Regolazione delle pompe di calore nei sistemi di riscaldamento ibridi
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Dal 2022, è chiaro che l’obiettivo europeo per una tecnologia di riscaldamento indipendente e a impatto climatico zero passerà principalmente attraverso la pompa di calore. Il fatto che sia ideale anche per il raffrescamento, ad esempio se distribuito tramite pannelli radianti, è un ulteriore vantaggio.
Le pompe di calore di solito funzionano con una centralina integrata che garantisce un funzionamento sicuro ed efficiente. La funzione principale è il controllo del compressore e alcune funzioni di protezione che, ad esempio, proteggono dai danni del gelo o prevengono la sovrapressione del circuito frigorifero.
Le centraline per pompe di calore più sofisticate si spingono un po’ più in là nelle funzioni. Controllano, ad esempio, la pompa di carico dell’accumulo o una pompa di sistema, anch’esse soggette all’ottimizzazione dei tempi di funzionamento, proprio come il compressore. Nel caso delle pompe di calore geotermiche, questa funzione si applica anche alla pompa del circuito primario.
I regolatori delle pompe di calore possono anche includere una semplice funzione per l’acqua calda sanitaria, gestire la resistenza elettrica, per i picchi di carico, o regolare anche una funzione di circuito di riscaldamento per i sistemi standard. Nel migliore dei casi, la funzione è con compensazione climatica.
Infobox: Centraline per circuiti di riscaldamento compensazione climatica
Agli albori della tecnologia di riscaldamento, la temperatura di mandata del circuito di riscaldamento dipendeva dalla temperatura target impostata. Questo semplice principio di controllo persiste in alcuni regioni, ma è piuttosto inefficiente e poco comfortevole, poiché presuppone sempre la temperatura di riscaldamento per la condizione peggiore. Poiché ciò comporta temperature di mandata più elevate, questo principio di per sé non è particolarmente adatto al funzionamento con le pompe di calore, che sono più efficienti con temperature di mandata basse. A causa delle alte temperature di mandata, anche una breve apertura delle valvole di zona porta a un superamento della temperatura: gli ambienti si surriscaldano facilmente.
Il controllo del circuito di riscaldamento a compensazione climatica si basa su una curva caratteristica basata sulla temperatura esterna. A questo scopo, è possibile impostare la pendenza della curva, gli spostamenti paralleli per le modalità giorno, notte e comfort e, in alcuni casi, un punto di divisione per una curva caratteristica splittata. Il controllo a compensazione climatica adatta in modo flessibile la temperatura di mandata alle condizioni atmosferiche e funziona quindi in modo più stabile e a risparmio energetico.
Perché una tipica centralina per pompe di calore non è una soluzione universale
In base all’ampia gamma di possibilità applicative, anche il numero di funzioni disponibili nelle centraline varia notevolmente. Infine, ma non meno importante, ciò dipende anche dall’applicazione o dalla struttura del sistema per cui il produttore di pompe di calore progetta il suo sistema di regolazione.
Se, ad esempio, ipotizza un sistema monovalente, l’integrazione di altre fonti di energia sarà controllata solo in modo rudimentale o sarà completamente esclusa. Se, ad esempio, la pompa di calore fa parte di un’unità compatta con un serbatoio di acqua calda integrato, è più probabile che abbia una funzione di acqua calda sanitaria davvero ben studiata o l’integrazione preconfigurata di una resistenza elettrica. E così via.
Lo stato dell’arte varia anche da paese a paese. Nei paesi del centro e nord Europa, le centraline di riscaldamento a compensazione climatica sono ormai uno standard. Nelle regioni mediterranee, invece, le pompe di calore sono impiegate anche por il raffrescamento estivo. Nel sud domina la pompa di calore aria-acqua, mentre le centraline dei paesi nordici sono progettate più per le pompe di calore geotermiche. In conclusione, per ragioni di prezzo, le pompe di calore tendono a partire da un semplice regolatore che soddisfa le funzionalità di base per i casi standard.
Ma cosa succede se non si tratta di un caso standard? Dopotutto, la tecnologia del riscaldamento è caratterizzata dal retrofit. Per questo motivo, sul campo si possono trovare le più svariate combinazioni, concetti di sistema e talvolta anche follie. Non c’è da stupirsi, perché la maggior parte dei sistemi di riscaldamento è stata assemblata come un collage nel corso dei decenni. Questo richiede una certa flessibilità, che può essere facilmente migliorata grazie a moduli aggiuntivi esterni.
Il punto di bivalenza nei sistemi con più fonti di calore
Oltre a combinare le funzioni descritte sopra, le moderne centraline di sistema possono assumere diverse altre funzioni. Nei sistemi ibridi con diverse fonti di calore, come il gas e la pompa di calore, la temperatura di bivalenza gioca un ruolo importante. Grazie a un punto di bivalenza impostabile, viene garantito il momento ottimale per l’accensione o lo spegnimento della seconda fonte. O, se possibile, la sua modulazione.
