Nella progettazione di un sistema a pompa di calore aria-acqua, una decisione importante riguarda il modo in cui la pompa di calore deve essere collegata idraulicamente ai terminali di riscaldamento e raffrescamento dell'edificio.

Per applicazioni residenziali e commerciali leggere relativamente semplici, un sistema idronico a circuito singolo, noto anche come sistema a pompa di calore a collegamento diretto, è ampiamente utilizzato.

Il suo principio di funzionamento è lineare:

Pompa di calore → Pompa di circolazione → Terminali di riscaldamento/raffrescamento → Pompa di calore

La pompa di calore e le unità terminali condividono lo stesso circuito di circolazione dell'acqua, senza separazione idraulica tra il lato sorgente termica e il lato carico.

Questa configurazione offre chiari vantaggi: minor numero di componenti, tubazioni più semplici, costo iniziale inferiore e un consumo energetico di pompaggio potenzialmente più basso.

Tuttavia, la semplicità introduce anche un'importante sfida ingegneristica:

Poiché la pompa di calore e i terminali condividono la stessa portata d'acqua, una variazione sul lato carico influisce direttamente sulle condizioni operative della pompa di calore.

Comprendere questo compromesso è essenziale prima di decidere se un sistema a circuito singolo sia la soluzione corretta per un progetto.

1. Cos'è un sistema a pompa di calore idronico a circuito singolo?

In un sistema a circuito singolo, un unico circuito comune dell'acqua collega direttamente la pompa di calore ai terminali di impianto, quali:

• Riscaldamento a pavimento

• Ventilconvettori

• Radiatori a bassa temperatura

• Batterie per unità di trattamento aria

• Altri terminali idronici di riscaldamento o raffrescamento

In molte installazioni, un'unica pompa di circolazione fornisce la portata d'acqua richiesta sia attraverso la pompa di calore sia attraverso la rete di distribuzione.

Ciò significa:

Portata della pompa di calore ≈ Portata del sistema di terminali

Questo è fondamentalmente diverso da un sistema con separazione idraulica o primario-secondario, in cui il circuito della pompa di calore e il circuito dei terminali possono funzionare a portate differenti.

La semplicità della configurazione a circuito singolo rappresenta sia il suo più grande vantaggio sia il suo limite principale.

2. Vantaggio: architettura idraulica semplice

Il primo grande vantaggio è la semplicità.

Un sistema a circuito singolo correttamente progettato può richiedere soltanto:

Pompa di calore + Pompa di circolazione + Rete di distribuzione + Unità terminali

I componenti aggiuntivi restano necessari per la sicurezza, l'espansione, la filtrazione e il controllo, ma l'architettura idraulica di base rimane lineare.

Rispetto a sistemi più complessi, questo può comportare:

• Minor numero di pompe di circolazione

• Meno tubazioni

• Minor numero di componenti di regolazione

• Installazione più semplice

• Messa in servizio più agevole

• Minore investimento iniziale

• Meno potenziali problemi di interazione idraulica tra le pompe

Per un piccolo progetto residenziale con un solo circuito di riscaldamento principale, questa semplicità può rivelarsi molto vantaggiosa.

3. Vantaggio: minore consumo energetico della pompa di circolazione

L'efficienza della pompa di calore non dovrebbe mai essere valutata considerando esclusivamente il COP del compressore.

L'edificio paga in ultima analisi l'energia elettrica consumata dall'intero sistema.

Questo include:

Pompa di calore + Pompe di circolazione + Regolazioni + Riscaldatori ausiliari + Altri accessori

La potenza assorbita dalla pompa di circolazione è quindi rilevante.

Ad esempio, immaginiamo:

Potenza assorbita dalla pompa di calore = 4,0 kW

e:

Potenza assorbita dalla pompa di circolazione = 0,3 kW

L'intero sistema sta in realtà consumando circa:

4,3 kW

Se si aggiungono pompe non necessarie, l'efficienza complessiva dell'impianto diminuisce, anche se il COP dichiarato della pompa di calore rimane invariato.

