Pompa di calore elettrica con fotovoltaico per riscaldamento edifici civili esistenti

Alimentare il riscaldamento, come anche il raffrescamento, della propria abitazione con un sistema integrato di pompa di calore elettrica (PdC) e fotovoltaico (FV) è davvero un’opportunità di risparmio e sostenibilità? Si tratta indubbiamente di un principio corretto in generale e comunque efficace per il raffrescamento estivo.

Questo perché i profili produzione FV e consumo per raffrescamento sono coerenti e proporzionali, ma per il riscaldamento occorre approfondire le valutazioni energetiche inerenti.

In particolare in relazione a:
• zona climatica in cui si effettua la installazione della PdC e COP reale inerente, per PdC a aria necessità di sbrinamento della PdC a basse temperature esterne
• stato e livello dell’isolamento termico del fabbricato
• tipologia di impianto di riscaldamento preesistente o previsto (caso di ristrutturazione totale impianti), ad es radiatori o pannelli radianti; temperature di funzionamento di utilizzatori diversificate (es. termoarredo e pannelli radianti)
• potenza dell’impianto (specie generatore di calore) e dimensionamento della distribuzione idronica preesistenti e dei terminali
• modalità di utilizzo orario dell’impianto di riscaldamento, anche in relazione a uso prevalentemente (es. serale per famiglia lavoratori o continuativo per pensionati)
• potenza resa reale FV per periodo di riscaldamento (mesi invernali in particolare) e quota di uso diretto e/o necessità di accumulo per soddisfare profilo orario di consumo della PdC

In base a dati reali raccolti per più di 10 anni sul campo e visti alcuni criteri pratici di un predimensionamento del sistema Fotovoltaico Pompa di calore si propongono alcuni spunti di riflessione iniziale utili a progettista, installatore e committente che affrontino il tema in oggetto.

Il riferimento che segue è ad una abitazione, ma può essere esteso integralmente a terziario, etc.

Prestazione energetica reale della PdC ad aria in riscaldamento

È consolidata la disponibilità, su base normativa vigente, di grafici di sintesi come il seguente:

Il livello di temperatura operativo della PdC è fondamentale per valutarne la reale prestazione energetica. In particolare in caso (usuale) di preesistenti impianti a radiatori che si vogliano mantenere occorre:

• riferirsi alla curva a 55 °C per la quale il COP scende significativamente rispetto a condizioni di prova standard (35°C, temperature della scheda di tecnica di certificazione dei produttori, utilizzate anche come riferimento di prestazione per il Conto Termico).

• Per climi più rigidi con temperature inferiori a +7°C, considerare che la prestazione (COP) si riduce ulteriormente.
• Verificare il sovradimensionamento dei radiatori (abbastanza usuale) e/o della rete idronica preesistenti per verificare la idoneità prestazionale degli stessi con fluidi a temperature più basse di quelle usuali dell’impianto a radiatori.

Fotovoltaico integrato con PdC in riscaldamento: riferimento alla potenza media mensile

In Italia si possono assumere di massima le seguenti produzioni unitarie per impianti FV:

• NORD 1100 kWh/kW*anno,
• CENTRO 1300 kWh/kW*anno,
• SUD 1500 kWh/kW*anno.

La autoproduzione elettrica del FV è distribuita nel periodo ore 7-19 (con variazioni stagionali), con potenza massima generata concentrata in circa 2 ore del giorno (corrispondente a circa il 33% della produzione energetica giornaliera).

Si tratta di un periodo abbastanza coincidente con la fascia oraria F1 (feriali ore 8-19) delle bollette elettriche (5 giorni su 7), per cui tale parametro risulta utile alla presente analisi

Si ricorda inoltre come il FV in assenza accumulo va dimensionato per i consumi da bolletta F1 non per i consumi totali, altrimenti, come usuale purtroppo, si surdimensiona. Questo comporta che come confermato dallo stesso GSE l’uso diretto per piccoli impianti non supera il 40%. Quindi senza scambio sul posto si finisce per cedere energia alla rete con bassa remunerazione.

