Iniziamo con una premessa: questo articolo non parla di fantascienza. Le tecnologie che citeremo esistono da decenni, e se è necessario parlarne come di tecnologie avanzate, è per due motivi:

• Il loro utilizzo negli anni in tutti i contesti possibili ne ha permesso l’evoluzione tecnica e normativa a cui siamo oggi, rendendo queste tecnologie mature, affidabili ed estremamente efficienti.
• L’attenzione sempre crescente all’efficienza e alla sostenibilità in edilizia ha, di fatto, selezionato questi sistemi come le soluzioni più naturali alle esigenze di comfort negli edifici moderni, rendendole adatte anche laddove, fino a qualche anno fa, il loro utilizzo destava qualche dubbio.

In questo articolo faremo una panoramica di alcune tra le principali tecnologie in grado di fornire il massimo comfort con la massima efficienza, se progettate e installate a regola d’arte in immobili dotati di un involucro degno di un edificio del ventunesimo secolo. Iniziamo.

LE POMPE DI CALORE

Affermatesi negli ultimi anni come la tipologia di generatore in grado di sfruttare al meglio le fonti di energia rinnovabili, senza produrre direttamente emissioni (a differenza, ad esempio, delle caldaie a biomassa), le pompe di calore hanno caratteristiche che si sposano perfettamente con edifici dotati di un involucro performante.

La pompa di calore è una macchina che trasferisce energia termica da una sorgente a bassa temperatura a un ambiente ad alta temperatura, cioè il contrario di quanto avverrebbe naturalmente per il secondo principio della termodinamica. Per operare questo trasferimento va quindi fornita energia al sistema, di solito sotto forma di elettricità. Il ciclo è lo stesso che avviene nel vostro frigorifero per sottrarre calore dal suo interno, trasferendolo al di fuori. Questa tipologia di pompa di calore sfrutta un fluido frigorifero (appunto) che, evaporando in uno scambiatore, sottrae calore all’ambiente esterno, per poi passare in un compressore che ne aumenta la pressione (utilizzando energia elettrica) e quindi a un altro scambiatore nell’ambiente interno, dove condensa allo stato liquido cedendo calore, e infine alla valvola di espansione che riporta il fluido pressione iniziale. Allo stesso modo, la macchina si può sfruttare per trasferire calore a un bollitore per la produzione di acqua calda sanitaria. Il ciclo può essere invertito consentendo di raffrescare gli ambienti interni portandone il calore all’esterno.

L’utilizzo di energia elettrica, anziché di gas o altre fonti fossili, fa sì che si possa sfruttare una quota di energia da fonti rinnovabili, sia prelevandola dalla rete (il mix energetico in Italia presenta oltre il 40% di rinnovabili, in costante aumento), sia, ancora meglio, utilizzando quelle eventualmente disponibili in loco come un impianto fotovoltaico. Il rendimento delle pompe di calore è espresso come rapporto tra l’energia termica fornita (in inverno) o sottratta (in estate) e l’energia elettrica spesa. In riscaldamento, questo rapporto si chiama Coefficient of Performance, il famoso COP, mentre in raffrescamento è l’Energy Efficiency Ratio, EER. Un valore di 4, che è del tutto normale per le applicazioni che ci interessano, significa che per ogni kWh di energia elettrica assorbito, abbiamo 4 kWh di energia termica trasferita dove ci occorre. Sono valori del tutto irraggiungibili anche per la più efficiente delle caldaie a condensazione.

