Raffrescamento a pavimento e comfort

Regolazione estiva Daikin Rotex HPSU Compact per raffrescamento a pavimento e comfort ottimale.

Gli effetti del riscaldamento globale sono sempre più evidenti: inverni asciutti ed estati calde che cominciano sempre prima.

Per chi vive in piena pianura padana come me il tutto si combina ad una umidità a dir poco soffocante. Se avete la ventilazione meccanica controllata raccomando la lettura preliminare di Raffrescamento estivo e VMC: attenzione all’umidità.

Nell’articolo Climatizzazione estiva: too fast too furious, avevo condiviso le mie esperienze di regolazione del raffrescamento a pavimento sul mio impianto, che ricordo essere costituito da pompa di calore con pavimento radiante, UTA per ventilazione meccanica e deumidifica e fotovoltaico.

I dettagli dell’impianto li trovate alla pagina Informazioni.

Comfort estivo

Le necessita’ di comfort interno per l’estate 2017 non sono sostanzialmente cambiate, ma nel corso di questo inverno mi sono dotato di un sistema di monitoraggio e controllo che mi consente di accendere e regolare la mia pompa di calore Daikin HPSU Compact in modo avanzato e sofisticato (ma soprattutto in modo programmabile). Per approfondire potete leggere l’articolo Hack my Daikin HPSU Compact: terza parte.

Per cercare di avere una misura univoca del comfort che tenga conto sia della temperatura che dell’umidità ambientale, ho provato ad adottare il cosiddetto Humidex, che misura fornisce la temperatura percepita rispetto all’umidità relativa dell’aria.

Nel mio sistema di climatizzazione estiva, in cui raffrescamento a pavimento e deumidifica viaggiano sempre in tandem, l’Humidex può essere l’indicatore perfetto da misurare (calcolare) e poi utilizzato per una crono-programmazione con isteresi, cercando di non superare mai in modo significativo il valore di 29 ºC di temperatura percepita.

Convenienza economica

Ripassiamo invece i criteri con cui stabilire la convenienza economica di quando far funzionare la climatizzazione estiva con raffrescamento a pavimento:

  • presenza di impianto fotovoltaico
  • convenzione di SSP (Scambio Sul Posto)
  • tariffa elettrica mono-oraria o bi-oraria

Come sempre, facciamo due calcoli col mio caso concreto: stimiamo il costo economico netto per “sottrarre” 10 kWh termici dall’involucro (e contemporaneamente deumidificare).

Prendo come riferimento i dati del 22 giugno 2017, giornata già particolarmente calda ed umida.

A supporto le caratteristiche nominali di prodotto della pompa di calore Daikin HPSU Compact in caso di funzionamento con raffrescamento a pavimento:

Regolazione estiva Daikin Rotex HPSU Compact per raffrescamento e comfort ottimale.

L’UTA in modalità deumidifica ha un assorbimento sostanzialmente costante di circa 540 W elettrici.

Per semplicità nei calcoli, assumiamo di operare con una temperatura di mandata pari a 15 ºC e di dissipare il calore richiesto in 2 ore di funzionamento.

Io dispongono di una tariffa bi-oraria D1 per pompe di calore, suggerisco a chi fosse interessato la lettura di Tariffa D1 per pompe di calore e riforma tariffe elettriche.

I costi elettrici netti sono i seguenti:

  • F1 = 0,262 Eur / kWh
  • F2+F3 = 0,182 Eur / kWh

Lo SSP nell’ultimo anno (2016) mi ha mediamente restituito 0,208 Eur / kWh scambiato. Potete trovare i dettagli in Scambio Sul Posto: bilancio 2016.
Una precisazione: nella simulazione i dati dello SSP sono relativi al 2016 mentre le tariffe elettriche quelle del 2017. Ritengo che il risultato non cambierà nella sostanza dei fatti.

Funzionamento diurno

In questo caso cerchiamo di massimizzare l’autoconsumo del fotovoltaico mediante l’accensione diurna del raffrescamento a pavimento.

