Le pompe di calore e la termoregolazione

Tra i diversi aspetti da considerare per l’ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi impiantistici c’è la termoregolazione. Ogni sistema però deve essere regolato opportunamente, in modo da massimizzarne i vantaggi e gli effetti utili. Di seguito si vedrà come intervenire sulla regolazione delle pompe di calore, con un esempio pratico in abbinamento a pavimenti radianti.


La regolazione della temperatura

Con regolazione (o termoregolazione) si intende la regolazione (automatica o manuale) della temperatura, in modo tale il calore erogato dai sistemi di generazione sia quello strettamente necessario al raggiungimento delle condizioni di comfort termico all’interno dell’ambiente, definite dall’utenza finale (per impianti centralizzati la regolazione riguarda generalmente la temperatura del generatore, la temperatura di mandata al sistema di distribuzione e può includere la temperatura del locale in cui viene emesso il calore);il sistema di regolazione è fondamentale per raggiungere i livelli di comfort, il quale deve garantire i livelli di emissioni adeguati alle effettive necessità (variabili nel tempo).

I sistemi di regolazione posso intervenire sulla temperatura di mandata del fluido termovettore, sulla temperatura dell’ambiente interno e sulla temperatura della singola zona (questi sistemi sono combinabili in diverse modalità).

Vediamo di seguito un po’ più di dettaglio.

 

Regolazione della temperatura di mandata

La regolazione della temperatura di mandata definisce la temperatura fluido inviato all’impianto dal generatore, agendo sulla potenza del generatore o su una apposita valvola servoassistita. I dispositivi di regolazione possono essere collocati direttamente in centrale oppure dentro le cassette di distribuzione a servizio delle singole zone.

A seconda del criterio di funzionamento si classificano in:

Regolazione a punto fisso

È il sistema più semplice, che consiste nel mantenere la temperatura di mandata ad un valore costante preimpostato. Questi sistemi possono essere composti da un’eventuale centralina elettronica (nella quale si imposta la temperatura di mandata), una sonda di misura della temperatura di mandata, e un circuito di miscelazione (valvola miscelatrice + servomotore). È possibile non avere centraline elettroniche, utilizzando valvole termostatiche che controllino meccanicamente la posizione della valvola miscelatrice. In questo tipo di regolazione non c’è nessuna correlazione con il clima esterno, e si adatta a impianti di piccola taglia, in cui l’utente finale definisce la temperatura di mandata in base alle condizioni di comfort desiderate.

Regolazione a punto fisso compensato

Come nel caso precedente, la temperatura di mandata è mantenuta costante, ma avviene una compensazione per considerare l’effettiva richiesta di calore: il valore della temperatura di mandata in questo caso dipende, sia dal set-point impostato dall’utente, ma anche dal valore del salto termico tra fluido di mandata e di ritorno. Pertanto, al circuito prima descritto si aggiunge una sonda di temperatura di ritorno. Nel caso di salto termico alto (ovvero quando è necessaria una grande quantità di calore per raggiungere le condizioni di comfort), la centralina comanda il servomotore della valvola miscelatrice per innalzare la temperatura di mandata (rispetto al valore di set-point). Viceversa, nel caso di bassi salti termici (che si possono verificare nel caso di elevati apporti di calore gratuiti, interni e/o esterni). Anche in questo secondo caso, però, le condizioni climatiche non sono direttamente tenute in considerazione.

Regolazione climatica

Con questo tipo di regolazione si tiene invece conto delle condizioni climatiche esterne. Le dispersioni termiche, infatti, sono direttamente proporzionali alla differenza di temperatura tra ambiente interno ed esterna: se la giornata è calda, questa differenza di temperatura sarà bassa, e quindi saranno basse anche dispersioni e fabbisogni conseguenti. La composizione del sistema è in genere: una centralina elettronica (nella quale si imposta la temperatura di mandata), una sonda di misura della temperatura di mandata, un circuito di miscelazione (valvola miscelatrice + servomotore), e una sonda di temperatura esterna. All’interno della centralina viene imputata la curva climatica (modificabile a seconda delle specifiche esigenze), tramite la quale si ricava la temperatura di mandata a partire dalla temperatura dell’aria esterna, e viene inviato l’input che regola la valvola miscelatrice. Questa tipologia di regolazione è la più energeticamente efficiente, perché si adatta continuamente alle effettive condizioni climatiche. Richiede però particolare cura nella programmazione della curva climatica, in modo che questa rappresenti le effettive esigenze, in funzione delle caratteristiche dell’edificio e del tipo di impianto. A tal proposito, la curva climatica è caratterizzabile tramite i due seguenti parametri configurabili:

  • Pendenza, cioè il rapporto tra la variazione della temperatura di mandata e la variazione della temperatura esterna (a volte è possibile definire pendenze multiple, a seconda dei diversi intervalli di temperatura): agire sulla pendenza consente di variare la differenza di temperatura tra mandata e ambiente esterno, a seconda della temperatura dell’ambiente esterno (ad esempio, aumentando la pendenza, minore è la temperatura esterna, maggiore sarà la temperatura di mandata);

  • Sfasamento: valore costante di temperatura con cui far traslare la curva in alto o in basso, aumentando o riducendo rispettivamente la temperatura di mandata (ad esempio, se in ambiente si percepisce sempre un po’ di freddo, traslando la curva verso l’alto la temperatura di mandata sarà sempre più calda, a prescindere dalla temperatura esterna).

