SISTEMA DI ACQUA CALDA SANITARIA (ACS)

La progettazione e l’esercizio dei sistemi di acqua calda sanitaria in Ucraina sono disciplinati da una serie di documenti normativi, il principale dei quali è la ДБН В.2.5-64:2012 ‘Impianto idrico e fognario interno’. Questo standard definisce i requisiti fondamentali per la qualità dell’acqua calda, la temperatura, la pressione, nonché i principi di calcolo del consumo d’acqua per diversi tipi di edifici e utenti. In particolare, la ДБН stabilisce la temperatura ottimale dell’acqua calda ai punti di erogazione nell’intervallo da +50°C a +65°C, per prevenire lo sviluppo di batteri della legionella (limite inferiore) ed evitare ustioni (limite superiore). Per gli edifici pubblici e le strutture per l’infanzia possono applicarsi requisiti più severi.

Il consumo di calcolo dell’acqua calda per gli edifici residenziali viene determinato in base al numero di abitanti e alla presenza di apparecchi sanitari. Ad esempio, per una cabina doccia il consumo normativo di acqua calda può essere di 0,15-0,2 l/s, per un lavabo di 0,05-0,1 l/s. È importante tenere conto dei coefficienti di contemporaneità d’uso, per evitare il sovraccarico del sistema o una pressione insufficiente nelle ore di punta. Secondo la ДБН, la pressione nel sistema ACS in prossimità degli apparecchi sanitari non deve essere inferiore a 0,05 MPa (0,5 bar) né superiore a 0,45 MPa (4,5 bar) per i sistemi domestici.

Oltre alla ДБН, nella progettazione dei sistemi ACS con pompe di calore o altre soluzioni innovative, è necessario fare riferimento anche agli standard europei adattati in Ucraina. Ad esempio, per le pompe di calore utilizzate per l’ACS, è rilevante lo standard EN 16147:2017 ‘Pompe di calore con compressore elettrico – Prove e requisiti per la marcatura delle unità per la produzione di acqua calda sanitaria’. Questo standard stabilisce i metodi di prova, la determinazione dell’efficienza energetica (COP), il volume di acqua calda e altri parametri che permettono di confrontare oggettivamente i diversi modelli di apparecchiature. Il rispetto di queste normative è di importanza critica per garantire la sicurezza, la durabilità e l’efficienza energetica di tutte le moderne tecnologie ad alta efficienza energetica e del sistema ACS in generale.

Nella scelta dei materiali per le tubazioni dell’ACS si applicano anche requisiti rigorosi in merito alla loro resistenza alle alte temperature e alla corrosione, nonché alle proprietà igieniche. I materiali ammessi includono rame, acciaio inossidabile, polipropilene (PP-R) e polietilene reticolato (PEX), con caratteristiche di temperatura e pressione adeguate. Un aspetto importante è l’isolamento termico delle tubazioni dell’ACS, che deve rispettare i requisiti della ДБН В.2.5-67:2013 ‘Riscaldamento, ventilazione e condizionamento’, per ridurre al minimo le perdite di calore e aumentare l’efficienza energetica. In caso di mancato rispetto di questi standard, il sistema ACS può funzionare in modo inefficiente, presentare costi di esercizio più elevati o addirittura creare rischi per la salute degli utenti.

Il boiler elettrico, o scaldacqua ad accumulo, è una delle soluzioni più diffuse per la fornitura di acqua calda in case private e appartamenti. Il suo principio di funzionamento si basa sul riscaldamento dell’acqua tramite una resistenza elettrica, posizionata all’interno di un serbatoio termoisolato. L’acqua che entra nel serbatoio viene riscaldata alla temperatura impostata (generalmente 50-70°C) e mantenuta a tale livello tramite un termostato. L’isolamento termico del serbatoio riduce al minimo le perdite di calore, permettendo di conservare l’acqua calda per un lungo periodo.

