Sistemi ibridi per il comfort e l’ACS

Si parla di sistemi ibridi tipicamente quando si hanno una pompa di calore aria-acqua e una caldaia a condensazione che lavorano insieme per il massimo rendimento energetico.

Il termine “sistema ibrido” si riferisce generalmente a un apparato tecnologico in cui sono presenti più generatori che utilizzano diverse fonti di energia. I generatori, a loro volta, sono gestiti da un sistema di controllo e regolazione che puntualmente dà priorità di funzionamento a quello che, in base alle condizioni di esercizio, può garantire la più elevata efficienza. In questa sede ci riferiamo agli ibridi costituiti da pompa di calore aria/acqua azionata da motore elettrico e caldaia a condensazione a gas. Dunque, in questo caso abbiamo a che fare con una fonte di energia rinnovabile (l’aria) e una fossile (il gas). I sistemi ibridi sono in grado di garantire il comfort indoor invernale ed estivo e la produzione di acqua calda sanitaria, il tutto con un alto rendimento complessivo e un ridotto impatto ambientale, parametri ritenuti ormai irrinunciabili nella moderna impiantistica termotecnica.

Caratteristiche principali dei sistemi ibridi

• I sistemi ibridi sono disponibili in diverse configurazioni, quella più diffusa prevede la presenza di una pompa di calore aria-acqua e di una caldaia a gas
• Un impianto fotovoltaico contribuisce in maniera importante a innalzare l’efficienza complessiva di un sistema multi generatori
• L’installazione di un sistema ibrido richiede ai tecnici del settore maggiori competenze specifiche rispetto a quelli tradizionali
• La presenza di un sistema di controllo e regolazione è indispensabile per ottenere le migliori performance dell’impianto
• Assistenza tecnica e manutenzione sono fattori chiave per il mantenimento delle prestazioni nel tempo

L’Europa ha scelto la pompa di calore come soluzione tecnologica di riferimento per i prossimi decenni e sono stati redatti piani di sviluppo e diffusione che vedono al centro un’elettrificazione spinta dell’impiantistica. Peraltro l’apporto del fotovoltaico può risultare importante a questo proposito anche se nel nostro Paese siamo un po’ indietro, soprattutto nella realizzazione di grandi impianti, quelli insomma che anche singolarmente possono dare un apporto significativo alla fornitura di energia elettrica. Inoltre, possono contribuire a calmierare i prezzi dell’energia elettrica stessa.

La pompa di calore è una macchina meravigliosa, il cui principio di funzionamento, basato perlopiù sul ciclo frigorifero a compressione di vapore (c’è anche il ciclo ad assorbimento e di Stirling), consente di “estrarre” calore da una sostanza (aria e acqua nel nostro caso) e trasferirlo a temperatura più elevata e fruibile all’utenza.

L’aria atmosferica è considerata una fonte di energia inesauribile. Come qualunque altra sostanza che si trovi sopra 0 K, l’aria ha un contenuto termico. Dunque anche a temperatura di -10°C o -20°C si può prelevare energia dall’aria e innalzarla a un maggior livello di temperatura. Tuttavia minore è la temperatura dell’aria minore è il rendimento. Tra l’altro occorre considerare che l’aria contiene umidità che, a contatto con la batteria di scambio, tende a ghiacciare abbassando ulteriormente la resa.

La pompa di calore dà il meglio se si trova ad operare in climi non eccessivamente rigidi, se pure le moderne macchine funzionano anche con temperature di parecchi gradi sotto 0°C. In questi casi, sarebbe più opportuno disporre di una caldaia a gas che, per dirla con una battuta, non teme il gelo.

Per questo sono nati i sistemi ibridi che integrano le due tecnologie: se la temperatura esterna è di alcuni gradi sopra 0°C conviene far funzionare la pompa di calore, mentre con basse temperature si ricorre alla caldaia a condensazione. La commutazione da un sistema all’altro ovviamente avviene in modo automatico tramite un sistema di gestione che tiene conto di diversi parametri quali temperatura esterna, temperatura interna impostata, richiesta di acqua calda sanitaria. Il software che preside al sistema di regolazione è generalmente a cura dei produttori pur essendoci la possibilità di variare i parametri in funzioni delle effettive condizioni di esercizio e delle esigenze dell’utenza. Può anche decidere di far funzionare insieme caldaia e pompa di calore, l’una a supporto dell’altra.

