Questo articolo esamina dove l'approccio del recupero di calore con pompa di calore integrata (HPHR) diventa razionale, quali problemi di cantiere vanno previsti e con quale logica tecnica vanno prese le decisioni su clima e disposizione. Nella maggior parte delle applicazioni lo scopo principale dell'HPHR non è "aumentare il comfort", ma sfruttare in modo più spinto l'energia dell'aria espulsa e ridurre così i carichi di riscaldamento e raffrescamento dovuti alla ventilazione. Per questo la valutazione non va fatta solo sui rendimenti di catalogo, ma sulle realtà di esercizio: comportamento di sbrinamento alle basse temperature esterne, stabilità della temperatura di mandata e necessità di riscaldamento ausiliario.
Mostreremo inoltre che, negli scenari a clima caldo, la disposizione di evaporatore, condensatore e recuperatore (rotore/piastre) è decisiva per mantenere la temperatura di mandata richiesta. In alcune architetture una disposizione sbagliata può ridurre il contributo del rotore e lasciare gran parte del carico al circuito della pompa di calore. L'ultima parte riassume la logica di scelta degli scambiatori a flussi incrociati, in controcorrente e rotativi, con i loro effetti su brinamento, trafilamento e perdita di carico (ΔP), e mostra come la decisione HPHR si completa a livello di sistema.
Che cos'è un'unità di recupero di calore con pompa di calore?
Il recupero di calore con pompa di calore (HPHR) è una soluzione integrata che estrae in modo più efficace l'energia dell'aria espulsa tramite un ciclo frigorifero (pompa di calore) e la trasferisce al lato aria esterna. In pratica lavora quasi sempre in serie con un recuperatore passivo (rotativo o a piastre): prima recupera il recuperatore passivo, poi il ciclo della pompa di calore sfrutta il "potenziale residuo". I documenti dei costruttori giustificano questo approccio con l'integrazione di "riscaldamento, ventilazione e (se necessario) raffrescamento in un'unica macchina" e con la riduzione di montaggio e tubazioni in cantiere [3], [4], [7].
Obiettivo principale: massimo recupero di calore, non comfort
Nella maggior parte delle applicazioni l'obiettivo principale dell'HPHR è il massimo recupero di calore: ridurre il carico di riscaldamento della ventilazione e, se serve, portare l'aria di mandata alla temperatura richiesta con meno energia aggiuntiva. Per questo leggere l'HPHR solo in chiave di raffrescamento, come un "raffrescamento DX dentro la centrale di trattamento aria", è riduttivo per la maggior parte dei progetti. Nella realtà di esercizio lo scenario principale è di solito questo [1], [7]:
- Recupero ad alto rendimento con il recuperatore passivo (rotore/piastre),
- Riscaldamento o raffrescamento "di integrazione" con la pompa di calore dove il recupero passivo non basta,
- Esercizio sicuro con un riscaldatore ausiliario, se necessario, nelle condizioni estreme (come temperature esterne molto basse).
Ambienti ed esigenze di processo
Le soluzioni HPHR diventano più razionali nelle seguenti condizioni:
- Impianti con alta quota di aria esterna (100% aria esterna o quota molto alta): Scuole, uffici, sale riunioni, impianti sportivi, alcuni ambienti industriali e applicazioni di ventilazione di processo rientrano in questa classe.
- Edifici con carico di ventilazione prevalente: Anche con bassi apporti interni, grandi portate di aria esterna sono una voce energetica importante, soprattutto nella stagione di riscaldamento.
- Progetti che puntano a un recupero in serie: Nel quadro Ecodesign/Eurovent il recupero di base viene dal recuperatore passivo e il ciclo della pompa di calore punta a un recupero ulteriore [1], [2].
- Progetti con vincoli di installazione o di spazio: La pompa di calore integrata riduce unità esterne e tubazioni in cantiere, quindi può essere preferita nelle riqualificazioni e dove lo spazio in copertura è prezioso [3], [4], [7].
Motivazioni applicative (focus sul recupero di calore)
- Avvicinarsi a un'alta temperatura di mandata in riscaldamento: La sequenza recuperatore passivo + pompa di calore porta l'aria di mandata al valore richiesto riducendo il bisogno di batterie ausiliarie; questo aspetto è messo particolarmente in evidenza [7].
