindi essere automaticamente sufficiente.

Clima caldo-estate / freddo-inverno

La situazione può essere diversa nei climi con un'elevata domanda di riscaldamento e di raffreddamento.

Supponiamo che un edificio commerciale abbia:

$$Q_{riscaldo}=700kW$$

ma:

$$Q_{refrigerazione}=1.500kW$$

La misurazione dell'intero impianto di pompe di calore per 1.500 kW semplicemente a causa del picco di raffreddamento può produrre un sistema di riscaldamento di grandi dimensioni.

Una possibile soluzione di ingegneria è un impianto ibrido:

Pompe di calore aria-acqua → riscaldamento di base + raffreddamento parziale

più

Chiller → raffreddamento a picco supplementare

Ciò può consentire una migliore utilizzazione delle attrezzature e un funzionamento più flessibile dell'impianto.

La configurazione esatta dovrebbe essere determinata dai profili di carico, dal clima, dagli orari di esercizio, dalle tariffe dell'elettricità, dai requisiti di ridondanza e dai costi del ciclo di vita, non solo dalla capacità massima.

4Le bobine di ventilatore esistenti possono essere utilizzate con una pompa di calore?

In molti progetti di sostituzione delle caldaie, l'edificio contiene già unità idroniche di ventole.

La buona notizia è:

Le bobine di ventilazione esistenti non devono essere sostituite automaticamente.

Ma le loro prestazioni devono essere verificate alle nuove temperature di funzionamento.

La capacità della bobina del ventilatore dipende fortemente dalla differenza di temperatura tra l'acqua che entra nella bobina e l'aria ambiente.Le tabelle di prestazioni del fabbricante devono essere utilizzate quando disponibili. (Caleffi SpA)

Ad esempio, una bobina del ventilatore originariamente progettata intorno a:

Sistema di caldaia

70°C di alimentazione / 60°C di ritorno

possono fornire sostanzialmente meno calore quando funzionano a:

Sistema di pompa di calore

45°C di alimentazione / 40°C di ritorno.

Quindi la domanda corretta non è:

¢Può funzionare una bobina di ventola con acqua a 45°C?

È:

¢Può questa bobina del ventilatore fornire la capacità di riscaldamento della stanza richiesta ad acqua a 45°C nelle condizioni effettive di flusso d'aria e di flusso d'acqua?

Questa distinzione è estremamente importante.

5Le bobine dei ventilatori sono particolarmente interessanti per i sistemi di pompa di calore di riscaldamento e raffreddamento.

I sistemi a bobina di ventilatore hanno un grande vantaggio nei progetti di retrofit di pompe di calore:

Lo stesso terminale può generalmente fornire sia riscaldamento che raffreddamento.

In inverno:

Pompa di calore a sorgente d'aria → acqua calda → bobina del ventilatore → riscaldamento degli ambienti

Durante l' estate:

Pompa di calore a sorgente d'aria → acqua refrigerata → bobina del ventilatore → raffreddamento spaziale

Ciò rende le bobine dei ventilatori particolarmente interessanti per alberghi, uffici, scuole, appartamenti e edifici commerciali che richiedono un sistema di climatizzazione tutto l'anno.

Tuttavia, quando si utilizza acqua refrigerata, il sistema di bobina del ventilatore e dei tubi deve essere progettato anche per il controllo della condensa, compreso un adeguato isolamento e un drenaggio del condensa.

Le guide di progettazione idroniche moderne riconoscono anche le bobine dei ventilatori come utili emettitori di calore per le pompe di calore aria-acqua,in particolare quando sono progettate con superfici di scambiatori di calore sufficientemente grandi per temperature dell'acqua più basse. (Caleffi SpA)

6È necessario sostituire i tubi a bobina di ventilatore esistenti?

Non necessariamente.

La relazione fondamentale che regola il trasferimento di calore in un circuito idronico è:

$$Q=dot m c_pDelta T$$

Dove:

• Q.= velocità di trasferimento di calore

• ṁ= portata di massa dell'acqua

• Cp= capacità termica specifica

• ΔT= differenza di temperatura tra acqua di rifornimento e acqua di ritorno

Questa equazione spiega una delle differenze più importanti tra sistemi idronici di caldaia e pompe di calore.