Innanzitutto, è possibile impostare una temperatura esterna minima al di sotto della quale la pompa di calore deve essere disattivata (es. -2°C). Il riscaldamento sarà quindi di competenza esclusiva della fonte secondaria (es. caldaia a gas). Questo ha senso perché l’efficienza della pompa di calore diminuisce quando fa freddo.
La temperatura di bivalenza definisce il punto a partire dal quale una seconda fonte viene attivata in tandem con la pompa di calore. Nell’intervallo tra la temperatura esterna minima e la temperatura di bivalenza, entrambi i generatori di calore lavorano in parallelo. Al di sopra della temperatura di bivalenza, la seconda fonte si spegne.
Tuttavia, se la pompa di calore da sola non raggiunge la potenza di riscaldamento necessaria per un periodo di tempo più lungo, è possibile accendere anche la seconda fonte. La pompa di calore funziona quindi da sola prima che la seconda fonte venga attiva dopo un certo periodo di tempo. Questo principio garantisce una maggiore affidabilità operativa, ad esempio nel caso in cui siano richieste temperature di setpoint elevate o si verifichi un elevato consumo di calore. D’altro canto, potrebbe essere svantaggioso che i clienti si lamentino del funzionamento simultaneo della pompa di calore e della fonte secondaria, come un bruciatore a gas o una resistenza elettrica, a causa della scarsa conoscenza del sistema.
Nella combinazione della pompa di calore con il solare termico, ha senso anche una modalità “a risparmio energetico”. Quando il sistema solare termico è attivo, la pompa di calore può essere spenta o abbassata in modo che il sistema solare termico possa funzionare in modo ancora più efficiente.
Pompe di calore e acqua calda sanitaria
Il riscaldamento dell’acqua calda sanitaria è tradizionalmente un punto debole dei sistemi a pompa di calore, poiché le temperature più elevate riducono l’efficienza della pompa di calore. Le funzioni dell’acqua calda sanitaria nei regolatori integrati delle pompe di calore sono quindi spesso piuttosto semplici e potrebbero essere ampliate per includere funzioni utili. Ciò include la gestione del caricamento dell’accumulo di acqua calda, dove diversi setpoint dovrebbero essere controllabili in diversi orari di tempo. Il supporto di sistemi a più accumuli, controllando anche il trasferimento del serbatoio, crea ulteriore flessibilità.
Un altro esempio è il controllo anti-legionella a vantaggio dell’igiene dell’acqua calda sanitaria. Se la tecnologia del sistema è controllata da un dispositivo centrale, può attivare la pompa di calore o altre fonti di energia per effettuare la disinfezione termica. Grazie alla registrazione integrata dei dati o alla connessione ai server cloud, questi possono essere registrati e quindi comprovati anche per le installazioni commerciali.
Come fa la centralina di riscaldamento a controllare la pompa di calore?
Se si utilizza una centralina di sistema esterna, è necessario chiarire l’interfaccia con la centralina della pompa di calore integrata. Nel caso più semplice, si tratta di un contatto pulito da un relè che viene utilizzato per richiedere energia alla pompa di calore. La modulazione rimane nell’ambito della pompa di calore. Questo aumenta l’efficienza e protegge i componenti come il compressore.
Una seconda possibilità è un segnale 0-10V, che può essere utilizzato per richiedere la temperatura alla pompa di calore dalla centralina esterna. Quest’ultima calcola la temperatura di riferimento richiesta per la mandata del circuito di riscaldamento o dell’acqua calda sanitaria e trasmette il segnale corrispondente alla pompa di calore. A seconda del produttore, 5 V potrebbero corrispondere a una temperatura nominale di 50°C, 6 V a 60°C, ecc. Questa modulazione esterna persegue anche l’obiettivo di ottimizzare il tempo di funzionamento, in modo da evitare che la pompa di calore si avvii troppo frequentemente.
Il terzo modo è attraverso un’interfaccia digitale come il Modbus. Sebbene sia l’opzione più complessa, offre molti vantaggi, non da ultimo la comunicazione bidirezionale. Tra questi c’è sicuramente la possibilità di monitorare il sistema e persino di configurare da remoto i parametri essenziali della pompa di calore, come le temperature di riferimento e la potenza. L’articolo “Come la connettività plasmerà il futuro della climatizzazione” esplora quali altri vantaggi offre la connettività. Le particolarità che si presentano per lo sviluppo dei prodotti sono spiegate nell’articolo “8 Sfide per lo sviluppo di prodotti connessi per la climatizzazione“.
Gestire l’autoconsumo fotovoltaico e la rete elettrica
Oltre alla pompa di calore, anche il fotovoltaico gioca un ruolo centrale nel mix energetico del futuro. Poiché entrambe le tecnologie si completano a vicenda in modo ideale quando si alimenta la pompa di calore con l’elettricità fotovoltaica autoprodotta, esse hanno tutte le carte in regola per diventare il tandem energetico di successo per l’impianti di domani.