I boiler elettrici si classificano secondo diversi criteri: volume del serbatoio (da 10 a oltre 500 litri), tipo di resistenza (bagnata – a contatto diretto con l’acqua, secca – in guaina protettiva), materiale del serbatoio interno (acciaio smaltato, acciaio inossidabile, smalto al titanio) e modalità di montaggio (verticale, orizzontale, universale). Per una famiglia di 3-4 persone è generalmente sufficiente un serbatoio da 80-120 litri. La potenza della resistenza varia da 1,5 kW a 3 kW per i modelli domestici, il che determina la velocità di riscaldamento dell’acqua. Ad esempio, un boiler da 100 litri con resistenza da 2 kW riscalda l’acqua da 10°C a 60°C in circa 3-4 ore, consumando circa 5,8 kWh di elettricità per ciclo di riscaldamento.

Il principale svantaggio dei boiler elettrici è il loro consumo energetico significativo, in particolare con il riscaldamento continuo. L’efficienza di riscaldamento è vicina al 98-99% (quasi tutta l’elettricità consumata si trasforma in calore), ma si tratta di una conversione diretta di energia elettrica di alta qualità in calore a bassa temperatura. Il consumo medio giornaliero di elettricità per un boiler elettrico da 100 litri per una famiglia di 3-4 persone può essere di 6-15 kWh, a seconda dell’intensità d’uso e delle perdite dovute all’isolamento termico. Ciò comporta costi di esercizio significativi, specialmente con le tariffe elettriche in aumento in Ucraina.

Per ridurre il consumo, i boiler elettrici sono spesso dotati di una funzione di programmazione (riscaldamento notturno con tariffa ridotta) oppure vengono collegati al concetto di ‘smart home’. Tuttavia, anche in queste condizioni, l’efficienza della conversione diretta dell’elettricità in calore rimane relativamente bassa rispetto alle tecnologie che utilizzano il calore dell’ambiente circostante, come le pompe di calore. Ciò rende i boiler elettrici una scelta meno attraente per i nuovi edifici ad alta efficienza energetica, che mirano a minimizzare il consumo di combustibili fossili e le emissioni di CO2.

La pompa di calore per l’acqua calda sanitaria (PdC ACS) è una delle soluzioni più efficienti dal punto di vista energetico sul mercato, che permette di ridurre significativamente i costi di esercizio. A differenza del boiler elettrico, che genera calore mediante conversione diretta dell’elettricità, la pompa di calore ‘trasferisce’ il calore dall’ambiente circostante (aria, suolo, acqua) al serbatoio d’acqua, utilizzando solo una piccola quantità di elettricità per il funzionamento del compressore e degli altri componenti. Questo principio di funzionamento permette di raggiungere un coefficiente di prestazione (COP – Coefficient of Performance) significativamente superiore a 1.

I principali tipi di pompe di calore per l’ACS sono:

1. PdC ACS aria-acqua: Le più diffuse e accessibili. Prelevano calore dall’aria del locale (ad esempio, la centrale termica o lo scantinato) o dall’esterno dell’edificio. Può trattarsi di un’unità monoblocco installata direttamente sopra il serbatoio o accanto ad esso, oppure di un sistema split. L’efficienza di questi sistemi dipende dalla temperatura dell’aria circostante, ma anche a +7°C il COP può essere di 3,0-3,5.
2. PdC ACS geotermiche: Utilizzano la temperatura stabile del suolo o delle acque sotterranee. Sono i sistemi più efficienti, ma anche i più costosi da installare, poiché richiedono la perforazione di pozzi o la posa di collettori geotermici. Il loro COP si attesta generalmente tra 4,0 e 5,0.

Un indicatore chiave dell’efficienza di una pompa di calore è il COP, che mostra quante unità di energia termica vengono prodotte per unità di energia elettrica consumata. Per le PdC ACS si utilizza spesso anche l’indicatore SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), che riflette l’efficienza media annua di funzionamento. Ad esempio, se lo SCOP è pari a 3,5, ciò significa che in un anno la pompa di calore produce 3,5 volte più energia termica di quella elettrica consumata. Secondo la EN 16147:2017, le moderne pompe di calore per l’ACS raggiungono uno SCOP nell’intervallo 2,5-4,0, il che le rende molto più convenienti rispetto ai tradizionali boiler elettrici.

