Quando si progetta un sistema di riscaldamento o di raffreddamento con pompa di calore aria-acqua, una delle prime decisioni idrauliche è quella di utilizzare un sistema di riscaldamento o di raffreddamento con pompa di calore aria-acqua.sistema a circuito singolo con collegamento direttoo unsistema idronico primario-secondario.

Sebbene questi termini siano ampiamente utilizzati nell'industria delle pompe di calore e di climatizzazione, la scelta non dovrebbe basarsi semplicemente sul presupposto che una configurazione sia sempre più efficiente dell'altra.

La corretta disposizione idraulica dipende da diversi fattori, tra cui:

• Capacità della pompa di calore
• Flusso d'acqua del sistema richiesto
• Carico di riscaldamento e raffreddamento
• Tipo di unità terminali
• Numero di zone di riscaldamento
• Temperatura necessaria dell'acqua di alimentazione
• Differenziale di temperatura richiesto (ΔT)
• Caratteristiche della pompa di circolazione
• Requisiti di flusso variabile
• Requisiti minimi di volume e di portata dell'acqua della pompa di calore

Questo articolo spiega laprincipio di funzionamento, caratteristiche idrauliche, vantaggi, limitazioni e applicazioni tipiche di un sistema di pompe di calore idroniche a ciclo singolo.

1. Che cos'è un sistema di pompa di calore idronico a ciclo singolo?

Asistema di pompa di calore idronico a ciclo singolo, chiamato anchesistema idronico con collegamento diretto, è un sistema HVAC ad acqua in cui la pompa di calore e l'apparecchiatura terminale di riscaldamento o raffreddamento sono collegati all'interno dello stesso circuito idraulico.

Nella sua forma piu' semplice:

Pompa di calore → pompa di circolazione → terminali di riscaldamento/raffreddamento → pompa di calore

La stessa acqua circolante passa sia attraverso la fonte di calore che attraverso il lato di carico.

A differenza di un sistema primario-secondario, vi è normalmentenessun separatore idraulico tra il circuito della pompa di calore e quello di distribuzione.

Il sistema può fornire apparecchiature terminali quali:

• Riscaldamento a pavimento
• Radiatori
• Unità a bobina ventilatrice
• Coili di unità di trattamento dell'aria
• Altri terminali idronici per il riscaldamento o il raffreddamento

Diagramma idraulico semplificato

Fornire acqua 
- Sì.
│ │ │ │ │
│ │ │ Circolazione
│ Pompa di calore │ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ │
│ ▼ 
│ │ │ │ │ │
│ │ lato del carico │ 
│ │ │ 
│ │ Radiatore │ │
│ │ Volante │ │
│ │ Riscaldamento a pavimento │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │
│ │ │ │ │ │
←
Acqua di ritorno

La caratteristica fondamentale è semplice:

La pompa di calore e le unità terminali condividono lo stesso percorso di flusso dell'acqua circolante.

2Come funziona un sistema di pompa di calore a ciclo singolo?

Il principio di funzionamento può essere compreso attraverso due parametri idraulici fondamentali:

1. differenza di temperatura dell'acqua (ΔT)
2Temperatura media dell'acqua circolante

Questi due parametri sono strettamente correlati alla quantità di calore trasferita tra la pompa di calore e l'edificio.

3Comprendere la temperatura dell'acqua di rifornimento e di ritorno

Durante il funzionamento del riscaldamento, la pompa di calore aumenta la temperatura dell'acqua circolante.

Per esempio:

Pompa di calore → 40°C Acqua di approvvigionamento → Termini di riscaldamento → 35°C Acqua di ritorno → Pompa di calore

La differenza di temperatura è:

ΔT = 40°C − 35°C = 5 K

L'apparecchiatura terminale rimuove l'energia termica dall'acqua e la trasferisce nell'edificio.

L'acqua di ritorno del raffreddatore scorre poi verso la pompa di calore e viene riscaldata.

