Quando si progetta un sistema di pompa di calore aria-acqua, una delle decisioni più importanti è come la pompa di calore debba essere collegata idraulicamente ai terminali di riscaldamento e raffreddamento dell'edificio.

Per installazioni relativamente semplici, un sistema idronico primario o diretto può essere sufficiente. Tuttavia, quando un progetto include diversi tipi di unità terminali, come riscaldamento a pavimento, radiatori e ventilconvettori, i requisiti idraulici diventano molto più complessi.

È qui che un sistema idronico secondario, che utilizza tipicamente un serbatoio di accumulo e due pompe di circolazione, diventa particolarmente utile.

Ma ogni installazione di pompa di calore necessita di un sistema secondario?

Non necessariamente.

Un sistema idronico secondario offre una migliore stabilità idraulica, maggiore flessibilità e migliori condizioni operative della pompa di calore. Allo stesso tempo, aumenta il costo del sistema, il consumo energetico delle pompe, la complessità dell'installazione e potenzialmente la perdita di calore.

Comprendere questi compromessi è essenziale per progettare un sistema di pompa di calore ad aria efficiente.

1. Cos'è un sistema idronico secondario?

Un tipico sistema idronico secondario divide il circuito dell'acqua in due anelli idraulici.

Il primo anello è il circuito primario della pompa di calore:

Pompa di calore → Serbatoio di accumulo → Pompa di calore

Il secondo anello è il circuito di carico dell'edificio:

Serbatoio di accumulo → Pompa di circolazione → Terminali di riscaldamento/raffreddamento → Serbatoio di accumulo

Il serbatoio di accumulo funge quindi da collegamento comune tra la fonte di calore e il carico dell'edificio.

A differenza di un sistema diretto, la pompa di circolazione della pompa di calore non deve necessariamente fornire tutto il flusso d'acqua richiesto dal sistema di distribuzione dell'edificio.

Questa è una delle differenze più importanti tra i progetti idronici primari e secondari.

2. Perché i sistemi a pompa di calore necessitano di separazione idraulica?

La pompa di calore e i terminali dell'edificio non sempre richiedono lo stesso flusso d'acqua.

Considerare un edificio dotato di:

• Radiatori

• Ventilconvettori

• Riscaldamento a pavimento

Ogni terminale può funzionare con diverse temperature dell'acqua, differenze di temperatura (ΔT), portate, valvole di controllo e programmi operativi.

Ad esempio, le tipiche condizioni di progetto possono essere approssimativamente le seguenti:

Questi dati sono riferimenti di progettazione piuttosto che regole universali; i valori effettivi devono sempre seguire la selezione del terminale e il calcolo del carico termico del progetto.

Il problema ingegneristico chiave è semplice:

La portata richiesta dalla pompa di calore potrebbe non essere uguale alla portata richiesta dal sistema terminale.

Un circuito idronico secondario aiuta a separare questi due requisiti idraulici.

Vantaggi di un sistema idronico secondario

3. Vantaggio n. 1: Flusso d'acqua più stabile per la pompa di calore

Le pompe di calore normalmente richiedono un flusso d'acqua minimo attraverso lo scambiatore di calore.

In un sistema diretto, tuttavia, i termostati ambiente, le valvole di zona, le valvole termostatiche dei radiatori o le valvole di controllo dei ventilconvettori possono modificare continuamente il flusso del sistema.

Immagina una casa con otto zone di riscaldamento.

Quando tutte e otto le zone sono aperte, il flusso d'acqua può essere sufficiente.

Ma quando sei zone raggiungono la loro temperatura impostata e chiudono le loro valvole, rimangono attive solo due zone.

La resistenza del sistema cambia drasticamente e il flusso attraverso la pompa di calore può scendere al di sotto dell'intervallo operativo raccomandato.

Ciò può contribuire a problemi quali:

• Allarmi di flusso d'acqua insufficiente

• Eccessiva differenza di temperatura di mandata/ritorno

• Alta pressione di condensazione

• Ridotta capacità di riscaldamento

• Funzionamento instabile del compressore

• Cicli frequenti

Un sistema secondario riduce questa interazione perché la pompa di calore ha il suo circuito di circolazione dedicato.

Takeaway ingegneristico

La pompa di calore incontra un ambiente idraulico più prevedibile anche quando il flusso dal lato edificio cambia.

Per le pompe di calore inverter, questo può essere particolarmente prezioso perché condizioni d'acqua stabili aiutano la strategia di modulazione del compressore a funzionare in modo più efficace.

