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Funzionamento delle pompe di calore idroniche (parte 2)

In questo articolo parliamo di caratteristiche delle pompe di calore idroniche e delle differenze tra pompe di calore aria-acqua e pompe di calore acqua-acqua.

Partiamo prendendo in considerazione le macchine frigorifere e le pompe di calore che hanno come pozzo caldo il fluido termovettore acqua. Si tratta delle cosiddette pompe di calore idroniche, dove il terminale in ambiente è di tipo tradizionale quali radiatori, pannelli radianti a pavimento, pannelli radianti a soffitto e ventilconvettori. Queste tipologie di macchine annoverano diverse case costruttrici italiane, che eccellono in questo campo, e coprono un campo di potenza di alcuni kW fino ad arrivare ad alcuni MW. Le sorgenti esterne sono aria, acqua e terreno quando disponibile. Restano invariate le caratteristiche positive e negative dei fluidi che caratterizzano le sorgenti fredde. Si ricorda ancora come il legislatore definisce anche il sistema salamoia/aria e salamoia/acqua, individuando nel termine salamoia la soluzione di acqua e glicole che si può utilizzare quando lo scambio termico avviene attraverso il terreno con pompe di calore geotermiche con pozzi verticali o orizzontali ovvero quando si utilizza acqua di falda o acqua superficiale. Diverso è il discorso per il pozzo caldo, dove come fluido si individua l’acqua.

Qui tratteremo solo le pompe di calore residenziali e le pompe di calore per il terziario, ma di piccole dimensioni. In sostanza tratteremo della pompa di calore elettrica reversibile a compressione di vapore idronico; trattandosi di una macchina che utilizza l’acqua come fluido termovettore lato impianto e quindi facilmente installabile nel campo residenziale o terziario medio-piccolo in sostituzione o in abbinamento alle caldaie tradizionali a condensazione.

Un ultimo cenno da approfondire è l’utilizzo oramai confermato delle pompe di calore ibride che quali associano alla pompa di calore avente qualsiasi sorgente fredda, e preferibilmente acqua come pozzo caldo, un generatore ausiliario di rincalzo alla pompa di calore quando questa non riesce per i limiti stessi della sorgente fredda a soddisfare in modo efficiente e funzionale alle esigenze dell’ambiente interno. Il generatore di calore essendo quasi sempre, ove impossibile inserire un generatore a biomassa, del tipo a combustione fossile a condensazione. Il sistema ibrido gode dei benefici fiscali e di incentivazione solo se certificato e prodotto dal costruttore in versione per l’appunto Factory Made e Plug&Play.

Le prestazioni delle pompe di calore idroniche

In riferimento agli indici COP ed EER richiamati nel numero precedente, per capire l’applicabilità delle pompe di calore aria-acqua e pompe di calore acqua-acqua nel campo degli impianti residenziali e del terziario medio piccolo è interessante rappresentare in forma grafica il COPcarnot [coefficiente di prestazione teorico di Carnot come limite massimo teorico raggiungibile] per diversi valori della temperatura del pozzo caldo TC variando la temperatura della sorgente fredda TF. Questo evidenzia come vi sia una rilevante sensibilità delle prestazioni energetiche delle pompe di calore alle temperature massime e minime. Le prestazioni diminuiscano al crescere della temperatura che la macchina deve garantire ai terminali. E viceversa tanto più vicine sono le due temperature delle sorgenti di lavoro, tanto più elevate saranno le prestazioni energetiche della pompa di calore. In modo analogo si possono vedere le prestazioni quando la macchina lavora da refrigeratore.

Si può dimostrare che con temperatura della sorgente fredda di 7°C e ΔT 40°C, ogni °C di aumento di ΔT porta a una diminuzione del COPC del 2,5% mantenendo TC costante. A parità di temperatura della sorgente fredda, tanto più bassa è la temperatura dell’acqua che riscalda l’ambiente tanto più elevato è il COP di Carnot. Analoghe considerazioni si possono fare quando la macchina funziona da refrigeratore. Le macchine reali sia per la natura intrinseca del ciclo termodinamico che le contraddistingue, sia per le irreversibilità tipiche delle trasformazioni termodinamiche reali hanno prestazioni e quindi indici inferiori.

