Attualità dei sistemi ibridi a pompa di calore

TECNOLOGIA
Attualità dei sistemi ibridi a pompa di calore
Integrare pompa di calore ad aria e caldaia in un unico sistema di riscaldamento può
portare a drastiche riduzioni dei consumi di energia primaria. Un sistema di controllo
che governi le due tecnologie differenzia soluzioni realmente ibride da sistemi
bivalenti.
Massimo Gozzi
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Le pompe di calore ad aria sono diventate in tempi recenti uno dei modi più efficienti per sfruttare una fonte rinnovabile
di energia (il calore contenuto nell’aria
esterna) con il fine di riscaldare ambienti abitativi e provvedere alla produzione
di acqua calda sanitaria.
Attraverso l’esperienza protrattesi per diversi anni, il progetto di queste macchine
ha portato a miglioramenti volti all’incremento dell’efficienza (legato alla diminuzione del consumo di energia elettri-
ca assorbita) mentre i refrigeranti originariamente utilizzati sono stati sostituiti
con altri più compatibili con le esigenze
imposte dall’ambiente (contenimento del
riscaldamento globale della Terra).
Occorre inoltre ricordare come dal 31 Dicembre 2020, tutti i nuovi edifici nella
Unione Europea dovranno avere consumi
“quasi zero” e l’energia necessaria al loro
funzionamento dovrà venire prodotta in
gran parte da fonti rinnovabili. La pompa
di calore ad aria è considerata rinnovabile
come la geotermica.
Efficienza prima di tutto
L’efficienza delle pompe di calore decresce quanto più vengono richieste temperature alte di mandata all’impianto di
distribuzione del fluido vettore del calore
(maggiore potenza elettrica richiesta per
unità di calore prodotto).
Nel caso assai diffuso (in particolare in
Italia per le abitazioni meno recenti) di
distribuzione a radiatori, la scelta di combinare la pompa di calore con caldaie è
stata attuata da tempo (sistemi bivalenti), ma soltanto negli ultimi anni l’industria del settore ha sviluppato macchine
integrate “ad hoc” per affrontare queste esigenze.
Vediamo ora come sono state affrontate
questioni tecniche importanti legate alla costruzione ed alla gestione di queste
macchine, che con termine assai di moda, e talvolta un po’ abusato, vengono
denominate “ibride”; parola che dovrebbe riferirsi soltanto all’insieme pompa di
calore e caldaia totalmente integrate funzionalmente.
Flessibilità sotto più aspetti
Per loro natura i sistemi ibridi a pompa di
calore presentano diversi aspetti positivi
in termini di flessibilità di applicazione e
gestione. Il fatto stesso di possedere una
doppia caratteristica tecnica di pompa di
calore e caldaia rende i medesimi idonei
per applicazioni diversificate in ambito
abitativo.
In particolare l’erogabilità del calore a
un livello di temperatura variabile in un
campo assai vasto, tipicamente tra 25 e
80 °C , consente di alimentare circuiti di
distribuzione dotati di terminali che esigono temperature elevate e poter quindi
essere applicati per affrontare l’inefficienza energetica che affligge gran parte del
parco edilizio esistente italiano.
Nel contempo la gestione con curva climatica dell’impianto di riscaldamento
consente di ottimizzare l’efficienza di
esercizio.
Elevate temperature sono necessarie per
un numero relativamente limitato di giorni all’anno, mentre in gran parte della
stagione di riscaldamento si può lavorare
a temperature assai più basse, riducendo
dispersioni, sprechi e accrescendo il ren-
dimento dei generatori di calore. Possibilità sfruttata a pieno dai sistemi ibridi.
In figura 1 vengono evidenziate le tipiche caratteristiche di una pompa di calore “generica”, ovvero: la dipendenza dalla situazione climatica esterna (la curva di
variazione del “set point” di temperature
di mandata dell’acqua all’impianto e la
tipica curva di variazione del COP in funzione della temperatura esterna).