Per quanto illustrato in precedenza la potenza termica erogata dalla PdC varia al variare della temperatura esterna, ossia della stagione climatica, conseguentemente in base al reale COP della PdC varierà l’assorbimento elettrico della PdC che deve essere assicurato possibilmente dall’impianto FV, preferibilmente come uso diretto e/o con l’uso di accumulo (più costoso). Al riguardo si ritiene efficace, per una prima valutazione, un riferimento parametrico basato su monitoraggio dati reali di produzione di impianto FV monitorato da oltre 10 anni, installato al Nord, di potenza 2,5 kW di picco con esposizione ottimale (a sud).

Ci si riferisce alla potenza media mensile dalle ore 8 alle 18 per la produzione del FV e si correla per tale periodo il consumo della PdC giornaliero concentrato.

Ovviamente l’analisi è relativamente meno precisa rispetto a una analisi oraria ma il riferimento alla potenza media è comunque accettabile e più sintetico ai fini della presente analisi. Peraltro usare la potenza media mensile è una ipotesi cautelativa a favore del FV, in quanto presuppone che profilo orario e di potenza impianto di riscaldamento sia parallelo ad analogo profilo di autoproduzione FV nel periodo ore 8 alle ore 18 di ogni giorno e che il fabbisogno di riscaldamento sia tutto soddisfatto in tale periodo. In realtà invece:

• impianto di riscaldamento opera maggiormente in orari serali/prima mattina (da qui necessità accumulo elettrico per posticipare uso energia elettrica prodotta al servizio della PdC, configurazione non oggetto di analisi in questa sede)
• impianto FV, specie in orario del mattino/ preserale e in caso di nuvolosità, in vari mesi non è molto produttivo (l’uso della potenza media non distingue tali periodi ma di fatto tiene conto di tali periodi critici nel valore medio mensile).

Utilizzando le inerenti “produzioni stimate con % mensili del FV” per 1 KW picco installato al NORD si ha:

Riferendosi al NORD, condizione critica potenziale, ipotizzato alloggio medio/grande con impianto autonomo di riscaldamento preesistente dotato di generatore di calore classico a gas di 12 kW di potenza termica, surdimensionato del 20%, dovremo considerare come alternativa una PdC ad aria di potenza nominale di 9 kW. Il riferimento alla sola potenza ai presenti fini di consumo energetico non esclude successive verifiche su idronica e terminali.

In base alle temperature medie esterne di anno tipo di Torino, più elevate di quelle indicate dalla normativa, viene stimato il COP reale che tiene conto di riduzioni di efficienza per sbrinamenti, etc.

Quindi si ottiene la potenza media mensile in orario giornaliero tra ore 8 -18 (fascia F1 giorni feriali *7/5 su tutta la settimana).

Emerge chiaramente che circa 3 kW elettrici del FV sono necessari per la PdC ma questo accade solo a gennaio o dicembre.

Rapportandosi alle suddette “produzioni stimate con % mensili del FV” si ottiene la potenza media mensile prodotta dal FV in orario di soleggiamento ore 8-18 e disponibili in pari periodo per alimentazione elettrica della PdC.

Impianto FV classico 3 kW

Impianto FV di 6 kW

È palese che l’usuale attitudine di affermare che un impianto FV da 3 kWp sia sufficiente ogni mese per una PdC da 9 kWt, non sia un dato attendibile. Mentre con un impianto FV di potenza doppia dell’usuale (6 kW) è possibile avere una potenza media, e quindi una energia, significativamente idonea alle richieste della PdC. Anzi meglio ancora sarebbe avere un impianto da 9 kWp, in entrambi i casi serve un intervento significativo della energia da rete elettrica.

Si tratta di un approccio semplificato quello di questa trattazione in quanto non valuta l’accoppiamento del profilo orario di consumo con quello di autoproduzione che presumibilmente comporterà l’utilizzo di un costoso sistema di accumulo (cmq sarebbero teorici e non reali come i dati medi qui assunti). Ma intende sollevare una questione derimente relativa potenza necessaria e consumi.