Ciò diventa sempre più importante man mano che le moderne pompe di calore con tecnologia inverter diventano più efficienti.

Con il miglioramento dell'efficienza del compressore, il consumo elettrico degli ausiliari rappresenta una quota proporzionalmente maggiore del consumo elettrico totale del sistema.

4. Perché una pompa sovradimensionata può sprecare energia

Negli impianti reali, l'esatta resistenza idraulica della rete dei terminali non è sempre nota.

I progettisti o gli installatori potrebbero quindi selezionare una pompa di circolazione di taglia maggiore per garantire una portata sufficiente.

La logica alla base è comprensibile:

“È più sicuro avere una portata eccessiva piuttosto che insufficiente.”

Ma dal punto di vista dell'efficienza energetica, questo non è sempre corretto.

Una pompa di circolazione sovradimensionata può causare:

• Consumo elettrico eccessivo

• Pressione differenziale più elevata

• Velocità dell'acqua eccessiva

• Rumore nelle tubazioni e nelle valvole

• Riduzione del ΔT di sistema

• Scarsa autorità delle valvole

• Portata di bypass non necessaria

Una pompa di circolazione non dovrebbe quindi essere scelta semplicemente optando per un modello più grande.

Il corretto approccio ingegneristico è:

Portata richiesta + Perdita di carico del sistema → Punto di lavoro della pompa

5. L'energia della pompa diventa particolarmente critica ai carichi parziali

La maggior parte degli impianti di riscaldamento non funziona al carico di progetto nominale per l'intera stagione termica.

La temperatura esterna varia.

Gli ambienti raggiungono i relativi setpoint.

Gli apporti solari aumentano.

Alcune zone si chiudono.

La pompa di calore riduce la frequenza del compressore.

Di conseguenza, l'edificio potrebbe richiedere solo una frazione della propria potenza termica di progetto per lunghi periodi.

Supponiamo che l'impianto completo sia stato progettato per:

3 m³/h

ma che in condizioni di carico parziale i terminali attivi richiedano solo:

1 m³/h

Una pompa di circolazione sovradimensionata, a velocità fissa o mal regolata, potrebbe continuare a funzionare a una portata molto più elevata rispetto a quanto effettivamente richiesto dal sistema di terminali.

La pompa consuma quindi energia elettrica per far circolare acqua che apporta uno scarso scambio termico utile aggiuntivo.

Questo riduce l'efficienza stagionale dell'intero sistema.

6. Vantaggio: nessuna miscelazione idraulica tra due circuiti

Un altro importante vantaggio di un sistema a collegamento diretto è che normalmente non vi è alcuna separazione idraulica tra la pompa di calore e i terminali.

L'acqua di ritorno dall'edificio rientra direttamente nella pompa di calore.

Ciò evita la miscelazione che può verificarsi in alcune configurazioni primario-secondario quando le portate primaria e secondaria differiscono.

Questo aspetto è particolarmente rilevante per le pompe di calore, poiché la loro efficienza è fortemente influenzata dalla temperatura dell'acqua.

In generale:

Minore temperatura dell'acqua di riscaldamento richiesta → Minore salto termico del compressore → Migliore efficienza della pompa di calore

Una miscelazione non necessaria che aumenti la temperatura dell'acqua di ritorno o richieda una temperatura dell'acqua di mandata più elevata alla pompa di calore può quindi ridurre l'efficienza.

Un sistema a collegamento diretto correttamente progettato può fornire un percorso termico estremamente lineare:

Pompa di calore → Terminale → Pompa di calore

senza miscelazioni intermedie non necessarie.

7. Vantaggio: eccellente potenziale per il riscaldamento a bassa temperatura

I sistemi a circuito singolo possono funzionare particolarmente bene con il riscaldamento a pavimento.

Il riscaldamento a pavimento richiede normalmente temperature di mandata dell'acqua relativamente basse, spesso notevolmente inferiori rispetto ai sistemi tradizionali a radiatori.