La “meraviglia” della pompa di calore è che per ogni unità di potenza assorbita per azionare il motore elettrico ne restituisce 3, 4, 5, 6 volte di più. Se l’energia elettrica viene fornita da un sistema fotovoltaico ecco che si può ottenere l’autosufficienza energetica affrancandosi dalla rete. Altri elementi che possono far parte dell’impianto ibrido sono il bollitore generalmente in acciaio inox (taglia tipica 150 litri) e un modulo idraulico che può contenere un separatore idraulico di compensazione di alcune decine di litri.

Fotovoltaico, pompa di calore, caldaia a legna

Un’interessante configurazione di sistema ibrido integrato è rappresentata dalla combinazione di una caldaia a biomasse legnose, pompa di calore aria-acqua, impianto fotovoltaico. Un impianto di questo genere trova la sua naturale collocazione in aree rurali, senza tuttavia porre limiti alla creatività progettuale dei termotecnici, tenendo conto di leggi e norme in essere nelle diverse aree.

Nelle aree rurali/montane si può disporre più facilmente di legna nelle sue varie conformazioni (tronchetti, cippato ecc.), mentre l’impianto fotovoltaico può essere collocato ad esempio sul tetto della stalla, se si tratta di un’azienda agricola con allevamento di bestiame. Inoltre, in casi del genere, lo spazio per una pompa di calore aria/acqua non manca. È evidente che occorre tener conto del range di funzionamento della pompa di calore che dà il meglio di sé quando la temperatura dell’aria è sopra lo zero, anche se le moderne macchine funzionano anche con temperature di molto al sotto di 0°C.

Chi installa i sistemi ibridi?

Installare un sistema ibrido completo richiede una molteplicità di competenze che possono riguardare frigorista, termoidraulico, elettricista. Tecnologicamente siamo dunque ai massimi livelli e l’installazione è appannaggio di molti ma non di tutti. La capacità di installare, gestire e assistere un complesso sistema ibrido richiede strutture altamente professionali e dunque siamo davanti a uno spartiacque tra chi è in grado di farlo e chi no. Probabilmente sono le imprese di installazione più strutturate quelle in pole position, le squadre di tecnici che al loro interno hanno professionalità diverse e complementari.

Le taglie

Alla realizzazione dei sistemi ibridi si sono dedicati sia i produttori di caldaia sia i produttori di climatizzatori e pompe di calore. L’integrazione delle due tecnologie ha dato vita a diverse configurazioni. Solo a titolo di esempio: sistemi ibridi ad incasso con integrazione pompa di calore splittata inverter o pompa di calore monoblocco inverter e caldaia. Le diverse unità possono essere contenute nei cosiddetti armadi tecnici, per un’adeguata razionalizzazione degli spazi, che a loro volta possono essere installati all’interno o all’esterno dell’abitazione. Per un’abitazione monofamiliare la taglia della caldaia può essere quella classica da 24 kW o superiore, dipende ovviamente dalle esigenze del cliente, sia in termini di comfort sia di produzione di acqua calda sanitaria. Una famiglia numerosa composta da genitori e 3 o 4 figli avrà necessità di acs ben diversa da quella di una persona anziana che vive da sola! E dunque anche la taglia della pompa di calore è variabile, ad esempio da pochi kW fino a 9, 10, 12 kW.

Ovviamente per impieghi in ambiti commerciali le taglie possono essere ben superiori e spesso si tratta di soluzioni che prevedono caldaie e pompe di calore in cascata. In questo caso il livello di modulazione è piuttosto elevato a vantaggio del rendimento complessivo. Inoltre, la presenza di più generatori garantisce continuità di servizio in quanto anche in caso di guasto di una macchina, le altre possono continuare a funzionare.

Sistemi ibridi factory made

Un sistema ibrido può essere realizzato da un installatore componendo i vari “pezzi” anche di produttori diversi. In ogni caso è necessario un adeguato software in grado di far dialogare tutti i componenti in modo razionale ed efficiente. Tuttavia, per semplificare il lavoro dell’installatore (e dei progettisti) la maggior parte dei produttori propone i cosiddetti ibridi “factory made”. In questo caso il sistema composto da pompa di calore, caldaia, schede elettroniche e relative logiche di funzionamento esce dalla fabbrica completo. Il vantaggio è che l’insieme è ottimizzato per lavorare al meglio e massimizzare la resa e ottenere così le agevolazioni fiscali previste.