PdC ibrida ad aria in riscaldamento e eventuale integrazione con FV

Le richieste di riscaldamento decrescono con la temperatura esterna mentre la curva prestazionale di una PdC aria- aria o aria- acqua cresce con la temperatura esterna, quindi andamenti opposti. Esiste un punto chiamato balance point in cui la PdC riesce a soddisfare l’utenza in modo energeticamente conveniente.

Se temperatura media esterna del sito in cui si installerebbe la PdC (ad es. NORD) è per molte ore/anno inferiore a quella corrispondente al balance point è opportuno integrare la potenza termica fornita dalla PdC con un altro generatore (usualmente caldaia a gas). Certificando indirettamente di fatto questa criticità, al riguardo i produttori offrono PdC ibride.

Tali PdC ibride sono dimensionate considerando che una caldaia di integrazione coprirà, sia a livello giornaliero che mensile, le ore di picco con temperature più basse di quella esterna corrispondente al balance point.

Ulteriore conferma di questo criterio è la disposizione del Conto Termico che per le PdC ibride richiede:

• Rapporto potenza termica utile PdC/potenza termica utile caldaia <=0,5 (in linea con le prevedibili condizioni di funzionamento di caldaia per periodi più rigidi e della PdC in periodi medio stagionali in cui la potenza termica richiesta è minore)

NB Si ricorda che la analisi energetica/impiantistica deve completarsi con una verifica  del circuito idronico a valle della PDC ibrida, se necessario con portata variabile tra regime PdC o generatore tradizionale.

La soluzione impiantistica con PdC ibrida per il riscaldamento si accoppia meglio con il FV (la potenza media generata da FV di 3 kWp usuale è abbastanza allineata alla potenza elettrica richiesta da PdC ibrida in funzionamento PdC nelle stagioni meno rigide), al netto di eventuale uso di accumulo.

Un’indicazione di indirizzo per la scelta delle migliori soluzioni energetiche

La presente trattazione non vuole e non può sostituirsi a un progetto e una analisi energetica specifica e approfondita. Peraltro consente di dare indicazioni efficaci di indirizzo verso soluzioni energetiche ottimali e non influenzate da “mode” del momento che utilizzano, anche nel nome della transizione energetica, soluzioni tecnologiche validissime (lo scrivente ha fatto installare PdC ad aria al CENTRO/SUD sin dagli anni ’80) ma non sempre in contesti confacenti alle medesime (infatti al SUD la suddetta analisi darebbe indicazioni diverse…).

Ne è conferma un impianto di recente realizzazione (in ambito Ecobonus 110%) in una villa del NORD dove, nonostante interventi di coibentazione e preesistente impianto di tipo pannelli radianti (quindi temperatura operativa circa 35°C con COP migliore) una PdC da 14 kWt con impianto FV da 7 kWp con accumulo da 14,5 kWh ha richiesto in periodo invernale (non rigido come usuale negli ultimi anni) integrazione con generatore di calore tenuto di back up per mesi più freddi per evitare spese energetiche (elettriche) eccessive.

L’integrazione delle due tecnologie (PdC e FV) per una abitazione civile va attentamente valutata da tecnici esperti di entrambe le tecnologie e non può essere approssimata con valutazioni principalmente commerciali basate sui dati di targa.

Il vantaggio economico, comunque presente, va massimizzato. Per farlo va rapportato per quanto possibile alle condizioni reali e istantanee di integrazione tra profilo di autoproduzione FV e profilo di assorbimento elettrico della PdC. Ad esempio con l’uso di sistemi di accumulo che pare comunque interessante per ottimizzare tali interventi di efficientamento con FER, nonostante prevedano un aumento dei costi iniziali. Il tutto comunque evitando di prevedere saving irrealizzabili o inutili surdimensionamenti impiantistici specie del FV.

Quanto sopra si spera sia utile a fare riflettere su diffuse ipotesi di intervento che troppo facilmente si riscontrano tra addetti ai lavori non seriamente specializzati. Forse perchè provenienti da esperienze settoriali/commerciali di area fotovoltaico o idraulica, ma privi di una conoscenza integrata dei due contesti, con conseguenze negative per utilizzatori e per la una transizione energetica correttamente applicata.