Il riscaldamento globale potrebbe migliorare l’efficienza delle pompe di calore nelle regioni alpine?

Gli scienziati dell’Università di Trento hanno studiato l’impatto dei cicli di avviamento e di sbrinamento su una pompa di calore aria-acqua (AWHP) collegata a un impianto fotovoltaico e situata in regioni alpine, considerate hotspot del cambiamento climatico, caratterizzate da un rapido riscaldamento e da una topografia complessa.

“La novità di questa ricerca risiede nell’integrazione esplicita di correlazioni di degrado legate all’avviamento e allo sbrinamento, derivate sperimentalmente e validate, all’interno di un framework dinamico Trnsys, in cui le prestazioni delle Awhp possono essere valutate nelle condizioni climatiche presenti e future in qualsiasi località del mondo”, ha dichiarato a pv magazine l’autore corrispondente, Fabian Eze.

Eze ha inoltre spiegato che i climi alpini sono caratterizzati da una topografia complessa, che porta le Awhp a sperimentare dinamiche operative peculiari, come frequenti cicli di accensione e spegnimento e cicli di sbrinamento.

“Questi effetti transitori spesso causano un degrado delle prestazioni, ma nelle simulazioni convenzionali vengono spesso trascurati. Di conseguenza, le prestazioni delle Awhp vengono sistematicamente sovrastimate, producendo valutazioni dinamiche irrealistiche”, ha affermato.

Nel loro studio di simulazione, l’Awhp era accoppiata a un sistema fotovoltaico da 4 kW, a una connessione alla rete elettrica, a un sistema di accumulo a batteria (BESS) da 3 kWh, a un serbatoio di accumulo termico combinato per riscaldamento/raffrescamento da 277 L e a un serbatoio per acqua calda sanitaria da 156 L. L’Awhp utilizzava l’R32 come refrigerante ed era azionata da inverter. Aveva capacità nominali di raffrescamento e riscaldamento pari rispettivamente a 8,73 kW e 9 kW, corrispondenti a potenze elettriche assorbite di 2,11 kW e 1,89 kW in modalità di raffrescamento e riscaldamento.

Il team di ricerca ha simulato il funzionamento del Awhp nelle condizioni previste per il 2030 e il 2050.

*Aumento previsto della domanda elettrica dell’Awhp nel 2050 rispetto all’anno di riferimento Immagine: Università di Trento, Energia, CC BY 4.0*

I sistemi sono stati simulati per l’installazione in un’abitazione residenziale unifamiliare con una superficie totale riscaldata di 140 mq, suddivisa in quattro zone termiche. Si è ipotizzato che le abitazioni fossero situate in cinque Comuni della provincia italiana di Trento: Arco, Trento, Storo, Cavedine e Cles. Questi Comuni si trovano rispettivamente a diverse altitudini: 83 m, 185 m, 384 m, 549 m e 652 m.

L’anno climatico di base è stato il 2016, mentre i dati meteorologici futuri sono stati generati utilizzando il modello Test Reference Years. Tra il 2016 e il 2030, l’aumento previsto della temperatura media dell’aria varia da 0,48 °C ad Arco a 0,6 °C a Cles. Entro il 2050, il riscaldamento diventa più marcato, con incrementi di 1,24 °C ad Arco e di 1,50 °C a Cles.

“Uno dei risultati più sorprendenti è che gli effetti dell’avviamento e dello sbrinamento non sono correzioni marginali”, ha affermato Eze. “Il solo avviamento riduce il coefficiente di prestazione stagionale (Scop) di circa il 4-6%, mentre gli effetti combinati di avviamento e sbrinamento riducono lo SCOP del 9-11% e aumentano il consumo annuo di energia primaria fino al 12%”.

I ricercatori hanno spiegato che, sebbene il futuro cambiamento climatico riduca la frequenza degli sbrinamenti, le perdite dovute all’avviamento restano significative perché i cicli a carico parziale continuano a verificarsi. “Per esempio, entro il 2050 si prevede che lo Scop aumenterà di circa il 6%, portando a una riduzione del consumo annuo di energia primaria fino al 10%. Questi risultati contribuiranno a orientare la futura progettazione tecnica dei sistemi Awhp e lo sviluppo di politiche per la decarbonizzazione degli edifici in queste regioni”, ha dichiarato Eze.

Nel complesso, negli scenari climatici futuri, si prevede che l’aumento delle temperature riduca la frequenza degli sbrinamenti, migliorando leggermente l’efficienza stagionale. Tuttavia, questo beneficio è solo parziale, poiché le perdite dovute all’avviamento causate dai cicli a carico parziale persistono e continuano a influenzare le prestazioni complessive del sistema. Di conseguenza, sebbene il cambiamento climatico possa migliorare moderatamente l’efficienza delle pompe di calore nelle Regioni più fredde come le Alpi, questo miglioramento è limitato e non compensa l’importanza di una modellazione dinamica accurata.

I risultati evidenziano la necessità di approcci di simulazione più dettagliati che riproducano le reali condizioni operative, nonché di una progettazione accurata dei sistemi, e di una pianificazione politica attenta per sostenere soluzioni di riscaldamento elettrificato affidabili ed efficienti in un sistema energetico in fase di decarbonizzazione.

Il lavoro di ricerca è stato presentato nello studio intitolato “Performance assessment of air-to-water heat pumps in alpine regions under present and future climate: Impacts of start-up and defrosting cycles”, pubblicato sulla rivista Energy. “Il nostro lavoro futuro si concentrerà sulla validazione del framework con dati di monitoraggio specifici del sito e sull’estensione dell’analisi ad altre tipologie di edifici, come edifici multifamiliari e commerciali”, ha concluso Eze.

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