L’integrazione della pompa di calore per l’ACS con il sistema di ventilazione con recupero di calore o con gli standard ZEB può aumentare ulteriormente l’efficienza energetica complessiva della casa. Alcuni modelli possono utilizzare l’aria esausta della ventilazione come fonte di calore, garantendo al contempo l’afflusso di aria fresca. Ciò non solo fornisce acqua calda, ma aiuta anche a mantenere un microclima ottimale nell’ambiente. Per gli edifici ad alta efficienza energetica, dove il consumo di calore per il riscaldamento è minimo, la PdC ACS diventa il principale consumatore di energia, per cui la sua elevata efficienza è di importanza critica.

La scelta tra un boiler elettrico e una pompa di calore per l’ACS dipende in gran parte dagli indicatori economici – i costi di investimento (CAPEX) e i costi operativi (OPEX) lungo l’intero periodo di esercizio (TCO – Total Cost of Ownership). Sebbene il costo iniziale (CAPEX) del boiler elettrico sia significativamente inferiore, i suoi elevati costi operativi (OPEX) possono comportare notevoli sovraccosti nel lungo periodo.

CAPEX (Costi di investimento):

• Boiler elettrico: Il costo di un boiler da 80-100 litri è di circa 4 000 – 15 000 грн. Il montaggio è generalmente semplice ed economico, circa 1 000 – 3 000 грн. Costo iniziale totale: 5 000 – 18 000 грн.
• Pompa di calore per l’ACS (aria-acqua): Il costo di una PdC ACS monoblocco con serbatoio da 200-270 litri è di 35 000 – 80 000 грн. Il montaggio è più complesso a causa della necessità di collegamento ai canali dell’aria o all’unità esterna, che può costare 5 000 – 15 000 грн. Costo iniziale totale: 40 000 – 95 000 грн.

Come si può notare, il CAPEX della pompa di calore è 5-8 volte superiore a quello del boiler elettrico.

OPEX (Costi operativi) e TCO (Costo Totale di Possesso):

Per confrontare l’OPEX prendiamo come riferimento una tipica famiglia di 4 persone che consuma circa 200 litri di acqua calda al giorno, riscaldata da 10°C a 55°C. L’energia termica necessaria per questo è di circa 10,46 kWh/giorno (calcolo: 200 l * (55-10)°C * 1,16 Wh/(l·°C) / 1000 = 10,44 kWh).

• Boiler elettrico: Con un’efficienza di ~0,98, il consumo elettrico sarà di ~10,65 kWh/giorno. Con una tariffa media di 2,64 грн/kWh (dati 2024 in Ucraina), il costo giornaliero è: 10,65 * 2,64 = 28,12 грн. Il costo annuo: 28,12 * 365 = 10 264 грн.
• Pompa di calore per l’ACS: Con uno SCOP=3,5 (valore realistico per modelli di qualità), il consumo elettrico sarà di 10,46 / 3,5 = 2,99 kWh/giorno. Il costo giornaliero: 2,99 * 2,64 = 7,89 грн. Il costo annuo: 7,89 * 365 = 2 879 грн.

Pertanto, i costi di esercizio annui della pompa di calore sono ~3,5 volte inferiori. Il tempo di ritorno dell’investimento della pompa di calore (tenendo conto della differenza di CAPEX) per questo esempio sarà di circa (40 000 – 5 000) / (10 264 – 2 879) = 35 000 / 7 385 ≈ 4,74 anni. Si tratta di un valore molto interessante, specialmente considerando l’aumento delle tariffe energetiche. Dopo l’ammortamento, la pompa di calore inizia a generare un risparmio significativo, il che la rende una soluzione vantaggiosa dal punto di vista dell’investimento nel lungo periodo. Questo calcolo è fondamentale per prendere una decisione nell’ambito dello sviluppo di progetti ad alta efficienza energetica.