Il ciclo continua finché esiste la domanda di riscaldamento.

Profil di temperatura

Uscita della pompa di calore
40°C
│
│ Il calore viene erogato │
▼ all'edificio 
- Sì. - Sì, certo.
ΔT = 5 K 
◄ ◄ ◄ ◄ ◄
▲
│
35°C
Innesco della pompa di calore

In modalità di raffreddamento, il principio è inverso: la pompa di calore fornisce acqua refrigerata e le unità terminali assorbono il calore dall'ambiente interno.

4. Perché è importante il ΔT?

Per un impianto di riscaldamento idronico, la capacità termica trasferita può essere approssimativa mediante:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Dove:

• Q.= capacità di trasferimento di calore
• ṁ= portata di massa dell'acqua
• Cp= capacità termica specifica dell'acqua
• ΔT= differenza di temperatura dell'acqua di approvvigionamento/rientro

Per i calcoli pratici di HVAC utilizzando acqua:

Q (kW) ≈ 1,163 × portata (m3/h) × ΔT (K)

Pertanto:

Flusso (m3/h) ≈ Q / (1,163 × ΔT)

Esempio

Supponiamo che una pompa di calore fornisca:

Capacità di riscaldamento = 20 kW

con:

ΔT = 5 K

Il flusso d'acqua richiesto è approssimativamente:

20 ÷ (1,163 × 5) ≈ 3,44 m3/h

Questo dimostra una caratteristica importante dei sistemi connessi direttamente:

La capacità della pompa di calore, la capacità terminale, il flusso d'acqua e ΔT devono essere idraulicamente coordinati.

Se la pompa di calore richiede un flusso d'acqua significativamente maggiore o minore rispetto al sistema di distribuzione terminale, il collegamento diretto può diventare difficile da controllare.

5- Bilancio energetico in un sistema a ciclo unico

In condizioni di funzionamento stabili, l'energia termica generata dalla pompa di calore deve corrispondere approssimativamente all'energia termica assorbita dall'edificio:

Pompata di calore ≈ Trasferimento terminale di calore ≈ Carico di riscaldamento degli edifici

Tuttavia, questi valori sono raramente identici in ogni momento.

Il carico dell'edificio cambia continuamente a causa di:

• Temperatura esterna
• Radiazione solare
• Occupazione
• Guadagni termici interni
• Impostazioni del termostato
• Valvole di zona di apertura o chiusura
• Funzionamento della bobina del ventilatore
• Condizioni meteorologiche

Ciò significa che un sistema di pompa di calore idronico cerca costantemente di mantenere un equilibrio traproduzione e consumo di calore.

6Cosa succede quando la produzione di pompe di calore supera la domanda di costruzione?

Considera un sistema durante l'avvio.

All'inizio l'edificio e l'acqua circolante possono essere fredde.

A questo punto:

• La domanda di riscaldamento è elevata.
• La temperatura dell'acqua di ritorno e' bassa.
• Il trasferimento di calore dal lato terminale e' elevato.
• La pompa di calore funziona ad una potenza relativamente elevata.

Man mano che l'edificio si avvicina alla temperatura di riferimento, il fabbisogno terminale di calore diminuisce.

Se la pompa di calore continua a produrre più calore di quello che l'edificio può assorbire,l'energia termica in eccesso aumenta temporaneamente la temperatura dell'acqua circolante e la massa termica del sistema.

Di conseguenza:

La temperatura media dell'acqua aumenta.

Il regolatore della pompa di calore risponde quindi:

• b. un'unità di accensione superiore a 100 m; o
• Fermare il compressore quando la temperatura di riferimento è raggiunta.

Questo è uno dei motivi per cuiLe pompe di calore a inverter a corrente continua sono particolarmente adatte per sistemi idronici a bassa temperatura correttamente progettati.

Invece di funzionare solo a piena capacità o fermarsi completamente, il compressore può modulare la sua potenza per seguire i cambiamenti nella domanda dell'edificio.