Per la stessa velocità di trasferimento di calore:

$$punto m propto frac{1}{Delta T}$$

Pertanto, man mano che il progetto ΔT diventa più piccolo, il flusso d'acqua richiesto diventa più grande. (Caleffi SpA)

7Perché le pompe di calore richiedono spesso un flusso d'acqua più elevato

Consideriamo un semplice esempio.

Un sistema deve trasferire:

$$Q=100kW$$

Per l'acqua, una conveniente approssimazione metrica è:

$$Q ((kW) circa 1,163 volte flusso ((m3/h) volte delta T ((K)$$

Pertanto:

$$Flusso=frac{Q}{1,163 volteDelta T}$$

A ΔT = 10°C

$$Flusso=frac{100}{1.163 volte10}$$ $$Flusso approssimativo 8,6 m3/h$$

A ΔT = 5°C

$$Flusso=frac{100}{1.163 volte5}$$ $$Flusso approssimativo 17,2 m3/h$$

Quindi riducendo ΔT da 10°C a 5°C circaraddoppia il flusso d'acqua richiesto.

Questo è il motivo per cui la sostituzione di una caldaia con una pompa di calore può causare problemi idraulici anche quando la capacità di riscaldamento è stata calcolata correttamente.

Il tubo esistente potrebbe essere semplicemente troppo piccolo per il flusso richiesto dalla pompa di calore.

8Perché installare una pompa più grande non è sempre la soluzione

Una reazione comune è:

Se il flusso è troppo basso, basta installare una pompa di circolazione più grande.

A volte funziona.

A volte crea un altro problema.

L'aumento della testa della pompa non può compensare indefinitamente una tubazione di dimensioni ridotte.

• aumento della caduta di pressione;

• maggiore consumo di energia elettrica della pompa;

• rumore di flusso;

• rumore delle valvole;

• rischio di erosione;

• cattivo bilanciamento idraulico;

• scarico insufficiente nei rami lontani.

La procedura corretta è quindi:

Capacità termica richiesta → flusso d'acqua richiesto → calo della pressione del tubo → testa della pompa disponibile → selezione della pompa di circolazione

Invece di selezionare la pompa in modo indipendente.

9Le tubazioni esistenti devono essere valutate prima della sostituzione.

La sostituzione di tutti i tubi idronici esistenti può rendere un aggiornamento estremamente costoso e dirompente.

Pertanto, gli ingegneri dovrebbero prima indagare se la rete esistente possa ancora essere utilizzata.

Controllo:

• diametro del tubo principale;

• diametro del tubo di ramificazione;

• lunghezza del tubo;

• Fittings e perdita di pressione delle valvole;

• curva della pompa esistente;

• pressione differenziale disponibile;

• flusso di pompa di calore richiesto;

• velocità ammissibile dell'acqua;

• equilibrio idraulico.

Se la tubazione esistente può trasportare il flusso richiesto a una perdita di pressione e velocità accettabili, potrebbe non esserci motivo di sostituirla.

Questa è una delle maggiori opportunità per ridurre i costi di modernizzazione.

10Il riscaldamento a pavimento è generalmente un' ottima combinazione per le pompe di calore.

Il riscaldamento a pavimento idronico esistente può spesso essere ancora più adatto per pompe di calore rispetto ai radiatori convenzionali.

Perché? Perché?

Perché il riscaldamento a pavimento utilizza una superficie di emissione di calore molto grande.

Un'area di trasferimento di calore più ampia consente di riscaldare l'edificio utilizzando temperature d'acqua relativamente basse.

Questo è esattamente ciò che una pompa di calore preferisce.