- Ridurre l'impatto dello sbrinamento nei climi freddi: Se la strategia di brinamento/sbrinamento è impostata bene, gli scostamenti di energia e comfort dovuti allo sbrinamento possono essere limitati [6], [7].
- "Recupero di energia frigorifera" e raffrescamento integrato in estate: In alcune soluzioni dei costruttori la posizione delle batterie della pompa di calore consente di recuperare sia energia termica sia energia frigorifera [7].
Sbrinamento e scenari a bassa temperatura
Nelle soluzioni basate su pompa di calore lo sbrinamento è una condizione di esercizio critica, sia per i consumi sia per la stabilità della temperatura di mandata. La guida alle funzioni Swegon RX/HC definisce più metodi di sbrinamento contro il brinamento sulla batteria lato ripresa/espulsione: inversione del circuito frigorifero, supporto con riscaldatore elettrico e supporto con ricircolo [6]. La documentazione GOLD RX/HC indica inoltre che il metodo di sbrinamento va scelto in base alla temperatura esterna di progetto; per esempio, lo sbrinamento con ricircolo è applicabile fino a temperature esterne più basse [7].
Allo stesso modo alcuni costruttori trattano la "gestione dello sbrinamento" non solo come funzione di regolazione, ma come obiettivo di disposizione e di architettura del prodotto: ridurre o evitare il bisogno di sbrinamento. IV Produkt dichiara che nella soluzione ThermoCooler HP la batteria della pompa di calore è posta sul lato più caldo del rotore, per ridurre il rischio di brinamento sulla batteria e minimizzare lo sbrinamento in determinate condizioni. Per temperature esterne di progetto molto basse, il riscaldamento ausiliario (trim heater) è considerato parte del progetto per un esercizio sicuro [4], [5].
Sul fronte Systemair, la variante Geniox HP DF è posizionata come prodotto che funziona alle basse temperature esterne senza bisogno di un ciclo di sbrinamento. Per la variante standard Geniox HP, il limite di funzionamento alle temperature più basse è garantito con misure complementari come riscaldamento ausiliario o boost heater [3].
Note pratiche di progetto:
- La strategia di sbrinamento non è solo una questione di "funziona / non funziona"; durata, frequenza dello sbrinamento e scostamento della temperatura di mandata durante lo sbrinamento sono criteri di progetto [6], [7].
- Nei climi freddi la posizione delle batterie e i livelli di temperatura lungo il percorso dell'aria incidono chiaramente sul rischio di brinamento; alcuni costruttori collocano la batteria in una "zona più calda" per ridurre gli sbrinamenti inutili [5].
Disposizione dei componenti e zone climatiche
Qui "disposizione" indica la sequenza, lungo i percorsi dell'aria, del recuperatore (rotore, flussi incrociati e simili) e delle due batterie della pompa di calore (batteria lato espulsione e batteria lato mandata). Anche con lo stesso compressore e lo stesso tipo di recuperatore, il lato del rotore su cui si trovano le batterie cambia chiaramente i seguenti aspetti [1], [7]:
- Rapporto complessivo di recupero,
- Salto di temperatura (lift) su cui lavora il compressore,
- Frequenza di sbrinamento,
- Potenziale di "recupero frigorifero" in estate.
Nel seguito ragioniamo su due condizioni climatiche, calda e fredda. La Tabella 1 riporta le temperature di riferimento delle due classi climatiche; l'elenco che segue è una breve sintesi delle zone climatiche europee e turche.
| Zona | Estate | Inverno |
|---|---|---|
| Clima caldo | >30 °C | >−5 °C |
| Clima freddo | <30 °C | <−5 °C |
Tabella 1 — Zone climatiche, temperature di riferimento: soglie estive e invernali delle classi a clima caldo e freddo.
- Europa nord-occidentale – marittimo / temperato-umido (sbrinamenti frequenti ma relativamente leggeri): Paesi Bassi (Randstad), Belgio (area di Bruxelles), Francia settentrionale (asse di Lille), Germania occidentale (NRW).
- Europa centrale – continentale / temperato-freddo (lo sbrinamento diventa critico nelle ore di progetto): Germania meridionale e centrale (Baviera), Austria orientale (Vienna), Francia interna/orientale (asse Strasburgo–Lione), Italia settentrionale (Milano).