Ciò è vantaggioso per le pompe di calore aria-acqua.

Ad esempio, un sistema che funziona con circa:

35°C di temperatura di mandata

consentirà generalmente alla pompa di calore di funzionare in modo più efficiente rispetto a uno che richiede:

55°C di temperatura di mandata

a parità di condizioni esterne.

Un semplice collegamento diretto tra una pompa di calore inverter e una rete di riscaldamento a pavimento a bassa temperatura opportunamente progettata può quindi rappresentare una soluzione efficiente.

Tuttavia, vi è una condizione importante:

Le caratteristiche di portata dei terminali devono rimanere compatibili con la portata operativa richiesta dalla pompa di calore.

8. Il limite principale: la portata della pompa di calore e quella dei terminali sono accoppiate

Questo è il concetto più importante da comprendere.

In un sistema a circuito singolo:

Portata della pompa di calore = Portata di distribuzione

o, più precisamente, entrambi i lati fanno parte dello stesso circuito idraulico.

Ciò significa che il progettista non può ottimizzare in modo indipendente la portata della pompa di calore e la portata dei terminali.

Consideriamo un semplice esempio.

In una data condizione operativa:

Portata ottimale della pompa di calore = 3 m³/h

e tutti i circuiti dei terminali sono aperti.

L'impianto funziona perfettamente.

Successivamente, la maggior parte delle stanze raggiunge i propri setpoint di temperatura.

Rimane attiva una sola zona di terminali.

Tale zona potrebbe richiedere soltanto:

1 m³/h

A questo punto sorge un conflitto.

La pompa di calore potrebbe preferire:

3 m³/h

mentre l'edificio richiede momentaneamente:

1 m³/h

Un sistema a collegamento diretto non può fornire naturalmente due portate diverse contemporaneamente.

Questo è il limite idraulico fondamentale di un sistema a circuito singolo.

9. Perché il carico variabile dell'edificio crea un problema

Gli edifici reali variano costantemente.

Un impianto può contenere sei zone di riscaldamento.

Al carico massimo:

6 zone aperte → Portata terminali elevata

A carico medio:

3 zone aperte → Portata terminali inferiore

Al carico minimo:

1 zona aperta → Portata terminali molto bassa

Tuttavia, la pompa di calore ha comunque un requisito di portata minima d'acqua.

Pertanto:

Portata dei terminali ↓

non significa necessariamente che la:

Portata richiesta dalla pompa di calore ↓ della stessa entità

Questa discrepanza diventa particolarmente rilevante in presenza di sistemi a regolazione indipendente:

• Zone di riscaldamento a pavimento

• Ventilconvettori

• Valvole termostatiche per radiatori

• Valvole a due vie motorizzate

10. La pompa di calore ha una propria portata operativa ottimale

È importante distinguere tra:

Portata minima ammissibile

e

portata ottimale/di progetto.

La portata minima è normalmente un limite di protezione.

La portata di progetto è la portata alla quale la pompa di calore è destinata a raggiungere le proprie prestazioni termiche nominali in una specifica condizione di prova o di progetto.

Per una data potenza termica scambiata:

Q ≈ 1,163 × V × ΔT

dove:

• Q = potenza termica scambiata, kW

• V = portata d'acqua, m³/h

• ΔT = differenza di temperatura tra mandata e ritorno, K

Modificare la portata cambia il ΔT e le condizioni operative dello scambiatore di calore.

Pertanto, l'obiettivo non dovrebbe essere semplicemente:

“Mantenere una circolazione d'acqua sufficiente affinché la macchina non vada in allarme.”

Un obiettivo migliore è:

“Mantenere condizioni idrauliche adeguate per un funzionamento efficiente e stabile.”

11. Anche il lato terminali ha una portata ottimale

Lo stesso principio si applica ai terminali dell'edificio.

Un circuito di riscaldamento a pavimento, un radiatore o un ventilconvettore non necessita della portata d'acqua massima in ogni momento.