Modern heat-pump design guidance identifies well-designed floor heating as particularly suitable for air-to-water heat pumps because it can deliver the required room heat output at relatively low supply water temperatures, migliorando l'efficienza della pompa di calore. (Caleffi SpA)

Un tipico sistema di riscaldamento a bassa temperatura potrebbe essere:

Acqua di approvvigionamento a 30°C-35°C

o

Acqua di rifornimento a 35°C-40°C

a seconda del carico dell'edificio, della costruzione del pavimento, della spaziatura tra i tubi, del rivestimento del pavimento e delle condizioni esterne.

La temperatura di progettazione effettiva deve sempre essere calcolata piuttosto che ipotizzata.

11La differenza importante: riscaldamento a pavimento ΔT

Il circuito di riscaldamento a pavimento esistente può essere stato progettato per una maggiore differenza di temperatura tra alimentazione e ritorno di quella richiesta dalla pompa di calore.

Supponiamo che il vecchio circuito del pavimento funzioni a:

$$Delta T=10°C$$

ma la pompa di calore richiede circa:

$$Delta T=5°C$$

Per la stessa capacità di riscaldamento, il lato della pompa di calore richiede circa il doppio del flusso d'acqua.

Questo può creare una disadattamento tra:

Flusso richiesto dalla pompa di calore

- e

capacità di flusso del circuito UFH esistente.

Questo non significa automaticamente che tutti i tubi di riscaldamento a pavimento debbano essere sostituiti.

Invece, il sistema idraulico deve essere riprogettato correttamente.

12La separazione idraulica può risolvere molti problemi di retrofit

Una soluzione efficace consiste nel separare idraulicamente il circuito della pompa di calore dal circuito di distribuzione dell'edificio.

Un accordo tipico è:

Pompa di calore → Pompa primaria → Serbatoio tampone/separatore idraulico → Pompa secondaria → Sistema UFH o di ventole esistente

Ciò consente al circuito della pompa di calore di mantenere il flusso richiesto dalla pompa di calore mentre il circuito esistente dell'edificio opera a un flusso diverso.

Questo è particolarmente utile quando:

• diverse zone di riscaldamento aperte e chiuse indipendentemente;

• il flusso di distribuzione esistente è diverso da quello della pompa di calore;

• più pompe di calore funzionano in cascata;

• si utilizzano sia le bobine dei ventilatori che il riscaldamento a pavimento;

• deve essere mantenuto il volume minimo del sistema di pompa di calore;

• L'operazione di scongelamento richiede energia termica immagazzinata.

La separazione idraulica consente ai circolatori primari e secondari di operare a portate stabili ma potenzialmente diverse. (Caleffi SpA)

13Che dire dei radiatori esistenti?

I radiatori richiedono una valutazione più attenta.

Molti sistemi di caldaie più vecchi sono stati progettati intorno a temperature dell'acqua relativamente elevate.

Una pompa di calore che opera a una temperatura dell'acqua molto inferiore può quindi produrre una potenza del radiatore insufficiente.

Le possibili soluzioni sono:

• aumento delle dimensioni del radiatore;

• aggiunta di radiatori aggiuntivi;

• installazione di radiatori a ventilatore;

• migliorare l'isolamento degli edifici;

• ridurre le perdite di calore degli edifici;

• utilizzando bobine di ventilatori a bassa temperatura;

• selezionare una pompa di calore in grado di lasciare l'acqua a temperature più elevate se necessario.

L'obiettivo dovrebbe comunque essere:

Utilizzare la temperatura più bassa pratica dell'acqua di approvvigionamento in grado di soddisfare il carico di riscaldamento dell'edificio.

Una temperatura dell'acqua più bassa generalmente consente a una pompa di calore aria-acqua di funzionare a COP più elevati. (Caleffi SpA)

14Non trascurare l' equilibrio idraulico

Dopo un retrofit, il flusso totale del sistema può essere corretto mentre alcune stanze ricevono ancora un riscaldamento insufficiente.

Perché? Perché?

Perché l'acqua segue il percorso della minima resistenza idraulica.

I circuiti brevi possono ricevere un flusso eccessivo mentre i circuiti lunghi sono affamati.

