Dimensionamento della pompa di calore: una inverter si sceglie per lavorare a metà potenza
Prima pillola: lo spazio fra le alette. Seconda: quando la macchina decide di sbrinare. La terza cosa da chiedere prima di comprare è quanto è grande la pompa di calore rispetto all’edificio. Sembra la domanda più semplice, ed è quella dove si sbaglia di più, perché una pompa di calore inverter non si sceglie come una caldaia.
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La potenza massima si decide sul giorno più freddo della zona
Ogni località ha una temperatura esterna di progetto: la temperatura più bassa che si considera nel calcolo dell’impianto. In Italia la fissa una norma, provincia per provincia: nelle zone alpine si arriva a -15 gradi, in pianura si sta intorno a -5, al sud e sulle coste si va verso +2. Ogni zona ha il suo numero, e il termotecnico lo conosce. La norma europea delle pompe di calore ragiona allo stesso modo su tre climi: freddo, con riferimento Helsinki, -22 gradi; medio, Strasburgo, -10; caldo, Atene, +2. A quella temperatura la macchina deve coprire tutto il fabbisogno dell’edificio lavorando alla massima potenza. Non prima: una macchina che arriva al massimo già a zero gradi è piccola per quella zona.
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Il resto dell'inverno lo passa a metà
Il giorno di progetto capita pochi giorni l’anno. La maggior parte delle ore invernali, in pianura, sta fra 2 e 10 gradi, spesso con il sole: l’edificio chiede la metà del calore, o meno. Una pompa di calore inverter non si accende e si spegne come una caldaia: riduce i giri del compressore e segue il fabbisogno. Dimensionata bene, passa la maggior parte dell’inverno intorno a metà potenza, e nelle mezze stagioni scende al minimo senza fermarsi. È così che si evitano le accensioni e gli spegnimenti continui.
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L'inverter: perché quello al carburo di silicio rende di più
L'inverter è il pezzo che trasforma la corrente di rete nella corrente a frequenza variabile che fa girare il compressore alla velocità giusta. Lo fa accendendo e spegnendo migliaia di volte al secondo dei transistor di potenza. Ogni volta che un transistor commuta, e in ogni istante in cui conduce, una parte della corrente diventa calore invece di arrivare al motore. Quel calore è energia pagata e persa, e va anche portato via dall'elettronica, altrimenti i componenti si scaldano e si consumano.
Per anni i transistor degli inverter sono stati gli IGBT, al silicio. Sono robusti e costano poco, ma hanno due limiti. Quando conducono hanno una soglia di tensione fissa che si paga anche a bassa corrente: proprio a metà potenza, dove la pompa di calore passa quasi tutto l'inverno, quella soglia pesa in proporzione di più. E commutano lentamente, quindi scaldano a ogni passaggio e non si possono far lavorare veloci.
I transistor al carburo di silicio (SiC) non hanno la soglia fissa: si comportano come una resistenza molto bassa, e a bassa corrente perdono pochissimo. E commutano in una frazione del tempo, con una frazione del calore. Meno dispersione termica vuol dire tre cose pratiche. Più energia al compressore per gli stessi kWh presi dal contatore, quindi COP più alto, soprattutto a carico parziale. Un'elettronica che lavora più fresca, e un componente elettronico che lavora fresco dura di più. E la possibilità di commutare più veloce, che dà al motore una corrente più pulita, con meno perdite e meno rumore nel compressore.
Il poco calore che resta, nelle nostre macchine, non ha bisogno di una ventola sua: il dissipatore dell'inverter sta nel vano della batteria, nel flusso d'aria della ventola della macchina, che lo raffredda mentre fa il suo lavoro normale. Nessun quadro chiuso, nessuna ventolina che consuma e si guasta. Sulle nostre macchine residenziali l'inverter è al carburo di silicio.