Intervallo di riferimento climatizzazione e fotovoltaico ⇒ 12:30 – 14:30

T Esterna media ⇒ 31 ºC

P FV = 1,65 kW

Vi prego di notare la potenza di picco di produzione del fotovoltaico limitata determinata dalla potenza nominale di 3 kWp e dalla disposizione sulle falde Est ed Ovest del mio tetto.

Dalla tabella di prodotto:

EER = 3,0

Quindi ricaviamo la potenza elettrica assorbita dalla pompa di calore:

P = E termica / (Intervallo * EER) = 10 / (2,0 * 3,0) = 1,67 kW elettrici

Aggiungendo la UTA otteniamo un assorbimento elettrico di 2,21 kW.

Il costo lordo per “sottrarre” 10 kWh termici durante il giorno mediante il raffrescamento a pavimento (inclusa deumidifica), con la tariffa F1, risulta dunque essere:

2,21 * 2 * 0,262 = 1,16 Eur

Ipotizzando di auto-consumare integralmente la produzione del fotovoltaico, dovremo invece assorbire dalla rete per 2 ore:

2,21 – 1,65 = 0,56 kW

Il costo netto per “sottrarre” 10 kWh termici durante il giorno mediante il raffrescamento a pavimento (inclusa deumidifica) risulta dunque essere:

0,56 * 2 * 0,262 = 0,293 Eur

In altre parole l’auto-consumo ci ha fatto risparmiare 0,867 Eur.

Funzionamento notturno

In questo caso cerchiamo di massimizzare l’efficienza della pompa di calore facendo funzionare il raffrescamento a pavimento di notte. Ovviamente la potenza in eccesso del fotovoltaico di verrà restituita mediante lo SSP e deve essere tenuta in conto per avere dati confrontabili.

Intervallo di riferimento FV ⇒ 12:30 – 14:30

P FV = 1,65 kW

Possiamo facilmente calcolare l’energia immessa in rete:

E = 2,0 * 1,65 = 3,3 kWh elettrici

Che lo SSP ci potrebbe restituire integralmente in misura pari a:

3,3 * 0,208 = 0,686 Eur

Intervallo di riferimento climatizzazione ⇒ 04:00 – 06:00

T Esterna media ⇒ 22,5 ºC

Dalla tabella di prodotto:

EER = 4,0 (onestamente per i valori misurati sul campo sarebbe più alto)

Quindi ricaviamo la potenza elettrica assorbita dalla pompa di calore:

P = E termica / (Intervallo * EER) = 10 / (2,0 * 4,0) = 1,25 kW elettrici

Aggiungendo la UTA otteniamo un assorbimento elettrico di 1,79 kW: col semplice spostamento in notturna il consumo elettrico si riduce del 19% !

Dovremo dunque assorbire dalla rete 1,79 kW per 2 ore.

Applicando la tariffa F2+F3, il costo lordo per “sottrarre” 10 kWh termici durante la notte mediante il raffrescamento a pavimento (inclusa deumidifica) risulta dunque essere::

1,79 * 2 * 0,182 = 0,652 Eur

Combinando solamente il miglioramento di efficienza della pompa di calore con miglior tariffa elettrica notturna abbiamo ridotto il costo elettrico lordo del 44% spostando da funzionamento diurno a notturno !

Sottraendo quanto non consumato di giorno e restituito dallo SSP, otteniamo il costo netto per “sottrarre” 10 kWh termici durante la notte mediante il raffrescamento a pavimento (inclusa deumidifica):

0,652 – 0,686 = –0,034 Eur

Conclusioni

Nel mio caso risulta evidente che far funzionare la climatizzazione estiva (raffrescamento a pavimento + deumidifica) di notte rispetto al giorno consente un risparmio economico netto sostanzialmente pari al 100% !!

Ricordo e ribadisco che questo risultato si riferisce al mio caso: raccomando di ripercorrere lo stesso ragionamento col vostro caso specifico.

Ovviamente tutto questo e’ possibile solo se si assicura il livello di comfort atteso, ovvero che nella fascia diurna l’involucro non si riscaldi (e riempia di umidità) troppo rapidamente.

Nel grafico seguente potete leggere facilmente gli orari di funzionamento e le variazioni dei parametri ambientali interni:

Regolazione estiva Daikin Rotex HPSU Compact per raffrescamento e comfort ottimale.