Pertanto, la messa in servizio del retrofit dovrebbe comprendere:

• bilanciamento delle succursali;

• regolazione del flusso dei variopuli;

• verifica della pressione differenziale;

• regolazione della velocità della pompa;

• misurazione della temperatura di alimentazione/di ritorno;

• verifica del flusso terminale.

I circuiti idronici paralleli sono particolarmente utili perché i singoli rami possono essere bilanciati e controllati in modo indipendente. (Caleffi SpA)

15. Un pratico flusso di lavoro di ristrutturazione della caldaia alla pompa di calore

Per i progetti di ingegneria, il processo può essere riassunto come:

Fase 1 Calcolare il carico dell'edificio

Determinare i carichi di riscaldamento di progetto e, se necessario, di raffreddamento.

↓

Fase 2 Determinazione delle condizioni esterne di progettazione

Utilizzare le temperature locali invernali ed estive.

↓

Fase 3 Selezionare la capacità della pompa di calore

Controllare l'effettiva potenza di riscaldamento/raffreddamento alla temperatura esterna richiesta e alla temperatura dell'acqua di uscita.

↓

Fase 4 Determina la temperatura necessaria dell'acqua di approvvigionamento

Valutare le bobine dei ventilatori, i radiatori o il riscaldamento a pavimento esistenti.

↓

Fase 5 Calcolare il flusso d'acqua richiesto

Utilizzare:

$$Q=dot m c_pDelta T$$

↓

Fase 6 Verificare le tubazioni esistenti

Verificare diametro, perdita di pressione e velocità ammissibile.

↓

Fase 7 Selezionare le pompe di circolazione

Utilizzare il flusso di progettazione e la resistenza calcolata del sistema, non solo il diametro del tubo.

↓

Fase 8  Decidere se è necessaria la separazione idraulica

Considerate i serbatoi tampone, i separatori idraulici e il pompaggio primario-secondario.

↓

Fase 9 ¢ Saldo e commissioni

Misurare il flusso effettivo, la temperatura di alimentazione, la temperatura di ritorno e ΔT in condizioni di funzionamento.

16Esempio: 500 kW di riscaldamento

Considerare un edificio commerciale con un carico di riscaldamento di progettazione di:

$$500 kW$$

Se il sistema di pompa di calore è progettato intorno a:

$$Delta T=5°C$$

allora:

$$Flusso=frac{500}{1.163 volte5}$$ $$Flusso approssimativo 86 m3/h$$

Ciò significa che il circuito idronico principale deve essere in grado di trasportare circa86 m3/hin condizioni di progettazione.

Se il circuito della caldaia esistente fosse stato progettato intorno a:

$$Delta T=10°C$$

il suo flusso di progettazione precedente può essere stato solo:

$$Flusso=frac{500}{1.163 volte10}$$ $$Flusso approssimativo 43 m3/h$$

La nuova pompa di calore può quindi richiedere approssimativamentedue volte il flusso d'acqua di progetto.

Questo singolo calcolo indica immediatamente all'ingegnere cosa deve essere indagato:

La rete di condotte e le pompe esistenti sono in grado di sopportare l'aumento del flusso?

In tal caso, gran parte del sistema originario potrebbe rimanere.

In caso contrario, è necessaria una modifica idraulica.

17. Cosa rende un successo di una caldaia-a-pompa di calore retrofit?

Per una ristrutturazione di successo sono necessari tre sistemi:

Fonte di calore

La pompa di calore deve fornire una capacità sufficiente in condizioni reali all'aperto.

Distribuzione del calore

I tubi e le pompe devono fornire un flusso sufficiente di acqua.

Emittenti di calore

Le bobine dei ventilatori, i radiatori o il riscaldamento a pavimento devono fornire un'alimentazione sufficiente della stanza alla temperatura dell'acqua selezionata.

Se uno qualsiasi di questi tre sistemi è progettato in modo errato, il sistema può subire:

riscaldamento insufficiente → temperatura dell'acqua elevata → COP inferiore → consumo di energia elettrica maggiore → scarsa esperienza del cliente.