Il software è un elemento chiave del sistema e deve davvero essere “intelligente”, cioè programmato adeguatamente per far funzionare caldaia e pompa di calore nel modo più conveniente in funzione delle condizioni climatiche esterne e delle richieste interne dell’utenza. La regolazione dev’essere in grado di verificare fino a quando la pompa di calore può convenientemente funzionare da sola e quando invece è necessario l’intervento della caldaia. Il programma deve anche tener conto dei costi energetici di elettricità e gas e anche in base a questi parametri decidere il funzionamento. In linea di massima e in estrema sintesi si può dire più pompa di calore nei climi temperati, più caldaia in quelli più freddi.

Le prestazioni dei sistemi ibridi

Le prestazioni globali di un ibrido possono essere implementate aggiungendo all’impianto un sistema fotovoltaico grazie al quale si può alimentare il motore elettrico della pompa di calore. Si può ottenere così la totale indipendenza energetica elettrica. Lato caldaia, invece, un ulteriore passo in avanti è rappresentato dalla possibilità di funzionare anche a idrogeno o quantomeno con una miscela di gas metano e idrogeno, generalmente del 20%. La presenza dell’idrogeno permette una netta diminuzione dell’anidride carbonica (anche del 20% e oltre) nei gas di scarico della caldaia e un maggior rendimento. Occorre comunque tener presente che le caldaie possono essere alimentate anche a Gpl.

I terminali dei sistemi ibridi

I sistemi ibridi di cui abbiamo trattato sono del tipo aria/acqua, i più diffusi, in buona sostanza sono impianti idronici, quelli cioè in cui il fluido termovettore è l’acqua. I terminali possono essere dunque quelli che generalmente prevedono appunto l’acqua: pannelli radianti (utilizzabili anche per raffrescamento con idonea deumidificazione), radiatori, ventilconvettori. Occorre verificare attentamente le temperature di alimentazione tenendo conto che, per quanto riguarda i radiatori, se sono dimensionati per temperature di mandata anche di oltre 70°C e non possono essere sostituiti, la pompa di calore non riesce a sostenere l’impegno e giocoforza entra in campo la caldaia. Tuttavia, per diversi periodi non è neppure necessaria una temperatura del genere, essendo sufficiente acqua a 40 o 50°C, per esempio.

Occorre inoltre tener nella massima considerazione l’isolamento termico dell’edificio, elemento che può ulteriormente esaltare le prestazioni del sistema ibrido e non solo. Il dimensionamento va fatto in relazione alle caratteristiche architettoniche e l’ideale sarebbe lavorare con progettista e utente su un tavolo comune per scegliere correttamente il sistema.

Come scegliere un sistema ibrido

Le informazioni riportate finora sono del tutto di carattere generale e vogliono solo essere considerazioni di massima per inquadrare una tecnologia dal grande potenziale. Le proposte commerciali che riguardano i sistemi ibridi sono numerose e un primo approccio può essere quello di esaminare con attenzione le descrizioni tecniche e i dati riportati sulla documentazione digitale dei produttori. È utile sapere che non tutte le aziende producono in proprio i vari componenti del sistema ibrido e in questo caso si tratta di unità assemblate sì in fabbrica ma non prodotte completamente in fabbrica. D’altra parte è una pratica comune in tutti i campi industriali ed è giustificata dal fatto che risulterebbe antieconomico progettare in proprio da zero un componente e produrlo in relativamente pochi esemplari quando sul mercato è possibile acquistarlo da aziende specializzate. Quindi non è importante chi produce davvero, solo per esempio, una pompa idraulica ma la serietà del fornitore finale del sistema che fa da garante in toto dell’unità.

Ma oltre a consultare la documentazione tecnica delle aziende si ritiene fondamentale il contatto diretto con le aziende stesse che a loro volta devono essere disponibili a fornire tutte le spiegazioni possibili per i vari ambiti applicativi. È noto che non c’è un impianto uguale all’altro, come i fiocchi di neve che sembrano tutti i identici ma in realtà sono tutti diversi. Non è da escludere che il fornitore, in casi particolari, sia disposto a una speciale customizzazione della macchina per assecondare richieste dell’installatore e dell’utente. Va da sé che il prezzo può subire variazioni all’insù non banali.

Infine, ma non da ultimo, verificare attentamente la questione dell’assistenza tecnica e della manutenzione. Per mantenere le elevate prestazioni iniziali nel tempo occorre programmare tutta una serie di interventi, come per qualunque altro sistema. E concordare, nell’interesse dell’utente finale, tempi di intervento certi in caso di guasti che possano bloccare l’intero sistema.