Tre pompe di calore scelte per la stessa potenza frigorifera sono indistinguibili al punto di progetto di 35 °C: tutte e tre forniscono 20–21 kW. Eppure, quando l'aria esterna scende a 27 °C, una raggiunge un COP del compressore di 6,4 mentre le altre restano a 4,9. Stessa unità, stesso giorno; l'unica differenza è come viene controllata la potenza del compressore.
In una pompa di calore la potenza si può controllare in tre modi: un compressore singolo a velocità variabile (inverter), un compressore singolo a velocità fissa (on/off) oppure un tandem asimmetrico che parzializza due compressori di taglia diversa. In questo articolo abbiamo calcolato le tre soluzioni con HVACinOne su un'unità di recupero di calore con pompa di calore (HPHR) [13]. Tutto, tranne il compressore, è stato mantenuto identico.
Al punto di progetto (35 °C esterni, mandata 18 °C) le tre soluzioni forniscono una potenza simile. Ma al variare dell'aria esterna il loro comportamento si separa nettamente: l'inverter mantiene in continuo la temperatura di mandata obiettivo, mentre i sistemi a potenza fissa la mancano ed entrano in cicli di accensione e spegnimento. Il confronto va quindi fatto sull'intera stagione di raffrescamento, non in un singolo punto a pieno carico.
Per un confronto equo abbiamo scelto i tre sistemi per lo stesso punto di progetto: 35 °C di aria esterna, 100% aria esterna, 8000 m³/h, mandata obiettivo 18 °C. Ciascuno è stato dimensionato per fornire la stessa potenza frigorifera in quel punto:
- Inverter: ANB66FBZMT (velocità variabile; 45 Hz al punto di progetto)
- On/off singolo: ZH15K1P-TFM (scroll a 50 Hz fissi)
- Tandem asimmetrico: ZH06K1P-TFM + ZH09K1P-TFM (due scroll di taglia diversa, in funzione insieme)
In tutti e tre i casi la funzione è HP-HR-R (recupero rotativo + pompa di calore a circuito singolo). A parte il compressore l'unità è identica: stesso rotore, stesse batterie evaporatore/condensatore, stessi ventilatori.
Tre sistemi, identici in un singolo punto di progetto
Nella condizione di progetto la potenza frigorifera meccanica (del compressore) dei tre sistemi è praticamente la stessa:
| Sistema | Frequenza | Potenza comp. | TEvap / TCond | COP comp. |
|---|---|---|---|---|
| Inverter ANB66 | 45 Hz | 20,79 kW | 10,7 / 49,1 °C | 4,36 |
| On/off singolo ZH15 | 50 Hz | 20,46 kW | 10,8 / 48,9 °C | 4,03 |
| Asimmetrico (ZH06 + ZH09) | 50 Hz | 20,96 kW | 10,6 / 49,3 °C | 4,06 |
Tabella 1 — Potenza del compressore, punto di funzionamento e COP del compressore dei tre sistemi al punto di progetto 35 °C / mandata 18 °C.
Tutti e tre forniscono ~20–21 kW di raffrescamento; del resto sono stati scelti per la stessa potenza. Tutti e tre portano la mandata a 18 °C, lavorano in un punto simile (~49 °C di condensazione) e hanno COP del compressore vicini (~4,0–4,4). A catalogo, le prestazioni del compressore sono date in funzione delle temperature di evaporazione e condensazione [1], [2]. In sintesi, al punto di progetto i tre sistemi si possono considerare equivalenti lato compressore.
Che cosa significa: Confrontati in un solo punto di progetto, la domanda "qual è il migliore" non ha risposta: i tre sono equivalenti. Ma un'unità non lavora in un solo punto; lavora per tutta la stagione di raffrescamento, con aria esterna variabile. È lì che inizia la differenza.
Vista di processo: che cosa succede fuori progetto?
Quando i tre sistemi cercano di mantenere la stessa mandata a 18 °C con aria esterna tra 27 e 50 °C, si separano. Conviene porsi due domande insieme: a che temperatura manda ciascun sistema, e con quale efficienza?