7L'importanza del volume dell'acqua del sistema

Il volume dell'acqua fornisce inerzia termica.

Un modo semplificato per capirlo è:

La pompa di calore produce calore.
↓
- E' un'altra cosa.
│ Sistema Acqua │ │
│ Volume │ 
- E' un'altra cosa.
↓
Termini di riscaldamento
↓
Edilizia

Se la produzione di calore e il consumo di calore sono temporaneamente diversi, il volume d'acqua può assorbire parte di questo squilibrio.

Un adeguato volume d'acqua può aiutare:

• Stabilizzare la temperatura dell'acqua
• Riduzione dei cicli rapidi del compressore
• Migliorare la stabilità di funzionamento della pompa di calore
• Fornire energia termica in condizioni transitorie
• Sostenere l'operazione di scongelamento in alcune configurazioni di sistema

Tuttavia,più volume d'acqua non è automaticamente meglio.

L' eccesso di volume del buffer può aumentare:

• Costo dell'installazione
• Requisiti di spazio
• Perdite di calore in posizione stazionaria
• Tempo di riscaldamento del sistema

Il volume corretto dovrebbe pertanto essere determinato in base ai requisiti minimi del fabbricante della pompa di calore per il volume dell'acqua e alle caratteristiche idrauliche del progetto.

8Relazione tra capacità della pompa di calore e temperatura dell'acqua

Una pompa di calore a inverter moderna regola continuamente la sua potenza in base alle condizioni di funzionamento.

Quando la domanda di riscaldamento aumenta:

Carico più elevato → produzione di calore necessaria più elevata

A seconda della strategia di controllo, il sistema può rispondere mediante:

• Frequenza superiore del compressore
• Temperatura dell'acqua di approvvigionamento superiore
• Aumento del flusso di circolazione
• O una combinazione di questi fattori

Quando il fabbisogno di riscaldamento diminuisce:

Carico minore → Potenza di uscita della pompa di calore minore

Ecco perche'compensazione del tempo / controllo di ripristino esternoè importante per l'efficienza della pompa di calore.

Invece di mantenere inutilmente alte temperature dell'acqua per tutta la stagione di riscaldamento, il regolatore può ridurre la temperatura di approvvigionamento dell'acqua di destinazione in condizioni esterne più miti.

Una temperatura dell'acqua di approvvigionamento inferiore riduce generalmente la sollecitazione del compressore e può migliorare l'efficienza stagionale della pompa di calore.

9. Configurazione tipica della pompa di calore a ciclo singolo

Un sistema pratico può contenere:

Pompa di calore aria-acqua
│
▼
Pompa di circolazione
│
▼
Capo di approvvigionamento
│
- E' un'altra cosa.
- Si ', certo.
Radiatore FCU pavimento 
Riscaldamento
│ │ │ 
- E' un'altra cosa.
▼
Ritorna l' intestazione
│
▼
Pompa di calore

A seconda della progettazione del sistema, i componenti aggiuntivi possono includere:

• Vaso di espansione
• Ventilazione automatica
• Valvola di sicurezza
• Separatore di sporcizia magnetico
• Sciacquone a Y
• Valvola di controllo
• Indicatore di pressione
• Sensori di temperatura
• Misuratore di portata o interruttore di portata
• Valvole di bilanciamento
• Valvole di zona
• Valvola di bypass a pressione differenziale

Questi componenti non convertono necessariamente il sistema in un sistema primario-secondario.

La questione fondamentale è se il circuito della pompa di calore e il circuito di distribuzione dei terminali rimangonoconnessione idraulica diretta.

10La scelta della pompa di circolazione è fondamentale

La pompa di circolazione deve fornire un flusso sufficiente e superare la caduta di pressione totale del circuito idraulico.

