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FOCUS

Cosa valutare quando si sceglie un sistema ibrido con pompa di calore e caldaia

di Rosa di Gregorio

Temperatura bivalente, temperatura cut-off, COP, sbrinamento ed umidità relativa: alcuni dei fattori da considerare nel progetto di un impianto ibrido performante

aksym©123rf.com
02/05/2022 - Un sistema ibrido è il risultato della combinazione di due generatori alimentati da diverse fonti di energia (combustibile e fonte rinnovabile), per questo chiamato anche impianto bivalente:
una caldaia a condensazione alimentata a GPL o metano, chiamata unità interna perché viene installata all’interno;
una pompa di calore (PdC), aria-aria o aria-acqua, chiamata unità esterna perché installata all’esterno.
 
Nella prima parte del focus abbiamo intervistato l’ing. Filippo Busato, presidente AiCARR, che ci ha fornito delucidazioni in merito agli aspetti generali della tecnologia e ci ha spiegato quando effettivamente tale sistema rappresenta una valida alternativa a quelli più tradizionali, come le caldaie, o a quelli più in voga, come le Pompe di Calore.
 
In questa seconda parte abbiamo intervistato RIELLO che lo scorso anno, nell’edizione 2021 degli ADA - archiproducts design awards, è stata premiata nella sezione construction con il suo sistema ibrido murale pro; scenderemo assieme a Simone Martinelli (Pre Sales Manager - RIELLO) più nel dettaglio del funzionamento di un sistema a pompa di calore ibrido, cercando di sfatare i vari preconcetti e di scoprire i reali vantaggi e potenzialità di questo sistema.
 
In un sistema ibrido perchè quando fa molto freddo entra in funzione la caldaia e non la pompa di calore?
 
In condizioni di temperature prossime allo zero e con umidità relativa più o meno elevata, le pompe di calore “soffrono”. I sistemi ibridi factory made possono risolvere queste criticità di funzionamento delle pompe di calore.
 
Infatti, in tali condizioni per poter captare energia dall’aria esterna, le pompe di calore devono funzionare con una temperatura di evaporazione lato batteria al di sotto dei 0°C, con conseguente formazione di ghiaccio e riduzione di scambio termico. Inoltre, più è elevata l’umidità relativa più questo fenomeno sarà veloce.
 
Questa situazione determina la riduzione del COP (Coefficient of Performance) fino al 30% e la necessità di periodici cicli di sbrinamento anche ravvicinati con conseguente riduzione della potenza erogata. In tali condizioni è spesso necessario accendere la caldaia per dare continuità all’impianto e migliorare il rendimento complessivo.”
 
Cosa valutare quando si sceglie un sistema ibrido con pompa di calore e caldaiaRapporto COP e Temperatura ©RIELLO

 
Non si potrebbe risolvere il problema utilizzando una PdC sovradimensionata?
 
“Le pompe di calore riducono la potenza erogata in funzione della temperatura esterna, si potrebbe pertanto pensare che sia corretto sovradimensionare la pompa di calore in modo da poter soddisfare il carico dell’impianto alla temperatura di progetto.
 
Tuttavia, questa affermazione è sbagliata dal punto di vista dei costi (aggiungere KW di potenza è molto oneroso) e dei benefici energetici; è risaputo, infatti, che in un edificio residenziale, l’80% del consumo di energia avviene quando il fattore di carico dell’impianto si trova tra il 20 e il 60%.
 
La scelta di una taglia di pompa di calore più grande significherebbe un investimento iniziale elevato per soddisfare poche ore di riscaldamento con condizioni esterne non congeniali, (sotto i 2°C) in cui il COP della pompa di calore inizia a degradare in maniera significativa.”
 
"Cicli di sbrinamento riducono l’efficienza” è stato affermato in precedenza; tradotto in altri termini vuol dire aumento dei costi di gestione e riduzione della potenza della PdC. Come viene gestito tutto questo in un sistema ibrido?
 
“I cicli di sbrinamento sono da evitare nelle pompe di calore perché riducono l’efficienza nonché la potenza erogata all’impianto. Nei sistemi ibridi l’intelligenza di sistema associata ad un’accurata scelta della temperatura di bivalenza può limitare e/o evitare questo fenomeno.
 
Se la pompa di calore durante il funzionamento si trovasse in “crisi” pur essendo al di sopra della temperatura di bivalenza, il sistema switcherebbe automaticamente verso la caldaia a condensazione, se il set di temperatura impianto non venisse raggiunto nei tempi previsti.
 