Regolazione climatica: pompa di calore abbinata a impianto radiante

Figura 1 – Curva climatica per impianti a bassa temperatura (pavimenti radianti) e alta temperatura (radiatori).

 

Regolazione della temperatura ambiente

La regolazione della temperatura ambiente ha lo scopo di controllare l’emissione termica all’interno dei locali serviti dagli impianti di climatizzazione, in modo tale da mantenere al loro interno la temperatura di comfort desiderata. Essa può avvenire tramite i metodi seguenti, la cui scelta dipende dalla tipologia impiantistica (sistemi di emissione) adottata:

Regolazione ON/OFF

È il sistema di regolazione più semplice, in cui il regolatore è un semplice termostato in grado di mantenere la temperatura compresa tra un valore minimo e massimo. Quando la temperatura misurata è inferiore al valore minimo il termostato si accende (ON) per poi spegnersi quando la temperatura raggiunge il valore desiderato (OFF). Di conseguenza, la temperatura ambiente oscillerà in continuazione all’interno dell’intervallo di temperature compreso tra il valore minimo e massimo impostati (definito differenziale). L’ampiezza del differenziale deve essere definita considerando i due seguenti aspetti: differenziali molto stretti consentono di rimanere sempre prossimi alla temperatura di comfort, ma causano un continuo ciclo di accensione e spegnimento; differenziali troppo ampi, invece, causano un maggiore scostamento dalla temperatura ideale (oscillazioni più ampie), ma riducono il numero di accensioni energeticamente dispendiose. La regolazione così ottenuta non è ottimale, ma può adattarsi bene in sistemi dotati di un’elevata inerzia termica, quali gli impianti radiati, in cui ogni zona può essere controllata da termostati ON/OFF che regolano la completa apertura o chiusura delle valvole di zona poste nei collettori di distribuzione. È inoltre energeticamente dispendiosa, perché quando il sistema è in fase ON, il generatore lavora alla massima potenza.

Regolazione modulante

In questo secondo caso la regolazione avviene tramite una centralina di regolazione in grado di adattarsi rapidamente alle variazioni di carico interno, per mantenere in maniera continuativa la temperatura di comfort all’interno dell’ambiente. Le oscillazioni di temperatura saranno quindi molto più contenute. Per tale motivo si adatta molto bene ad impianti con bassa inerzia termica, e che quindi necessitano di risposte molto rapide, e consente un maggior risparmio energetico, perché la potenza termica erogata corrisponde a quella strettamente necessaria

Esistono tre principali metodologie di regolazione modulante:

  • Proporzionale – P (verifica costante del valore di temperatura ambiente):
    È il metodo più semplice, che regola la portata proporzionalmente alla differenza di temperatura ambientale tra quella attesa e quella effettiva. Ad esempio, partendo da una situazione in cui la temperatura ambiente è minore di quella di set point, la valvola regolatrice si apre totalmente, per chiudersi gradualmente, man mano che ci si avvicina al set point, che corrisponde alla chiusura della valvola. L’intervallo di temperatura entro cui si attiva il movimento della valvola per raggiungere la temperatura di comfort, si definisce banda proporzionale, e rappresenta il campo di lavoro della valvola. L’ampiezza della valvola è regolabile (0,5 – 1 – 2 °C), e per sceglierla adeguatamente bisogna arrivare ad un compromesso tra comfort e oscillazioni dell’impianto (una banda più larga, ad esempio, causerà un maggiore scostamento dalla temperatura di comfort, ma consentirà all’impianto di lavorare in maniera più graduale, senza cicli di aumento/riduzione delle portate eccessivamente rapidi (che potrebbero somigliare ad una regolazione ON/OFF).

  • Proporzionale Integrale – PI (controllo aggiuntivo basato sui valori passati della temperatura ambiente):
    Sistema di regolazione che consente di ridurre, nel lungo termine, lo scostamento dalla temperatura di set point, utilizzando lo storico di valori di temperatura ambiente misurati.

  • Proporzionale Integrale Derivativo – PID (controllo aggiuntivo basato sulla previsione di variazione della temperatura ambiente)

Sistema di regolazione che, in aggiunta ai punti precedenti, consente di velocizzare la reazione delle valvole, sulla base di previsioni di aumento della temperatura ambientale, derivate da osservazioni e acquisizioni precedenti.

Regolazione modulante confronto con regolazione ON/OFF

Figura 2 – Confronto, indicativo, tra regolazione ON/OFF e modulante.

 

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L'articolo prosegue riportando un esempio pratico su come intervenire sulla regolazione delle pompe di calore in abbinamento a pavimenti radianti.


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