Il dimensionamento dei sistemi ibridi, che combinano pompe di calore e caldaie, può essere affrontato mediante diverse metodologie suddivise in due categorie principali, ognuna focalizzata sull'ottimizzazione di aspetti specifici del sistema ibrido.
La prima categoria si concentra sull'ottimizzazione dell'efficienza complessiva del sistema in esercizio, minimizzando i costi di funzionamento attraverso la sinergia tra la pompa di calore e la caldaia. Tale metodo considera variabili come la temperatura di funzionamento della pompa di calore, la sua capacità e l'efficienza a diverse temperature esterne, garantendo un funzionamento ottimale in diverse condizioni climatiche.
Al contrario, la seconda categoria di metodologie si concentra sui vincoli fisici e tecnici della pompa di calore per determinare la potenza e la temperatura massima che la pompa di calore può erogare. L'obiettivo principale è adattare il sistema ibrido in modo che la pompa di calore operi in modo sicuro ed efficiente, evitando situazioni che potrebbero superare i suoi limiti operativi e causare problemi come il mancato raggiungimento delle condizioni di progetto o l'inefficienza.
1. DIMENSIONAMENTO IN BASE AL PUNTO DI MASSIMA CONVENIENZA
Il dimensionamento basato sul punto di massima convenienza dei sistemi ibridi si propone di ottimizzare l'efficienza economica complessiva dei generatori di calore, considerando sia le pompe di calore che le caldaie a condensazione. Questo approccio mira a massimizzare l'efficienza economica tenendo conto del costo dell'energia termica prodotta da ciascun generatore.
Le pompe di calore e le caldaie a condensazione possono mostrare variazioni significative nelle loro efficienze, come già analizzato in precedenti pubblicazioni di Idraulica (vedi Idraulica 61 e 64), con le pompe di calore particolarmente sensibili a fattori ambientali come temperatura esterna, temperatura dell'acqua in uscita e grado di saturazione. Gli approcci basati sul punto di massima convenienza si concentrano sull'individuazione del coefficiente di prestazione minimo di convenienza (COPMC), al di sotto del quale è più conveniente utilizzare la caldaia a condensazione anziché la pompa di calore.
Una volta identificato il COPMC, il dimensionamento del sistema ibrido prevede che la caldaia venga dimensionata per coprire la massima richiesta di potenza termica, mentre la pompa di calore viene dimensionata per fornire la potenza richiesta alle condizioni che garantiscono il COPMC. Ciò assicura un funzionamento economico ed efficiente dell'intero sistema.
Il dimensionamento della caldaia non presenta particolari complessità tecniche, mentre il dimensionamento della pompa di calore può comportare alcune difficoltà a causa delle molte variabili da considerare. Successivamente, vengono presentati due metodi per effettuare il dimensionamento della pompa di calore basato su:
- temperatura esterna e temperatura di mandata a punto fisso
- temperatura esterna e temperatura di mandata climatica
1a) Dimensionamento in funzione di temperatura esterna e temperatura di mandata a punto fisso
Il dimensionamento di una pompa di calore basato sulla temperatura esterna e su una temperatura di mandata costante è un approccio ampiamente diffuso e relativamente semplice. Questo metodo si concentra sulla variazione del Coefficiente di Prestazione (COP) della pompa di calore al variare della temperatura esterna, assumendo una temperatura di mandata costante e non considerando il coefficiente di carico termico della pompa di calore (rapporto tra la potenza emessa e la potenza nominale).
Il processo di dimensionamento segue i seguenti passi:
1. Si dimensiona la caldaia in base alla potenza di progetto (PPRG) definita.
2. Si calcola il COPMC.
3. Si identifica la temperatura di equivalenza (TEQ), cioè la temperatura esterna alla quale si ottiene il COPMC basandosi sulle curve caratteristiche del COP fornite dal produttore.
4. Si calcola la potenza necessaria per riscaldare l'edificio alla temperatura di equivalenza (PEQ). Questo calcolo può essere effettuato utilizzando la curva caratteristica (o firma energetica) dell'edificio (ricavata con software specifici) o mediante un'interpolazione lineare più semplice partendo dalla potenza di progetto e dalla temperatura di annullamento del carico (di solito circa 16 °C).
5. Si calcola il coefficiente di correzione della potenza della pompa di calore alla temperatura di equivalenza e alla temperatura di mandata di progetto (CC) ricavandolo dai grafici forniti dal produttore.
6. Si seleziona la taglia della pompa di calore commercialmente disponibile più vicina alla potenza alla temperatura di equivalenza (PEQ) riproporzionata in base al coefficiente di correzione.
È consigliabile, in sistemi ibridi, optare per una pompa di calore leggermente sottodimensionata rispetto alla potenza di calcolo poiché questi calcoli semplificati non tengono conto dell'inerzia termica degli edifici. Una pompa di dimensioni inferiori lavora con un grado di saturazione più elevato e garantisce un'efficienza maggiore rispetto a una pompa di calore sovradimensionata.
