L'integrazione della pompa di calore con l'impianto fotovoltaico: funzionamento e vantaggi

L’utilizzo delle pompe di calore idroniche (aria/acqua, terra/acqua, acqua/acqua) come sistema principale per la produzione di riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria sta prendendo sempre più quote di mercato a discapito dei combustibili fossili.

L’esigenza di investire sul risparmio energetico, l’attenzione e l’utilizzo delle risorse naturali ed il conseguente utilizzo delle fonti rinnovabili, stanno modificando sostanzialmente la concezione impiantistica. Questo spostamento verso un pianeta sostenibile viene implementato dalla maggiore consapevolezza dei cambiamenti climatici ma soprattutto dalle direttive e dai bonus di efficientamento energetico.

Ad oggi, però, quale altra tecnologia è possibile integrare con la pompa di calore ma soprattutto: com’è possibile metterle in comunicazione?

In questo articolo affronteremo i principali sistemi di integrazione impiantistica con la pompa di calore, i suoi vantaggi e svantaggi e il dialogo fra i diversi sistemi.

Quest’ultimo risulta di fondamentale importanza per il miglior sfruttamento delle risorse e il minor impatto economico per l’utente. 

Daremo allora uno sguardo alle logiche di funzionamento e di integrazione dei sistemi maggiormente utilizzati che coniugano pompe di calore con fotovoltaico, VMC, riscaldamento, raffrescamento, deumidificazione, solare termico e biomassa.

Non entrerò nel dettaglio di ogni specifico prodotto ma cercherò di indicare le linee guida per poter ragionare e gestire le logiche corrette.

La pompa di calore e il fotovoltaico

La progettazione di impianti integrati pompe di calore e fotovoltaico rappresentano un‘interessante opportunità di crescita per i tecnici, destinati ad avere un ruolo fondamentale per soddisfare le richieste di consumatori sempre più attenti a trasformare la loro casa in un edificio che produce e consuma energia. 

Progettare un impianto di questo tipo richiede competenze trasversali, che spaziano dalla conoscenza della tecnologia fotovoltaica e impiantistica all’esperienza nell’installazione e manutenzione di impianti di riscaldamento, lavorando per favorire la creazione di sinergie fra gli operatori del settore elettrico e del settore idraulico, che devono unire le loro competenze per veicolare sul mercato soluzioni integrate.

Il tutto comincia dal dimensionamento corretto della pompa di calore elettrica, elemento fondamentale per determinare una simulazione dei consumi annua, considerando l’andamento delle temperature esterne della località di progetto. 

Una volta determinato il consumo teorico di generazione passeremo ai consumi legati all’abitazione, cioè di tutte le altre apparecchiature elettriche di utilizzo quotidiano.

A questo punto, avendo il fabbisogno energetico delle utenze in casa, passeremo a dimensionare l’impianto fotovoltaico.

I fattori che incidono nel suo dimensionamento

Esso può dipendere da più fattori; 

- Posizione geografica dell’impianto (latitudine)

- Inclinazione dell’impianto (rispetto al piano orizzontale e rispetto al sud geografico)

- Temperatura ambientale media (anche la temperatura influenza il rendimento di un impianto), 

- Superficie a disposizione

Se vogliamo coprire annualmente il consumo elettrico dell’edificio dobbiamo considerare il meccanismo dello Scambio sul Posto; in assenza di questo occorre valutare la produzione e il consumo giornaliero bilanciandoli con un sistema a batteria di accumulo. Quest’ultima ipotesi nella maggior parte dei casi non potrà rendere autonomo l’edificio nei mesi più freddi (Gennaio- Febbraio) almeno che si tratti di un edificio quasi passivo.

Impianto fotovoltaico con pompa di calore: quali vantaggi ci sono

Un primo vantaggio nell’abbinare l’impianto fotovoltaico alla pompa di calore è la riduzione dei consumi in bolletta, favorendo così l’autoconsumo fotovoltaico.

Ci permette inoltre di accumulare energia termica, trasformando l’impianto e l’edificio in batterie termiche.

Questo elemento risulta fondamentale perché andremo a settare la pompa di calore in modalità comfort (temperature più elevate) proprio quando il fotovoltaico supererà una soglia di produzione, favorendo così l’accumulo di energia termica per la produzione di acqua calda sanitaria, riscaldamento e raffrescamento (attenzione però nel sovradimensionamento dell’accumulo sanitario e del puffer tecnico).

Inoltre aumentando la temperatura ambiente caricheremo l’edificio di energia e la velocità di rilascio verso l’esterno dipenderà dalle prestazioni dell’involucro. Questa operazione va coordinata con il cliente finale per garantire una condizione di comfort all’interno dell’edificio, senza “surriscaldare” troppo l’ambiente; un giusto compromesso si trova nelle ore in cui l’edificio non è abitato.