L’efficienza e il comfort d’uso del sistema ACS dipendono direttamente dalla corretta progettazione e dal calcolo del suo volume e della sua potenza. Un calcolo errato può portare a una carenza di acqua calda nelle ore di punta oppure, al contrario, a un consumo energetico eccessivo per mantenere un volume d’acqua superfluo. La base per il calcolo è il consumo giornaliero e di punta previsto di acqua calda.

Parametri chiave per il calcolo:

1. Numero di abitanti e loro abitudini: È il fattore più influente. Per una persona si considerano generalmente 40-60 litri di acqua calda (miscelata) al giorno.
2. Numero e tipo di punti di erogazione: Cabine doccia, vasche da bagno, lavabi, lavelli da cucina, lavastoviglie. La presenza di una grande vasca da bagno, ad esempio, richiede un volume significativo di acqua calda contemporaneamente.
3. Temperatura desiderata dell’acqua calda: Generalmente 45-60°C.
4. Temperatura dell’acqua fredda in ingresso: Dipende dalla stagione, generalmente 5-15°C.

Esempio di calcolo del volume del serbatoio:

Per una famiglia di 4 persone, che consuma in media 50 litri di acqua calda a persona al giorno, il volume giornaliero totale di acqua miscelata (45°C) è 4 * 50 = 200 litri. Se riscaldiamo l’acqua a 60°C, e l’acqua fredda è a 10°C, per ottenere 200 litri di acqua a 45°C è necessario:

Volume di acqua calda (60°C) = Volume di acqua miscelata * (Temperatura miscelata – Temperatura fredda) / (Temperatura calda – Temperatura fredda) = 200 l * (45 – 10) / (60 – 10) = 200 l * 35 / 50 = 140 litri.

Pertanto, il serbatoio ACS deve avere un volume utile minimo di circa 140 litri. Tuttavia, tenendo conto dei possibili carichi di punta (ad esempio, l’uso simultaneo di due docce) e di una riserva, per 4 persone il volume raccomandato del serbatoio è di 150-250 litri per il boiler elettrico e 200-300 litri per la pompa di calore (a causa della velocità di riscaldamento leggermente inferiore).

Calcolo della potenza di riscaldamento:

La potenza di riscaldamento è determinata dalla necessità di coprire il fabbisogno giornaliero di energia termica in un certo lasso di tempo. Se il fabbisogno giornaliero è di 10,46 kWh e disponiamo di 18 ore di riscaldamento (tariffa notturna), la potenza media necessaria è: 10,46 kWh / 18 h = 0,58 kW. Per il boiler elettrico ciò è facilmente garantito da resistenze da 1,5-3 kW. Per la pompa di calore, la potenza di generazione del calore (non elettrica!) è generalmente di 1,5-3 kW, sufficiente per mantenere costantemente la temperatura.

È importante anche la corretta collocazione delle apparecchiature, in particolare per la PdC ACS, che richiede l’evacuazione dell’aria fredda (in caso di prelievo dal locale) oppure il collegamento a un’unità esterna. Anche la progettazione del circuito di ricircolo dell’ACS è importante per garantire l’erogazione immediata di acqua calda ai punti di prelievo distanti, sebbene ciò possa aumentare le perdite di calore e richiedere un isolamento aggiuntivo. Tutti questi aspetti devono essere presi in considerazione nella fase di progettazione della casa, per garantire il funzionamento ottimale del sistema.

Le tendenze moderne nell’edilizia sono orientate al massimo utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili (FER) per ridurre la dipendenza dai vettori energetici tradizionali e minimizzare l’impronta di carbonio. I sistemi di acqua calda sanitaria sono tra i primi e più efficaci ambiti per l’integrazione con le FER, in particolare i collettori solari.

Collettori solari per l’ACS:

I collettori solari convertono la radiazione solare in energia termica, che viene poi utilizzata per riscaldare l’acqua. Esistono due tipi principali:

1. Collettori piani: Più semplici ed economici, ma meno efficienti a basse temperature ambientali.
2. Collettori sottovuoto: Più costosi, ma molto più efficienti, poiché l’isolamento sottovuoto riduce al minimo le perdite di calore, permettendo di funzionare anche a temperature dell’aria negative.

