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Come abbinare caldaia a condensazione e pompa di calore: configurazioni, vantaggi e criticità dei sistemi ibridi

I sistemi ibridi sono il risultato dell’unione di due o più tecnologie, l’intento è quello di creare un impianto in grado di sfruttare i punti di forza di ogni soluzione minimizzandone le criticità. Nei casi che andremo ad esaminare, i sistemi sono ottenuti combinando una caldaia a condensazione e una pompa di calore (PdC), le caldaie sono solitamente alimentata a gas naturale mentre le pompe di calore sono di tipo aria/acqua o acqua/acqua, con alte prestazioni ed un azionamento elettrico. Cerchiamo però di capire perché questo tipo di tecnologia si sta ampiamente diffondendo, quali vantaggi e quali criticità stanno dietro gli impianti ibridi e come diverse configurazioni possano migliorarne l’efficienza riducendo consumi e costi.

La diffusione dei sistemi ibridi

La produzione di calore è tradizionalmente affidata a generatori che sfruttano l’energia rilasciata durante il processo di combustione. Attraverso l’uso di combustibili fossili è possibile riscaldare gli edifici o produrre acqua calda sanitaria indipendentemente da quelle che sono le condizioni atmosferiche esterne con grande libertà di regolazione e utilizzo. L’uso di queste fonti non rinnovabili costituisce però da tempo un limite allo sviluppo sostenibile e lo sfruttamento indiscriminato delle risorse naturali sta portando a importanti effetti sul clima e lo stato di salute del pianeta.

La produzione di calore da fonti completamente rinnovabili si scontra con i limiti attualmente presenti nella tecnica, al giorno d’oggi i costi di realizzazione di sistemi di accumulo e quelli di realizzazione di impianti totalmente green non sono sostenibili su larga scala e trovano applicazione soltanto su progetti limitati.
Per ridurre sensibilmente l’impatto ambientale delle attività umane e velocizzare la transizione ecologica verso un sistema produttivo ad emissioni zero, gli enti nazionali e sovranazionali hanno dato vita ad una vasta gamma di incentivi con l’obbiettivo di ridurre i costi di realizzazione di impianti più sostenibili.
Il progressivo abbandono nell’utilizzo di combustibili fossili spinge i produttori di generatori a sviluppare tecnologie con limitato ricorso a fonti di tipo tradizionale in favore di vettori energetici più eco-compatibili, così da produrre calore con ridotti effetti sulle risorse naturali.
Negli ultimi decenni è stato fatto un grosso sforzo per ridurre le emissioni di gas serra e per limitare la concentrazione di inquinanti nell’aria, soprattutto nei grossi centri urbani dove questi fenomeni sono più evidenti.

Perché le pompe di calore

Nella produzione del calore, la riduzione nell’uso di caldaie di tipo tradizionale in favore di caldaie a condensazione non elimina il problema generato dai fumi di scarico ma ne limita gli effetti. L’introduzione di generatori di calore con tecnologia a pompe di calore azzera del tutto il problema delle emissioni spostando l’attenzione su come si può produrre energia elettrica in modo sostenibile.

Alla luce delle considerazioni sin qui introdotte, l’uso di pompe di calore per riscaldare le nostre case o produrre acqua calda sanitaria risulta essere una delle più importanti soluzioni per migliorare la qualità di vita nei nostri centri urbani, sebbene si scontri con alcuni limiti che ancora oggi ne impediscono una più ampia diffusione e che dipendono dallo stato di sviluppo della tecnologia.
Le pompe di calore funzionano ad azionamento elettrico, assorbono energia dalla rete e la utilizzano per pompare il calore da una sorgente ad un'altra.

Questo processo riduce l’utilizzo di fonti di energia primaria a patto che le proprie prestazioni, misurabili sulla base del Coefficient of performance (COP), siano superiori a valori fissati dalla normativa e che trovano riscontro nella fisica del processo.
A titolo di esempio si riportano qui di seguito i coefficienti di prestazione minimi per pompe di calore elettriche indicati all’interno della tabella 1, allegato IV del Decreto Legislativo del 8 novembre 2021, n. 199, prestazione del coefficiente di prestazione istantaneo (COP) dichiarata e garantita dal costruttore della pompa di calore sulla base di prove effettuate in conformità alla norma UNI EN 14511.1

Figura 1 - Coefficienti di prestazione minimi per pompe di calore elettriche disposti dal Decreto legislativo del 08 novembre 2021, n. 199.

