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 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- 46
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 rendimento 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). 47
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: Modalità con funzionamento a sola pompa di calore. 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. 48
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. Modalità Ibrida con caldaia attiva e pompa di calore in preriscaldo. 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 CO 2 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 CO 2 ) 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. 49
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 incrocio 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. 50
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: Prezzo enel[ /kwk] h boiler[%] COP break even = Prezzo [ /kwh] Qualora si intendesse privilegiare l aspetto ambientale, la formula da utilizzare gas 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] h boiler [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- 51
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 velocità 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. RIPRODUZIONE RISERVATA 52