Se ad esempio consideriamo un impianto a ventilconvettori con temperatura media dell’acqua di 45°C e la temperatura esterna di 0°C il COP di Carnot è di circa 7. Una macchina che opera tra le stesse temperature avrà prestazioni pari a 2,5 a 3,5. Se si considera un impianto a pannelli radianti con temperatura media del fluido di circa 35°C il COP di Carnot diviene pari a 8,8 e la corrispondente macchina reale avrà una prestazione variabile da 3,1 a 4,5 con le tecnologie attuali. Il passaggio da un impianto all’altro fa aumentare le prestazioni anche del 25%. Oggi per piccole e medie installazioni si usano principalmente come fluido frigorigeno la miscela R410a, caratterizzato ancora da un elevato effetto serra, e il più recente R32 caratterizzato da un basso effetto serra ma da una infiammabilità più alta del precedente (A2L1). Il ciclo frigorifero opera durante la stagione invernale con effetto utile al condensatore e si inverte in estate con effetto utile all’evaporatore.

Per i climi mediterranei italiani, il vantaggio della pompa di calore è proprio quello di farla lavorare anche in estate, operando con una macchina a ciclo reversibile. In particolare, per chi intende usufruire di un impianto termico di tipo radiante o a ventilconvettori, la stessa macchina può essere utilizzata anche in estate, ottenendo così per l’intero ciclo di climatizzazione annuale un notevole risparmio economico, energetico e di ingombro. In alternativa, si può optare per terminali classici a radiatori con l’integrazione di unità tipo ventilconvettori canalizzabili per la climatizzazione estiva. È evidente la convenienza di utilizzare l’impianto che presenti un sistema di emissione alla più bassa temperatura dell’acqua consentendo di elevare le prestazioni in riscaldamento utilizzando una pompa di calore.

Analoghe considerazioni si possono fare per le pompe di calore reversibili qualora funzionino anche per il raffrescamento. In modo analogo il coefficiente prestazionale EER reale della macchina aumenta se si utilizzano impianti di raffrescamento ad alta temperatura quale potrebbe essere l’impianto a pavimento o soffitto radiante, questi sempre abbinati a sistemi di deumidificazione. Le pompe di calore oggi sul mercato sono anche in grado di produrre energia termica a temperatura elevata attorno a 60°C e si impiegano anche per la produzione di acs, abbinate a un accumulo. Le stesse poi possono essere dotate di scambiatore di calore ausiliario in serie al condensatore che recupera il calore sensibile di desurriscadamento del ciclo. Queste unità sono classificate dai costruttori con desurriscaldatore o a recupero parziale.

Si ricorda la necessità, visti i cicli di sbrinamento e il tempo necessario per riscaldare l’acs nel bollitore, di lavorare con un serbatoio inerziale da inserire sul circuito riscaldamento, in grado di sopperire alle condizioni descritte. In pratica, è un vero e proprio accumulo per controllare i le oscillazioni di temperatura di ritorno dell’impianto e i tempi di carica del bollitore. In genere l’accumulo, chiamato anche d’impianto, vale circa 5-20 litri per kW. Dagli schemi si evincono le varie possibilità di funzionamento di una pompa di calore aria-acqua o acqua-acqua, con produzione di acs e possibilità o meno di utilizzare il recupero parziale con il posizionamento dell’accumulo di impianto e bollitore per acs.

Pompe di calore aria-acqua e pompe di calore acqua-acqua

Viste le varie applicazioni della tecnologia, la sua potenzialità e sviluppo futuro, supportata anche nel campo normativo e legislativo e di incentivi, analizziamo l’applicazione nel campo residenziale anche nell’ottica di Superbonus 110%. L’applicazione della pompa di calore aria-acqua o acqua-acqua favorisce una soluzione integrata per il riscaldamento, produzione di acqua calda sanitaria e il raffrescamento. È una macchina che consente di produrre tutto l’anno acs e alimentare in inverno ed estate terminali ad acqua tipo pannelli radianti e ventilconvettori. Qualora non si necessiti del raffrescamento la macchina lavora solo in caldo e produzione di acs, collegandosi direttamente ad un impianto esistente o nuovo a radiatori.