Non dimenticate: una casa fresca ed asciutta d’estate non ha prezzo !

Sbrinamento pompa di calore aria acqua

Sbrinamento pompa di calore aria acquaParliamo dello sbrinamento pompa di calore aria acqua: il funzionamento e’ assicurato senza problemi di comfort anche alle temperature esterne invernali minime (intorno agli 0 °C). Ci sono pero’ due punti di attenzione:

  • riduzione del rendimento (COP)
  • formazione di ghiaccio sull’unita’ esterna che richiede sbrinamento pompa di calore aria acqua

Formazione di ghiaccio

La formazione di ghiaccio sull’unita’ esterna e’ stata facilitata di molto dalle condizioni ambientali di questo “strano” inverno 2015-216, in particolare per chi, come me, abita in piena Pianura Padana.

La situazione tipica per molte settimana e’ stata questa (prego notare il ghiaccio sull’unita’ esterna della mia Rotex HPSU Compact):

con umidità molto elevata (prossima al 100%) e temperatura relativamente bassa (nell’intorno dei 5 °C).

Un po’ di teoria

In modalità riscaldamento il radiatore esterno opera come evaporatore e quindi la sua superficie e’ sempre ad una temperatura inferiore rispetto a quella dell’aria anche quando questa sia già bassa come in inverno.

In presenza di umidità nell’aria esterna può dunque formarsi ghiaccio sul radiatore esterno con consequente ulteriore riduzione del rendimento dello scambio termico (il ghiaccio e’ isolante) rispetto alla “naturale” riduzione del COP con la temperatura esterna.

Pur essendo un tema particolarmente complesso e poco documentato, cerchiamo ora di capire concretamente le condizioni ambientali in cui l’umidità presente nell’aria esterna cominci a congelare sul radiatore esterno.

Punto di rugiada

Ci viene in aiuto il cosiddetto punto di rugiada (dew point), ovvero le condizioni dell’aria sotto le quali (temperatura inferiore e/o pressione maggiore) il vapore libero comincia a passare in fase liquida (potendosi congelare sul radiatore dell’unita’ esterna).

Volendo semplificare, assumendo pressione esterna invariante, l’unita’ esterna comincia a brinare quando accadono entrambe le condizioni:

  • temperatura fluido refrigerante < punto di rugiada aria
  • temperatura fluido refrigerante < 0 °C

Il punto di rugiada dell’aria può essere calcolato mediante l’approssimazione di Magnus-Tetens.

Molto più aleatorio, non ho trovato molto in letteratura, e’ stabilire la temperatura del fluido refrigerante. In linea generale possiamo assumere che, dato il funzionamento della pompa di calore per estrarre calore dall’aria, la temperatura del fluido refrigerante operi sempre tra i 5 °C ed i 10 °C inferiore alla temperatura dell’aria esterna.

Il risultato può essere rappresentato nel diagramma seguente che mostra, in funzione della temperatura dell’aria esterna, l’andamento di:

  • punto di rugiada dell’aria per differenti valori di umidità esterna (linee tratteggiate)
  • fascia di probabili valori per la temperatura del fluido refrigerante (bande verticali)

DEW_POINT

Possiamo quindi trarre diverse conclusioni sulla formazione di ghiaccio sull’unita’ esterna di una pompa di calore aria acqua:

  • dipende principalmente da temperatura ed umidità dell’aria esterna (e’ la fisica a dircelo ! Per cambiare si può solo traslocare in luoghi meno umidi)
  • dipende fortemente dalla temperatura del fluido refrigerante (e’ il costruttore della pompa di calore, entro certi limiti, a determinarlo)
  • il ghiaccio può cominciare a formarsi già con temperature esterne inferiori ai 5 °C ed umidità esterna superiore al 78%
  • in presenza di basse temperature ed aria secca non si forma brina

Sbrinamento pompa di calore aria acqua

Ci sono alcuni modelli di pompa di calore che lavorano proprio sul fluido refrigerante per limitare gli sbrinamenti come la Mitsubishi Zubadan che inietta gas caldo

La pompa di calore, per avviare lo sbrinamento (de-frost), rileva automaticamente lo stato di congelamento dell’unita’ esterna mediante due possibili metodi:

  • con un sensore di temperatura esterno e un timer che inverte il ciclo ogni tot minuti
  • con un sistema di controllo più raffinato, che monitora il flusso d’aria, la pressione del refrigerante, la temperatura dell’aria

Ovviamente il secondo metodo e’ quello più efficiente (evita sbrinamenti inutili), ma probabilmente la maggior parte delle pompe di calore adotta il primo perché più semplice. Nessuna azienda produttrice documenta nulla.