L’integrazione dei collettori solari avviene generalmente tramite un serbatoio di accumulo bivalente, dotato di due scambiatori di calore. Lo scambiatore inferiore è collegato ai collettori solari, quello superiore alla fonte di calore principale (resistenza elettrica del boiler o pompa di calore). In questo modo, i collettori solari forniscono un preriscaldamento dell’acqua, mentre la fonte di calore principale la porta alla temperatura necessaria quando l’energia solare non è sufficiente.

Combinazione con le pompe di calore:

Una delle soluzioni più promettenti è l’integrazione dei collettori solari con le pompe di calore. I collettori solari possono preriscaldare l’acqua, riducendo il carico sulla pompa di calore e permettendole di funzionare con un COP più elevato (poiché riscalda ulteriormente acqua già tiepida). Nei mesi estivi, i collettori solari possono coprire completamente il fabbisogno di ACS, mentre in inverno prevarrà la pompa di calore. Ciò aumenta significativamente l’efficienza energetica complessiva del sistema e garantisce una fornitura stabile di acqua calda durante tutto l’anno.

Ad esempio, nel periodo caldo dell’anno i collettori solari possono coprire fino all’80-90% del fabbisogno di ACS, riducendo al minimo il consumo elettrico della pompa di calore. Questa sinergia permette di raggiungere valori vicini agli standard ZEB (Zero Energy Building) per il settore ACS. È importante ricordare il corretto calcolo della superficie dei collettori solari, del volume del serbatoio di accumulo e dello schema di collegamento ottimale, per massimizzare l’efficienza e ridurre al minimo i costi di investimento. Questa è una fase importante nella realizzazione di progetti integrati di impianti tecnologici dell’edificio ad alta efficienza energetica.

Una scelta errata o errori nel montaggio del sistema di acqua calda sanitaria possono comportare significativi costi di esercizio, guasti frequenti e un basso livello di comfort. Comprendere questi errori tipici è fondamentale per evitarli.

1. Calcolo errato del volume del serbatoio: Un errore frequente è la scelta di un serbatoio troppo piccolo, che causa carenza di acqua calda, oppure troppo grande, che comporta consumi energetici superflui per il riscaldamento e la conservazione. Bisogna sempre considerare il numero di abitanti, le loro abitudini di consumo e la presenza di grandi utenze (vasche idromassaggio). Per la PdC ACS è preferibile scegliere serbatoi di volume maggiore (da 200 l), per compensare il processo di riscaldamento più lento rispetto alla resistenza elettrica.
2. Isolamento termico insufficiente: La mancanza di un adeguato isolamento termico delle tubazioni dell’ACS e del serbatoio di accumulo stesso comporta significative perdite di calore, specialmente su lunghe distanze. Utilizzate un isolamento di qualità (in caucciù, lana minerale) con uno spessore di almeno 9-13 mm per i tubi e verificate i dati tecnici del serbatoio relativi alle perdite di calore.
3. Assenza del circuito di ricircolo: Nelle case grandi, senza un circuito di ricircolo dell’acqua calda, bisognerà attendere a lungo che l’acqua fredda defluisca. Sebbene la pompa di ricircolo consumi energia, un circuito correttamente isolato con timer o termostato garantisce un’erogazione immediata di acqua calda e un elevato livello di comfort.
4. Scelta errata dell’ubicazione della PdC ACS: Le pompe di calore aria-acqua per l’ACS prelevano calore dall’aria, raffreddandola. Il posizionamento di tale pompa in una zona abitativa o in camera da letto è inaccettabile a causa del rumore e dell’abbassamento della temperatura. Le ubicazioni ottimali sono la centrale termica, lo scantinato, il garage o uno spazio tecnico appositamente dedicato, con un volume d’aria sufficiente o la possibilità di collegamento a un condotto d’aria esterno.
5. Trascurare il trattamento dell’acqua: L’acqua dura provoca la formazione di calcare sulle resistenze dei boiler e sugli scambiatori di calore delle pompe di calore, riducendone l’efficienza e la durata. L’installazione di filtri, addolcitori d’acqua o sistemi di trattamento completo è obbligatoria per prolungare la vita utile delle apparecchiature.
6. Potenza insufficiente della rete elettrica: I boiler elettrici di potenza significativa (2-3 kW) e le pompe di calore richiedono linee di alimentazione separate e una protezione adeguata. Prima dell’installazione, verificate la potenza della rete elettrica della casa e la disponibilità di interruttori automatici liberi nel quadro elettrico. Ciò permetterà di evitare il sovraccarico della rete e situazioni di rischio incendio.