La pompa di calore idronica, come la pompa di calore a espansione diretta, può quindi essere installata indifferentemente in nuove costruzioni o in ristrutturazioni e riqualificazioni. In genere tale principio resta valido anche per impianti progettati per funzionare con terminali ad alta temperatura. Tali impianti, installati in abitazioni mono o bifamiliari, sono molto spesso ancora sovradimensionati e la loro capacità di riscaldamento è superiore al necessario. Per completezza si dovrebbe considerare l’utilizzo di pannelli fotovoltaici per l’alimentazione elettrica della macchina stessa, soluzione che sodisfa i requisiti e i bonus dei vari conti energia e incentivi. Il solare termico per il bollitore acs è anch’esso sempre da prevedere. Radiatori, ventilconvettori, convettori e impianti radianti dovranno essere dimensionati con molta accuratezza per poter erogare la massima potenza alla temperatura prevista di funzionamento della pompa di calore.

La pompa di circolazione dell’acqua deve garantire un flusso minimo mai inferiore a quello richiesto dal costruttore e comunque deve rimanere il più costante possibile. Le valvole termostatiche possono causa variazioni di portata, per eliminare tali fluttuazioni si debbono usare valvole a 3 vie o dispositivi similari quali disconnettori idraulici o serbatoi di accumulo. In un impianto di riscaldamento le dimensioni delle superfici di scambio dei terminali, la temperatura dell’acqua prodotta e il COP della pompa di calore sono tutti strettamente interdipendenti. Da notare che queste macchine adottano compressori scroll o a palette con tecnologia a inverter.

La pompa di calore è composta da unità esterna collegata a un modulo idronico interno completo di scambiatore di calore (evaporatore/condensatore, pompe elettroniche e valvole di regolazione). Per il collegamento tra i due elementi c’è solo la tubazione del refrigerante e il cablaggio elettrico. Nel modulo idronico sono contenute tutte le apparecchiature che potrebbero essere soggette a gelo. Le avanzate tecnologie elettroniche permettono un controllo semplice e affidabile del sistema. Il comando della pompa di calore visualizza in maniera dettagliata le informazioni sullo stato di funzionamento dell’apparecchio e delle periferiche collegate; inoltre, permette di regolare le temperature dell’intero impianto con la possibilità di programmare accensioni e spegnimenti secondo le esigenze su base settimanali.

Il riscaldamento in inverno è fondamentale e per questo le moderne macchine sono dotate di meccanismi di continuità che assicurano il riscaldamento, anche in caso di guasti al sistema, con resistenze elettriche ovvero, se ibridi, con il generatore ausiliario. La scelta del bollitore per acs può essere fatta con scambiatore doppio per integrazione del solare termico. Si migliorano le prestazioni e aumenta il risparmio energetico combinando il bollitore abbinato alla pompa di calore con pannelli solari termici. Il bollitore in genere per interventi residenziali è variabile da 200 l a 300 l.

Sistemi monovalenti

In questi sistemi la pompa di calore deve fornire tutto il calore necessario all’ambiente da riscaldare ed è essenziale che la capacità termica sia sufficiente a soddisfare la richiesta alle più basse temperature. A fronte di improvvise temperature inferiori alla media stagionale che perdurassero a lungo si può adottare un sistema tampone a resistenze elettriche che fornisce la potenza aggiuntiva garantendo il comfort termico. Tale sistema trova applicazione nella sostituzione di una vecchia caldaia o quando si presenta l’alternativa di inserire solo la pompa di calore nelle nuove costruzioni o nelle riqualificazioni energetiche molto spinte. Di seguito si analizzano anche le tipologie di impianti che si possono abbinare a queste tecnologie.