Il sistema di gestione utilizzato per questo tipo di dimensionamento è basato sulla temperatura di equivalenza ed è la più semplice e comunemente utilizzata; in pratica, quando la temperatura esterna scende al di sotto della temperatura di equivalenza il sistema ibrido utilizza la caldaia, mentre quando la temperatura esterna supera la temperatura di equivalenza, il sistema ibrido si basa sulla pompa di calore spegnendo la caldaia.
ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO: TEMPERATURA ESTERNA E TEMPERATURA DI MANDATA A PUNTO FISSO
1b) Dimensionamento in funzione di temperatura esterna e temperatura di mandata climatica
Contrariamente all'approccio di dimensionamento che si basa esclusivamente sulla temperatura esterna, il metodo che tiene conto anche della temperatura di mandata climatica si rivela più efficiente per i sistemi ibridi, anche se richiede calcoli leggermente più complessi. Questa metodologia si fonda sul calcolo del coefficiente di prestazione (COP) della pompa di calore e sulla capacità del sistema ibrido di adattare la temperatura di mandata alle condizioni climatiche, senza considerare il coefficiente di carico della pompa di calore.
Il processo di dimensionamento si sviluppa come segue:
1. Si dimensiona la caldaia in base alla potenza di progetto (PPRG) definita.
2. Si calcola il COPMC.
3. Si identifica la curva climatica di lavoro del sistema ibrido.
4. Si costruisce, punto per punto, la curva di rendimento della pompa di calore, tenendo conto delle variazioni della temperatura esterna e della temperatura di mandata identificata al punto 3. Questa operazione deve essere eseguita utilizzando le curve fornite dal produttore, con una stima iniziale della potenza della pompa di calore pari all’80 % della potenza di picco richiesta dall'edificio. Sulla curva costruita si individua la temperatura di equivalenza (TEQ) a partire dal COPMC.
5. Si calcola la potenza necessaria per riscaldare l'edificio alla temperatura di equivalenza (PEQ). Questo calcolo può essere effettuato utilizzando la curva caratteristica (o firma energetica) dell'edificio (ricavata con software specifici) o mediante un'interpolazione lineare più semplice partendo dalla potenza di progetto e dalla temperatura di annullamento del carico (di solito circa 16 °C).
6. Si calcola il coefficiente di correzione della potenza della pompa di calore alla temperatura di equivalenza e alla temperatura di mandata di progetto (CC) ricavandolo dai grafici forniti dal produttore.
7. Si seleziona la pompa di calore commercialmente disponibile più vicina alla potenza PEQ riproporzionata in base al coefficiente di correzione.
La regolazione dei sistemi ibridi basati su questo tipo di dimensionamento può essere di due tipologie:
- La prima, tipica dei sistemi ibridi integrati, regola sia la temperatura di mandata nel sistema che l'attivazione della pompa di calore o della caldaia a gas in base alla temperatura esterna.
- La seconda legge la temperatura di mandata e la temperatura esterna basandosi su una mappatura interna dei valori di rendimento della pompa di calore e comanda l'accensione di uno o dell'altro generatore del sistema ibrido.
Il metodo di dimensionamento che tiene conto della temperatura di mandata climatica o scorrevole di solito porta a una temperatura di equivalenza inferiore, rispetto ad un dimensionamento analogo basato su una regolazione a punto fisso. In questo modo si tende ad espandere l'intervallo di utilizzo della pompa di calore, riducendo il costo complessivo di funzionamento. Tuttavia, richiede generalmente l'uso di pompe di calore di dimensioni maggiori, aumentando così il costo iniziale dell'investimento.
Inoltre, le pompe di calore di dimensioni maggiori possono soffrire di una maggiore perdita per fattore di carico, come dettagliato in modo più approfondito nel capitolo "Verifica della pompa di calore in base al fattore di carico". Pertanto, la scelta della dimensione del generatore deve essere fatta con attenzione e, in alcuni casi, potrebbe richiedere un aggiustamento leggero alzando la temperatura di equivalenza per ottimizzare il bilancio tra efficienza e costo.
ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO: TEMPERATURA ESTERNA E TEMPERATURA DI MANDATA CLIMATICA
2. OTTIMIZZAZIONE DEI VINCOLI TECNICI E FISICI DELLA POMPA DI CALORE
In alcuni casi il dimensionamento di un sistema ibrido non segue principi di massima convenienza ma si basa sui limiti fisici della pompa di calore. Uno di questi limiti può essere la massima temperatura erogabile dalla pompa di calore dovuta ad un intrinseco valore che la macchina può raggiungere. Per questo motivo la pompa di calore non può essere utilizzata con tutti i sistemi di emissione, a meno che non siano stati progettati specificamente per questo scopo.
Lo scenario è tipico degli impianti a radiatori che hanno temperature di mandata di progetto solitamente superiori ai 60 °C. Le pompe di calore, al contrario, spesso non possono erogare calore in modo conveniente oltre i 50 °C.
Quando sono presenti tali limitazioni può essere vantaggioso considerare l'utilizzo di un sistema ibrido regolando la temperatura in modo climatico. La caldaia viene utilizzata durante i periodi più freddi quando la temperatura esterna implica una temperatura di mandata non erogabile dalla pompa di calore, mentre in condizioni di temperatura esterna più mite, e quindi con temperature di mandata inferiori, la pompa di calore può essere attivata.
