Oltre il free cooling: “free heating”

Conosciamo tutti molto bene il concetto di free cooling: in passato, la soluzione per rinfrescare la nostra auto parcheggiata sotto il sole era quella di aprire i finestrini, in quanto la temperatura esterna era più bassa di quella dell’abitacolo. Lo stesso vale per i sistemi HVAC: quando la temperatura esterna è sufficientemente bassa per raffreddare l’ambiente o il fluido di processo senza l’intervento di un refrigeratore (raffreddamento meccanico), è possibile implementare una soluzione free cooling. A seconda del sistema, può trattarsi di un dry cooler per un circuito ad acqua refrigerata o dell’economizzatore di un’unità rooftop o di trattamento dell’aria. Il vantaggio è evidente: il consumo di energia elettrica del compressore è ridotto al minimo o eliminato e il raffreddamento è quasi a costo zero (ventilatori e pompe sono sempre necessari). Il free cooling è sicuramente il modo più economico ed ecologico per garantire il raffreddamento.

Qualcosa di meno ovvio, ma altrettanto efficace, può accadere anche per il carico termico. Per analogia, possiamo chiamarlo “free heating” e questa volta il dispositivo da aggiungere al sistema è una pompa di calore. La pompa di calore è una macchina termodinamica che eleva il grado (ovvero la temperatura) del calore, pompandolo da una fonte fredda verso un dissipatore. La fonte di freddo è generalmente una fonte rinnovabile, come l’aria ambiente, il suolo, un lago, gas di scarico o fluidi. Quando usiamo una pompa di calore, sottraiamo 300 kW da queste fonti rinnovabili, spendendo 100 kW di energia elettrica per far funzionare il ciclo termodinamico, producendo qualcosa come 400 kW di calore utile (COP = 4, a seconda della macchina, delle temperature ecc…). In confronto, per generare 400 kW di calore una caldaia utilizzerebbe 400 kW (o più) di combustibile fossile. Utilizzando una pompa di calore si produce circa il 75% del calore da fonti rinnovabili.

Il restante 25% è il prossimo obiettivo da eliminare, prima di poter davvero parlare di “free heating” e di poterlo definire come “il modo più economico ed ecologico per produrre riscaldamento”, come per il free cooling.

Esistono almeno due grandi modi per farlo:

1. Generazione di calore con recupero del raffreddamento. Prendiamo

   

   l’esempio di un ospedale in estate. Tradizionalmente, gli ospedali sono dotati di un sistema di raffreddamento da 3 MW, ma necessitano di ulteriori 400 kW per il fabbisogno di acqua calda sanitaria, che soddisfano attraverso una caldaia a gas. La base di partenza è: 3 MW di raffreddamento, 400 kW di riscaldamento, per un consumo di 1 MW di elettricità (per i refrigeratori) e 400 kW di gas. Consideriamo ora di sostituire la caldaia con una pompa di calore acqua/acqua, dove la fonte di freddo è il circuito di raffreddamento dell’ospedale. La pompa genererà 400 kW di calore, consumando 100 kW di energia elettrica e producendo, allo stesso tempo, 300 kW di raffreddamento. Ciò significa che, per soddisfare il fabbisogno originario di 3 MW, i refrigeratori dovranno produrre solo 2,7 MW di raffreddamento. Il nuovo scenario è: 3 MW di raffreddamento (2,7 MW dai refrigeratori, 300 kW dalla pompa di calore), 400 kW di calore, con un consumo di energia elettrica di 1 MW (900 kW per i refrigeratori, 100 kW per la pompa di calore). Nient’altro. Venendo meno il consumo di gas di 400 kW, l’ospedale ha 400 kW di calore a costo zero.

2. Generazione di calore con energia elettrica rinnovabile.

   

   Consideriamo il caso comune di una piccola fabbrica di assemblaggio in Italia, con un impianto fotovoltaico installato sul tetto del magazzino. L’investimento nel fotovoltaico è stato fatto allo scopo di ridurre i costi dell’energia elettrica in estate, quando occorre far funzionare i refrigeratori per il condizionamento dell’aria. In inverno, tuttavia, sono ancora in funzione le caldaie per il riscaldamento, mentre l’impianto fotovoltaico genera un surplus di energia che viene riversata in rete con scarsi vantaggi economici, poiché il massimo guadagno si ha quando l’energia elettrica viene utilizzata per l’autoconsumo. Sostituendo la caldaia con una pompa di calore aria/acqua, è possibile farla funzionare con energia rinnovabile a costo zero, sfruttando l’investimento fotovoltaico anche durante la stagione invernale e accelerando i tempi di ammortamento.

Questi sono due casi semplificati in cui le pompe di calore possono essere utilizzate efficacemente per generare “free heating”. Nei casi reali, per creare la base di partenza è necessaria un’analisi più approfondita, che consenta di comprendere a fondo la domanda di riscaldamento e i profili di carico.

Se si considerano gli ostacoli legati alle pompe di calore e all’implementazione del “free heating”, i due principali sono oggi risolvibili:

Temperatura dell’acqua calda: i prodotti più recenti, basati su refrigeranti HFO come l’R1234ze, sono in grado di raggiungere temperature massime simili a quelle delle caldaie, fino a 85 °C. La maggior parte delle applicazioni risulta dunque coperta, compresi il riscaldamento ambientale o la produzione di acqua calda sanitaria, e la prevenzione della legionella.

Costo iniziale: una pompa di calore è sicuramente più costosa di una caldaia, ma prevede costi di esercizio inferiori. Se il classico investimento con tempi di ammortamento non è abbastanza interessante o se c’è un problema di liquidità, esistono soluzioni di noleggio a lungo o breve termine, in cui la pompa di calore viene fornita sotto forma di “equipment-as-a-service”, con il pagamento di un canone mensile. L’ulteriore vantaggio di questo tipo di contratti è la completa copertura della macchina in termini di manutenzione e garanzia, con minimi rischi per l’utente finale.

In conclusione, il “free heating” con l’utilizzo di pompe di calore è diventata una soluzione concreta per accelerare la decarbonizzazione del riscaldamento e ridurre la nostra impronta di CO₂ grazie a:

• una quantità significativa (50% o più) di energia rinnovabile direttamente riconvertita in calore utile;
• la possibilità di utilizzare non solo il calore, ma anche l’effetto raffreddamento;
• la possibilità di utilizzare energia elettrica rinnovabile;
• un’elevata temperatura dell’acqua ottenuta utilizzando nuovi refrigeranti senza GWP come l’R1234ze;
• il modello di business “equipment-as-a-service”.

(Autore: Guido De Sanctis, Business Leader 
Servizi HVAC Europa,Trane)