Immaginate due unità di recupero di calore con pompa di calore: stesso compressore, stesso rotore, stessi ventilatori, stessa classe di potenza. L'unica differenza è se l'evaporatore si trova prima o dopo il rotore sul percorso dell'aria di ripresa (espulsione). Quasi identiche a catalogo, queste due unità si comportano in modo opposto alle basse temperature esterne.
La prima continua a brinare l'evaporatore. Il compressore si ferma e riparte quando il ghiaccio si scioglie, entrando così in un ciclo continuo di "arresto e ripartenza". La seconda mantiene l'evaporatore sopra lo zero anche con −20 °C esterni e fa funzionare il compressore senza interruzioni.
In questo articolo analizziamo una scelta progettuale spesso trascurata nelle unità di recupero di calore con pompa di calore (HPHR): la disposizione sul lato ripresa. I dati provengono da un confronto uno a uno sulla stessa unità, calcolato con HVACinOne [9]. Chiamiamo le due disposizioni così:
- Progetto per clima temperato (HP-HR-R) (lato ripresa: rotore → evaporatore): l'architettura HPHR più diffusa nei climi temperati con prevalenza del carico di raffrescamento, Turchia compresa.
- Progetto per clima freddo (HP-HR-R-C) (lato ripresa: evaporatore → rotore): pensato per regioni con prevalenza del carico di riscaldamento e inverni lunghi e rigidi; richiesto soprattutto nei Paesi nordici.
HP-HR-R e HP-HR-R-C sono i nomi di funzione delle due disposizioni in HVACinOne; "HPHR" indica la classe generale di apparecchio. Entrambe le architetture sono proposte sul mercato come "pompa di calore reversibile integrata + recuperatore rotativo". I costruttori posizionano queste famiglie di prodotto in base al clima di impiego e alla strategia di sbrinamento [1], [2].
Perché è importante
In un clima freddo, il successo di un'unità HPHR si misura meno con un singolo valore di efficienza a catalogo e più con la capacità di superare l'inverno senza interruzioni. Alle basse temperature esterne, il brinamento dell'evaporatore non è solo una perdita di efficienza. Quando il ghiaccio copre la superficie della batteria, il compressore si arresta per bassa pressione/protezione e riparte quando il ghiaccio si scioglie. Il sistema entra quindi in un regime continuo di arresto e ripartenza, che rende impossibile un riscaldamento stabile e accorcia la vita del compressore.
La risposta alla domanda "fino a quale temperatura funziona in sicurezza", cioè la temperatura minima di funzionamento, è un criterio di scelta diretto. Mostreremo che non è un semplice numero di catalogo, ma in gran parte una conseguenza della disposizione.
Due disposizioni: l'evaporatore è prima o dopo il rotore?
Le due configurazioni si distinguono per l'ordine seguito dall'aria di ripresa:
- Progetto per clima temperato (HP-HR-R): ordine sul lato ripresa Filtro → Rotore → Evaporatore → Ventilatore. Il rotore recupera per primo il calore dall'aria di ripresa; l'evaporatore riceve quindi aria già raffreddata.
- Progetto per clima freddo (HP-HR-R-C): ordine sul lato ripresa Filtro → Evaporatore → Rotore → Ventilatore. L'evaporatore riceve l'aria di ripresa tiepida così come arriva dall'edificio; il rotore sfrutta poi l'energia rimasta dopo l'evaporatore.
Anche i costruttori riconoscono che la posizione della batteria rispetto al rotore cambia il comportamento alla brina. La documentazione di un costruttore colloca la batteria della pompa di calore nella zona più calda del rotore. L'obiettivo è ridurre il rischio di brinamento sotto 0 °C ed evitare sbrinamenti inutili [3].
Questa differenza di ordine sembra un dettaglio. Ma stabilisce la temperatura della sorgente vista dal ciclo della pompa di calore e quindi la temperatura di evaporazione (TEvap).
A che temperatura è l'aria che attraversa l'evaporatore?