Gli impianti a pannelli radianti hanno una capacità di accumulo più alta degli impianti a radiatori o ventilconvettori. Rispetto ai radiatori possono funzionare anche in raffrescamento con il controllo dell’umidità interna. Il pavimento forma una enorme superficie di scambio termico con alta inerzia termica. A parità di potenza di scambio la maggiore superficie ne determina il minor salto termico e il conseguente abbassamento della temperatura dell’acqua circolante.

Nel residenziale attualmente si applicano i dati di funzionamento e dimensionamento che riguardano gli impianti radianti funzionanti con tubazione in polietilene PEX e barriera ossigeno  = 17 x 2 mm. Gli impianti a ventilconvettori hanno un basso contenuto d’acqua e quindi una bassa inerzia termica. Tuttavia lavorano ottimamente sia in inverno che in estate. La bassa inerzia termica garantisce una rapida risposta alle differenti richieste di carico tra il giorno e la notte. Anche negli impianti a radiatori si ha un basso contenuto d’acqua che non supera solitamente i 150 l in impianti monofamiliari. È possibile combinare impianti radianti e a radiatori, quest’ultimi installati nelle zone notte a integrazione e nei bagni.

Gli impianti a basso contenuto d’acqua necessitano di un serbatoio di accumulo per aumentare la capacità della macchina. Questa soluzione è raccomandabile per evitare possibili danni al compressore dovuti ai frequenti avviamenti e spegnimenti. Viceversa qualora il contenuto fosse sufficiente, il serbatoio di accumulo, che può essere posizionato anche sulla linea di ritorno, ovvero essere presente nel modulo interno della pompa di calore, può essere sostituito da un disconnettore.

Sistemi bivalenti

In questo caso il calore erogato dalla pompa di calore viene integrato da un’altra fonte di calore (es. caldaia). Da questa configurazione il passo al sistema ibrido è conseguenza logica. La pompa di calore può essere installata in affiancamento a una caldaia tradizionale (a gas a condensazione oppure a biomassa) senza dover modificare l’impianto esistente; nel caso in cui la temperatura invernale dovesse scendere molto al di sotto di quella media stagionale, la caldaia tradizionale interverrà per fornire il calore necessario, con il vantaggio di avere due fonti di calore indipendenti. Si possono distinguere tre tipi di impianti bivalenti.

1. I sistemi bivalenti simultanei, in cui la pompa di calore funziona in qualsiasi momento ci sia necessità di calore. Quando la sua capacità è insufficiente, entra in funzione anche la fonte di calore supplementare.

2. Nei sistemi bivalenti alternati, la pompa di calore soddisfa il fabbisogno termico dell’ambiente fino a un dato punto detto di commutazione, corrispondente a una fissata temperatura esterna. A questo punto la macchina si ferma e la fonte di calore secondaria entra in funzione per erogare tutte le calorie necessarie all’ambiente. Il punto di commutazione è stabilito dalla potenza resa della pompa di calore a determinate temperature e dal reale fabbisogno termico in funzione della temperatura esterna. Ossia il punto in cui la capacità della pompa di calore è esattamente uguale al carico dell’edificio.

3. Si possono combinare le due soluzioni precedenti e ottenere un sistema simultaneo alternato. Il fabbisogno termico necessario per il riscaldamento dell’edificio viene erogato dalla sola pompa di calore o dalla medesima e dalla fonte supplementare (caldaia oppure solo dalla fonte supplementare).

Sistemi ibridi

Il sistema ibrido, così detto Factory Made (letteralmente ‘prodotto in fabbrica’) certificato e prodotto dal costruttore, ricopre un ruolo fondamentale nella scelta dei progettisti in riqualificazioni energetiche residenziali e condominiali. I bivalenti con pompa di calore e caldaia a condensazione abbinati e funzionanti in modo alternato o in modo alternato simultaneo, quando la pompa di calore non riesce a coprire l’intero fabbisogno dell’edificio. In campo residenziale la soluzione è ancor più favorita dal fatto che la pompa di calore in produzione di acs è meno rapida della caldaia.