Vediamo come i risparmi possano essere
conseguiti con una gestione intelligente attuata attraverso differenti modalità
d’esercizio, al fine di ottimizzare i “plus”
delle diverse tecnologie a disposizione.
Al diminuire della temperatura esterna e
alla contemporanea esigenza di una temperatura di mandata crescente, la pompa
di calore funziona da sola fino al raggiungimento di un determinato COP minimo
di esercizio, al di sotto del quale viene
“assistita” da una caldaia a condensazione operando quindi il passaggio alla
modalità ibrida per provvedere alla fornitura del calore necessario.
Giunti a valori di temperatura esterna ancor più bassi, il sistema, se ritenuto conveniente dalla logica di controllo, passe-
1 Tipiche caratteristiche di una pompa
di calore, ovvero: la dipendenza dalla
situazione climatica esterna (la curva di
variazione del set point di temperature
di mandata dell’acqua all’impianto e la
curva di variazione del COP in funzione
della temperatura esterna).
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2 Campo operativo della pompa di calore ibrida espresso in funzione della temperatura
esterna e della temperatura di mandata all’impianto. L’area bianca è quella del
funzionamento della pompa di calore.
rà ad una modalità di funzionamento nel
quale l’intero carico termico viene soddisfatto dalla sola caldaia a condensazione.
Vedremo in seguito i principi di funzionamento della tecnologia ibrida ed i punti
esemplificativi di passaggio utilizzati dal
sistema ibrido per entrare nelle diverse
modalità di funzionamento.
La figura 2 mostra il campo operativo
della pompa di calore ibrida, sempre in
funzione della temperatura esterna e della temperatura di mandata all’impianto. Il
grafico non va interpretato come zone di
esclusivo funzionamento delle due macchine bensì ci può essere integrazione
qualora il sistema lo ritenga conveniente.
È possibile osservare come la pompa di
calore possa operare in configurazione
monovalente fino a una temperatura di
mandata compresa tra 25 e 55 °C e come la caldaia possa essere chiamata a
supporto della stessa o singolarmente al
fine di coprire l’intero campo di temperature richieste allo specifico impianto di
riscaldamento.
Il funzionamento del sistema ibrido
Possiamo distinguere quattro modalità di
esercizio dei sistemi ibridi:
Q Modalità con funzionamento a sola
pompa di calore.
Q Modalità Ibrida con caldaia attivata
per intervalli di tempo limitati al fine
di incrementare la capacità erogata
dalla sola pompa di calore.
3 Distinzione tra differenti modalità
di funzionamento. 1) Modalità con
funzionamento a sola pompa di calore;
2) Modalità ibrida con caldaia attivata
per intervalli di tempo limitati al fine di
incrementare la capacità erogata dalla
sola pompa di calore; 3) Modalità ibrida
con caldaia attiva e pompa di calore in
preriscaldo; 4) Modalità con sola caldaia
funzionante.
Vengono evidenziate inoltre l’energia
termica e la temperatura di mandata in
funzione della temperatura ambiente.
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4 La cosiddetta temperatura di break
even definisce la temperatura ambiente
in cui il kWh termico prodotto dalla
pompa di calore e quella determinata
temperatura di mandata richiesta costa
quanto il kWh termico prodotto dalla
caldaia.
Sotto questa temperatura un sistema
bivalente che comporta il funzionamento
della pompa di calore in alternativa alla
caldaia porterebbe allo spegnimento
della pompa di calore stessa.
Q Modalità Ibrida con caldaia attiva e
pompa di calore in preriscaldo.
Q Modalità con sola caldaia funzionante.
L’utilizzatore può decidere se il passaggio tra le diverse modalità operative deve
essere finalizzato a ottimizzare i costi di
esercizio o i consumi di energia primaria.
Nel primo caso il sistema è in sostanza
in grado di selezionare, in tutte le condizioni operative, la modalità di eser-
cizio che consente il maggior risparmio
gestionale. Ciò si ottiene con la valutazione combinata dei costi di acquisto di
gas (metano o GPL) ed elettrici e dell’efficienza di esercizio. Nel secondo caso si
opta invece per un’ottimizzazione ecologica effettuata sulla base dei consumi di
energia primaria.