Con HVACinOne abbiamo calcolato la stessa unità in due configurazioni, in riscaldamento, con aria esterna da +10 °C fino a −20 °C [9]. L'unità tratta 8000 m³/h e ha una pompa di calore reversibile a circuito singolo; il rotore è del tipo che il costruttore chiama "ibrido a sorbimento". In entrambi i casi l'aria di ripresa è a 20 °C / UR 50%. Le classi di umidità/calore dei recuperatori rotativi (ruota a condensazione, entalpica e a sorbimento) sono definite nel programma Eurovent Certita AARE [4].
I risultati distinguono chiaramente l'aria che attraversa l'evaporatore e la temperatura di evaporazione:
| Aria esterna | Ingresso evaporatore | TEvap | Uscita evaporatore |
|---|---|---|---|
| +10 °C | 11,7 °C | −1,0 °C | 6,2 °C / 96% |
| 0 °C | 3,1 °C | −8,0 °C | −0,8 °C / 100% |
| −10 °C | −5,7 °C | −16,1 °C | −9,3 °C / 100% |
| −20 °C | −14,8 °C | −24,4 °C | −18,1 °C / 100% |
Tabella 1a — Progetto per clima temperato (HP-HR-R): ingresso evaporatore, temperatura di evaporazione e condizione in uscita in funzione dell'aria esterna.
| Aria esterna | Ingresso evaporatore | TEvap | Uscita evaporatore |
|---|---|---|---|
| +10 °C | 20 °C | +2,7 °C | 10,6 °C / 86% |
| 0 °C | 20 °C | +2,5 °C | 10,5 °C / 86% |
| −10 °C | 20 °C | +2,4 °C | 10,4 °C / 86% |
| −20 °C | 20 °C | +2,2 °C | 10,3 °C / 86% |
Tabella 1b — Progetto per clima freddo (HP-HR-R-C): ingresso evaporatore, temperatura di evaporazione e condizione in uscita in funzione dell'aria esterna.
Metodo: che cosa determina il brinamento?
La brina non dipende dalla temperatura di evaporazione TEvap in sé, ma dalla temperatura superficiale della batteria. Quando la superficie scende sotto 0 °C e sotto il punto di rugiada dell'aria in ingresso, l'umidità condensa e si trasforma in brina [5]. Poiché la temperatura superficiale non è fornita direttamente, la stimiamo dal valore di ciclo con Tsurf ≈ TEvap + 2 K. Di conseguenza la soglia di congelamento superficiale corrisponde a TEvap ≈ −2 °C (per il calcolo del punto di rugiada si veda [6]).
Infatti, nella Tabella 1a l'uscita dell'evaporatore sotto 0 °C e al 100% di UR dimostra direttamente che entrambe le condizioni (superficie bagnata + sotto zero) sono soddisfatte. Gli stessi dati si possono leggere come andamento della temperatura di evaporazione con l'aria esterna (Grafico 1). La curva del progetto per clima temperato scende sotto la soglia di congelamento, mentre quella per clima freddo resta piatta nella fascia +2,2…+2,7 °C.
Nel progetto per clima temperato, l'evaporatore riceve aria già raffreddata dal rotore. Per questo la temperatura di evaporazione crolla al calare dell'aria esterna. A +10 °C la TEvap (−1,0 °C) è ancora appena sopra la soglia di congelamento (≈ −2 °C). A 0 °C esterni, invece, l'uscita dell'evaporatore è già sotto 0 °C e satura al 100%: il brinamento è iniziato.
Nel progetto per clima freddo, l'evaporatore riceve sempre l'aria di ripresa a 20 °C. Per questo la TEvap resta nella fascia +2,2…+2,7 °C anche con −20 °C esterni. La temperatura superficiale è di circa +4 °C: essendo sotto il punto di rugiada, la batteria lavora bagnata e deumidifica, ma restando sopra 0 °C non brina.
Che cosa significa: Stessa unità, stesso compressore, stessi evaporatore e condensatore. Ma la disposizione mantiene la superficie dell'evaporatore fuori dalla zona di congelamento nei climi freddi.