Questo è il motivo per cui le ristrutturazioni delle pompe di calore dovrebbero sempre essere trattate come unprogetto completo di ingegneria di sistemi idronici, piuttosto che una semplice sostituzione dell'attrezzatura.

Domande frequenti

Posso sostituire direttamente una caldaia a gas con una pompa di calore ad aria?

A volte, ma il sistema esistente deve prima essere controllato per il carico termico, la temperatura dell'acqua richiesta, la potenza terminale, il flusso d'acqua, il diametro del tubo e la capacità della pompa di circolazione.Una sostituzione diretta uno per uno senza analisi idraulica può comportare scarse prestazioni.

Le bobine dei ventilatori esistenti possono funzionare con una pompa di calore aria-acqua?

Sì, in molti casi, ma la loro capacità di riscaldamento deve essere controllata alle temperature più basse dell'acqua normalmente associate al funzionamento della pompa di calore.I dati relativi alle prestazioni del fabbricante devono essere utilizzati quando disponibili.

Il riscaldamento a pavimento esistente può funzionare con una pompa di calore?

Il riscaldamento a pavimento idronico è particolarmente adatto alle pompe di calore perché la sua grande area di emissione consente temperature relativamente basse dell'acqua di approvvigionamento.

Perché una pompa di calore richiede un flusso d'acqua elevato?

Il trasferimento di calore dipende sia dal flusso d'acqua che dalla differenza di temperatura di approvvigionamento-ritorno.

Devo sostituire i tubi di riscaldamento esistenti?

Non necessariamente. La tubazione esistente deve essere controllata idraulicamente rispetto al nuovo flusso e alla caduta di pressione richiesti. Se è possibile ottenere un flusso accettabile senza velocità eccessiva o testa di pompa,le tubature possono rimanere.

Dovrei installare un serbatoio tampone quando sostituisco una caldaia con una pompa di calore?

Un serbatoio tampone o un separatore idraulico può essere utile quando la pompa di calore e i circuiti dell'edificio richiedono portate di flusso diverse, quando più zone si chiudono frequentemente,quando è necessario un ulteriore volume di sistema, o quando è necessario un funzionamento di scongelamento stabile.

Le bobine dei ventilatori o il riscaldamento a pavimento sono migliori per le pompe di calore?

Il riscaldamento a pavimento offre un'eccellente efficienza di riscaldamento a bassa temperatura, mentre le bobine dei ventilatori possono fornire sia riscaldamento che raffreddamento con acqua fredda.La scelta migliore dipende dal tipo di edificio, la domanda di riscaldamento/raffreddamento e le infrastrutture di distribuzione esistenti.

Conclusioni

La sostituzione di una caldaia con una pompa di calore ad aria non è principalmente una questione di trovare una pompa di calore con la stessa potenza in kW.

La vera domanda di ingegneria è:

La pompa di calore, il sistema di distribuzione idronico e gli emittenti di calore esistenti possono funzionare insieme alla temperatura dell'acqua, al flusso e al carico di progettazione richiesti?

Una ristrutturazione professionale inizia quindi con il calcolo del carico dell'edificio, seguito dalla selezione delle prestazioni della pompa di calore, dalla verifica dei terminali e dall'analisi idraulica.

Le bobine di ventilazione e i sistemi di riscaldamento a pavimento possono spesso essere mantenuti, il che può ridurre significativamente i costi di ristrutturazione.temperatura dell'acqua, ΔT, portata, calo di pressione del tubo, prestazioni della pompa di circolazione e capacità terminale.

Quando questi elementi sono correttamente abbinati, la conversione di un sistema idronico a caldaia in una pompa di calore aria-acqua può fornire un riscaldamento efficiente,raffreddamento e risparmio energetico a lungo termine senza ricostruire inutilmente l'intero sistema di distribuzione.

Nota tecnica

Le equazioni e gli esempi di cui sopra sono destinati a una comprensione preliminare dell'ingegneria.dati meteorologici di progettazione locale, calcoli idraulici e dati di prestazione certificati del fabbricante della pompa di calore/ventilatore.

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