4. Vantaggio n. 2: Migliore compatibilità con più tipi di terminali

Un moderno sistema di riscaldamento idronico può contenere diversi tipi di terminali.

Ad esempio:

Pompa di calore → Serbatoio di accumulo → Radiatori + Ventilconvettori + Riscaldamento a pavimento

Questi terminali raramente richiedono esattamente lo stesso flusso e la stessa temperatura dell'acqua.

Il riscaldamento a pavimento solitamente funziona a temperature dell'acqua relativamente basse, mentre i radiatori tradizionali possono richiedere temperature significativamente più elevate. I ventilconvettori possono funzionare sia in modalità riscaldamento che raffreddamento e spesso utilizzano una ΔT lato acqua relativamente piccola.

Un sistema secondario rende più facile creare rami di distribuzione separati utilizzando:

• Pompe di circolazione indipendenti

• Valvole di miscelazione

• Valvole di zona

• Collettori

• Controlli di temperatura

• Controllo della pressione differenziale

Ciò offre una flessibilità di progettazione significativamente maggiore.

5. Vantaggio n. 3: Il serbatoio di accumulo fornisce inerzia termica

Uno dei componenti più importanti in molti sistemi secondari a pompa di calore è il serbatoio di accumulo.

L'acqua ha una notevole capacità di accumulo termico.

Un serbatoio di accumulo aumenta quindi il volume totale d'acqua del sistema idronico e aggiunge inerzia termica.

L'energia termica immagazzinata può essere approssimata da:

Q = m × Cp × ΔT

Dove:

• Q = energia termica immagazzinata

• m = massa dell'acqua

• Cp = calore specifico dell'acqua

• ΔT = differenza di temperatura utilizzabile

Per calcoli pratici HVAC:

1 litro d'acqua immagazzina circa 1,16 Wh per ogni 1°C di variazione di temperatura.

Pertanto, un serbatoio di accumulo da 200 L che opera su un intervallo di temperatura utilizzabile di 5 K immagazzina circa:

200 × 1,16 × 5 ≈ 1,16 kWh

Ciò non significa che un serbatoio di accumulo sia una fonte di energia.

Semplicemente immagazzina energia temporaneamente e la rilascia in seguito.

Questa distinzione è importante.

6. Vantaggio n. 4: Riduzione del corto ciclo della pompa di calore

Il corto ciclo si verifica quando una pompa di calore si avvia, raggiunge rapidamente il suo obiettivo di temperatura, si arresta e poi si riavvia poco dopo.

Ciò si verifica frequentemente quando:

Potenza minima della pompa di calore > Richiesta di calore attuale dell'edificio

Ad esempio, supponiamo che una pompa di calore inverter possa modulare fino a 5 kW, ma l'edificio attualmente richiede solo 2 kW.

Senza un volume d'acqua sufficiente nel sistema, la temperatura dell'acqua in mandata può aumentare rapidamente.

Il controller raggiunge la temperatura target e arresta il compressore.

L'edificio continua a estrarre calore, la temperatura dell'acqua scende e il compressore si riavvia.

Il risultato può essere:

Avvio → Arresto → Avvio → Arresto → Avvio

Cicli ripetuti del compressore possono:

• Ridurre l'efficienza stagionale

• Aumentare il consumo elettrico

• Aumentare gli avviamenti del compressore

• Aumentare l'usura dei componenti

• Causare temperature interne instabili

Il volume d'acqua aggiuntivo da un serbatoio di accumulo dimensionato correttamente rallenta le variazioni della temperatura dell'acqua.

Invece di:

45°C → 50°C molto rapidamente

il sistema può impiegare considerevolmente più tempo per raggiungere il limite di controllo.

Ciò conferisce alla pompa di calore un ciclo operativo più lungo.

7. Vantaggio n. 5: Migliore stabilità idraulica a carico parziale

Gli edifici raramente operano al 100% della richiesta di riscaldamento in modo continuo.

Durante la primavera e l'autunno, ad esempio, solo una parte dell'edificio potrebbe richiedere riscaldamento.

Alcune stanze potrebbero raggiungere le loro temperature impostate mentre altre richiedono ancora calore.

Ciò crea una condizione di flusso variabile.

Un circuito secondario consente alla pompa lato edificio di rispondere a questa domanda variabile, mentre il circuito lato pompa di calore mantiene il flusso richiesto dalla pompa di calore.

Questa separazione idraulica può rendere l'intero sistema più facile da controllare.