In particolari circostanze il limite di un sistema ibrido può essere determinato dalla massima potenza erogabile dalla pompa di calore. Questo limite è fondamentalmente vincolato da due motivi principali: il primo derivante dall'investimento poiché la pompa di calore costituisce la componente più dispendiosa del sistema ibrido; il secondo dovuto alla restrizione della potenza elettrica fornita dalla rete. Tale limitazione può manifestarsi sia nei sistemi domestici che in impianti di dimensioni più generose.
2a) Dimensionamento in base alla massima temperatura erogabile
Questo approccio, come quelli illustrati in precedenza, prevede una temperatura esterna di commutazione fra la pompa di calore e la caldaia, la cosiddetta temperatura di equivalenza. Tuttavia, a differenza dei metodi basati sull’efficienza dei generatori, in questo caso la temperatura di equivalenza è calcolata in base alla curva climatica dell'impianto e alla temperatura massima erogabile del generatore a pompa di calore.
Il processo di dimensionamento può essere riassunto nei seguenti passaggi:
- Dimensionamento della caldaia in base alla potenza di progetto definita.
- Individuazione della curva climatica dell'impianto in base alla temperatura esterna e alla temperatura di mandata di progetto. Individuazione della temperatura massima di lavoro della pompa di calore.
- Identificazione della temperatura di commutazione, che determina la commutazione tra pompa di calore e caldaia, intersecando le due curve.
- Calcolo della potenza necessaria per riscaldare l'edificio alla temperatura di commutazione determinata nel punto 3 e selezione della pompa di calore commercialmente disponibile più vicina alla potenza calcolata, preferibilmente leggermente sottodimensionata nei sistemi ibridi.
Il controllo dei sistemi ibridi che adottano questo tipo di dimensionamento può avvenire attraverso due approcci:
- Nel primo, caratteristico dei sistemi ibridi integrati, si regola sia la temperatura di progetto sia l'attivazione del generatore opportuno in base alle variazioni della temperatura esterna.
- Il secondo approccio regola la temperatura di commutazione in funzione della temperatura di progetto e della temperatura esterna utilizzando una mappatura interna della curva climatica di riferimento e gestisce l'accensione dei generatori di calore in conformità con tali parametri.
Questo metodo ottimizza la taglia della pompa di calore in relazione alla temperatura di progetto: la riduce in condizioni di temperatura elevata e la aumenta in condizioni di temperatura più bassa. Con temperature di progetto elevate, è opportuno valutare l'investimento poiché la pompa di calore potrebbe operare solo per poche ore durante la stagione di riscaldamento. Al contrario, se si considerano temperature di progetto rigide, potrebbero verificarsi punti di equivalenza a temperature inferiori rispetto a quelle tradizionalmente considerate convenienti. In questo contesto, è vantaggioso riadattare le dimensioni del sistema secondo i criteri precedentemente illustrati.
ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO: MASSIMA TEMPERATURA EROGABILE DALLA POMPA DI CALORE
2b) Dimensionamento in base alla massima potenza erogabile
Il dimensionamento del sistema ibrido si realizza incrociando la potenza erogabile dalla pompa di calore in relazione alla temperatura esterna con la potenza richiesta dall'edificio e quindi con la sua curva caratteristica. A prima vista, questo approccio di dimensionamento potrebbe sembrare basato su una temperatura di commutazione tra la pompa di calore e la caldaia, tuttavia questa temperatura rappresenta solo il punto in cui la pompa di calore può iniziare a operare come unico generatore. Al di sotto i due generatori possono funzionare contemporaneamente. La produzione simultanea di calore da entrambi i generatori continua fino a quando non si raggiunge una condizione in cui è preferibile produrre calore solo con la caldaia a condensazione Tale condizione può essere determinata utilizzando uno dei tre metodi descritti in precedenza. Le due temperature menzionate sono definite rispettivamente come temperatura di commutazione superiore e inferiore.
Il dimensionamento della pompa di calore in un sistema ibrido basato sulla massima potenza erogabile dalla pompa di calore segue i seguenti punti:
- Identificazione della pompa di calore installabile in base alle restrizioni progettuali.
- Tracciamento della potenza erogabile dalla pompa di calore individuata al punto 1.
- Intersezione della curva caratteristica dell’edificio con la curva di potenza della pompa di calore per individuare il punto di commutazione superiore.
- Individuazione del punto di commutazione inferiore con uno dei metodi descritti in precedenza.
Anche in questo caso, la regolazione può avvenire tramite un controllo integrato o con un regolatore esterno. Nel secondo caso, il regolatore deve ricevere i seguenti valori: temperatura esterna, temperatura di mandata e di ritorno per controllare la potenza emessa dal sistema e individuare il punto di commutazione superiore per spegnere la caldaia. La temperatura di mandata e la temperatura esterna, come visto in precedenza, sono utili per individuare il punto di commutazione inferiore e spegnere la pompa di calore.
ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO: MASSIMA POTENZA EROGABILE DALLA POMPA DI CALORE