In figura 3 è evidenziata la distinzione
tra differenti modalità di funzionamen-
SISTEMI A CONFRONTO
Un primo parametro significativo di risparmio è il rendimento stagionale relativo all’energia primaria (PE-sCOP) mi surato in termini di
energia primaria consumata per ottenere una certa quantità di calore erogata durante la stagione del riscaldamento. La figura mostra
il risultato di una simulazione che rivela come il (PE-sCOP) nel caso di macchina ibrida possa variare tra 1,2 e 1,5 laddove una caldaia a
condensazione possa variare tra 0,88 e 0,98. Più alti sono i valori e meno energia primaria è necessaria per riscaldare un ambiente, e più
emissione di CO2 viene evitata. I sistemi di riscaldamento proposti al confronto con la pompa di calore ibrida sono una vecchia caldaia a
gas non condensante, una nuova caldaia a gas non a condensazione ed una caldaia nuova a gas a condensazione. Per tutti i tipi di caldaia
viene considerato un certo campo di efficienza. Risulta chiaro come il sistema ibrido risparmia una elevata quota di energia primaria (e
quindi di CO2) anche a confronto con la caldaia a condensazione.
Anche il confronto effettuato in termini prettamente economici
conferma una situazione analoga. Se consideriamo il costo di
gestione annuale possiamo porre a cento il valore pertinente
alla pompa di calore ibrida, in modo da esprimere in rapporto
ad essa i valori delle altre tecnologie già citate. Per una caldaia
non a condensazione a gas l’indice può variare tra 66 e 88, valori
percentuali di costo in più nella gestione annuale. Per una caldaia non condensante a gas l’indice varia tra 35 e 54, mentre per
una caldaia a condensazione varia tra il 10 ed il 23%, sempre di
costo in più. Questi valori si basano su test effettuati in campo
in differenti situazioni climatiche.
Sistemi di riscaldamento proposti al confronto con la pompa
di calore ibrida: una vecchia caldaia a gas non condensante,
una nuova caldaia a gas non a condensazione ed una caldaia
nuova a gas a condensazione.
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to. Vengono evidenziate inoltre l’energia termica e la temperatura di mandata
in funzione della temperatura ambiente.
La zona verde è quella di funzionamento della pompa di calore e corrisponde
alla energia erogata dalla sola pompa di
calore.
Viene definito un COP di break even come quello corrispondente alla temperatura di break-even, ovvero la temperatura
ambiente in cui il kWh termico prodotto
dalla pompa di calore a quella determinata temperatura di mandata richiesta costa quanto il kWh termico prodotto dalla
caldaia. Il COP di break even si verifica al
confine tra l’area verde a quella arancio-
ne dove a destra il COP è più elevato di
quello di break even, e viceversa a sinistra è più basso. L’area arancione è quella
dove avviene il funzionamento contemporaneo delle due tecnologie.
Temperatura di mandata
e COP ideale
Vediamo ora come sia possibile determinare la temperatura di mandata e calcolare il miglior COP in relazione al massimo risparmio possibile.
L’andamento della temperatura di breakeven può essere anche visto attraverso il
grafico di figura 4, dove viene evidenziato il punto che la genera, ovvero l’in-
crocio tra l’andamento della temperatura di mandata e il rapporto di prezzo tra
l’energia elettrica e il gas.
A titolo di esempio l’energia elettrica può
essere valutata in 27 €C/kWh di giorno e
24 €C/kWh di notte, mentre il prezzo del
gas può valere 10€/kWh; con questo criterio il valore del rapporto passerebbe da
2,7 di giorno a 2,4 di notte, modificando
così, a parità di temperatura di mandata,
la temperatura di break even.
In pratica un sensore misura la temperatura esterna, alla quale, in funzione ai
settaggi operati dall’installatore o dal gestore dell’impianto, corrisponde una determinata temperatura di mandata d’e-
ACQUA CALDA SANITARIA
I sistemi Ibridi più avanzati dispongono di soluzioni innovative anche per rispondere con grande efficienza alle esigenze di produzione sanitaria.