Dall’inizio del Conto Termico per proseguire con il Superbonus il legislatore si è posto il problema di certificare tale sistema per poter riconoscere la quota di incentivo o defiscalizzazione. Unica strada è stata lasciare al produttore che il sistema sia certificato e quindi incentivabile solo se prodotto dal costruttore stesso. Quindi la configurazione tipica vede il più delle volte una pompa di calore aria-acqua e una caldaia a condensazione (o, più raramente, a biomassa) in un unico prodotto in grado, attraverso la logica del microprocessore a bordo, di sfruttare al meglio le due macchine quando è più efficiente l’una rispetto all’altra.

Possiamo definire sistema ibrido in termini impiantistici, e conformemente alla normativa, “un dispositivo in cui sono presenti più generatori di calore alimentati da diverse fonti di energia, solitamente un combustibile fossile e una fonte rinnovabile, che permette di attivare di volta in volta il generatore più efficiente in base alle condizioni di funzionamento”. L’abbinata con l’integrazione solare fotovoltaica per l’alimentazione elettrica della pompa di calore e degli ausiliari e del solare termico per l’integrazione del bollitore per acs e più raramente per il riscaldamento dell’edificio, sono oggi le soluzioni più richieste.

L’impianto nella sua semplicità è quasi un plug and play; l’impiantista deve solo fare i collegamenti in accordo con le Norme UNI-CIG di settore. Le uscite all’impianto di riscaldamento/raffrescamento e al bollitore sono a completamento del modulo. La logica di funzionamento è completata da valvole a 3 vie generalmente deviatrici e le pompe elettroniche di circolazione completano il sistema assieme alle componenti ausiliarie e di sicurezza. Dei vari schemi possibili ne abbiamo scelto uno semplice nel suo funzionamento, realizzato da un costruttore italiano. Vengono rappresentate le possibili soluzioni che il sistema Ibrido può eseguire a seconda delle necessità e la programmazione.

Nel funzionamento in sanitario, la caldaia e la pompa di calore lavorano su un unico circuito di carico del boiler. Ci sono due possibilità di funzionamento; in caso di contemporaneità di richiesta acs e impianto di riscaldamento ha precedenza, quasi sempre, il sanitario. Allora funziona un solo generatore in funzione della temperatura esterna e del tempo di carica o di integrazione. In caso di contemporaneità di richiesta acs e impianto si avranno entrambi i generatori attivi; dando ovviamente priorità sanitaria alla caldaia e pompa di calore all’impianto, soprattutto quando questo presenta poca inerzia termica come gli impianti ad aria o a ventilconvettori. In questo caso si privilegia il funzionamento della caldaia per il sanitario, qualora vi sia contemporaneità di richiesta. Questa modalità può risultare utile con impianti di climatizzazione a bassa inerzia (esempio ventilconvettori).

Infine, nel solo funzionamento invernale, può capitare che la pompa di calore non sia in grado di soddisfare il fabbisogno termico dell’impianto; in tal caso il sistema ibrido diviene una caldaia a condensazione a tutti gli effetti sia per la produzione di acs sia per il riscaldamento dell’impianto. In questo tipo di funzionamento, ossia in riscaldamento invernale, la logica di commutazione tra caldaia e pompa di calore è generalmente di due tipi: la prima si ha quando la temperatura esterna di commutazione è variabile in funzione della temperatura di mandata, tipo regolazione climatica, e l’altra con temperatura esterna di commutazione fissa. Nello schema è rappresentato il funzionamento con riscaldamento invernale tramite caldaia, quando la pompa di calore non è in grado di portare in temperatura l’impianto entro un certo tempo.

Lo sfruttamento delle pompe di calore e dei sistemi Ibridi e il loro utilizzo e la loro conoscenza è d’obbligo per un professionista che si occupi di impianti e viene d’obbligo da parte dell’installatore a fronte di una Dichiarazione di Conformità ai sensi del DM 37/08 la loro conoscenza. Non si può dimenticare altresì come detto in precedenza, che una corretta progettazione dell’impianto di climatizzazione in generale sono garanzia di sicurezza, efficienza energetica e quindi economica che perdura nel tempo.

 

 

Come funzionano le pompe di calore (parte 1)