Speciale 91
Integrazione tra tecnologie: solare, caldaie e pompe di calore
Alcuni contenuti di questo speciale:
Articolo
di Isacco Simion
Logiche di regolazione e di integrazione fra tecnologie
Le pompe di calore elettriche aria - acqua sono caratterizzate da efficienze e da potenze rese che diminuiscono con il calo della temperatura della sorgente fredda. Così, al di sotto di una determinata temperatura esterna, non si ha più la convenienza economica all'utilizzo della pompa di calore (rispetto ad una caldaia a gas, infatti, il vantaggio economico si ottiene quando il COP è superiore al rapporto fra costo del kWh elettrico e kWh reso dal gas).
Se poi, associata alla bassa temperatura, si ha anche un'umidità relativa elevata, sulla superficie dell'evaporatore, che opera a temperatura inferiore per poter scambiare calore, si forma uno strato di ghiaccio (brina) che riduce l'efficienza dello scambio di calore, e che porta la pompa di calore 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 che fanno in modo che la pompa di calore possa funzionare 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.
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.
Apriamo per un attimo una parentesi con alcune definizioni della UNI/TS 11300-4:2012 a tal proposito.
Innanzitutto, sono definiti:
Le possibili modalità di funzionamento a temperature inferiori alla temperatura bivalente sono essenzialmente tre:
Le casistiche e le opportunità impiantistiche sono le più svariate: è compito del progettista individuare la soluzione più vicina alle necessità del cliente e al corretto sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili e non.
Vediamo, quindi, quali sono le logiche generali di integrazione e regolazione dei generatori e delle diverse fonti di calore.
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 rileva una temperatura troppo bassa, se la temperatura dell'aria esterna è superiore alla temperatura di alternanza impostata in centralina, quest'ultima attiva solamente la pompa di calore. Viceversa, se la temperatura dell'aria esterna scende al di sotto di tale temperatura, a seconda della modalità di funzionamento di progetto (v. sopra), si attiva la caldaia a supporto della pompa di calore o come unico generatore.
La temperatura “di alternanza” tra generatori di calore, in realtà non sempre si identifica con la temperatura bivalente così come definita dalla UNI TS 11300-4. I produttori consentono di impostare tale temperatura in base a logiche economiche oltre che di rendimento, impostando il prezzo dell'energia elettrica, del gas metano e il rendimento della caldaia.
La sonda esterna, per non risentire di fondi di calore “parassite”, deve essere sempre posta a Nord, a riparo dall'irraggiamento solare e lontana da possibili sorgenti di calore, quali estrattori d'aria, finestre, ecc.
La regolazione climatica, garantita dalla sonda esterna, fa sì che, in base alla temperatura esterna, vari la temperatura di mandata secondo una curva preimpostata.
Nel caso di funzionamento parallelo o parzialmente parallelo, come anzidetto, si può avere la formazione di brina sulla superficie dell'evaporatore dovuta alle basse temperatura e all'umidità ambientale. In tal caso, per sciogliere lo strato di ghiaccio, la pompa di calore inverte periodicamente il ciclo mediante la valvola a 4 vie interna.
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Se poi, associata alla bassa temperatura, si ha anche un'umidità relativa elevata, sulla superficie dell'evaporatore, che opera a temperatura inferiore per poter scambiare calore, si forma uno strato di ghiaccio (brina) che riduce l'efficienza dello scambio di calore, e che porta la pompa di calore 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 che fanno in modo che la pompa di calore possa funzionare 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.
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.
Apriamo per un attimo una parentesi con alcune definizioni della UNI/TS 11300-4:2012 a tal proposito.
Innanzitutto, sono definiti:
- Coefficiente di prestazione (COP) il rapporto fra la potenza termica fornita e la corrispondente potenza elettrica assorbita;
- Fattore di carico (CR) il rapporto fra la potenza termica richiesta dall'impianto alla pompa di calore, nelle specifiche condizioni di esercizio, e la potenza termica dichiarata riferita alle stesse temperature 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.
Le possibili modalità di funzionamento a temperature inferiori alla temperatura bivalente sono essenzialmente tre:
- Funzionamento alternato: al di sotto della temperatura bivalente, la potenza termica viene fornita esclusivamente dalla caldaia;
- Funzionamento parallelo: al di sotto della temperatura bivalente, la potenza termica viene fornita da ambedue i generatori di calore. La caldaia fornice quindi solamente la quota residua di potenza;
- Funzionamento parzialmente parallelo: al di sotto della temperatura bivalente, la potenza termica viene fornita da ambedue i generatori di calore, finché, all'abbassarsi della temperatura esterna, si arriva allo spegnimento della pompa di calore e quindi al solo funzionamento della caldaia.
Le casistiche e le opportunità impiantistiche sono le più svariate: è compito del progettista individuare la soluzione più vicina alle necessità del cliente e al corretto sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili e non.
Vediamo, quindi, quali sono le logiche generali di integrazione e regolazione dei generatori e delle diverse fonti di calore.
Funzionamento per il riscaldamento di ambienti
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 rileva una temperatura troppo bassa, se la temperatura dell'aria esterna è superiore alla temperatura di alternanza impostata in centralina, quest'ultima attiva solamente la pompa di calore. Viceversa, se la temperatura dell'aria esterna scende al di sotto di tale temperatura, a seconda della modalità di funzionamento di progetto (v. sopra), si attiva la caldaia a supporto della pompa di calore o come unico generatore.
La temperatura “di alternanza” tra generatori di calore, in realtà non sempre si identifica con la temperatura bivalente così come definita dalla UNI TS 11300-4. I produttori consentono di impostare tale temperatura in base a logiche economiche oltre che di rendimento, impostando il prezzo dell'energia elettrica, del gas metano e il rendimento della caldaia.
La sonda esterna, per non risentire di fondi di calore “parassite”, deve essere sempre posta a Nord, a riparo dall'irraggiamento solare e lontana da possibili sorgenti di calore, quali estrattori d'aria, finestre, ecc.
La regolazione climatica, garantita dalla sonda esterna, fa sì che, in base alla temperatura esterna, vari la temperatura di mandata secondo una curva preimpostata.
Nel caso di funzionamento parallelo o parzialmente parallelo, come anzidetto, si può avere la formazione di brina sulla superficie dell'evaporatore dovuta alle basse temperatura e all'umidità ambientale. In tal caso, per sciogliere lo strato di ghiaccio, la pompa di calore inverte periodicamente il ciclo mediante la valvola a 4 vie interna.
