Pompe di calore: sistemi monovalenti, bivalenti e ibridi (parte 3)

Terza e ultima parte dello speciale sulle pompe di calore e il loro funzionamento. In questo articolo conclusivo parliamo delle caratteristiche, del funzionamento e delle differenze dei sistemi monovalenti, bivalenti e ibridi.

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.