8. Vantaggio n. 6: Maggiore flessibilità per progetti HVAC complessi

I sistemi secondari diventano particolarmente utili quando il progetto contiene:

Pompa di calore + Serbatoio di accumulo + Zone di riscaldamento multiple + Ventilconvettori + Radiatori + Riscaldamento a pavimento

Sono utili anche per:

• Grandi edifici residenziali

• Hotel

• Edifici commerciali

• Scuole

• Ville con più zone di riscaldamento

• Progetti di ristrutturazione

• Sistemi ibridi radiatori/riscaldamento a pavimento

• Sistemi di riscaldamento e raffreddamento con più tipi di terminali

In questi progetti, la complessità idraulica aggiuntiva è spesso giustificata dal miglioramento della controllabilità.

Svantaggi di un sistema idronico secondario

Un sistema secondario non è automaticamente più efficiente.

Questo è un punto critico.

Più componenti possono risolvere problemi idraulici, ma ogni componente aggiuntivo introduce anche costi e potenziali perdite di energia.

9. Svantaggio n. 1: È necessaria una pompa di circolazione aggiuntiva

Un tipico sistema diretto può funzionare con una pompa di circolazione principale.

Un sistema secondario richiede normalmente almeno due:

Pompa 1: Pompa di calore ↔ Serbatoio di accumulo

Pompa 2: Serbatoio di accumulo ↔ Terminali dell'edificio

Ulteriori zone di riscaldamento potrebbero richiedere ancora più pompe.

Ogni pompa di circolazione consuma elettricità.

Pertanto:

Un sistema secondario può migliorare la stabilità operativa della pompa di calore aumentando contemporaneamente il consumo elettrico ausiliario.

Il sistema dovrebbe quindi essere valutato in base al consumo energetico stagionale totale, non solo al COP della pompa di calore.

Le pompe di circolazione ECM ad alta efficienza con controllo a velocità variabile sono generalmente preferite.

10. Svantaggio n. 2: Costo iniziale più elevato

Rispetto a una semplice connessione diretta, un sistema secondario può richiedere:

• Serbatoio di accumulo

• Pompa di circolazione aggiuntiva

• Più tubazioni

• Più valvole di intercettazione

• Valvole di ritegno

• Sensori

• Accessori di espansione

• Valvole di miscelazione

• Controlli aggiuntivi

• Più manodopera di installazione

Ciò aumenta il costo iniziale del progetto.

Per una piccola installazione residenziale con un semplice circuito di riscaldamento a pavimento, la complessità aggiuntiva potrebbe non fornire sempre benefici sufficienti.

Per un grande progetto multi-zona, tuttavia, il costo aggiuntivo può essere giustificato.

11. Svantaggio n. 3: Perdita di calore aggiuntiva

Un serbatoio di accumulo non è perfettamente isolato.

Né lo sono le tubazioni aggiuntive, le valvole e i raccordi richiesti dal circuito secondario.

Il calore può quindi andare perso da:

• Pareti del serbatoio di accumulo

• Tubazioni di distribuzione

• Valvole e raccordi

• Corpi pompa

• Locali tecnici

Un buon isolamento può minimizzare queste perdite, ma non può eliminarle completamente.

Ciò è particolarmente importante quando il serbatoio di accumulo è installato in uno spazio non condizionato.

12. Svantaggio n. 4: Una cattiva progettazione idraulica può ridurre l'efficienza della pompa di calore

L'aggiunta di un serbatoio di accumulo non crea automaticamente un buon sistema.

Un problema comune si verifica quando le portate primaria e secondaria sono mal bilanciate.

Sia:

Vp = portata primaria della pompa di calore

Vs = portata secondaria dell'edificio

Se:

Vp > Vs

una parte dell'acqua calda in mandata potrebbe ritornare direttamente attraverso il serbatoio di accumulo verso la pompa di calore.

Se:

Vs > Vp

una parte dell'acqua di ritorno più fredda potrebbe mescolarsi nell'alimentazione secondaria.

Questo fenomeno è talvolta definito miscelazione idraulica.

Una miscelazione eccessiva può alterare la temperatura dell'acqua fornita ai terminali e può costringere la pompa di calore a funzionare a una temperatura dell'acqua in uscita più elevata.

Poiché l'efficienza della pompa di calore generalmente diminuisce all'aumentare della temperatura dell'acqua richiesta, una cattiva progettazione idraulica può ridurre il COP.