Alle basse temperature esterne: il ciclo di arresto e ripartenza del compressore
La vera conseguenza del brinamento si vede sul compressore in modalità riscaldamento. Nel progetto per clima temperato, al calare dell'aria esterna l'evaporatore accumula ghiaccio in continuazione. Quando il ghiaccio ostruisce la batteria, lo scambio termico peggiora, la pressione di aspirazione scende e il compressore si arresta per protezione. L'unità esegue uno sbrinamento; eliminato il ghiaccio, il compressore riparte e l'evaporatore ricomincia a brinare.
I metodi di sbrinamento per le pompe di calore reversibili, come l'inversione di ciclo, il preriscaldamento elettrico e il ricircolo, sono descritti nelle guide funzionali dei costruttori; servono tutti a gestire proprio questo carico [2]. Il risultato, alle basse temperature esterne, è un regime continuo di arresto e ripartenza. Il compressore non riesce a sostenere un carico stabile, la temperatura di mandata oscilla e la continuità del riscaldamento si interrompe.
Nel progetto per clima freddo questo ciclo non inizia mai. Poiché l'evaporatore riceve aria di ripresa a 20 °C, la temperatura di evaporazione resta positiva e il compressore funziona in continuo anche alle temperature esterne più basse. Il freddo estremo viene gestito dal rotore, all'estremità del percorso di ripresa. Dato che il rotore gira in continuo, sostiene questo carico senza costringere il compressore a ciclare.
Ciò è coerente con una differenza nota tra i tipi di recuperatore. Negli scambiatori a piastre ad alta efficienza il brinamento inizia a temperature esterne più alte. I recuperatori rotativi, invece, funzionano senza brinare fino a temperature più basse e sono strutturalmente più tolleranti all'accumulo [7].
Che cosa significa: In un clima freddo la vera domanda non è "di quanti punti cala l'efficienza", ma se il compressore resta in grado di funzionare. La disposizione giusta non gestisce lo sbrinamento con la regolazione: ne elimina il bisogno fin dall'inizio. (Questo studio non misura frequenza o durata degli sbrinamenti; mostra che il meccanismo di brinamento non si verifica nel progetto per clima freddo.)
Temperatura minima di funzionamento: che cosa dice il campo di lavoro del compressore
Abbiamo sovrapposto i punti di funzionamento delle due disposizioni al campo di lavoro che il costruttore pubblica per il compressore scroll PSH023-4 [8]. Il grafico rende visibile perché la temperatura minima di funzionamento dipende dalla disposizione.
Progetto per clima temperato (inverno)
Al calare dell'aria esterna, i punti di funzionamento si spostano verso il bordo freddo (in basso a sinistra) del campo di lavoro. Con −20 °C esterni il punto (TEvap −24,4 °C / TCond 19,4 °C) scende sotto il limite inferiore di condensazione di 20 °C, quindi si trova fuori dal campo di lavoro. La TEvap da sola resta dentro il limite inferiore di −30 °C, ma la temperatura di condensazione è sotto il valore minimo ammesso. Unita al brinamento precoce dell'evaporatore, è questa la zona che alimenta il regime di arresto e ripartenza descritto sopra.
Progetto per clima freddo (inverno)
I punti di funzionamento si raccolgono attorno a TEvap +2,5 °C, al centro del campo di lavoro e con ampio margine dal bordo freddo. In questa disposizione la temperatura minima di funzionamento non è più limitata dallo sbrinamento o dal compressore, ma dalla temperatura di mandata. La mandata del progetto per clima freddo è di 20,5 °C con 0 °C esterni e scende a 14,2 °C con −20 °C.
Nei progetti con temperature esterne molto basse non entra in gioco lo sbrinamento, ma una piccola batteria di post-riscaldamento di integrazione. Si tratta di una batteria elettrica o ad acqua che copre gli ultimi gradi che mancano alla pompa di calore.
Che cosa significa: La risposta a "fino a quale temperatura funziona questa unità?" non si legge nel catalogo, ma nella traccia della disposizione sul campo di lavoro del compressore.