La sua portata richiesta dipende da:

• Carico termico attuale del locale

• Temperatura dell'acqua di mandata

• Emissione termica richiesta

• Caratteristiche di scambio termico del terminale

• Posizione della valvola di regolazione

• Setpoint ambiente interno

A carico ridotto, il lato terminali può trarre vantaggio da una portata inferiore.

Tuttavia, se la pompa di calore e il sistema di terminali condividono lo stesso circuito di circolazione, ridurre la portata dei terminali riduce anche la portata della pompa di calore.

Ciò impone un compromesso di regolazione.

12. Il fondamentale compromesso del circuito singolo

Possiamo riassumere il problema in modo molto semplice.

Requisito della pompa di calore

“Ho bisogno di una portata sufficiente per funzionare in modo efficiente e sicuro.”

Requisito dei terminali

“Ho bisogno solo della portata sufficiente per soddisfare l'attuale carico dell'edificio.”

Sistema a circuito singolo

“Dovete condividere la stessa portata idraulica.”

Ecco perché un sistema a circuito singolo può essere estremamente efficiente nelle giuste condizioni, ma meno flessibile quando la variazione di carico e la suddivisione in zone diventano complesse.

13. Perché il sovradimensionamento della pompa non risolve del tutto il problema

Una soluzione comune consiste nell'installare una pompa di circolazione più grande.

Questo può garantire una portata adeguata alla pompa di calore quando molti terminali sono aperti.

Tuttavia, quando la richiesta dei terminali si riduce, la pompa potrebbe far circolare molta più acqua del necessario.

Ciò può comportare:

Maggiore potenza della pompa → Maggior consumo degli ausiliari → Minore efficienza dell'intero sistema

Può inoltre generare un'eccessiva pressione differenziale quando le valvole dei terminali si chiudono.

Pertanto, il sovradimensionamento della pompa può risolvere un problema creandone un altro.

14. Le pompe a velocità variabile migliorano la situazione

Le moderne pompe di circolazione ECM a velocità variabile offrono una soluzione migliore rispetto alle pompe sovradimensionate a velocità fissa.

A seconda del sistema, il controllo della pompa può utilizzare:

• Pressione differenziale costante

• Pressione differenziale proporzionale

• Controllo PWM

• Segnale 0–10 V

• Controllo integrato nella pompa di calore

Ciò consente di ridurre la velocità della pompa al diminuire del carico dell'impianto.

I potenziali vantaggi includono:

• Minore consumo elettrico della pompa

• Ridotta velocità dell'acqua

• Minore pressione differenziale

• Minore rumorosità

• Migliore efficienza ai carichi parziali

Tuttavia, il pompaggio a velocità variabile non elimina completamente il limite fondamentale.

Il sistema dispone comunque di un solo circuito idraulico.

La pompa deve pur sempre trovare un compromesso tra:

Portata richiesta dalla pompa di calore

e

Portata richiesta dai terminali

15. Perché l'energia elettrica della pompa deve essere inclusa nell'efficienza del sistema

Nel confrontare diverse configurazioni idrauliche, è utile andare oltre il semplice COP della pompa di calore.

Consideriamo:

Potenza termica utile erogata = 12 kW

Consumo elettrico della pompa di calore:

3,0 kW

Consumo elettrico della pompa di circolazione:

0,3 kW

Se consideriamo solo la pompa di calore:

COP = 12 ÷ 3,0 = 4,0

Ma se si include la potenza della pompa:

COP di sistema = 12 ÷ (3,0 + 0,3)

≈ 3,64

Questo esempio semplificato illustra un punto importante:

Il consumo elettrico degli ausiliari può influire sensibilmente sull'efficienza dell'intero sistema.

Per le pompe di calore ad alta efficienza, la selezione e la regolazione della pompa meritano una seria attenzione.

16. I sistemi a circuito singolo possono essere molto efficienti nelle giuste condizioni

Nessuno di questi limiti implica che un sistema a circuito singolo sia inefficiente.

Tutt'altro.