- Clima alpino – inverno rigido (sbrinamento + preriscaldamento/ricircolo come parte del progetto): Tirolo austriaco, Alpi tedesche, francesi e italiane.
- Costa mediterranea – caldo e spesso umido (forte motivazione per il recupero frigorifero): coste egee e mediterranee della Turchia, Italia meridionale/Sicilia, costa meridionale della Francia.
- Regioni interne – caldo-secco / caldo-continentale (bulbo secco elevato, carico latente relativamente basso): Turchia centrale e sud-orientale (Ankara–Konya; Gaziantep/Şanlıurfa) e zone interne simili.
Disposizione per climi freddi
Obiettivo di progetto: Nei climi freddi l'obiettivo è mantenere il recupero netto più alto possibile (sbrinamento e riscaldamento ausiliario inclusi) con la minima perdita dovuta allo sbrinamento.
Il comportamento al brinamento dipende dal tipo di recuperatore: Eurovent sottolinea che alle basse temperature esterne può esserci rischio di condensa e brinamento, soprattutto negli scambiatori a piastre senza trasferimento di umidità (solo sensibile). Le soluzioni con trasferimento di umidità (entalpiche/a sorbimento) riducono il rischio di brinamento. Questo quadro mostra che il limite di brinamento dei recuperatori rotativi/a sorbimento può spostarsi verso temperature più basse, a seconda dell'applicazione [1].
La temperatura dell'aria "vista" dalla batteria è un parametro di progetto: La posizione delle batterie della pompa di calore integrata fissa la temperatura e il titolo di umidità all'ingresso dell'evaporatore, quindi incide direttamente sul bisogno di sbrinamento. IV Produkt dichiara che, ponendo la batteria lato ripresa della pompa di calore sul lato più caldo del rotore, il rischio di brinamento sotto 0 °C si riduce, con l'obiettivo di evitare sbrinamenti inutili [5].
I tre fattori che definiscono il beneficio netto:
- Efficienza del rotore (trasferimento di temperatura + umidità),
- Condizione di ingresso all'evaporatore (in particolare T e ω),
- Strategia di sbrinamento (inversione di ciclo, preriscaldamento elettrico, ricircolo e simili).
Se questi tre fattori sono impostati male, la promessa di "alto recupero di calore" può tornare dal cantiere come bassa potenza resa e alti consumi.
Il punto debole di questo tipo di disposizione emerge in raffrescamento. Quando lavora il compressore, l'aria in uscita dal condensatore diventa l'ingresso del rotore, quindi la temperatura in ingresso al rotore sul lato espulsione è più alta di quella sul lato aria esterna. Per questo in raffrescamento va usato solo uno dei due, il rotore oppure il modulo HP.
Disposizione per climi caldi
Nei climi caldi l'HPHR è di solito giustificato da due motivazioni:
- Recupero frigorifero (cooling recovery): Recuperare "energia frigorifera" dall'aria espulsa per abbassare l'entalpia dell'aria esterna in ingresso e ridurre il carico del compressore.
- Integrazione: Ridurre la complessità di cantiere di unità esterne, tubazioni e circuiti frigoriferi (soprattutto con spazi limitati in copertura e in facciata) e abbassare il rischio di messa in servizio con una soluzione a pacchetto.
A differenza della disposizione per clima freddo, questa disposizione non va trattata come "senza sbrinamento". La batteria sul percorso di espulsione a valle del rotore (in riscaldamento di solito l'evaporatore) può ricevere aria sotto zero e il rischio di brinamento aumenta. Swegon indica nella documentazione RX/HC che in riscaldamento può formarsi brina sulla batteria lato espulsione e imposta lo sbrinamento per fasce di temperatura esterna [7]:
- Fino a circa −5 °C: Può bastare lo sbrinamento a inversione di ciclo.
- Intorno a −10 °C: Entra in gioco un preriscaldatore elettrico a monte del rotore.
- Per temperature di progetto più basse: È previsto lo sbrinamento con ricircolo.
Esempi dei costruttori e campi di temperatura: "quale approccio per quale clima?"