Questo tipo di approccio è ancora più evidente nei sistemi Ibridi con pompa di calore e caldaia a condensazione in serie come il nostro sistema Ibrido light commercial, perché la pompa di calore operando con l’acqua di ritorno si troverà in condizioni più favorevoli per il suo funzionamento.”
 
Concetti come temperatura Bi-valente o Balance Point BT o ancora set di temperatura impianto, sono centrali in un sistema ibrido. Cosa rappresentano questi termini?
 
"Per soddisfare il fabbisogno termico dell’edificio, il generatore viene dimensionato considerando la potenza massima richiesta alla temperatura di progetto. Nel caso di impianto con sola pompa di calore questa risulterebbe di potenza  piuttosto elevata solo per soddisfare quel 15-20%  di consumi annuali  che si verificano  nel  periodo di riscaldamento più freddo a maggior carico.

In tali condizioni le pompe di calore sono poco efficienti perché  si trovano ad operare in condizioni non congeniali; cioè con  massima temperatura di mandata impianto e minima temperatura esterna. I sistemi ibridi, che sono bivalenti, risolvono questa criticità. La pompa di calore può essere dimensionata fino al 60% del carico impianto, e la caldaia gestirà la rimanenza del carico.
 
La temperatura bivalente (θbiv) è la temperatura di aria esterna per la quale la PdC riesce a soddisfare il carico termico; essa va valutata tenendo in considerazione la zona climatica, le caratteristiche dell’edificio, la quota rinnovabile richiesta e la temperatura di mandata impianto.

Dalla BT a temperature superiori la PdC sarà idonea a riscaldare, mentre da temperature esterne inferiori alla BT si azionerà la caldaia.
 
Nel grafico che segue si può notare come la temperatura bivalente (θbiv) sia stata scelta è in un range in cui la pompa di calore offre ancora COP elevati, in questo modo è possibile ottimizzare i costi /benefici dell’impianto.”
 
Cosa valutare quando si sceglie un sistema ibrido con pompa di calore e caldaiaDimensionamento carico termico ©RIELLO
 

Il dimensionamento di una PdC Ibrida

“Un sistema ibrido va dimensionato con l’obiettivo di sfruttare al meglio la pompa di calore quando si trova nel campo di lavoro di massima efficienza e/o quando le condizioni energetiche lo consentono”, ha affermato RIELLO.

Per il dimensionamento di un sistema ibrido, si può decidere di impostare solo una temperatura, la Temperatura Bivalente (BT) o due temperature, ovvero la bivalente e la temperatura di cut-off, la temperatura dell’aria esterna al di sotto della quale la PdC si spegnerà e funzionerà solo la caldaia.

 
Impostando solo la temperatura bivalente avremo un funzionamento dell’impianto del tipo bivalente alternativo, funzionerà o solo la caldaia o solo la PdC:
- Testerna < Tbivalente, entra in funzione solo la caldaia;
- Testerna > Tbivalente, entra in funzione solo la PdC;
 
Impostando sia la BT che la cut-off avremo un funzionamento dell’impianto del tipo bivalente parallelo, che offre il vantaggio di sfruttare la compresenza dei due generatori:
- Testerna < T cut-off, la PdC deve spegnersi e solo la caldaia potrà funzionare;
- T cut-off  < Testerna < Tbivalente, compresenza della PdC e della caldaia;
- Testerna > Tbivalente, la caldaia si spegnerà e funzionerà solo la PdC.
 
Secondo Simone Martinelli, infine, “la temperatura di cut-off ideale dovrà permettere alla pompa di calore di coprire il 70-80% dell’energia consumata dall’impianto e un fattore di carico fino al 60%,  la rimanente parte sarà gestita dalla caldaia. Inoltre, in presenza un impianto fotovoltaico (FV) la temperatura di cut-off potrà essere abbassata, perché sarà possibile sfruttare l’energia elettrica prodotta”.
 
 
Cosa valutare quando si sceglie un sistema ibrido con pompa di calore e caldaia Impianto bivalente di riscaldamento con pompa di calore e caldaia



Cosa valutare quando si sceglie un sistema ibrido con pompa di calore e caldaia Impianto bivalente di riscaldamento e produzione ACS combinata con pompa di calore, caldaia e bollitore monoserpentino
 

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