Che cosa manda: Modulando la frequenza, l'inverter mantiene la mandata piatta a 18 °C su tutto l'intervallo. L'on/off singolo e l'asimmetrico sono vincolati a una sola potenza e non riescono a mantenerla. Con aria esterna alta (>34 °C) il carico supera la loro potenza e la mandata sale sopra 18 °C (~20 °C con 50 °C esterni); con aria esterna bassa raffreddano troppo e scendono sotto 18 °C.
Per questo obiettivo l'on/off singolo e l'asimmetrico quasi coincidono. Il carico a 18 °C richiede quasi la piena potenza, quindi anche l'asimmetrico deve far funzionare entrambi i compressori.
Con quale efficienza: Ecco il risultato chiave. A carico basso e medio l'inverter è nettamente più efficiente (COP 6,4 a 27 °C contro 4,9 degli altri). Riducendo la frequenza scende anche la temperatura di condensazione, e il compressore lavora con un rapporto di compressione più moderato. Le curve si incrociano intorno a 38 °C; a carico molto alto l'inverter viene spinto sopra la frequenza nominale e il suo COP scende sotto quello degli altri. Tuttavia, in quella zona resta l'unico sistema che mantiene i 18 °C.
Copertura della potenza: Mantenere 18 °C con 50 °C esterni richiede ~25 kW di raffrescamento, e solo l'inverter li fornisce. L'on/off singolo si satura a ~19 kW e la sua mandata resta a 20 °C. Quindi, dove gli altri non riescono a seguire, l'inverter copre circa un terzo (~33%) di potenza in più.
Che cosa significa: Tre sistemi equivalenti al punto di progetto si separano al variare dell'aria esterna. Il vantaggio dell'inverter si riduce a due guadagni concreti: (1) riesce a mantenere l'obiettivo, e (2) assorbe meno potenza a carico parziale, perché adegua la frequenza al carico e lavora con una condensazione più bassa. Entrambi hanno la stessa origine: l'inverter adegua in continuo la potenza al carico; gli altri no.
Per lo stesso motivo gli indici di efficienza a carico parziale del settore pesano un profilo di carico parziale invece di un singolo punto a pieno carico. Per questa classe di apparecchi l'indice è l'IEER [3]; per i refrigeratori d'acqua è l'IPLV [4].
Il compressore fa solo un terzo del lavoro
Guardando la potenza frigorifera totale, il ruolo del compressore si riduce ancora. Al punto di progetto di 35 °C, la maggior parte del raffrescamento non viene dal compressore ma dal recupero di calore rotativo [5], [6]:
- Raffrescamento totale: 65,7 kW
- Di cui 44,9 kW (68%) dal rotore (preraffreddamento dell'aria esterna con l'aria di ripresa)
- La quota del compressore (DX) è solo 20,8 kW (32%)
Qui va evitata una confusione concettuale: nelle norme il recupero di calore e l'efficienza della pompa di calore si misurano separatamente e non si sommano in un unico numero. Il contributo del rotore non è un COP ma un'efficienza di recupero, cioè il rapporto tra energia recuperata e massima energia recuperabile [6], [7], [8]. L'efficienza del compressore è il classico COP [9]; qui ~4,36.
Dividere il raffrescamento totale (65,7 kW) per la potenza elettrica totale (7,8 kW) per ottenere un "COP di sistema ~8,4" è diffuso ma fuorviante, e non è una definizione normativa. Presenta il calore che il rotore recupera gratuitamente come se fosse lavoro meccanico del compressore. La lettura corretta è questa: il rotore copre la maggior parte del carico tramite l'efficienza di recupero, e il compressore chiude il piccolo carico residuo di rifinitura (trim) con un COP di ~4,36.
Che cosa significa: Con il recupero di calore, il compressore vede già un carico piccolo e variabile. Questo rende il controllo di capacità, cioè la capacità di mantenere il compressore nel punto giusto, ancora più decisivo.