La soluzione più interessante per la produzione istantanea di acqua sanitaria è rappresentata dai corpi caldaia con scambiatore
bi-termico integrato. Una caldaia a condensazione tradizionale, durante la produzione sanitaria, non è in grado di recuperare
l’energia di condensazione in quanto opera su un circuito secondario con scambiatore a piastre dedicato. Nella figura A è possibile
invece osservare il corpo caldaia, utilizzato in un sistema ibrido di ultima generazione, che integra al suo interno sia lo scambiatore
dedicato all’integrazione del riscaldamento che quello rilegato alla produzione sanitaria. Questa particolare disposizione consente di sfruttare/recuperare l’energia di condensazione dei fumi anche nella sola produzione istantanea di acqua calda sanitaria.
Nel caso si voglia combinare all’unità ibrida un sistema solare termico con apposito accumulo è da tenere in particolare considerazione lo schema con collegamento in preriscaldo dello stesso (figura B). In questa particolare configurazione, grazie all’utilizzo
di un accumulo tecnico di energia e non meramente sanitario, è possibile osservare:
– come il sistema solare termico operi il preriscaldo dell’acqua calda sanitaria e la caldaia sia chiamata ad intervenire se, e solo
se, la temperatura dell’accumulo non sia sufficiente alle richieste dell’utenza;
– come il sistema solare non sia al solo servizio della produzione sanitaria ma sia in grado di operare integrazione al riscaldamento.
A Corpo caldaia,
utilizzato in un
sistema ibrido di
ultima generazione,
che integra al
suo interno sia lo
scambiatore dedicato
all’integrazione del
riscaldamento che
quello rilegato alla
produzione sanitaria.
B Schema con
collegamento in
preriscaldo del
sistema solare
termico con apposito
accumulo.
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5 Dipendenza della temperatura di
mandata dal clima esterno: fissando due
punti (a entrambe l’installatore assegna
un valore per la temperatura di mandata
e uno per la temperatura esterna), a quel
punto viene definita la temperatura di
mandata richiesta dall’impianto riferentesi
ad ogni valore della temperatura esterna.
6 Schema del funzionamento ibrido.
In questa fase, la maggior parte del
riscaldamento sarà offerto dalla pompa
di calore, contribuendo a un importante
risparmio energetico e dei costi di
esercizio rispetto ad una soluzione solo a
combustione. La caldaia viene attivata per
intervalli di tempo limitati assicurando la
sufficiente capacità necessaria.
sercizio. In figura 5 viene evidenziata una
curva climatica di esercizio.
A questo punto, basandosi sulle caratteristica della pompa di calore, il sistema di controllo potrà calcolare in tempo reale sia la temperatura di mandata
richiesta che l’efficienza puntuale della
pompa di calore.
Se il sistema è impostato in modalità
“economica”, quando la pompa di calore lavora al break even COP il costo di
un kWh di calore erogato prodotto dalla
pompa di calore è equivalente al costo di
un kWh prodotto dalla caldaia. Il break
even COP dipende dal prezzo di acquisto
dell’energia elettrica (€/kWh), dal prezzo
di acquisto del gas e dall’efficienza termica della caldaia.
I prezzi dell’energia vengono impostati
dall’utilizzatore o dall’installatore in funzione delle specifiche condizioni dell’utenza e possono essere modificati in
qualsiasi momento per seguirne l’andamento nel tempo.
La formula di calcolo è la seguente:
COP break even =
Prezzo enel [€/kWk] ⋅ hboiler [%]
Prezzogas [€/kWh]
Qualora si intendesse privilegiare l’aspetto ambientale, la formula da utilizzare
considera un coefficiente di conversione
del parco elettrico definito come la quantità di energia primaria in ingresso necessaria per generare un kWh di energia
elettrica (a livello europeo mediamente
pari a 2,5, in Italia vale 2,18).