Durante lo sbrinamento la macchina inverte il ciclo mediante la valvola reversibile e ferma la ventola esterna per ridurre l’energia termica necessaria allo scioglimento del ghiaccio.

E’ chiaro che fare uno sbrinamento e’ oneroso perché lo scioglimento del ghiaccio richiede energia termica (da sottrarre al riscaldamento della casa).

Sbrinamento Rotex HPSU Compact

Nel caso della mia Rotex HPSU Compact il calore per lo sbrinamento viene prelevato dal bollitore dell’acqua calda e, se necessario, viene azionato anche il Backup-Heater (BUH). A seconda del fabbisogno di calore, il riscaldamento diretto può essere interrotto brevemente durante la procedura di sbrinamento. Entro 8 minuti il sistema torna al funzionamento normale.

Per verificare la teoria passiamo ora a qualche evidenza pratica nella mia casa elettrica.

Un ciclo di de-frost e’ facilmente riconoscibile sull’unita’ interna della HPSU tramite:

  • comparsa della gocciolina sul display
  • rumore delle valvole a 3 vie che vengono azionate

Nel caso non lo abbiate mai osservato direttamente, questo e’ quanto accade invece all’esterno durante il de-frost (filmato dell’inverno precedente):

E’ anche agevole, per chi disponga di un sistema di monitoraggio, riconoscere gli eventi di sbrinamento (in violetto) osservando l’andamento della potenza elettrica assorbita dalla HPSU:

CICLO_DEFROST

Chiaramente durante gli sbrinamenti la macchina non sta producendo calore per riscaldare (circa 8 minuti per ciclo).

Giornata tipo

Il 2 gennaio 2016 e’ una giornata esemplificativa del caso peggiore per gli sbrinamenti avendo umidità elevate e temperatura relativamente bassa:

UMIDITA_TEMPERATURA

[Fino alle 09:30 stavo sistemando il sensore umidità]

GIORNATA_DEFROST

In viola ho evidenziato i 4 cicli di produzione acqua calda necessari a re-integrare l’accumulo tecnico.

Considerazioni:

  • sono stati “buttati” circa 5,1 kWh elettrici per re-integrare l’energia termica usata in sbrinamento
  • durante i 4 cicli acqua calda addizionali la HPSU non sta riscaldando la casa (circa 3 ore in tutta la giornata)
  • durante i 26 de-frost la HPSU non sta riscaldando la casa (circa 3,5 ore in tutta la giornata)

Sintesi

  • dei 20,3 Kwh elettrici consumati nella giornata dalla HPSU circa il 25% e’ stato “buttato” in sbrinamenti
  • ci sono state solo 9,5 ore effettive di riscaldamento attivo sulle 16 attese – il resto del tempo e’ stato speso in re-integro acqua calda e sbrinamenti veri e propri

Poiché non voglio fare terrorismo psicologico eccovi la giornata leggermente meno umida del 17 dicembre 2015 in cui tutto funziona decisamente meglio:

1712_TH

1712

Ci sono solo alcuni de-frost la mattina.

Conclusioni

In conclusione occorre dunque tenere bene a mente la presenza, nella stagione invernale, di sbrinamento pompa di calore aria acqua sia in termini di comfort che di spesa poiché possono ridurre in modo significativo rendimento e tempi di funzionamento della pompa di calore soprattutto in condizioni di umidità esterna elevata.

In un altro articolo proverò a descrivere che margini abbiamo per influenzare gli sbrinamenti (pochi a parte la corretta pulizia dell’unita’ esterna) e come gestirne l’effetto in modo da minimizzare la spesa e massimizzare il comfort.

