Con il Superbonus 110% già in vigore e presto operativo, c’è un grande interesse per quei lavori di riqualificazione energetica che possono far accedere alla nuova detrazione fiscale potenziata, della quale si potrà approfittare anche senza anticipare la spesa, dato che il credito sarà cedibile a imprese e banche  (vedi webinar QualEnergia.it)

Come sappiamo, la nuova misura incentiva anche interventi “minori”, quali il fotovoltaico e il solare termico, a patto che siano abbinati a lavori più importanti come quelli per l’isolamento termico dell’involucro, il cosiddetto cappotto, ad adeguamenti antisismici, o alla sostituzione di impianti di riscaldamento con sistemi più efficienti (si vedano qui alcune indicazioni su come muoversi per massimizzare i benefici economici, energetici e ambientali della norma).

Proprio quest’ultimo intervento chiave, cioè il rinnovo del sistema di climatizzazione, rende molto interessante per accedere alla detrazione le pompe di calore abbinate al solare termico o fotovoltaico.

In attesa di dedicare altri approfondimenti a queste e ad altre soluzioni “integrate”, vediamo una panoramica delle principali configurazioni che si possono scegliere, attingendo a una  recente pubblicazione di Rse (l’ente pubblico per la ricerca sul sistema energetico, link in basso).

Qui sotto spieghiamo come si abbina una pompa di calore rispettivamente a un impianto fotovoltaico, a uno solare termico e a un sistema con moduli ibridi termo-fotovoltaici (PVT). Nel primo caso, i due sistemi si interfacciano mediante scambi di energia elettrica; nel secondo caso, l’integrazione è a livello termico e, nell’ultimo caso, l’integrazione avviene sia a livello termico che elettrico.

Fotovoltaico e pompa di calore

In questa soluzione, la più semplice, in linea teorica, il compressore della pompa di calore viene alimentato dall’energia elettrica prodotta dal sistema fotovoltaico. L’integrazione di queste tecnologie ha, inoltre, il vantaggio di aumentare la quota di energia elettrica da fonte solare consumata direttamente in loco.

Per garantire continuità di funzionamento, di fronte alla discontinuità nella produzione di energia elettrica fotovoltaica, il sistema deve essere connesso con la rete elettrica in bassa tensione ed eventualmente provvisto di sistemi ausiliari, ad esempio batterie (vedi schema sotto) che rientrano tra l’altro tra le spese che godono del Superbonus.

Possibilità di accumulo alternative possono essere effettuate attraverso la conversione da energia elettrica in energia termica mediante la pompa di calore e il conseguente stoccaggio in serbatoi di accumulo, per un utilizzo in modalità differita.

Solare termico e pompa di calore

L’integrazione tra pompe di calore e collettori solari termici è finalizzata all’utilizzo dell’energia solare per la produzione di acqua calda sanitaria e/o per incrementare le prestazioni della macchina. Sono individuabili due principali categorie impiantistiche: sistemi diretti e sistemi indiretti.

I sistemi diretti (schema sotto) integrano il circuito solare direttamente con la pompa di calore: il collettore solare corrisponde con l’evaporatore della macchina e il fluido termovettore circolante nel collettore solare è il fluido refrigerante stesso. Il refrigerante evapora nel collettore solare e l’energia solare così assorbita è rilasciata verso l’utenza finale al condensatore.

Le prestazioni del sistema dipendono fortemente dalle condizioni ambientali, dalla velocità di rotazione del compressore, dalle dimensioni del serbatoio di accumulo e dalla superficie del collettore.

Il maggiore svantaggio di questo sistema – spiegano gli esperti di RSE – è dovuto al carico variabile sul collettore solare: essendo soggetto a variazioni dell’irraggiamento (su scale temporali giornaliere e stagionali), la pressione e la temperatura di evaporazione sono variabili. Ne consegue la necessita di utilizzo di un compressore a velocità variabile e di una valvola di espansione ad apertura variabile per evitare l’ingresso di liquido nel compressore e per mantenere un adeguato grado di surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore.

L’assenza di modulazione sul compressore porterebbe al sovradimensionamento del componente durante i mesi estivi e alla conseguente riduzione delle prestazioni dovuta alle elevate temperatura ambiente e radiazione solare.

I sistemi indiretti (schema sotto) prevedono invece la separazione tra il circuito solare e la sezione termica, introducendo uno scambiatore di calore che rappresenta l’evaporatore della pompa di calore.