La sintesi seguente è un quadro interpretativo che mostra come i documenti dei costruttori giustificano la logica di disposizione e di esercizio. Le condizioni reali di progetto (portata, condizioni interne, sporcamento dei filtri, sequenza di regolazione, dotazione di bypass/ricircolo della macchina) influenzano direttamente il risultato.
| Costruttore / serie | Concetto di disposizione |
|---|---|
| Swegon – GOLD RX/HC | Rotore + pompa di calore reversibile integrata; le batterie lato mandata ed espulsione si trovano sui due flussi del rotore. Rispetto alle "module solutions", Swegon sostiene che questa disposizione dà un recupero più efficace in riscaldamento e in raffrescamento [7]. |
| IV Produkt – ThermoCooler HP | Modulo di pompa di calore reversibile integrato nella UTA; la batteria è posta sul "thermal wheel warm side" per ridurre il rischio di brinamento [5]. |
| Systemair – Geniox HP DF / Geniox HP | Recuperatore rotativo + pompa di calore reversibile integrata; la variante DF è posizionata su "Defrost Free" e "alto recupero di calore" [3]. |
Tabella 2a — Esempi dei costruttori: concetto di disposizione.
| Costruttore / serie | Note su temperature di esercizio / di progetto dichiarate |
|---|---|
| Swegon – GOLD RX/HC | Scelta dello sbrinamento in base alla temperatura esterna di progetto: sola inversione di ciclo fino a −5 °C di progetto; tra −5 e −10 °C si raccomanda un riscaldatore elettrico a monte del rotore; sbrinamento con ricircolo fino a −25 °C di progetto [7]. |
| IV Produkt – ThermoCooler HP | Esempio di esercizio: con −12 °C esterni e 22 °C di aria di ripresa, l'aria esterna può essere riscaldata a 20 °C con il compressore a ~60%; è indicata un'efficienza termica a secco di ~88% [5]. |
| Systemair – Geniox HP DF / Geniox HP | Geniox HP DF: "Heating mode down to −20 °C without preheater" e "No defrosting cycle required". Geniox HP: "Heating mode down to −12 °C without preheater", con la necessità di una batteria di post-riscaldamento. Per temperature di progetto inferiori a −17 °C il boost heater è dichiarato di serie [3]. |
Tabella 2b — Esempi dei costruttori: note su temperature di esercizio e di progetto dichiarate.
| Costruttore / serie | Approccio allo sbrinamento |
|---|---|
| Swegon – GOLD RX/HC | In riscaldamento può formarsi brina sulla batteria lato ripresa; il recupero di umidità del rotore a sorbimento rende più secca l'aria che arriva alla batteria, e questo è indicato come fattore che riduce il brinamento [7]. |
| IV Produkt – ThermoCooler HP | La posizione "warm side" mira a ridurre il brinamento sulla batteria sotto 0 °C e a evitare sbrinamenti inutili. La documentazione del costruttore riporta anche "No defrost cycle required" (da verificare nelle condizioni di progetto) [5]. |
| Systemair – Geniox HP DF / Geniox HP | Per la variante DF viene evidenziato "nessun ciclo di sbrinamento necessario". Questa affermazione dipende dalla sequenza di regolazione interna e dalle condizioni di batteria/aria; va verificata con il software di selezione e la sequenza di esercizio del progetto [3]. |
Tabella 2c — Esempi dei costruttori: approccio allo sbrinamento.
Tipi di recuperatore e logica di scelta
Il quadro Ecodesign e le valutazioni Eurovent chiariscono che la scelta del tipo di recuperatore non riguarda solo il rendimento: brinamento, trafilamento, perdita di carico e igiene vanno considerati insieme [1], [2].
Scambiatore a piastre a flussi incrociati
Secondo Eurovent, gli scambiatori a piastre a flussi incrociati sono una soluzione diffusa, soprattutto nelle unità più grandi; nella stessa classe, però, tendono ad avere un'efficienza termica più bassa di quelli in controcorrente. L'efficienza può essere aumentata collegando in serie due scambiatori a flussi incrociati [1]. Il vantaggio principale è l'idoneità alle grandi portate e la flessibilità di produzione e configurazione. Quando si punta a efficienze molto alte, invece, diventa difficile ottimizzare dimensioni dello scambiatore e perdita di carico (ΔP).