Un sistema a collegamento diretto ben progettato può essere una delle soluzioni più efficienti quando:

• La resistenza idraulica è prevedibile

• La portata dei terminali rimane relativamente stabile

• Le portate di progetto della pompa di calore e dei terminali sono compatibili

• Vengono utilizzate poche zone indipendenti

• I requisiti di temperatura dell'acqua sono simili

• Viene impiegata una pompa a velocità variabile correttamente dimensionata

• È possibile garantire sempre la portata minima della pompa di calore

In queste condizioni, la semplicità dell'architettura diventa un vantaggio fondamentale.

17. Quando è più indicato un sistema a circuito singolo?

Una configurazione a circuito singolo è particolarmente indicata per:

Piccoli impianti residenziali

Soprattutto in presenza di un solo circuito di riscaldamento principale.

Riscaldamento a pavimento

In particolare quando la maggior parte dei circuiti rimane aperta e lavora a temperature simili.

Radiatori a bassa temperatura

Quando i requisiti di portata idraulica sono compatibili con la pompa di calore.

Sistemi semplici a ventilconvettori

A condizione che la portata variabile dei terminali non comprometta la portata minima della pompa di calore.

Progetti in cui la semplicità è fondamentale

Un minor numero di pompe e di componenti idraulici può facilitare l'installazione e la manutenzione.

18. Quando un sistema a circuito singolo diventa meno indicato?

Un sistema a collegamento diretto merita una valutazione più attenta quando:

• Vi sono molte zone indipendenti

• La portata dei terminali varia in modo significativo

• La maggior parte delle valvole può chiudersi contemporaneamente

• I diversi circuiti dei terminali richiedono portate molto differenti

• Si combinano riscaldamento a pavimento, radiatori e ventilconvettori

• Sono richieste diverse temperature di mandata

• Le perdite di carico della distribuzione sono elevate

• Sono necessarie più pompe di circolazione

• Più pompe di calore funzionano in cascata

• È difficile garantire la portata minima della pompa di calore

In queste situazioni, la separazione idraulica può garantire un controllo migliore.

19. Circuito singolo vs primario-secondario non è una questione di “buono vs cattivo”

Un errore comune è impostare la scelta in termini di:

Circuito singolo = Semplice / Economico

e

Primario-secondario = Professionale / Migliore

Questo non è corretto.

Entrambe le architetture hanno campi di applicazione validi.

La domanda corretta è:

La sorgente termica richiede la stessa portata del lato carico nell'intero intervallo operativo previsto?

Se la risposta è generalmente sì, il collegamento diretto può rappresentare un'eccellente soluzione.

Se la risposta è frequentemente no, la separazione idraulica diventa molto più vantaggiosa.

20. Vantaggi e limiti a colpo d'occhio

21. Cosa devono verificare i progettisti prima di scegliere un sistema a circuito singolo?

Prima di selezionare un'architettura idraulica a collegamento diretto, calcolare o verificare:

Lato pompa di calore

• Portata d'acqua di progetto

• Portata d'acqua minima ammissibile

• Portata massima ammissibile

• ΔT richiesto

• Perdita di carico lato acqua

• Volume minimo d'acqua dell'impianto

Lato distribuzione

• Portata di progetto dei terminali

• Portata minima dei terminali

• Numero di zone

• Perdita di carico delle tubazioni

• Perdita di carico delle valvole

• Perdita di carico dei terminali

• Numero massimo e minimo di circuiti attivi

Pompa di circolazione

• Portata di progetto

• Prevalenza disponibile

• Efficienza della pompa

• Capacità di funzionamento a velocità variabile

• Strategia di controllo a carico parziale

Funzionamento del sistema

• Portata a pieno carico

• Portata a carico parziale

• Portata a carico minimo

• Funzionamento in riscaldamento

• Funzionamento in raffrescamento

• Funzionamento in sbrinamento

L'architettura idraulica deve essere selezionata solo dopo aver compreso appieno queste condizioni operative.