Il principale scopo di questi sistemi è l’incremento della temperatura di evaporazione durante il periodo invernale, con il conseguente aumento delle prestazioni (COP) della pompa di calore. Negli impianti di tipo indiretto il fluido impiegato nel circuito del collettore raccoglie l’energia solare per poi cederla al fluido frigorigeno mediante l’evaporatore.

Questi sistemi possono essere classificati in base al fluido adoperato nel circuito solare: acqua glicolata o aria; tuttavia, come accennato in precedenza, i sistemi ad acqua trovano un maggior utilizzo nell’ambito residenziale, per l’integrazione con le pompe di calore e la produzione di acqua calda sanitaria.

Pompa di calore e moduli ibridi termo-fotovoltaici PVT

L’integrazione delle pompe di calore con moduli ibridi termofotovoltaici è finalizzata all’utilizzo dell’energia solare sia come supporto all’evaporatore e/o per la produzione di acqua calda sanitaria, sia per la produzione di energia elettrica utilizzabile della pompa di calore stessa e dagli altri carichi presenti nell’edificio o ceduta alla rete mediante scambio sul posto.

L’impiego combinato dei moduli PVT con pompe di calore – secondo RSE – può rappresentare una delle opzioni tecnologiche più efficaci, grazie alla riduzione dei consumi di energia primaria, all’alta frazione di rinnovabili impiegata ed alle ridotte emissioni di CO2 conseguibili. Le logiche di integrazione tra i moduli PVT e pompa di calore sono le medesime che per il FV semplice e il solare termico, mentre la principale differenza riguarda sia le diverse condizioni operative, risultanti dall’applicazione di moduli PVT rispetto ai collettori solari termici, sia le logiche di controllo del sistema integrato, per massimizzare le prestazioni dei collettori FVT e della pompa di calore.

In un collettore PVT la resa termica è ridotta rispetto a una collettore solare termico e per tale motivo, al fine di valorizzare il calore a bassa temperatura prodotto dai pannelli si può impiegare una valvola a tre vie che, in base alla temperatura del fluido in uscita dalla sezione solare, lo convoglia all’accumulo per la produzione di acqua calda sanitaria o all’evaporatore della pompa di calore.

Per quanto riguarda le logiche di controllo di un impianto integrato, si deve considerare che, regolando opportunamente i flussi del fluido termovettore di alimentazione della pompe di calore sia possibile influire sul comportamento termico dei collettori, aumentandone l’efficienza di conversione elettrica.

In sintesi, una corretta integrazione delle due tecnologie permette di utilizzare direttamente l’energia elettrica prodotta dal FV e di ottenere prestazioni più elevate per il riscaldamento invernale, mentre in estate l’effetto combinato dei moduli PVT e della pompa di calore può garantire l’eventuale produzione di acqua calda sanitaria, con ridotto consumo di energia primaria.

Le variabili alla configurazione base

Sia per l’integrazione con il PVT che con il solare termico “classico”, le configurazioni illustrate nei paragrafi precedenti rappresentano la base per impianti più complessi, comprensivi ad esempio di serbatoi di accumulo lato solare (possibile nella configurazione indiretta) o lato utenza, per disaccoppiare la produzione di energia solare da quella termica/frigorifera.

Possono essere, inoltre, previste logiche di controllo basate sulla temperatura dell’acqua in uscita dai pannelli; per esempio, considerando un impianto per la produzione di acqua calda sanitaria, può essere prevista una logica di controllo dove la pompa di calore entra in funzione qualora l’energia fornita dai collettori non sia sufficiente a mantenere il serbatoio al di sopra di una prefissata temperatura.

Sia i sistemi diretti che indiretti possono poi essere sviluppati in serie, in parallelo o assetto duale.

Nella configurazione in parallelo, il collettore solare e la pompa di calore forniscono energia indipendentemente tra loro, di solito tramite uno o più serbatoi.

Nella configurazione in serie, collettore solare fornisce calore all’evaporatore (direttamente o tramite un serbatoio di accumulo intermedio), mentre nella duale la macchina può usare, lato sorgente, sia i collettori solari, come in un assetto serie indiretto, oppure l’aria esterna, a seconda delle condizioni ambiente.

articolo già pubblicato il 26 maggio 2020