SISTEMI INTEGRATI: COME FUNZIONANO E QUANDO CONVENGONO

Lo sfruttamento delle fonti rinnovabili si sta diffondendo sempre di più, anche nel settore residenziale, dove un’attenta gestione delle risorse può consentire agli utenti notevoli vantaggi dal punto di vista energetico ed economico. Sempre più quindi, gli installatori devono confrontarsi con impianti complessi, dove diverse tecnologie devono essere integrate perché lavorino in simbiosi, garantendo il mantenimento delle condizioni di comfort.


Sebbene le combinazioni possibili sono molteplici, quella più comune coniuga sicuramente pompe di calore aria/acqua, caldaie a gas e solare termico, ed è proprio su questo mix di elementi che ci soffermeremo in questo articolo, valutando quali siano gli aspetti da tenere in considerazione per assicurare un buon funzionamento dell’insieme.

 


La prima cosa da considerare è che le pompe di calore elettriche sono caratterizzate da efficienze e da potenze rese che diminuiscono con il calo della temperatura della sorgente fredda, rendendo poco vantaggioso il funzionamento al di sotto di determinati livelli, variabili anche in funzione dell’umidità dell’aria. La presenza di acqua che può depositarsi sulla superficie dell'evaporatore, può portare infatti alla formazione di uno strato di brina, che riduce l'efficienza dello scambio di calore e che costringe la macchina ad invertire il ciclo periodicamente, in modo da sbrinare il ghiaccio formatosi. Il ciclo di sbrinamento, ovviamente, impiega energia, che viene sottratta dal riscaldamento degli ambienti, riducendo ulteriormente l'efficienza.

L'integrazione fra pompa di calore e caldaia a gas consente di ovviare a queste problematiche mediante logiche di gestione dei generatori, le quali fanno in modo che la pompa di calore funzioni solamente quando l'efficienza del generatore o il costo del kWh prodotto siano convenienti. In questo modo si possono anche installare pompe di calore di potenza inferiore, in quanto il massimo carico termico invernale, che si verifica alla minima temperatura esterna, è sempre garantito dalla caldaia a gas.

Per analizzare meglio le logiche di gestione di questo sistema dobbiamo prima definire il “fattore di carico” (CR), cioè il rapporto fra la potenza termica richiesta dall'impianto alla pompa di calore in una specifica situazine e la potenza termica dichiarata riferita alle stesse condizioni di esercizio. Questo ci consente di definire una determinata temperatura, chiamata bivalente, come quella temperatura della sorgente fredda alla quale la pompa di calore funziona con fattore di carico unitario. In termini più semplici, la temperatura bivalente è quella al di sotto della quale la pompa di calore non è più in grado di fornire energia termica sufficiente a coprire la richiesta da parte dell’utente.

Le possibili modalità di funzionamento a temperature inferiori alla temperatura bivalente sono essenzialmente tre. La prima è il funzionamento alternato, dove, al di sotto della temperatura bivalente, la potenza termica viene fornita esclusivamente dalla caldaia. Un’altra opportunità è invece quella di utilizzare i due apparecchi con un funzionamento parallelo, dove la potenza termica viene fornita da ambedue i generatori di calore e la caldaia fornisce quindi solamente la quota residua di potenza. La terza opzione è un funzionamento parzialmente parallelo che, in realtà, è una combinazione delle due opzioni precedenti. Al di sotto della temperatura bivalente, la potenza termica viene quindi fornita da entrambi i generatori di calore, ma, all'abbassarsi della temperatura esterna, la quota di energia fornita dalla caldaia tende ad aumentare, mentre quella della pompa di calore diminuisce fino ad arrivare al completo spegnimento.

La situazione è più semplice per quanto riguarda il solare termico: è chiaro che se le condizioni ambientali lo permettono, l'energia termica derivante dal sole è completamente gratuita, ad eccezione dell'energia elettrica assorbita dai circolatori/pompe. Se però l’utilizzo ad integrazione dell’ACS risulta di per sé abbastanza semplice, è molto più complesso lo sfruttamento dei pannelli anche come integrazione al riscaldamento. In questo caso infatti, per ottenere un apporto utile, i pannelli devono essere molto grandi, in modo da assorbire la scarsa energia fornita dal sole nei mesi invernali. Questo fa sì che durante la stagione estiva, dove non vi è necessità di riscaldamento, i pannelli risultino sovradimensionati, creando difficoltà di gestione che devono essere attentamente valutate. Esistono comunque soluzioni tecniche (ad esempio delle tende che riducono la superficie esposta) che permettono questo tipo di utilizzo.

Un impianto però, soprattutto se così complesso, non finisce qui, ma si compone di altre parti necessarie a consentire l’integrazione dei tre apparecchi principali.
Il principale componente per la gestione dell'impianto, oltre alla pompa di calore e alla caldaia, è una centralina elettronica collegata a una sonda esterna, a un termostato ambiente interno e a una valvola deviatrice a tre vie, oltre che ai generatori di calore.

Quando il termostato ambiente richiede l’emissione di calore, se l'aria esterna si trova ad una temperatura superiore a quella di alternanza impostata in centralina, quest'ultima attiva solamente la pompa di calore. Viceversa, se la temperatura dell'aria esterna scende al di sotto della soglia minima, si attiva la caldaia a supporto della pompa di calore o come unico generatore.

La temperatura “di alternanza” tra generatori di calore, però non sempre si identifica con quella bivalente così come definita precedentemente, visto che i produttori consentono di impostare tale temperatura in base a logiche economiche oltre che di rendimento, prendendo a riferimento anche il prezzo dell'energia elettrica, del gas metano e il rendimento della caldaia.


Ma sistemi di questo tipo, dove vengono integrate diverse tecnologie, risultano convenienti solo su edifici con un buon isolamento termico o possono essere adattati anche ad edifici più datati, con un involucro meno performante?


In realtà la discriminante tra l’installazione di sistemi complessi e l’installazione di semplici caldaie a condensazione non è data dall’isolamento in sè, ma dal sistema di emissione utilizzato. Le pompe di calore garantiscono buoni rendimenti in abbinamento ad impianti funzionanti a bassa temperatura, come ad esempio quelli radianti. Di conseguenza l’abbinamento di questi sistemi ai classici impianti ad alta temperatura penalizza le rese, che, a seconda delle situazioni al contorno, potrebbero non essere sufficientemente elevate per garantire la convenienza dell’installazione.

È importante quindi valutare attentamente caso per caso, in modo da scegliere la soluzione migliore.

Ing. Alfero Daniele
Professional Team
Collaboratore tecnico