Le pompe di calore vengono classificate anche in base alle sorgenti tra cui operano. Le principali tipologie sono:

• Pompe di calore aria/aria: si tratta dei classici split per la climatizzazione estiva o invernale. Il fluido frigorifero scambia calore direttamente con l’aria presente nell’ambiente interno (espansione diretta), mentre il resto del ciclo avviene nell’unità esterna.
• Pompe di calore aria/acqua: si tratta dei sistemi più diffusi per l’utilizzo negli impianti domestici, siano essi a radiatori, a pannelli radianti o a fan coil. Il calore viene ceduto all’acqua tecnica che scorre nelle tubazioni dell’impianto; a differenza della caldaia, può generare anche acqua refrigerata per il raffrescamento estivo in impianti a pannelli radianti (in presenza di un sistema di controllo dell’umidità) o a fan coil.
• Pompe di calore acqua/acqua: la sorgente esterna è in questo caso acqua di falda, se disponibile, o da altre sorgenti d’acqua, oppure acqua additivata in sonde immerse nel terreno a diverse possibili profondità; questi sistemi hanno il vantaggio di poter sfruttare una sorgente a temperatura molto più costante rispetto all’aria esterna, il che impatta positivamente sul loro rendimento.

La ricerca di soluzioni a sempre minor impatto ambientale ha effetto anche sui fluidi refrigeranti usati nelle pompe di calore. Il GWP (Global Warming Potential) è un indice, definito nel Regolamento (UE) 2024/573 (“F-Gas”), che esprime il contributo all’effetto serra di un gas relativamente alla CO₂; nella climatizzazione, negli ultimi 20-30 anni si è perlopiù utilizzato il refrigerante R-410A, che ha un GWP di 2088, mentre ora è ora di uso comune l’R-32, con GWP 675, e sta prendendo rapidamente piede l’R290, con GWP pari a 3.

Le caratteristiche di funzionamento delle pompe di calore fanno sì che, a differenza delle caldaie, il loro rendimento dipenda strettamente dalle temperature delle sorgenti tra cui operano. Se consideriamo il funzionamento in riscaldamento, il COP aumenta all’aumentare della temperatura esterna e al diminuire della temperatura interna, cioè, in una macchina aria/acqua, la temperatura di mandata dell’impianto; viceversa per il funzionamento in raffrescamento. Questo rende le pompe di calore la scelta naturale per edifici ben coibentati, serviti da impianti a pannelli radianti o a fan coil, ma anche a radiatori, se questi ultimi sono ben dimensionati per il funzionamento a bassa temperatura.

Le molte differenze tra gli impianti alimentati da caldaia e quelli a pompa di calore fanno sì che il dimensionamento di questo tipo di impianti, a partire dal generatore, passando per i vari componenti dell’impianto fino ai terminali, sia sostanzialmente diverso rispetto a quelli “tradizionali”. Occorre conoscere a fondo le caratteristiche delle apparecchiature, ma anche le specificità dell’edificio e le modalità del suo utilizzo, perché questi sistemi possano essere studiati in modo da esprimere appieno l’efficienza di cui sono capaci.

LA VENTILAZIONE MECCANICA

L’importanza della ventilazione meccanica controllata (VMC) sta diventando sempre più evidente quanto più gli edifici diventano termicamente efficienti, e non potrebbe essere altrimenti: un involucro performante non può prescindere da un’ottima tenuta all’aria; ma ciò significa che il ricambio d’aria necessario alla salubrità interna richiede, in assenza di sistemi di ventilazione controllati, l’apertura frequente e sistematica degli infissi. In edifici ad alte prestazioni, questo non può che corrispondere a un importante dispendio energetico.

La VMC è quindi praticamente indispensabile in un edificio moderno ad alte prestazioni, e in molti casi può incidere in modo determinante sull’efficientamento degli immobili esistenti. La corretta ventilazione dell’ambiente abitato consente l’abbattimento del rischio di muffa e condensa superficiale, il miglioramento della qualità dell’aria e il controllo dell’umidità interna. Un sistema meccanico controllato consegue questi obiettivi in modo energeticamente efficiente. I sistemi di gestione dell’impianto possono poi avvalersi di sonde di umidità e di concentrazione della CO₂ per mantenerne i valori sotto controllo.