La produzione di energia elettrica è in buona parte effettuata con l’utilizzo di combustibili fossili e solo una componente residua è generata attraverso l’utilizzo di fonti rinnovabili, come l’energia idroelettrica quella da parchi fotovoltaici o dei distretti eolici. Ciò significa che solamente se l’energia termica generata dalla pompa di calore alla fine per processo è superiore a quella che sarebbe stata necessaria utilizzando energia primaria allora si può parlare di reale beneficio in termini ambientali. Per effettuare questo bilancio bisogna considerare il fabbisogno di energia di energia primaria per la produzione dell’energia elettrica, consumo che va via via riducendosi grazie al contributo sempre più incisivo delle fonti rinnovabili.

Temperature e generatore secondario

A questo punto è naturale chiedersi perché non sia sufficiente l’installazione di una pompa di calore per sopperire all’interno fabbisogno termico di un edificio invece di prevedere l’installazione di un sistema ibrido e la risposta è nei limiti di temperatura di queste macchine.
Le pompe di calore si adattano bene a funzionare con sistemi che richiedano basse temperature di esercizio, quindi principalmente sistemi di riscaldamento a pannelli radianti o ventilconvettori o comunque applicazioni che richiedano la produzione di acqua calda ad una temperatura non superiore ai 65°C nel settore industriale.

In ambito residenziale, per il riscaldamento di un edificio o la produzione di acqua calda sanitaria, non è sempre necessario fruttare a pieno la potenza del generatore, quindi è possibile prevedere l’utilizzo di una pompa di calore per coprire il grosso del fabbisogno termico limitandosi ad utilizzare altri generatori laddove le pompe di calore non possono arrivare. In questo modo è possibile fruttare i benefici di questa tecnologia anche se solo per un limitato periodo dell’anno e ridurre così il consumo dei combustibili fossili.

La pompa di calore sarebbe incaricata di produrre l’intero fabbisogno termico necessario alla produzione di acqua calda sanitaria mentre il suo contributo al riscaldamento di un edificio si limiterebbe ai mesi meno rigidi dell’anno, quanto le temperature esterne consento un funzionamento dell’impianto a regime ridotto con temperatura di mandata al sistema di emissione compatibili con i valori massimi raggiungibili dalla pompa di calore.

Il generatore secondario a supporto della pompa di calore deve essere allo stesso tempo molto flessibile per rispondere tempestivamente all’indisponibilità del generatore principale e coprire le condizioni di lavoro in cui la pompa di calore non può funzionare.

Figura 2 – Sistema ibrido con in evidenza il circuito di interconnessione fra caldaia (interna), Puffer di accumulo (in basso sulla destra) e pompa di calore (esterna all’edificio).

Fra la vasta gamma di possibili soluzioni la caldaia a condensazione rappresenta la migliore soluzione trattandosi di una tecnologia ampiamente diffusa, dai costi contenuti e dall’elevata affidabilità.
Abbinare una caldaia a condensazione, magari alimentata a gas naturale, ad una pompa di calore non solo estende i benefici del generatore primario anche ad applicazioni altrimenti escluse ma ne potenzia anche i benefici. Come vedremo nel seguito la presenza di due generatori consente una maggiore efficienza a patto di prevedere una buona configurazione del sistema e di circoscrivere gli inevitabili svantaggi.

Caldaie e pompe di calore: vantaggi e criticità

Negli impianti ibridi più comuni molti costruttori propongono l’utilizzo di una pompa di calore ad aria da abbinare ad una caldaia a condensazione. Entrambe le tecnologie sono ampiamente diffuse ed esistono molte soluzioni impiantistiche suggerite dalle più grandi case costruttrici per fruttare a pieno entrambi i generatori. I vantaggi e le criticità dei sistemi ibridi sono dovuti ai punti di forza e ai limiti impiantistici di ogni generatore, qui di seguito andremo a indicare alcuni degli aspetti più rilevanti così da comprendere al meglio questa soluzione impiantistica.

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Nel resto del testo si parlerà di caldaie a condensazione nei sistemi ibridi, di limiti e vantaggi delle pompe di calore e delle configurazioni dei sistemi ibridi

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