Il progettista deve considerare:

Portata richiesta + resistenza totale del sistema = Punto di funzionamento della pompa di circolazione

La resistenza totale può comprendere:

• Calore pompa scambiatore acqueo
• Tubi di rifornimento e di ritorno
• Fittings
• Filtri
• Valvole
• Manifold
• Radiatori
• di larghezza superiore a 20 mm
• Circuiti di riscaldamento a pavimento

Una pompa selezionata solo in base al flusso nominale, senza verificare la testa disponibile, può provocare una circolazione insufficiente.

Allo stesso modo, una pompa troppo grande può causare:

• Velocità eccessiva dell'acqua
• Consumo di energia della pompa maggiore
• Noise
• Problemi di controllo delle valvole
• ΔT ridotto

Pertanto, la selezione della pompa di circolazione deve sempre basarsi sul calcolo idraulico effettivo del sistema.

11Flusso costante contro flusso variabile

Una delle considerazioni più importanti in un sistema di pompe di calore a circuito singolo è se il sistema di distribuzione funzioni ad un flusso approssimativamente costante o variabile.

Flusso costante o relativamente stabile

La connessione diretta è relativamente semplice quando:

Flusso richiesto dalla pompa di calore ≈ Flusso del sistema di distribuzione

Ad esempio, un semplice impianto di riscaldamento a pavimento con la maggior parte dei circuiti continuamente aperti può fornire condizioni idrauliche relativamente stabili.

Flusso variabile

La situazione diventa più complicata quando più termostati e valvole a zona controllano autonomamente aree diverse.

Per esempio:

Zona 1 aperta
Pompa di calore Zona 2 chiusa
Zona 3 chiusa.
Zona 4 chiusa

Quando diverse zone si chiudono, il flusso totale del sistema può diminuire significativamente.

Ciò può far sì che la pompa di calore scenda al di sotto del flusso minimo di acqua richiesto.

Le possibili conseguenze sono:

• Alarmi di protezione contro il basso flusso
• ΔT superiore
• Temperatura instabile dell'acqua di uscita
• Performance ridotta degli scambiatori di calore
• Frequenti cicli del compressore
• Poche prestazioni di scongelamento

Questa è una delle principali limitazioni dei sistemi connessi direttamente.

12. Vantaggi di un sistema di pompa di calore idronico a ciclo singolo

Disegno idraulico semplice

Un sistema a ciclo singolo richiede generalmente meno componenti idraulici.

Questo può ridurre:

• Complessità dell'installazione
• Numero di pompe
• Fabbricazione di tubi
• Requisiti di controllo

Bassi costi iniziali

Dato che non è necessaria la separazione idraulica e le pompe di distribuzione aggiuntive, i costi di attrezzatura e installazione possono essere inferiori.

Minore energia di pompaggio

Quando una pompa di circolazione ad alta efficienza correttamente selezionata può servire l'intero sistema, il consumo elettrico ausiliario può essere ridotto.

Miscelazione idraulica ridotta

I separatori idraulici e i serbatoi tampone possono introdurre la miscelazione in determinate condizioni di funzionamento.

Un sistema diretto correttamente progettato può inviare l'acqua che esce dalla pompa di calore direttamente ai terminali di riscaldamento senza questo effetto di miscelazione.

Questo può essere vantaggioso per le applicazioni di pompe di calore a bassa temperatura.

Buona compatibilità con le pompe di calore a inverter

Quando il flusso d'acqua rimane entro il range di funzionamento richiesto, una pompa di calore a inverter può modulare la capacità per seguire il carico dell'edificio in modo efficiente.

13. Limitazioni di un sistema a singolo ciclo

Un sistema connesso direttamente non è adatto a tutti i progetti.

Le sue principali limitazioni sono:

La pompa di calore e il flusso di carico devono essere compatibili

Poiché entrambi i lati condividono lo stesso circuito idraulico, differenze significative tra il flusso richiesto dalla pompa di calore e il flusso terminale possono creare problemi di controllo.

Molte zone possono causare instabilità del flusso

La chiusura delle valvole termostatiche o motorizzate modifica il flusso e la pressione totali del sistema.