Il primo importante vantaggio di questo sistema è il recupero termico. La ventilazione naturale comporta l’ingresso diretto di aria esterna, che abbassa notevolmente la temperatura (in inverno, mentre la aumenta in estate), richiedendo l’intervento dell’impianto di climatizzazione per ripristinare il comfort interno. La VMC consente invece lo scambio di energia termica tra l’aria estratta e quella immessa, minimizzando gli sprechi. Questo scambio può avvenire con recuperatori passivi, tipicamente a flussi incrociati, dove i flussi d’aria pur rimanendo separati scambiano calore attraverso le piastre che li canalizzano, o con recuperatori attivi che sfruttano un circuito a pompa di calore per riscaldare o raffrescare l’aria in ingresso, utilizzando l’aria espulsa come sorgente. In immobili particolarmente efficienti, il sistema di ventilazione può provvedere integralmente, se opportunamente integrato con sistemi ausiliari, alla climatizzazione degli ambienti, realizzando impianti aeraulici in grado di mantenere il comfort e la qualità dell’aria durante tutto l’anno.

Un ulteriore grande vantaggio della VMC sulla ventilazione “manuale” è il sistema di filtrazione, che controlla la qualità dell’aria immessa dall’esterno, depurandola dei contaminanti solidi e gassosi, e può includere sistemi di disinfezione, ad esempio con lampade UV. La filtrazione è anche necessaria per mantenere puliti, e quindi funzionanti, i componenti dell’impianto e in particolare il recuperatore. È di fondamentale importanza prevedere un’accurata manutenzione dell’impianto in generale e del sistema di filtrazione in particolare, pulendo e all’occorrenza sostituendo i filtri per preservarne l’efficacia.

Alcuni impianti possono aumentare ulteriormente l’efficienza del sistema sfruttando il Free Cooling, una funzione che permette, tramite una serranda di by-pass, il rinnovo dell’aria senza recupero di calore né integrazioni termiche aggiuntive. Questo meccanismo permette di sfruttare l’aria esterna a temperatura inferiore (tipicamente nelle notti estive) per raffrescare gli ambienti domestici. Allo stesso modo, il Free Heating può sfruttare l’aria esterna più calda in primavera o autunno per riscaldare l’interno dell’abitazione.

Il progetto e l’installazione accurati del sistema di ventilazione devono prevedere il bilanciamento tra flussi in ingresso e in uscita, per massimizzare l’efficienza generale dell’impianto e la funzionalità del recuperatore.

I SISTEMI RADIANTI

Tra le tecnologie che vediamo in questo articolo, i pannelli radianti sono senz’altro la meno nuova. I primi pavimenti radianti di cui si ha notizia risalgono a oltre duemila anni fa; la loro configurazione attuale, con tubazioni annegate nella soletta, è stata brevettata agli inizi del secolo scorso. Nel corso dei decenni si è capita l’importanza per il benessere interno di limitare l’inerzia termica e la temperatura superficiale del pavimento. Queste osservazioni, recepite dalla normativa tecnica e dalla pratica costruttiva, hanno consentito il grande sviluppo, dagli anni ’70 in poi, di questi sistemi.

Infatti, uno dei grandi vantaggi dei sistemi radianti per quanto riguarda il comfort raggiungibile è strettamente legato alla caratteristica che li rende ottimali per gli edifici ad alte prestazioni: la possibilità di lavorare a bassa temperatura, che consente di sfruttare generatori in pompa di calore nel modo più efficiente. I pannelli radianti scambiano calore principalmente, appunto, per irraggiamento; questa specificità permette, rispetto agli impianti a radiatori o fan coil, di limitare le correnti d’aria e la circolazione di polvere, e di aumentare la temperatura operante creando maggior benessere a parità di temperatura dell’aria nell’ambiente.

I pannelli radianti, solitamente installati a pavimento, possono essere posati altrettanto efficacemente anche a soffitto e a parete (il diffuso timore che il riscaldamento a soffitto comporti un discomfort dovuto alla stratificazione dell’aria è smentito, oltre che dalla pratica, proprio dalle caratteristiche del sistema, che come detto lavora a bassa temperatura e per irraggiamento). Tutti questi sistemi possono essere utilizzati, con una progettazione attenta che tenga conto delle diverse caratteristiche di ognuno di essi, sia per il riscaldamento invernale che per il raffrescamento estivo, prevedendo un idoneo sistema di controllo dell’umidità.