Evitare questi errori nella fase di progettazione degli impianti tecnologici dell’edificio e di montaggio garantirà un funzionamento affidabile, economico e confortevole del vostro sistema di acqua calda sanitaria per molti anni.

I moderni sistemi di acqua calda sanitaria diventano sempre più intelligenti, offrendo ampie possibilità di automazione e controllo remoto. Ciò non solo aumenta il comfort d’uso, ma permette anche di ottimizzare significativamente il consumo energetico, adattando il funzionamento del sistema alle reali esigenze degli abitanti.

Elementi chiave dell’automazione:

1. Programmatori e timer: Permettono di impostare l’orario di funzionamento del boiler o della pompa di calore, attivando il riscaldamento dell’acqua solo in determinate ore del giorno. Ciò è particolarmente utile per sfruttare la tariffa elettrica ‘notturna’, quando il costo del kWh può essere significativamente più basso. Ad esempio, il riscaldamento dell’acqua può avvenire dalle 23:00 alle 07:00, garantendo una riserva di acqua calda per il giorno successivo.
2. Termostati e sensori di temperatura: Controllano con precisione la temperatura dell’acqua nel serbatoio e permettono di mantenerla al livello impostato con oscillazioni minime. Alcuni sistemi sono dotati di sensori di temperatura esterna o dell’aria ambiente (per le PdC ACS aria-acqua), che permettono di ottimizzare il funzionamento del compressore.
3. Sensori di flusso e di presenza: Nei sistemi più avanzati, in particolare nell’ambito del concetto di ‘smart home’, possono essere utilizzati sensori che analizzano il consumo di acqua calda e prevedono la necessità futura. Ciò permette al sistema di reagire in modo adattivo ai cambiamenti nelle abitudini degli abitanti, garantendo il riscaldamento dell’acqua proprio quando è necessario.
4. Controllo remoto (Wi-Fi, App mobile): La maggior parte dei boiler e delle pompe di calore moderni sono dotati di moduli Wi-Fi, che permettono di gestirne il funzionamento tramite un’app mobile. L’utente può accendere/spegnere il riscaldamento a distanza, modificare le impostazioni di temperatura, visualizzare le statistiche di consumo energetico. Ciò è comodo, ad esempio, al ritorno a casa dopo un’assenza, per avere acqua calda subito all’arrivo.
5. Integrazione con i sistemi ‘Smart Home’: Il massimo livello di automazione si raggiunge integrando il sistema ACS nella piattaforma generale ‘smart home’ (ad esempio, Apple HomeKit, Google Home, KNX). Ciò permette di coordinare il funzionamento dell’ACS con altri impianti tecnologici (riscaldamento, ventilazione, alimentazione elettrica), creando uno spazio unico, altamente efficiente e confortevole. Ad esempio, il sistema può ridurre automaticamente la temperatura dell’ACS quando la casa è vuota, e aumentarla prima dell’arrivo degli abitanti.

L’automazione non solo aumenta il comfort, ma svolge anche un ruolo chiave nel raggiungimento di un’elevata efficienza energetica. Grazie al controllo preciso e alla gestione adattiva, è possibile ridurre al minimo i consumi energetici superflui, aspetto di importanza critica per gli edifici ad alta efficienza energetica ZEB e per la riduzione del costo totale di possesso del sistema.