Le diverse temperature terminali sono più difficili

Consideriamo un edificio contenente:

• riscaldamento a pavimento: 30°C-40°C
• Ventilatore a spirale: 40-45°C
• Radiatori: 45°55°C

Questi terminali possono richiedere diverse temperature di alimentazione e diverse caratteristiche di flusso.

Un semplice circuito di connessione diretta può quindi essere insufficiente.

Le dimensioni delle pompe diventano più critiche

Una singola pompa può essere necessaria per compensare la perdita di pressione sia della pompa di calore che della rete di distribuzione.

Il flusso minimo della pompa di calore deve essere sempre protetto

Le pompe di calore moderne normalmente specificano un flusso minimo di acqua di funzionamento.

Se il flusso del sistema scende al di sotto di questo valore, non è possibile garantire un funzionamento affidabile.

14Quando si raccomanda un sistema di pompa di calore a ciclo singolo?

Una configurazione a ciclo singolo è particolarmente interessante quando:

• Il sistema è relativamente piccolo
• La rete idraulica è semplice.
• Le esigenze di pompa di calore e di flusso terminale sono simili
• La maggior parte dei terminali funzionano a temperature dell'acqua simili
• Ci sono poche zone indipendenti.
• Il flusso rimane relativamente stabile
• La pompa di circolazione della pompa di calore ha una testa disponibile sufficiente
• Il flusso minimo della pompa di calore può sempre essere mantenuto
• Il volume dell'acqua del sistema soddisfa i requisiti del costruttore

Le applicazioni tipiche possono includere:

Pompa di calore + riscaldamento a pavimento

o

Pompa di calore + un circuito principale della bobina del ventilatore

o

Pompa di calore + sistema radiatore a bassa temperatura

15Quando si dovrebbe considerare un sistema primario-secondario?

Un sistema idronico primario-secondario diventa più attraente quando:

• L'edificio ha molte zone indipendenti
• Il flusso terminale varia significativamente
• Circuiti terminali diversi richiedono velocità di flusso diverse
• Sono necessarie diverse temperature dell'acqua
• La rete di distribuzione ha un'elevata resistenza idraulica
• La pompa di circolazione della pompa di calore non può servire l'intera rete
• Sono necessarie più pompe di circolazione
• Molte pompe di calore funzionano in cascata
• Deve essere garantito un flusso minimo stabile attraverso la pompa di calore

In questi casi, un separatore idraulico o un dispositivo tampone adeguatamente progettato possono disassociare idraulicamente il lato della pompa di calore dal lato di distribuzione dell'edificio.

Concettualmente:

Fonte di calore lato carico lato

Radiatori a pompa di calore.
│ ▲ 
Pompa primaria
│ Pompa secondaria 
▼ │ 
│ │ │ │ │
│ idraulica │ ◄ │ │ │ │
│ Separatore │ │
Il presente regolamento entra in vigore il giorno successivo alla pubblicazione nella Gazzetta ufficiale dell'UE.
▲ ▼ 
│ Ventilatori │
│
Circuito primario

I due lati possono quindi funzionare a velocità di flusso diverse senza una forte interazione idraulica.

16. Single-Loop vs. Primary-Secondary: quale è più efficiente?

Non esiste una risposta universale.

Un'idea sbagliata comune è:

"Un sistema a ciclo singolo è sempre più efficiente perché utilizza meno pompe".

Un altro malinteso è:

"Un sistema primario-secondario è sempre migliore perché è più professionale".

Nessuna delle due affermazioni è tecnicamente corretta.

L'efficienza del sistema dipende dalla progettazione idraulica completa.

Un sistema diretto ben progettato può essere estremamente semplice ed efficiente.

Tuttavia, forzare un impianto complesso a più zone in un unico circuito idraulico può causare flusso instabile, eccessivo ciclo e cattivo controllo della temperatura.

Al contrario, l'aggiunta di serbatoi tampone, pompe e dispositivi di miscelazione inutili a un semplice sistema residenziale può aumentare i costi di installazione e il consumo di energia elettrica parassita.