Con il progressivo affermarsi della smart grid, questo comporta nuovi requisiti e potenzialità per il controllo delle pompe di calore. In questo caso è possibile impostare l’ingresso su un morsetto per gestire un consenso da un contatto per produzione fotovoltaica. In questo modo la pompa di calore potrebbe entrare in una modalità comfort che imposta una temperatura di setpoint più alta per autoconsumare l’elettricità in surplus.
Un secondo morsetto può essere utilizzato per dare la possibilità al fornitore di energia elettrica di offrire delle discriminanti in funzione della tariffa elettrica. Entrambi gli ingressi vengono impostati per verificare la presenza di un contatto aperto (0) o chiuso (1), rendendo possibili quattro modalità operative:
| 0:0 | Spegnimento forzato da parte del fornitore di energia. Il circuito di riscaldamento viene spento, ad eccezione delle funzioni di protezione come la protezione antigelo. |
| 1:0 | Modalità Eco per risparmiare energia riducendo la temperatura in caso di mancanza di energia o di prezzi elevati dell’elettricità. |
| 0:1 | Funzionamento normale basato sul programma orario impostato e sulle temperature di riferimento |
| 1:1 | Aumento della temperatura comfort per approfittare dei prezzi favorevoli dell’elettricità o per alleggerire la rete elettrica attraverso un consumo aggiuntivo. |
L’utilizzo delle eccedenze di energia elettrica è particolarmente interessante nei sistemi con serbatoio puffer, in quanto questo può semplicemente assorbire l’energia aggiuntiva e utilizzarla in un secondo momento. Un serbatoio può quindi soddisfare un principio di funzionamento simile a quello di una batteria elettrica e presenta reali vantaggi energetici, economici ed ecologici. Lo svantaggio è che il COP della pompa di calore tende ad essere più basso a temperature di accumulo più elevate, ma questo aspetto è di secondaria importanza nel contesto delle eccedenze di elettricità.
Infobox: Power-to-Heat
L’utilizzo dell’energia elettrica per generare calore è chiamato anche power-to-heat o P2H. A causa del crescente utilizzo di generatori di elettricità con produzione variabile come l’energia eolica e il fotovoltaico, ci sono sempre più fasi in cui la produzione di elettricità supera la domanda. Invece di spegnerli semplicemente, è possibile convertire l’elettricità in calore. Questo può essere fatto utilizzando tecnologie efficienti come la pompa di calore o direttamente con le resistenze elettriche. La conversione dell’elettricità in calore è un aspetto del cosiddetto sector coupling (accoppiamento settoriale) dell’industria energetica. Per aumentare la flessibilità, nei sistemi power-to-heat vengono spesso utilizzati serbatoi di accumulo termico.
La pompa di calore con riscaldamento e raffreddamento a pavimento
Un’altra forma di accumulo termico dell’elettricità fotovoltaica in eccesso può essere realizzata in combinazione con il riscaldamento a pavimento. In questo modo è possibile distribuire nell’edificio il calore aggiuntivo generato dall’elettricità fotovoltaica in eccesso tramite la pompa di calore, sfruttando così la capacità di accumulo della massa dell’edificio.
Il controllo multizona dei sistemi di riscaldamento a pavimento può includere anche una pompa di calore che ottimizza i tempi di funzionamento della pompa di calore. Questo include tempi minimi di funzionamento, tempi di pausa, ritardi temporali come quelli tra il compressore e la pompa di carica dell’accumulo o anche tempi di post-circolazione per un funzionamento efficiente e preciso della pompa di calore. Ad esempio, le valvole del collettore di riscaldamento possono essere controllate in modo che si aprano solo dopo un tempo di attesa adeguato e che rimangano aperte abbastanza a lungo da permettere alla pompa di calore di raggiungere il suo tempo di funzionamento minimo.
Con le centraline integrate nelle pompe di calore, la combinazione di riscaldamento e raffreddamento è spesso controllata solo in modo rudimentale. La gestione affidabile del punto di rugiada viene spesso trascurata, ad esempio limitandosi a fornire uno spegnimento del sistema tramite un sensore montato sulla mandata.
A differenza dello spegnimento generale del sistema, sarebbe auspicabile controllare la temperatura di mandata anche in modalità di raffreddamento, tenendo conto del calcolo del punto di rugiada, in modo da evitare uno lo spegnimento frequente. Un altro approccio potrebbe essere una gestione differenziata del punto di rugiada zona per zona, in modo che la pompa di calore possa continuare a funzionare in tutti gli ambienti in cui rimane sicura. Data la crescente popolarità di questi sistemi multifunzionali, vedremo sicuramente una crescente quantità di funzioni per la combinazione di riscaldamento e raffreddamento.
Qui puoi leggere come potrebbe essere un buon concetto di regolazione per il raffrescamento con pannelli radianti.
 | Informazioni sull’autoreChristian Zänker è responsabile tecnico di SOREL dagli anni Novanta e vanta quindi circa 25 anni di esperienza pratica nello sviluppo di termoregolatori per l’industria del riscaldamento e della climatizzazione.
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