Tanto i pannelli a soffitto quanto quelli a parete possono essere realizzati a secco, integrati in pannelli in cartongesso, o annegati nell’intonaco. La loro disposizione va studiata in fase di progetto per evitare incompatibilità, ad esempio, con l’impianto di illuminazione o con gli arredi, la cui disposizione va studiata in modo da non limitare la funzionalità dei sistemi radianti. Peraltro, pur essendo in genere sconsigliabile adottare diversi sistemi in uno stesso ambiente (lo scambio radiativo tra superfici alla stessa temperatura si annullerebbe), in alcuni casi prevedere delle porzioni di parete radiante laddove sia previsto anche un sistema a pavimento o a soffitto può integrare efficacemente l’emissione dell’impianto in presenza di arredo ingombrante.

Ad oggi sono disponibili numerose soluzioni di posa per sfruttare spessori ridotti, superfici non planari o soddisfare altre particolari esigenze, rendendo i sistemi radianti una scelta percorribile, e anzi preferibile, anche in molti casi di ristrutturazione con efficientamento energetico.

I SISTEMI VRF

Parliamo ora di una tipologia di impianto estremamente interessante per edifici che ospitano uffici, negozi, strutture ricettive: i sistemi a portata di refrigerante variabile (Variable Refrigerant Flow, VRF). Questi sistemi sono essenzialmente dei climatizzatori a pompa di calore a espansione diretta, progettati per servire ambienti in condizioni termiche anche molto diverse tra loro: tramite il recupero di calore, i sistemi VRF possono infatti riscaldare uno o più ambienti e contemporaneamente raffrescarne altri, trasferendo il calore da dove ce n’è in eccesso a dove è richiesto. Questa esigenza non è inusuale in edifici moderni caratterizzati da strutture leggere e/o grandi vetrate, con carichi interni importanti (con presenza di molte persone o apparecchiature che disperdono calore).

Questi sistemi sono caratterizzati da una rapida messa a regime, con un veloce raggiungimento delle temperature interne desiderate, e ridotti diametri delle tubazioni, fattori che li differenziano dagli impianti idronici. Inoltre, è possibile variare la temperatura del fluido nelle singole unità interne aumentando notevolmente le condizioni di benessere negli ambienti serviti, oltre a ottimizzare l’efficienza globale del sistema in relazione alle condizioni climatiche esterne.

Gli impianti VRF possono essere utilizzati anche per la produzione di acqua calda sanitaria, proprietà che li rende ancora più interessanti specie nel periodo estivo, quando il calore sottratto agli ambienti da raffrescare viene recuperato a tale scopo.

LA REGOLAZIONE AVANZATA DEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE

L’efficienza di un impianto di climatizzazione di qualsiasi genere non può prescindere da una gestione intelligente e da una regolazione raffinata. Diverse strategie di regolazione in grado di incrementare sensibilmente la resa degli impianti sono state sviluppate negli anni, e a queste si è affiancata l’evoluzione delle logiche di gestione, coadiuvate da sensori, sistemi di regolazione e integrazione con dispositivi sempre più avanzati. Negli ultimi anni, l’affermarsi dell’intelligenza artificiale ha trovato spazio anche in questo ambito, integrando le strategie di regolazione predittive basate sull’apprendimento delle abitudini di utilizzo e della risposta dell’edificio alle sollecitazioni climatiche e all’attività degli impianti.

Il sistema “classico” più diffuso, ad esempio, negli impianti a radiatori, prevede uno o più termostati che, allo scendere della temperatura al di sotto di quella impostata, azionano elettricamente la valvola regolatrice e così facendo partire il generatore, che manderà acqua ad una temperatura prefissata ai terminali, fino a ripristinare la temperatura di set point.