Il principio corretto è:

Utilizzare l'architettura idraulica più semplice in grado di mantenere il flusso, la temperatura, la pressione e la stabilità di controllo richiesti in tutte le condizioni di funzionamento attese.

17Domande frequenti

Che cos'è un sistema di pompa di calore a ciclo singolo?

A single-loop heat pump system is a hydronic configuration in which the heat pump and heating/cooling terminals share the same water circulation circuit without hydraulic separation between the heat source and load sides.

Un sistema a ciclo singolo richiede un serbatoio tampone?

- Non sempre.

Un serbatoio tampone deve essere considerato in base al volume minimo di acqua del sistema, al tempo minimo di funzionamento del compressore, ai requisiti di scongelamento,Strategia di zonizzazione e raccomandazioni del costruttore piuttosto che essere installati automaticamente in ogni progetto.

Una pompa di circolazione può servire l'intero sistema?

Sì, a condizione che la pompa possa fornire il flusso di progettazione richiesto alla testa totale del sistema calcolata mantenendo il range di flusso di funzionamento richiesto dalla pompa di calore.

Un sistema a ciclo unico può utilizzare radiatori e riscaldamento a pavimento insieme?

È possibile, ma occorre una progettazione attenta perché i radiatori e il riscaldamento a pavimento spesso funzionano a temperature e portate d'acqua diverse.Un circuito di miscelazione o un sistema di distribuzione separato idraulicamente possono essere più appropriati..

È idoneo un sistema a ciclo singolo per le pompe di calore a inverter?

Sì, le pompe di calore a inverter possono funzionare particolarmente bene in sistemi di connessione diretta correttamente progettati perché la capacità del compressore può essere modulata in base alla domanda termica.devono comunque essere rispettati i requisiti minimi di flusso d'acqua e di volume del sistema.

Cosa determina la potenza termica in un sistema idronico?

Il trasferimento di calore è determinato principalmente dal flusso d'acqua e dalla differenza di temperatura tra alimentazione e ritorno:

Q ≈ 1,163 × flusso × ΔT

Pertanto, la capacità della pompa di calore, la capacità terminale, il flusso e ΔT devono essere considerati insieme.

Conclusioni

Asistema di pompa di calore idronico a ciclo singoloè uno dei modi più semplici per collegare una pompa di calore aria-acqua ai terminali di riscaldamento o raffreddamento di un edificio.

La sua caratteristica principale è che lafonte di calore e lato del carico condividono lo stesso circuito idraulico e flusso di acqua circolante.

Quando la pompa di calore, la pompa di circolazione e il sistema terminale sono correttamente abbinati, questa disposizione offre diversi vantaggi:

• Disegno idraulico semplice
• Bassi costi di installazione
• Meno pompe di circolazione
• Consumo di energia ausiliaria inferiore
• Consegna diretta di acqua di approvvigionamento ai terminali
• Ottima compatibilità con il riscaldamento a bassa temperatura

Tuttavia, la semplicità non elimina la necessità di ingegneria idraulica.

Il progettista deve comunque verificare:

carico di riscaldamento/raffreddamento → capacità della pompa di calore → progettazione ΔT → flusso d'acqua richiesto → calo della pressione del sistema → selezione della pompa → flusso minimo → volume d'acqua → strategia di controllo

Solo quando questi parametri sono adeguatamente coordinati, un sistema di pompe di calore connesso direttamente può funzionare in modo efficiente e affidabile.

Per edifici complessi a più zone, sistemi a flusso variabile o impianti che utilizzano diverse temperature terminali, unsistema idronico primario-secondariopuò fornire una migliore stabilità idraulica e controllo.

L'obiettivo non è quindi quello di decidere se un sistema a ciclo singolo o un sistema primario-secondario sia universalmente migliore.

L'obiettivo è quello di selezionare l'architettura idraulica più adatta alle esigenze operative reali del progetto.