22. Il principio ingegneristico più importante

I vantaggi e i limiti di un sistema a circuito singolo derivano esattamente dalla stessa caratteristica:

La pompa di calore e il sistema di terminali sono collegati idraulicamente da un unico circuito d'acqua comune.

Ciò garantisce:

Semplicità + Minor numero di pompe + Minore miscelazione

ma comporta anche:

Accoppiamento della portata + Limitata indipendenza idraulica

Non vi è alcuna contraddizione.

Si tratta semplicemente di un compromesso ingegneristico.

Conclusione

Un sistema a pompa di calore idronico a circuito singolo può essere semplice, affidabile e ad alta efficienza energetica quando la pompa di calore e il sistema di terminali presentano requisiti idraulici compatibili.

I suoi principali vantaggi includono:

Architettura semplice + Meno pompe + Minore consumo ausiliario + Nessuna miscelazione idraulica non necessaria

Il suo limite principale è altrettanto chiaro:

La pompa di calore e i terminali dell'edificio non possono regolare la propria portata d'acqua in modo indipendente.

Al variare del carico dell'edificio, la portata ottimale richiesta dai terminali può differire sensibilmente da quella richiesta dalla pompa di calore.

Ecco perché la scelta della pompa di circolazione, la strategia di suddivisione in zone e l'analisi idraulica ai carichi parziali sono così importanti.

Per applicazioni residenziali semplici con riscaldamento a pavimento e altri utilizzi idronici relativamente stabili, il collegamento diretto può costituire una scelta eccellente.

Per sistemi multizona complessi a portata fortemente variabile, con più tipologie di terminali o differenti requisiti di temperatura, la separazione idraulica o un'architettura primario-secondario possono offrire una migliore regolazione dell'impianto.

L'obiettivo ingegneristico non dovrebbe mai essere quello di rendere il sistema il più semplice — o il più complicato — possibile.

Dovrebbe essere:

Utilizzare l'architettura idraulica più semplice che consenta alla pompa di calore e al sistema di terminali di funzionare in modo efficiente, sicuro e affidabile nell'intero intervallo di carico.

Domande frequenti

Un sistema a pompa di calore a circuito singolo è più efficiente?

Può esserlo. Il minor numero di pompe di circolazione e la ridotta miscelazione idraulica possono migliorare l'efficienza dell'intero sistema. Tuttavia, un dimensionamento errato della pompa o forti disallineamenti di portata a carico parziale possono ridurre tali vantaggi.

Perché la potenza della pompa di circolazione è importante?

La pompa funziona come parte integrante dell'intero impianto di riscaldamento e consuma energia elettrica. Una potenza eccessiva assorbita dalla pompa riduce l'efficienza complessiva del sistema, anche se la pompa di calore di per sé mantiene un COP elevato.

Una pompa di circolazione più grande è più sicura?

Non necessariamente. Il sovradimensionamento può aumentare il consumo di elettricità, la pressione differenziale, la velocità dell'acqua e la rumorosità. La selezione della pompa deve basarsi sui requisiti calcolati di portata e prevalenza.

Perché il riscaldamento a pavimento è adatto a un sistema a pompa di calore a circuito singolo?

Il riscaldamento a pavimento funziona generalmente a basse temperature dell'acqua e, se correttamente progettato, può garantire una portata relativamente stabile; entrambi i fattori sono favorevoli all'efficienza delle pompe di calore aria-acqua.

Qual è il maggior svantaggio di un sistema a circuito singolo?

La pompa di calore e il sistema di terminali condividono lo stesso circuito idraulico, pertanto non possono funzionare in modo indipendente a portate differenti. Ciò può creare criticità nei sistemi multizona a carico fortemente variabile.

Quando è opportuno prendere in considerazione un sistema primario-secondario?

Dovrebbe essere valutato quando i circuiti della pompa di calore e dei terminali richiedono portate significativamente diverse o variabili in modo indipendente, quando sono necessarie più pompe o quando l'edificio presenta una suddivisione in zone complessa e diverse temperature ai terminali.