Prestazioni: il COP sulla carta e la realtà in campo
Leggiamo le prestazioni in riscaldamento delle due disposizioni insieme alle temperature di evaporazione/condensazione e alla temperatura di mandata:
| Aria esterna | TEvap / TCond | Mandata | COP |
|---|---|---|---|
| 0 °C | −8,0 / 31,1 °C | 24,5 °C | 4,51 |
| −10 °C | −16,1 / 25,1 °C | 19,6 °C | 4,08 |
| −20 °C | −24,4 / 19,4 °C | 14,8 °C | 3,66 |
Tabella 2a — Progetto per clima temperato (HP-HR-R): punto di funzionamento in riscaldamento, temperatura di mandata e COP di sistema.
| Aria esterna | TEvap / TCond | Mandata | COP |
|---|---|---|---|
| 0 °C | +2,5 / 29,4 °C | 20,5 °C | 6,23 |
| −10 °C | +2,4 / 26,5 °C | 17,5 °C | 6,66 |
| −20 °C | +2,2 / 23,3 °C | 14,2 °C | 7,20 |
Tabella 2b — Progetto per clima freddo (HP-HR-R-C): punto di funzionamento in riscaldamento, temperatura di mandata e COP di sistema.
Sulla carta anche il progetto per clima temperato offre un COP ragionevole. Questi valori però derivano da una soluzione a regime stazionario. In realtà il progetto per clima temperato non riesce a mantenere questi COP alle basse temperature esterne, perché brina di continuo l'evaporatore e fa ciclare il compressore.
I valori del progetto per clima freddo, invece, sono effettivamente raggiungibili. Poiché la TEvap resta ferma a +2,5 °C, il salto di temperatura (lift) che il compressore deve coprire resta piccolo e il rotore si fa carico di una quota crescente del carico di riscaldamento. I valori sono COP di sistema, comprensivi del recupero passivo del rotore; non sono COP del solo compressore.
Che cosa significa: Il COP va distinto tra "sulla carta" e "in campo". Il progetto per clima freddo offre già un COP più alto e riesce a mantenerlo. Il COP ragionevole sulla carta del progetto temperato, invece, non è raggiungibile alle basse temperature a causa dei cicli di arresto e ripartenza; il divario reale è quindi ancora più ampio di quanto mostri la tabella.
Il lato estivo: le due modalità di esercizio del progetto per clima freddo
Per leggere il comportamento estivo del progetto per clima freddo bisogna distinguere due modalità di esercizio. In questa disposizione rotore e compressore non possono lavorare insieme in modo efficiente d'estate. Quando il compressore è in funzione, il rotore sul lato ripresa riceve l'aria calda in uscita dal condensatore (≈ 43,5 °C). Non restando alcuna differenza di temperatura rispetto all'aria esterna, il rotore diventa inefficace.
Con aria esterna tra 30 e 45 °C, i tre casi di esercizio sono:
| Aria esterna | Temperato (rotore + comp.) | Freddo: solo rotore | Freddo: compressore acceso |
|---|---|---|---|
| 45 °C | 19,95 °C / 13,78 kW | 27,1 °C / 2,71 kW | 31,26 °C / 12,61 kW |
| 40 °C | 18,26 °C / 13,04 kW | 26,5 °C / 2,72 kW | 26,91 °C / 12,21 kW |
| 35 °C | 16,79 °C / 12,34 kW | 25,8 °C / 2,72 kW | 22,67 °C / 11,81 kW |
| 30 °C | 15,66 °C / 11,74 kW | 25,0 °C / 2,73 kW | 18,54 °C / 11,43 kW |
Tabella 3 — Temperatura di mandata / potenza elettrica totale nelle tre modalità estive (aria esterna 30–45 °C).
Il recupero del rotore è uguale nella modalità temperata e in quella a solo rotore: 45 °C → 108,7 kW · 40 °C → 74,8 kW · 35 °C → 44,9 kW · 30 °C → 19,0 kW. Con il compressore acceso il contributo del rotore è nullo.
La tabella e il grafico mostrano che, d'estate, modalità di esercizio e aria esterna decidono insieme il risultato:
- Con aria esterna alta (≈ 45 °C): nel progetto per clima freddo la modalità solo rotore dà sia una mandata più bassa (27,1 °C) sia una potenza molto minore (2,71 kW). Accendere il compressore rende inefficace il rotore: la potenza sale e la mandata si scalda (31,26 °C). Nei giorni più caldi la scelta intelligente è il solo rotore, cioè un comportamento da free cooling.