In campo: l'on/off non resta nel punto ideale
Tutto quanto sopra presuppone un funzionamento a regime stazionario. In campo il quadro peggiora ancora per l'on/off, perché un compressore a velocità fissa non riesce a restare nel suo punto di funzionamento ideale.
Cicli e ritardo anti-ciclo breve → oscillazione della mandata
Un compressore on/off si ferma quando raggiunge l'obiettivo di mandata (o di ripresa) e riparte quando la temperatura è salita un po'. Ma per evitare cicli brevi, la regolazione aggiunge un ritardo di funzionamento (timer anti-ciclo breve). Il costruttore del compressore sottolinea che, soprattutto nelle unità autonome con compressori grandi regolati sulla mandata, i cicli brevi creano ampie oscillazioni della temperatura di mandata e che questo ritardo va richiesto nel capitolato [10]. Così, anche se si vuole "ripartire a 19 °C", il compressore riparte a 20 °C perché il ritardo non è ancora scaduto.
Il risultato non è una banda stretta attorno all'obiettivo, ma un'oscillazione allargata dal timer. L'inverter mantiene l'obiettivo piatto: non si ferma mai, quindi non ci sono né oscillazioni né ritardi.
Corrente di spunto e perdite per ciclaggio
A ogni avviamento il compressore assorbe una corrente di spunto (corrente a rotore bloccato, LRA) pari a più volte la corrente di funzionamento; il costruttore chiede di dimensionare il contattore su questa corrente e di avviare uno alla volta i compressori in parallelo [14]. Il costo energetico (kWh) di questo picco è piccolo, perché dura una frazione di secondo. Il suo vero prezzo è il picco di potenza elettrica (kVA/costo della potenza impegnata) e l'usura meccanica di contattore e compressore.
La vera perdita energetica a carico parziale viene dal ciclaggio stesso, e si può quantificare. Il modello standard di carico parziale assegna una perdita di efficienza a ogni ciclo: PLF = 1 − Cd·(1 − PLR). Qui PLR è il fattore di carico parziale e Cd il coefficiente di degrado ciclico; vale tipicamente 0,15–0,25, con 0,25 come valore predefinito se non misurato [11].
Questo modello e il suo valore di 0,25 sono definiti per piccole unità autonome e sono qui trasferiti concettualmente a un'unità più grande. L'AHRI 340/360, che valuta l'efficienza a carico parziale di questa classe, tratta invece il carico parziale con quattro punti di carico pesati (100/75/50/25) [3]. I quadri di riferimento sono diversi, ma concordano sul fatto che il ciclaggio comporta una penalità di efficienza.
Su questa base, al 50% di carico parziale (PLR = 0,5) un compressore on/off fornisce lo stesso raffrescamento con circa l'8–14% di energia in più, e la penalità cresce al diminuire del carico. L'inverter modula e non cicla mai, quindi non paga questa penalità.
Il tandem asimmetrico parzializza più finemente, ma non a questo obiettivo
Due compressori di taglia diversa offrono tre gradini di potenza: solo il piccolo (ZH06 ~11 kW), solo il grande (ZH09 ~14 kW) o entrambi (~21 kW). Questo copre il carico più finemente dell'on/off singolo con il suo unico gradino. Tuttavia, mantenere 18 °C richiede quasi la piena potenza, quindi un solo gradino non basta ed entrambi i compressori devono lavorare insieme.
A questo obiettivo, quindi, l'asimmetrico non ha alcun vantaggio pratico rispetto all'on/off singolo. Il beneficio dei tre gradini emerge con carichi più leggeri, dove basta un solo gradino piccolo. Va sottolineato: sulla linea di esercizio principale di questo articolo (8000 m³/h, obiettivo 18 °C) il sistema asimmetrico fa funzionare entrambi i compressori a ogni condizione esterna. La penalità di rotazione descritta sotto riguarda un regime di carico più leggero, in cui basterebbe un solo gradino, non quella linea.