A partire da questo semplice schema, l’evoluzione oggi più adottata, anche per rispondere a dettami normativi, è l’adozione delle valvole termostatiche sui singoli corpi scaldanti, che consente la regolazione a temperature differenti di ciascun ambiente. In questo caso, la valvola agisce sulla portata di acqua che attraversa il radiatore; questa regolazione più raffinata permette, ad esempio, di sfruttare apporti solari negli ambienti che ne possono beneficiare, o aumentare la temperatura negli ambienti peggio esposti, evitando sprechi e migliorando l’efficienza del sistema. Le valvole termostatiche più evolute sono dotate di un sensore di temperatura e di un comando elettronico, che ne consente la programmazione durante la giornata per ridurre ulteriormente eventuali sprechi, e possono essere connesse a internet per essere comandate da remoto tramite app.

Un’altra importante evoluzione nelle logiche di regolazione è rappresentata dalla curva climatica, che permette di variare la temperatura di mandata nell’impianto in funzione delle condizioni climatiche esterne, lette da una centralina climatica connessa al sistema di generazione. Questo sistema può coesistere con le valvole termostatiche per affinare l’efficienza dell’impianto, ed è particolarmente adatto al funzionamento con le pompe di calore.

Una regolazione più evoluta dei terminali dell’impianto sostituisce l’azione “on/off” del termostato con una regolazione modulante; ne esistono versioni più o meno raffinate, a partire dalla regolazione proporzionale, che varia la portata di acqua in funzione della distanza della temperatura ambiente da quella di set point, a quella proporzionale-integrale (PI), a quella proporzionale-integrale-derivativa (PID), che consentono il controllo continuo della portata senza oscillazioni troppo marcate rispetto alla temperatura desiderata. Questo tipo di regolazione è particolarmente utile in impianti a bassa inerzia.

I sistemi automatici di gestione degli impianti ricadono appieno nell’insieme dei cosiddetti BACS (Building Automation and Control Systems), definiti e classificati dalla norma UNI EN ISO 52120-1. Questi sistemi includono tutte le soluzioni hardware e software per controllare diversi aspetti dell’edificio ottimizzandone l’efficienza energetica; questi includono pertanto non solo gli impianti di climatizzazione, ventilazione e ACS, ma anche i sistemi di illuminazione e le schermature solari, nonché l’integrazione con le fonti rinnovabili. La normativa tecnica li classifica da D ad A; nei nuovi edifici non residenziali, i BACS devono rientrare almeno in classe B. La stessa classificazione minima è richiesta per l’accesso agli incentivi fiscali per l’installazione di tali sistemi in edifici esistenti.

I maggiori produttori di sistemi impiantistici offrono soluzioni avanzate in grado di gestire in modo integrato e più o meno automatico diversi componenti degli impianti a servizio dell’edificio, controllandone automaticamente le funzioni in base a quanto rilevato dai sensori interni di temperatura, umidità e qualità dell’aria, alle richieste e alle abitudini delle persone, al clima esterno rilevato e previsto, allo stato degli impianti. In questo modo, i sistemi di climatizzazione, rinnovo dell’aria, produzione e accumulo di energia da fonti rinnovabili possono dialogare massimizzando il comfort interno e l’efficienza energetica dell’intero sistema edificio-impianto.

CONCLUSIONI

Abbiamo mostrato come soluzioni collaudate da decenni, portate al massimo grado di evoluzione, siano oggi in grado di offrire le migliori prestazioni in termini di benessere nell’ambiente abitato e di efficienza energetica. Per fare questo, occorre che la conoscenza delle caratteristiche di ciascuna di queste soluzioni vada a braccetto con una conoscenza altrettanto approfondita delle particolarità dell’edificio che le accoglierà, e delle esigenze di chi lo abiterà. Solo così è possibile progettare un sistema veramente efficace ed efficiente. Inoltre, è sempre possibile sfruttare sistemi meno convenzionali, molti dei quali hanno già dimostrato di poter integrare efficacemente quelli che abbiamo menzionato.

Se vuoi conoscere le tecnologie che fanno al caso tuo, non ti resta che contattarci per richiedere un’analisi energetica approfondita e iniziare il tuo percorso verso l’efficienza energetica.