- Con aria esterna media (≈ 30–35 °C): la modalità con compressore acceso raffredda di più (mandata 22,67 °C a 35 °C, 18,54 °C a 30 °C). Il solo rotore in questa fascia arriva solo a ~25 °C.
- Il punto di incrocio è intorno a ≈ 40 °C: le due modalità danno una mandata simile, quindi la scelta si sposta sul solo rotore per risparmiare energia.
In ogni condizione il progetto per clima temperato dà la mandata più bassa, perché usa insieme il preraffreddamento del rotore e il compressore. In sintesi, nei giorni caldi il progetto per clima freddo funziona come un'unità di free cooling. Nei climi caldi che richiedono un raffreddamento meccanico spinto fino al setpoint, il progetto per clima temperato è più adatto.
Che cosa significa: D'estate non esiste una "modalità giusta" unica. L'unità va gestita tra solo rotore (free cooling economico) e compressore acceso (raffreddamento spinto) in base all'aria esterna e all'obiettivo di comfort.
Indicazioni pratiche
- Prevalenza del riscaldamento / clima freddo (Paesi nordici ecc.): preferire il progetto per clima freddo. Il compressore funziona senza cicli di arresto e ripartenza anche alle temperature più basse, e d'estate il rotore offre free cooling. A seconda della selezione dei componenti, la mandata scende sotto la fascia di comfort intorno a −10 … −15 °C esterni; per le condizioni sotto questa fascia va prevista una batteria di integrazione.
- Prevalenza del raffrescamento / clima temperato (gran parte della Turchia): preferire il progetto per clima temperato. Rotore e compressore lavorano insieme d'estate per un raffreddamento spinto, e in queste regioni il carico di sbrinamento invernale resta limitato.
- La temperatura minima di funzionamento va valutata non come numero di catalogo, ma come risultato della disposizione. In fase di scelta, chiedete l'andamento della TEvap.
La lezione in una frase: Nei climi freddi il limite del recupero di calore non lo fissa la potenza del compressore, ma la temperatura superficiale dell'evaporatore; se la disposizione alimenta l'evaporatore con l'aria di ripresa, il compressore funziona senza arresti e ripartenze anche alle temperature esterne più basse.
Fonti
- Systemair, Geniox HP – Integrated reversible heat pump and rotary heat exchanger (brochure di prodotto), 2024, https://a.storyblok.com/f/108972/x/aa7e39befa/systemair-geniox-hp-brochure_20240508_.pdf
- Swegon, GOLD RX/HC – Function Guide, s.d., https://www.swegon.com/globalassets/digizuite/9295-en-funkrxhc_functionguide_en.pdf
- IV Produkt, ThermoCooler HP – Integrated reversible heat pump, 2024, https://www.enawent.pl/files/39/2024_1_ThermoCooler_HP_en.pdf
- Eurovent Certita Certification, AARE – Air-to-Air Regenerative (Rotary) Heat Exchangers (programma di certificazione), s.d., https://www.eurovent-certification.com/en/third-party-certification/certification-programmes/aare
- ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment, capitolo "Air-to-Air Energy Recovery Equipment", s.d., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
- Wood, L.A., The use of dew-point temperature in humidity calculations, Journal of Research of the National Bureau of Standards – C, 74C(3–4), 117, 1970, https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/74C/jresv74Cn3-4p117_A1b.pdf
- Eurovent AISBL/IVZW, Eurovent 6/18 – Quality criteria for Air Handling Units (First edition), 2022, https://www.eurovent.eu/wp-content/uploads/eurovent-rec-6-18-quality-criteria-for-air-handling-units-2022-en-2.pdf
- Danfoss, PSH heating-optimized scroll compressors – Application Guide (PSH019–PSH039), s.d., https://assets.danfoss.com/documents/latest/525181/AB492637854347en-000301.pdf
- HVACinOne, software di selezione e calcolo HVAC – output tecnici dell'unità (HPHR reversibile da 8000 m³/h), 2026