La trappola della rotazione per usura uniforme
La maggior parte dei sistemi multicompressore include una funzione di "allungamento della vita": la rotazione per usura uniforme, che fa lavorare i compressori a turno per pareggiarne le ore di funzionamento. È una pratica di regolazione diffusa nei gruppi multicompressore [12]. Ma questa logica ottimizza l'usura uniforme, non la potenza, e a carico parziale può scegliere il compressore sbagliato.
I nostri dati lo mostrano chiaramente. Quando un carico leggero dovrebbe essere coperto dal compressore piccolo correttamente dimensionato (ZH06) ma la rotazione mette in funzione quello grande (ZH09), lo stesso raffrescamento richiede il 12–15% di potenza in più.
| Aria esterna | COP ZH06 (taglia giusta) | COP ZH09 (rotazione) | Potenza in più |
|---|---|---|---|
| 35 °C | 6,24 | 5,58 | 12% |
| 30 °C | 7,08 | 6,20 | 14% |
| 27 °C | 7,67 | 6,68 | 15% |
Tabella 2 — COP e potenza aggiuntiva per lo stesso raffrescamento quando, a carico parziale, la rotazione avvia il grande ZH09 al posto dello ZH06 correttamente dimensionato.
Il motivo è di nuovo il punto di funzionamento. Il compressore più grande carica di più la stessa batteria, abbassando l'evaporazione e alzando la condensazione: a 27 °C lo ZH06 lavora a TEvap 13,8 / TCond 35,6 °C, mentre lo ZH09 lavora a TEvap 12,5 / TCond 37,8 °C. Questo porta il compressore a un rapporto di compressione peggiore e a un punto con COP più basso. L'ironia è evidente: una rotazione pensata per allungare la vita del compressore consuma più energia a carico parziale e fa ciclare inutilmente il compressore grande.
Che cosa significa: Le perdite in campo dei sistemi on/off e multicompressore, anche se equivalenti al punto di progetto, nascono dall'incapacità di restare nel punto di funzionamento previsto. Cicli, oscillazione da timer, corrente di spunto, gradini di potenza grossolani e rotazione allontanano tutti il compressore dal suo punto efficiente.
Perché l'inverter ne è esente
Esaminato punto per punto, il vantaggio dell'inverter si riconduce sempre alla stessa causa: riesce a mantenere il suo punto di funzionamento.
- Modula in continuo, quindi mantiene l'obiettivo piatto; non c'è oscillazione.
- Si avvia una volta, dolcemente, e continua a funzionare; non c'è picco di corrente di spunto.
- Imposta la frequenza in proporzione al carico, quindi a carico parziale raffredda esattamente quanto serve; niente gradini grossolani né sovraraffreddamento.
- È un compressore singolo, quindi non c'è penalità di rotazione/usura uniforme.
- A carico parziale abbassa la frequenza e quindi la condensazione, lavorando con un rapporto di compressione moderato e un COP alto.
Niente di tutto questo è "il compressore inverter è più efficiente". Tutto deriva dalla capacità dell'inverter di mantenere il compressore nel punto di funzionamento giusto.
Conclusione: non si sceglie un compressore, si sceglie una strategia di controllo
Allineando i tre sistemi alla stessa potenza di progetto a 35 °C e seguendoli per tutta la stagione di raffrescamento, il quadro è chiaro:
- Al punto di progetto i tre sono equivalenti: potenza simile, punto di funzionamento simile, COP vicini.
- La differenza non la fa il compressore scelto, ma il modo in cui si copre il carico: il controllo di capacità.
- Il recupero di calore riduce il compressore a un piccolo carico di rifinitura; la vera leva è mantenere quel carico nel punto previsto.
- L'inverter vince, non perché sia un "compressore efficiente", ma perché mantiene il suo punto di funzionamento su un ampio campo di carico ed evita le penalità operative che si vedono in campo.