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Metà potenza è dove rende di più
A metà potenza il compressore gira piano e gli scambiatori sono grandi rispetto al calore che devono muovere: lo scambiatore esterno si raffredda poco, quello interno si scalda poco, il compressore lavora con il salto di temperatura più piccolo possibile. È il punto di massimo rendimento. A pieno regime il rendimento cala, al minimo pure. Qui torna la prima pillola: quello che nelle nostre macchine è grande il doppio rispetto a una macchina di importazione è lo scambiatore, non il compressore. Il compressore è quello giusto per il carico; lo scambiatore grande gli permette di lavorare con salti di temperatura piccoli. In queste condizioni le nostre macchine lavorano con COP tipiche dei modelli geotermici, pur prendendo il calore dall’aria.
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Troppo piccola, troppo grande
Una macchina sottodimensionata lavora sempre al massimo: consuma di più perché sta sempre nel punto di rendimento peggiore, raffredda di più la batteria esterna, quindi fa più brina e più sbrinamenti, e nei giorni freddi non arriva alla temperatura. Una macchina sovradimensionata fa il contrario: lavora sempre al minimo e, quando anche il minimo è troppo, si spegne e si riaccende di continuo. Ogni avvio costa al compressore più di ore di marcia regolare: la durata di un compressore si conta in cicli di avvio e arresto, come per un’automobile contano i chilometri ma anche le partenze a freddo. La taglia giusta è una sola: quella che nel giorno di progetto della zona lavora al massimo e nel resto dell’inverno a metà.
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È un lavoro da termotecnico
Il dimensionamento parte dal carico termico dell’edificio: dispersioni di pareti, tetto e finestre, ricambi d’aria, temperatura di progetto della località. Per un capannone l’ordine di grandezza del picco si ragiona in watt per metro cubo, non per metro quadro, perché un capannone alto sette metri ha il triplo dell’aria di una casa a parità di pianta: da 10-15 W/m³ per un edificio nuovo o ristrutturato con pannelli spessi, a 18-25 per uno costruito fra il 2000 e il 2015, a 30-45 per un prefabbricato degli anni ’80 e ’90 senza isolamento; qualcosa in più se i portoni si aprono spesso o manca il destratificatore che rimanda in basso l’aria calda. È solo la prima stima: la macchina si sceglie poi sulle sue tabelle di resa alla temperatura di progetto. Non si fa a occhio, non si fa “una taglia in più per sicurezza”, e la potenza della caldaia che c’era prima non è un riferimento. Un termotecnico ci mette qualche ora e si assume la responsabilità del calcolo: è la parte dell’impianto che costa meno e che decide i consumi dei prossimi vent’anni.
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Come si controlla, prima di comprare
- chiedere il calcolo del carico termico, con la temperatura di progetto della località scritta sopra;
- chiedere a che percentuale della potenza massima lavorerà la macchina a 7 gradi esterni, che è la condizione più frequente dell’inverno: la risposta giusta sta intorno alla metà;
- chiedere la potenza minima a cui la macchina riesce a modulare senza spegnersi.
Le schede tecniche delle nostre pompe di calore aria-acqua e delle Kita Air per i capannoni riportano la potenza alle diverse temperature esterne.
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Domande frequenti
Come si dimensiona una pompa di calore inverter?
Sulla temperatura esterna di progetto della zona: a quella temperatura deve coprire tutto il fabbisogno alla massima potenza, e per il resto dell’inverno lavorare intorno a metà potenza.
Perché una pompa di calore troppo grande consuma di più?
Lavora sempre al minimo e, quando anche il minimo è troppo, si spegne e si riaccende di continuo. Ogni avvio costa al compressore più di ore di marcia regolare.
A che potenza lavora una pompa di calore per gran parte dell’inverno?
Dimensionata bene, intorno a metà potenza: in pianura la maggior parte delle ore invernali sta fra 2 e 10 °C. A metà potenza gli scambiatori sono grandi rispetto al calore da muovere ed è lì che la macchina rende di più.
Cosa cambia con un inverter al carburo di silicio?
Disperde meno energia in calore, soprattutto a carico parziale: più energia arriva al compressore per gli stessi kWh, il COP sale e l’elettronica lavora più fresca e dura di più. Sulle nostre macchine residenziali l’inverter è al carburo di silicio.
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La prossima pillola: perché una pompa di calore non è una caldaia e deve lavorare senza fermarsi, e cos’è HCC: leggila qui.