Inoltre, nella famiglia degli scambiatori a piastre il rischio di condensa e brinamento cresce con l'obiettivo di efficienza, soprattutto alle basse temperature esterne; Eurovent osserva che questo rischio può comparire prima che nelle soluzioni rotative [1]. Per questo le soluzioni a piastre a flussi incrociati sono razionali nei progetti in cui l'efficienza resta a un livello "ragionevole" e serve una soluzione compatta ed economica per grandi portate. Nei climi molto freddi la gestione del brinamento (bypass, preriscaldamento, sequenza di regolazione) deve essere parte integrante del progetto [1].
Scambiatore a piastre in controcorrente
Eurovent osserva che con gli scambiatori a piastre in controcorrente si possono raggiungere efficienze termiche molto alte, soprattutto nelle UTA di piccola taglia, ma che un obiettivo di efficienza più alto può aumentare anche il rischio di brinamento [1]. Il vantaggio evidente del controcorrente è il potenziale di alta efficienza termica con un dimensionamento corretto. D'altra parte, con obiettivi di efficacia elevati la dinamica condensa–brinamento dentro lo scambiatore diventa più critica. La gestione del brinamento (strategia di bypass, necessità di preriscaldamento, logica di esercizio/regolazione) diventa quindi un fattore chiave del progetto [1].
Le soluzioni a piastre in controcorrente sono una scelta forte dove l'efficienza è l'"obiettivo principale" e la macchina deve restare compatta. Per mantenere la continuità di esercizio alle basse temperature esterne, però, la strategia di brinamento/sbrinamento va verificata, quando possibile, con i dati del costruttore usati per la selezione [1].
Recuperatore rotativo
Secondo Eurovent, i recuperatori rotativi offrono alta efficienza termica, compattezza e (con un rotore adatto) recupero di umidità; inoltre iniziano a brinare a temperature più basse degli altri tipi, il che può essere un vantaggio. Tuttavia una configurazione sbagliata dei ventilatori o una messa in servizio insufficiente possono aumentare i rischi di trascinamento e trafilamento legati a EATR/OACF, quindi non sono raccomandati nelle applicazioni con requisiti igienici molto elevati [1].
Conclusione (raccomandazione)
Nello scenario giusto, le soluzioni di recupero di calore con pompa di calore possono ridurre in modo significativo i carichi di riscaldamento e raffrescamento dovuti alla ventilazione. Il "successo", però, dipende di solito meno dai singoli valori di rendimento a catalogo e più dalle prestazioni nette di esercizio ottenute nell'arco dell'anno.
I parametri chiave che determinano le prestazioni nette sono [3], [5], [6], [7]:
- Le condizioni climatiche di progetto,
- La disposizione tra evaporatore, condensatore e recuperatore (rotore/piastre),
- La scelta della strategia di sbrinamento (inversione di ciclo, preriscaldamento, ricircolo e simili),
- La gestione della quota di riscaldamento ausiliario che può servire con temperature esterne molto basse.
Fonti
- Eurovent AISBL/IVZW/INPA, 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
- Commissione europea, Regolamento (UE) n. 1253/2014 – Specifiche per la progettazione ecocompatibile delle unità di ventilazione, 2014, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/HTML/?uri=CELEX:32014R1253
- 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
- IV Produkt, ThermoCooler HP – Integrated reversible heat pump (pagina prodotto), s.d., https://www.ivprodukt.com/products/integrated-reversible-heat-pump/thermocooler-hp
- IV Produkt, ThermoCooler HP – Integrated reversible DX heat pump for the Envistar range (brochure), 2024, https://www.enawent.pl/files/39/2024_1_ThermoCooler_HP_en.pdf
- Swegon, Guide to the GOLD version F/G functions – Reversible heat pump, RX/HC (guida alle funzioni), s.d., https://www.swegon.com/globalassets/digizuite/9295-en-funkrxhc_functionguide_en.pdf
- Swegon, GOLD RX/HC – Packaged ventilation, heating and cooling (brochure), s.d., https://www.swegon.com/globalassets/digizuite/8450-en-goldrxhc_brochure_en.pdf
- Systemair, Geniox HP (pagina prodotto), s.d., https://www.systemair.com/en-gb/products/air-handling-units/geniox/geniox-hp
- IV Produkt, Envistar – A flexible range of air handling units with integrated control equipment (brochure), s.d., https://www.byggematerialer.dk/envistar-serien-1227674/fil-files/Brochure_Envistar_191017_02_EN.pdf