Conclusione pratica: l'inverter va valutato non come "efficienza automatica", ma come una strategia di controllo che offre la gestione del punto di funzionamento (campo di modulazione + funzionamento continuo). In un sistema a velocità fissa o multicompressore, il risultato non lo decide il compressore in sé. Lo decide quanto dimensionamento, impostazioni di ciclo/timer e logica di rotazione degradano il controllo di capacità.
Nota (metodo): I valori a regime stazionario (potenza, COP, punto di funzionamento, potenza aggiuntiva con rotazione) sono stati calcolati con HVACinOne sulla stessa unità, con la funzione HP-HR-R, usando tre configurazioni di compressore allineate al punto di progetto estivo di 35 °C [13]. Effetti transitori e di regolazione come l'oscillazione da ciclaggio, il ritardo anti-ciclo breve e la corrente di spunto sono fuori dal campo di questo motore a regime stazionario; sono trattati con giudizio ingegneristico e dati applicativi dei costruttori.
Fonti
- CEN, EN 12900 – Refrigerant compressors: rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer's performance data, 2013, https://www.en-standard.eu/bs-en-12900-2013-refrigerant-compressors-rating-conditions-tolerances-and-presentation-of-manufacturer-s-performance-data/
- AHRI, AHRI Standard 540 – Performance Rating of Positive Displacement Refrigerant Compressors and Compressor Units, 2020, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/AHRI_Standard_540_(I-P_and_SI)_2020_Standard_for_Performance_Rating_of_Positive_Displacement_Refrigerant_Compressors_and_Compressor_Units.pdf
- AHRI, AHRI Standard 340/360 – Performance Rating of Commercial and Industrial Unitary Air-conditioning and Heat Pump Equipment, 2022, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/AHRI%20Standard%20340-360-2022%20(I-P).pdf
- AHRI, AHRI Standard 550/590 – Performance Rating of Water-chilling and Heat Pump Water-heating Packages, 2023, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/ANSI%20AHRI%20Standard%20550%20590-2023%20(I-P).pdf
- ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment, capitolo "Air-to-Air Energy Recovery Equipment", s.d., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
- Eurovent, Eurovent 17/11 – Guidelines for Heat Recovery, 2015, https://www.eurovent.eu/wp-content/uploads/publications-files/eurovent-rec-17-11-eurovent-guidelines-for-heat-recovery-2015-en.pdf
- CEN, EN 308 – Heat exchangers: test procedures for establishing performance of air-to-air heat recovery components, 2022, https://www.en-standard.eu/bs-en-308-2022-heat-exchangers-test-procedures-for-establishing-performance-of-air-to-air-heat-recovery-components/
- Commissione europea, Commission Regulation (EU) No 1253/2014 – Ecodesign requirements for ventilation units, 2014, https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2014/1253/oj/eng
- CEN, EN 14511-1 – Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps: terms and definitions, 2022, https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/93a37503-c91b-49dc-ad23-82ec9715acf1/en-14511-1-2022
- Copeland, AE17-1262 R2 – Compressor Short Cycling: An Unrecognized Problem, 2024, https://webapps.copeland.com/online-product-information/Publication/LaunchPDF?Index=aeb&PDF=AE17-1262_R2.pdf
- AHRI, AHRI Standard 210/240 – Performance Rating of Unitary Air-conditioning and Air-source Heat Pump Equipment, 2024, https://www.ahrinet.org/system/files/2024-05/AHRI%20Standard%20210%20240-2024%20(I-P)_0.pdf
- ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Applications, s.d., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
- HVACinOne, software di selezione e calcolo HVAC – output tecnici dell'unità (HP-HR-R da 8000 m³/h; processo estivo e calcoli di rotazione per inverter / on-off / tandem asimmetrico), 2026
- Copeland, AE4-1303 R18 – 7 to 15 Ton ZR-KC, ZH-KC and ZP-KC Copeland Compressors (Application Engineering Bulletin), 2025, https://webapps.copeland.com/online-product-information/Publication/LaunchPDF?Index=AEB&PDF=1303