Questo settaggio garantirà un maggior COP della pompa di calore e un conseguente abbassamento del consumo elettrico, perché lavorerà sopratutto nelle ore più calde della giornata dove le temperature esterne permettono maggiori rese.

Avremo una riduzione delle eccedenze del fotovoltaico se utilizzeremo il meccanismo dello scambio sul posto perché i consumi elettrici dell’edificio aumentano andando a compensare l’energia immessa in rete.

Dal punto di vista delle cabine elettriche il fotovoltaico alleggerisce la rete di produzione nazionale, bilanciando la richiesta energetica delle abitazioni e attenuando i picchi di richiesta che sarebbero imputabili sopratutto alla Pompa di Calore (tra le utenze più energivore dell’edificio).

E quali svantaggi ci sono?

In questa fase parleremo degli svantaggi di abbinare la pompa di calore al fotovoltaico.

Ad essere onesti non ci sono svantaggi per questo tipo di abbinamento se viene fatto in modo corretto. Alcuni sistemi che settano la potenza termica erogata dalla pompa di calore in funzione della produzione fotovoltaica: più energia elettrica prodotta e più la pompa di calore produce calore. Questa applicazione ha il rovescio della medaglia: se la produzione fotovoltaica è scarsa c’è il rischio di non garantire il comfort all’utente.

Modalità di collegamento / interfaccia

Questa immagine rappresenta uno schema esemplificativo di come possiamo mettere in comunicazione il sistema di generazione termica con l’impianto fotovoltaico.

Il primo step è il corretto dimensionamento dell’impianto fotovoltaico, che prevede l’installazione di 2 contatori, uno dedicato all’energia prodotta e uno per quella scambiata con la rete elettrica.

Ma cosa succede? 

Caso 1: Escludiamo la presenza della batteria di accumulo

Quando la produzione fotovoltaica sarà superiore all’assorbimento elettrico dell’abitazione, l’energia eccedente andrà immessa direttamente nella rete (scambio sul posto, meccanismo attraverso il quale viene valorizzata tutta l'energia immessa dall'utente nella rete elettrica. Tale valorizzazione tiene conto non solo dell'energia immessa ma anche dell'energia che viene prelevata dalla rete per i propri consumi.

Caso 2: Consideriamo la presenza della batteria di accumulo

Quando la produzione fotovoltaica sarà superiore all’assorbimento elettrico dell’abitazione, l’energia eccedente andrà a caricare direttamente la batteria, anch’essa correttamente dimensionata.

Avendo chiara la differenza tra i due sistemi, entriamo nel dettaglio sulle tipologie di comunicazione tra pompa di calore e fotovoltaico:

1- Gli inverter di ultima generazione hanno la possibilità di inviare un segnale (attraverso un contatto pulito I/O) alla pompa di calore. Questo segnale viene inviato solamente quando la produzione fotovoltaica supera un valore pre impostato in fase di collaudo. Oppure se l’energia elettrica immessa in rete è superiore ad una certa soglia (quest’ultimo caso è migliorativo rispetto al semplice valore di produzione fotovoltaica).
Ma cosa ci permette di fare questo segnale? L’elettronica della pompa di calore, dal momento che riceve questo contatto, setterà il generatore in modalità comfort in modo da sfruttare l’eccedenza per riscaldare l’edificio e l’acqua calda sanitaria.

2- Se l’inverter non ha la possibilità di inviare questo segnale o se la pompa di calore non ha la possibilità di riceverlo, risulta di fondamentale importanza un sistema di monitoraggio e settaggio della pompa di calore.
Il settaggio permette di impostare della fasce orarie di funzionamento della pompa di calore, perciò far lavorare la macchina nelle ore di maggior esposizione solare, con temperature esterne più favorevoli garantendo così l’autoconsumo. Il sistema esterno di monitoraggio del fotovoltaico invece monitora l’energia prodotta e quella immessa in rete, dialogando con la pompa di calore.

Concludo il tema dell’abbinamento del fotovoltaico con la pompa di calore con una precisazione: non è possibile riscaldare casa gratuitamente e ricevere bollette pari a zero. Perlopiù nei mesi più freddi dell’anno tra cui Gennaio e Febbraio.

È un errore comune perché non si considerano i fattori meteorologici e il fatto che l’impianto fotovoltaico produce meno energia proprio nei periodi in cui c’è maggiore consumo per il riscaldamento. Gli inverni sono caratterizzati da giornate nuvolose e umide in cui nemmeno una batteria d’accumulo sovradimensionata garantirebbe l'autosufficienza (ad esclusione per gli edifici passivi).

Il corretto approccio è bilanciare l’energia elettrica annuale consumata con l’energia elettrica annuale prodotta dal fotovoltaico.

Mettendo in relazione questi due fattori possiamo eseguire una reale stima.