13. Svantaggio n. 5: Il controllo diventa più complicato

Un sistema diretto è relativamente semplice.

La pompa di calore monitora la temperatura dell'acqua e controlla un circuito idraulico principale.

Un sistema secondario può coinvolgere:

• Controller della pompa di calore

• Pompa di circolazione primaria

• Pompa di circolazione secondaria

• Sensore del serbatoio di accumulo

• Termostati ambiente

• Valvole di zona

• Valvola di miscelazione

• Compensazione climatica

• Controlli dei ventilconvettori

• Controlli del riscaldamento a pavimento

Questi componenti devono lavorare insieme correttamente.

Una logica di controllo errata può creare situazioni in cui le pompe funzionano inutilmente o la pompa di calore funziona quando c'è poca domanda di riscaldamento effettiva.

Pertanto, la strategia di controllo è importante quanto la progettazione idraulica.

14. È sempre necessario un serbatoio di accumulo per una pompa di calore?

No.

Questa è una delle idee sbagliate più comuni nella progettazione di pompe di calore aria-acqua.

Un serbatoio di accumulo dovrebbe risolvere un problema ingegneristico specifico.

Può essere utile quando:

• Il volume d'acqua del sistema è insufficiente

• Zone di riscaldamento multiple si aprono e si chiudono frequentemente

• Il flusso minimo della pompa di calore non può essere altrimenti garantito

• La potenza minima della pompa di calore supera la domanda frequente a carico parziale

• Diversi tipi di terminali richiedono separazione idraulica

• L'operazione di sbrinamento richiede un volume d'acqua disponibile adeguato

• I requisiti di flusso primario e secondario sono significativamente diversi

Tuttavia, se il sistema fornisce già un volume d'acqua adeguato, un flusso stabile, una corretta zonizzazione e una buona modulazione della pompa di calore, un grande serbatoio di accumulo potrebbe offrire pochi benefici aggiuntivi.

15. Serbatoi di accumulo più grandi non sono sempre migliori

Un'altra idea sbagliata comune è:

“Se 100 litri vanno bene, 500 litri devono essere meglio.”

Non è necessariamente vero.

Un serbatoio di accumulo sovradimensionato può:

• Aumentare il costo del sistema

• Aumentare la perdita di calore

• Aumentare inutilmente il volume d'acqua del sistema

• Aumentare il tempo di riscaldamento

• Richiedere più spazio di installazione

• Ridurre la reattività del controllo

Il dimensionamento del serbatoio di accumulo dovrebbe quindi essere calcolato piuttosto che selezionato per abitudine.

Il volume corretto dipende da fattori tra cui:

• Capacità della pompa di calore

• Capacità minima di modulazione

• Tempo di funzionamento minimo del compressore

• Domanda minima di calore dell'edificio

• Volume d'acqua del sistema

• Oscillazione di temperatura ammissibile

• Requisiti di sbrinamento

• Requisiti minimi di volume d'acqua del produttore

Una relazione ingegneristica semplificata è:

V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)

dove il volume richiesto è correlato allo squilibrio termico che deve essere assorbito durante il periodo operativo minimo desiderato.

Nella progettazione pratica, i requisiti idraulici del produttore della pompa di calore dovrebbero sempre avere la priorità.

16. Sistema a pompa di calore primario vs secondario

Nessun design è universalmente migliore.

La scelta corretta dipende dall'edificio e dalle condizioni operative.

17. Un esempio pratico

Considerare una casa che utilizza una pompa di calore aria-acqua con:

Zona A: Riscaldamento a pavimento
Zona B: Radiatori
Zona C: Ventilconvettori

Durante l'inverno, tutte e tre le zone possono funzionare.

Durante il clima mite, solo il riscaldamento a pavimento potrebbe richiedere calore.

Durante l'estate, solo i ventilconvettori potrebbero funzionare per il raffreddamento.

Il flusso del sistema cambia quindi in modo significativo durante l'anno.

Un design idronico secondario può consentire alla pompa di calore di mantenere un flusso primario stabile mentre il sistema di distribuzione secondario risponde in modo indipendente alla domanda dell'edificio.

Una configurazione tipica potrebbe essere:

Pompa di calore aria-acqua
↓
Pompa di circolazione primaria
↓
Serbatoio di accumulo
↓
Pompa secondaria / Collettore di distribuzione
↓
Radiatori + Ventilconvettori + Riscaldamento a pavimento

Per il circuito di riscaldamento a pavimento, potrebbe essere necessario anche un sistema di miscelazione se la sua temperatura di mandata richiesta è inferiore a quella degli altri terminali.