 


Integrazione del 13/03/2016

Per chi fosse interessato ho trovato questa tesi in lingua italiana sull’argomento:

MODELLO SEMPLIFICATO PER LA VALUTAZIONE DELLO SBRINAMENTO ALL EVAPORATORE DI POMPE DI CALORE

 computer_time_to_upgrade warning 

Leggi Defrost Daikin: una scelta consapevole ? per un aggiornamento sull’argomento !

Caldo e VMC: serve un deumidificatore ?

Caldo senza climatizzatore: In estate la ventilazione meccanica controllata (VMC) tende a "tirare dentro" umidità dall'esterno

Le scelte impiantistiche per una casa moderna, sono focalizzate sul riscaldamento invernale e sul ricambio dell’aria. Ma non bisogna dimenticare che dobbiamo combattere anche il caldo estivo:  quando, anziché il classico climatizzatore, utilizziamo il raffrescamento a pavimento combinato alla ventilazione meccanica controllata (VMC) ci sono alcuni punti di attenzione.

Le scelte progettuali considerate ormai “obbligate” sono:

  • ottimo isolamento invernale dell’involucro per risparmiare sul riscaldamento invernale
  • ventilazione meccanica controllata (VMC) per garantire l’opportuno ricambio d’aria senza “mai” aprire le finestre (e quindi risparmiare sul riscaldamento)
  • involucro con massa/inerzia elevata al fine di ritardare il più possibile la penetrazione del caldo (e quindi risparmiare sulla climatizzazione estiva)

Ho volutamente omesso il fattore comfort che viene elevato a piacere grazie agli interventi precedenti.

C’e’ pero’ un piccolo “dettaglio” che non deve essere dimenticato: il diagramma di Carrier.

Nel caso specifico di una casa con ventilazione meccanica (VMC) sempre attiva che garantisce una ricambio continuo dell’aria tra interno ed esterno ci dice semplicemente che la differenza di umidità relativa tra interno ed esterno e’ direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra esterno ed interno.

Ricordo che nella mia abitazione e’ installata una VMC Italia LET 50-25 DC, utilizzata in modo da essere sempre accesa.

Ho provato a sfruttare la massa enorme di dati misurati, rappresentandoli ed interpolando temperatura ed umidità interne ed esterne nel periodo 05 settembre 2014 – 7 luglio 2015:

UMIDITA

Inverno e VMC: umidificatore ?

Applichiamo praticamente il risultato ad una situazione invernale, in particolare i valori medi di gennaio 2015:

T est = 3 ºC; T int = 20 ºC; RH est = 81 % ⇒ RH int = 41 %

In sostanza in inverno la VMC tende ad “asciugare” l’ambiente interno rispetto a quello esterno.

Estate e VMC: deumidificatore ?

Passiamo ora al caso del caldo estivo con i valori medi di inizio luglio 2015:

T est = 29,3 ºC; T int = 24,6 ºC; RH est = 66 % ⇒ RH int = 83 %

In sostanza col caldo estivo la ventilazione meccanica controllata (VMC) tende a “tirare dentro” umidità dall’esterno (in misura tanto maggiore quanto più grande e’ la differenza di temperatura tra esterno ed interno).

Quindi, utilizzando la ventilazione meccanica controllata (VMC), in estate potrebbe servire un bel deumidificatore !!!

Come avete visto questa conclusione e’ indipendente dal sistema utilizzato per raffrescare: nel caso di utilizzo del pavimento radiante si aggiunge all’esigenza di gestire il rischio di condensa superficiale mediante un deumidificatore.

Nel mio caso specifico e’ sempre la VMC Italia LET 50-25 DC, ad operare anche come deumidificatore: in effetti si tratta di una unita’ trattamento aria (UTA).

Un esempio concreto l’ho vissuto lunedì scorso (picco della calura africana):

DANNO

In sostanza alle 11 di mattina la de-umidifica e’ andata in blocco (vedi la potenza assorbita dalla UTA). Poiché la chiamata alla moglie non ha sortito effetti per farla riavviare (oppure spegnere la VMC), l’umidità interna e’ inesorabilmente salita a quanto il diagramma di Carrier prevede.

Medidate gente meditate.

Soprattutto se abitate in pianura padana. Ma non solo !