Un sistema di pompe di calore in cascata riunisce più pompe di calore — comunemente da due a otto unità — collegate in parallelo e inserite a gradini da una centralina principale in modo che la potenza segua il carico. Una cascata di sei unità da 30 kW copre un picco di 180 kW ma può scendere sotto i 10 kW con una sola unità che modula, offrendo agli edifici di grandi dimensioni ridondanza ed efficienza ai carichi parziali che una singola macchina grande non può eguagliare.
Come funziona un sistema di pompe di calore in cascata?
In una cascata, pompe di calore identiche sono collegate in parallelo a un collettore idraulico comune e sequenziate da una centralina principale: al crescere del carico le unità si inseriscono una a una; al diminuire si disinseriscono, mentre le macchine in funzione modulano nelle fasi intermedie. Un'unità funge da master, le altre da follower, e la centralina ruota la priorità in modo che le ore di funzionamento si accumulino in modo uniforme su tutte le unità.
Dal punto di vista idraulico, una cascata lavora quasi sempre su un accumulo inerziale (puffer) o su un separatore idraulico che disaccoppia le unità in inserimento dai circuiti dell'edificio, mantenendo stabile la portata qualunque compressore sia in funzione. Le valvole di non ritorno isolano le unità ferme in modo che l'acqua non venga pompata al contrario attraverso le macchine arrestate.
Perché scegliere una cascata invece di una sola grande pompa di calore?
Il motivo principale è il campo di modulazione. Una singola macchina da 180 kW con un limite di modulazione del 30% non può scendere sotto i 54 kW, eppure un hotel o un condominio trascorre la maggior parte dell'anno ben al di sotto di tale valore. Sei unità da 30 kW raggiungono lo stesso picco, ma con una sola unità che modula la cascata può funzionare al minimo sotto i 10 kW — un campo di modulazione effettivo di circa 20:1 che elimina i cicli brevi che subirebbe una grande unità singola.
| Criterio | Una sola unità da 180 kW | Cascata di 6 × 30 kW |
|---|---|---|
| Potenza minima stabile | ~54 kW | ~9 kW |
| Guasto di un compressore | Perso il 100% del riscaldamento | Perso il 17% della potenza |
| Comportamento in sbrinamento | Interrotta l'intera potenza | Le unità sbrinano a turno |
| Dimensione del circuito frigorifero | Una sola grande carica | Circuiti piccoli, spesso sotto i 12 kW |
| Ampliamento | Sostituire la macchina | Aggiungere un'unità al collettore |
La ridondanza segue la stessa aritmetica: perdere un'unità su sei costa il 17% della potenza, non il 100%, ed è per questo che le cascate sono la soluzione predefinita per gli edifici in cui un fermo del riscaldamento è commercialmente inaccettabile. Anche le cascate ad aria sfalsano i propri cicli di sbrinamento, così l'edificio non vede mai sparire tutta la potenza in una sola volta.
Come si dimensiona un sistema di pompe di calore in cascata?
Il dimensionamento parte da un corretto calcolo del carico termico dell'edificio, poi suddivide quel picco tra le unità in modo che il più piccolo carico previsto ricada comunque all'interno del campo di modulazione di una singola unità. Molti progettisti aggiungono un'unità supplementare (N+1) in modo che la piena potenza resti disponibile anche in caso di guasto di un'unità — un'assicurazione economica quando ogni modulo è un prodotto standard e non un impianto su misura.
L'acqua calda sanitaria viene gestita o con commutazione prioritaria — una o due unità dedicate alla carica dei bollitori su richiesta — oppure con un gruppo separato di unità dedicato all'ACS, una disposizione comune negli hotel dove il prelievo di punta determina il dimensionamento dell'accumulo più del volume giornaliero. L'accumulo stesso viene dimensionato secondo Quale bollitore serve a un immobile con più bagni?.
Dove si usano i sistemi in cascata?
Hotel, condomini, scuole, uffici e piccola industria — ovunque i carichi superino ciò che una singola monoblocco può fornire, indicativamente da 30 kW in su. Mettere in cascata unità standard mantiene inoltre piccolo ogni circuito frigorifero, il che semplifica la conformità man mano che le norme UE sui gas fluorurati si inaspriscono per le cariche maggiori. Nelle riqualificazioni commerciali una cascata condivide spesso il collettore con le caldaie esistenti come impianto bivalente, lasciando che le pompe di calore coprano il carico di base mentre le caldaie integrano i picchi del giorno di progetto. La stessa logica a gradini si abbina naturalmente al preriscaldamento solare termico in hotel e stabilimenti, dove i sistemi combinati accorciano il tempo di ritorno dell'investimento — vedi tempo di ritorno del solare termico commerciale. Solimpeks prevede pompe di calore Commercial Duo Series in cascata proprio per questi impianti commerciali a più unità.
Domande frequenti
Quante pompe di calore si possono collegare in cascata?
La maggior parte delle centraline di cascata gestisce da due a otto unità e alcuni sistemi commerciali ne collegano di più tramite sistemi di gestione dell'edificio. Il limite pratico è di solito lo spazio nella centrale termica, l'alimentazione elettrica e la progettazione del collettore più che la regolazione.
Una cascata ha bisogno di un accumulo inerziale?
Quasi sempre, o almeno di un separatore idraulico. Il recipiente comune separa idraulicamente le pompe di calore in inserimento dai circuiti dell'edificio, stabilizza la portata quando le unità si avviano e si fermano e fornisce volume per l'energia di sbrinamento.
Le pompe di calore in una cascata si usurano tutte nello stesso momento?
No — la centralina principale ruota l'unità prioritaria in modo che avviamenti e ore di funzionamento si distribuiscano uniformemente su tutte le unità. Questo equalizza l'usura e consente di pianificare insieme gli intervalli di manutenzione per l'intera cascata.
Una cascata costa più di una sola grande pompa di calore?
Il costo dell'hardware per kW è spesso simile perché le piccole unità sono prodotte in serie, mentre l'installazione aggiunge il costo del collettore e della regolazione. Nel corso della vita dell'impianto, la migliore efficienza ai carichi parziali, l'investimento a gradini e la ridondanza favoriscono in genere la cascata per carichi commerciali variabili.