Questo è il motivo per cui i sistemi idronici secondari sono comuni nei progetti di pompe di calore più complessi.

18. Il principio di progettazione più importante

Lo scopo di un sistema secondario non è semplicemente aggiungere un serbatoio di accumulo.

Il suo vero scopo è gestire la relazione tra:

Fonte di calore ↔ Flusso d'acqua ↔ Accumulo termico ↔ Carico dell'edificio

Un sistema ben progettato mantiene questi quattro elementi in equilibrio.

Se la pompa di calore produce più calore di quanto l'edificio consumi attualmente, il sistema necessita di sufficiente capacità termica e logica di controllo per prevenire rapidi aumenti di temperatura e arresti del compressore.

Se l'edificio richiede più calore di quanto la pompa di calore stia attualmente producendo, il calore immagazzinato nel sistema può ridurre temporaneamente il tasso di diminuzione della temperatura dell'acqua.

Questa inerzia termica aiuta a smorzare lo squilibrio tra l'uscita istantanea della pompa di calore e la domanda dell'edificio.

Tuttavia, l'accumulo termico non crea energia.

In definitiva:

Calore prodotto dalla pompa di calore = Calore erogato all'edificio + Perdite di sistema ± Variazione dell'energia termica immagazzinata

Questo bilancio energetico è il fondamento della progettazione di pompe di calore idroniche.

Conclusione: Quando scegliere un sistema idronico secondario?

Un sistema idronico secondario può essere un'ottima soluzione quando una pompa di calore aria-acqua serve un edificio complesso con flusso d'acqua variabile, zone di riscaldamento multiple o diverse unità terminali.

I suoi principali vantaggi sono:

flusso stabile della pompa di calore, separazione idraulica, aumento del volume d'acqua del sistema, riduzione del corto ciclo e migliore flessibilità multi-zona.

I suoi principali svantaggi sono:

costo iniziale più elevato, elettricità aggiuntiva per le pompe, maggiore complessità di installazione, perdita di calore aggiuntiva e possibilità di miscelazione idraulica se il sistema è mal progettato.

Pertanto, la domanda ingegneristica non dovrebbe essere:

“Ogni pompa di calore dovrebbe avere un serbatoio di accumulo?”

Una domanda migliore è:

“Questo particolare sistema necessita di separazione idraulica o di massa termica aggiuntiva per mantenere un funzionamento stabile ed efficiente della pompa di calore?”

Questa domanda porta a una progettazione HVAC molto migliore.

FAQ: Sistemi idronici secondari e serbatoi di accumulo

Cos'è un sistema idronico secondario?

Un sistema idronico secondario separa il circuito della pompa di calore dal circuito di distribuzione dell'edificio. I due circuiti sono normalmente collegati tramite un serbatoio di accumulo o un'altra forma di separazione idraulica.

Perché vengono utilizzate due pompe di circolazione?

Una pompa mantiene il flusso d'acqua richiesto attraverso la pompa di calore, mentre la seconda pompa alimenta i terminali di riscaldamento o raffreddamento dell'edificio in base ai loro requisiti di flusso.

Un serbatoio di accumulo migliora l'efficienza della pompa di calore?

Non automaticamente. Può ridurre il corto ciclo e stabilizzare il funzionamento, il che può migliorare le prestazioni stagionali in alcuni sistemi. Tuttavia, il serbatoio introduce anche perdite di calore e una pompa aggiuntiva consuma elettricità.

Una pompa di calore può funzionare senza un serbatoio di accumulo?

Sì. Molti sistemi correttamente progettati possono funzionare senza uno, a condizione che siano soddisfatti i requisiti di flusso minimo, volume d'acqua minimo, zonizzazione, requisiti di sbrinamento e tempi di funzionamento del compressore.

Un sistema secondario è migliore per il riscaldamento a pavimento?

Non necessariamente. Un semplice sistema di riscaldamento a pavimento con flusso stabile può spesso funzionare bene con una connessione diretta. I sistemi secondari diventano più preziosi quando il riscaldamento a pavimento è combinato con radiatori, ventilconvettori, zone multiple o diversi requisiti di temperatura dell'acqua.

Cosa succede se il serbatoio di accumulo è troppo grande?

Un serbatoio di accumulo sovradimensionato può aumentare la perdita di calore, il costo di installazione, i requisiti di spazio e il tempo di risposta del sistema senza fornire un beneficio di efficienza significativo.