La formula in tal caso è la seguente:
COP break even=Coeff.Ener.Primaria [numero] hboiler [numero]
Vediamo ora più in dettaglio le modalità di funzionamento. La modalità “sola
pompa di calore” si attiva quando l’efficienza della pompa di calore risulta sufficientemente elevata per realizzare un
risparmio da parte dell’utilizzatore in
termini economici o ecologici, il sistema
opera allora in modalità pompa di calore. Più specificamente ciò avviene se il
COP puntuale è superiore al COP di bre-
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di calore, aggiunge affidabilità al sistema
(figura 7). Nel caso in cui si verifichi una
simultanea richiesta di calore per riscaldamento, quest’ultimo verrà soddisfatto
dalla pompa di calore.
Componentistica
L’unità di produzione del calore, cosiddetta unità interna, abbina in un unico
elemento dal design compatto l’unità di
scambio acqua/refrigerante della pompa di calore e la caldaia a condensazione a gas. Nell’unità sono installati anche
un vaso di espansione ed una pompa di
circolazione dell’acqua del circuito di riscaldamento. Il compressore della pompa
di calore è comandato da inverter dotato di sistema di stand-by. L’unità esterna
dispone di un sistema per prevenire la
formazione di ghiaccio.
7 Unità interna che abbina in un unico elemento dal design compatto la caldaia a
condensazione a gas e l’unità di scambio acqua/refrigerante. Il compressore della
pompa di calore è comandato da inverter dotato di sistema di stand-by.
ak even (vedi formula).
La modalità “ibrida” è quella che caratterizza i modelli più evoluti di sistemi disponibili sul mercato (figura 6). Infatti
un sistema convenzionale (che possiamo chiamare “bivalente”) nel caso in cui
l’efficienza puntuale della pompa di calore risulti inferiore al COP di break even
attiverebbe la modalità “sola caldaia”.
Ed è a questo punto che i sistemi più
evoluti si differenziano rispetto ai sistemi bivalenti.
Durante il funzionamento “ibrido”, infatti, la pompa di calore riscalda il fluido
di lavoro dalla temperatura di ritorno ad
una temperatura intermedia, dopo di che
la caldaia la eleverà, riscaldando il fluido
fino al set point richiesto. Nello specifico
al fine di ottimizzare l’efficienza di sistema, la logica dell’unità opera un vero e
proprio “controllo di flusso”.
La portata gestita del circolatore a velo-
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cità variabile dell’unità viene difatti modificata al fine di dilatare il salto termico
sull’impianto.
Si dispone quindi di un ritorno più freddo studiato appositamente per sfruttare
al meglio il preriscaldo con pompa di calore prima del riscaldamento finale con
caldaia.
La produzione di acqua calda sanitaria
viene poi gestita istantaneamente dalla
caldaia o se necessario in abbinamento
ad un serbatoio d’accumulo, ovvero può
essere presente in aggiunta una modalità relativa alla produzione di acqua calda sanitaria. In questo caso il sistema di
controllo agisce sul bruciatore della caldaia per produrre istantaneamente acqua
calda sanitaria. L’intera richiesta di acqua
calda sanitaria viene comunque coperta
dalla caldaia.
La presenza di un sistema di stoccaggio,
alimentato attraverso uno scambiatore
Conclusioni
Le rispettive peculiarità della pompa di
calore e della caldaia possono essere valorizzate solo attraverso un una elevata
integrazione a livello di sistema di controllo. L’insieme che ne deriva può realmente abbattere i costi di esercizio di
un sistema di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria. Occorre inoltre disporre di un sistema che sia aperto
e flessibile, sia operativamente che nei
confronti della variabilità dei prezzi della
energia primaria. Temperature di esercizio elevate, flessibilità di utilizzo e strumenti di ottimizzazione economica ed
ambientale sono peculiarità importanti per affrontare la riqualificazione delle
unità abitative.
La scelta, inoltre, di poter privilegiare
una fonte apre anche alla possibilità di
utilizzare apporti da energie rinnovabili
quali solare fotovoltaico o termico al fine di assistere l’alimentazione elettrica
della pompa di calore o la produzione
sanitaria.
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