Pompe di circolazione a risparmio energetico: come funzionano, cosa cercare e come scegliere quella giusta

Perché il consumo di energia nei sistemi di pompe di circolazione merita una seria attenzione

Pompe di circolazione sono tra i consumatori di energia più persistentemente trascurati nei servizi edilizi, nei sistemi di processi industriali e nelle reti di teleriscaldamento. A differenza dei refrigeratori o delle caldaie HVAC che attirano l'attenzione a causa delle loro dimensioni visibili e dell'evidente richiesta di energia, le pompe di circolazione funzionano continuamente in background, spesso funzionando a velocità fissa e a piena potenza, indipendentemente dal fatto che il sistema abbia effettivamente bisogno della piena portata in un dato momento. In un tipico sistema di riscaldamento residenziale, la pompa di circolazione può rappresentare il 5-10% del consumo totale di elettricità domestica. Negli edifici commerciali con più circuiti idronici, circuiti di raffreddamento industriali e impianti di teleriscaldamento, l'energia aggregata consumata dai sistemi di pompaggio può rappresentare il 20-30% del carico elettrico totale dell'impianto. Questa scala di consumo rende il miglioramento dell’efficienza delle pompe uno degli interventi a più alto ritorno sull’investimento disponibili sia nella gestione energetica degli edifici che nell’ottimizzazione dei processi industriali, ma rimane sistematicamente sottoutilizzato perché l’inefficienza è silenziosa e graduale piuttosto che ovvia e acuta.

Il passaggio da pompe di circolazione a velocità fissa e singola velocità a pompe di circolazione a risparmio energetico a velocità variabile e commutate elettronicamente rappresenta il progresso più significativo nella tecnologia delle pompe degli ultimi tre decenni. Comprendere cosa rende diverse le moderne pompe a risparmio energetico, come ottengono miglioramenti di efficienza e come selezionarle e specificarle correttamente per una determinata applicazione è il fondamento pratico di qualsiasi serio programma di riduzione energetica di edifici o processi.

Come le tradizionali pompe di circolazione a velocità fissa sprecano energia

Per capire perché le pompe di circolazione a risparmio energetico apportano miglioramenti così notevoli in termini di efficienza, è necessario prima capire perché i loro predecessori sprecano così tanta energia. Le pompe di circolazione tradizionali utilizzano motori a induzione CA che funzionano a una velocità fissa determinata dalla frequenza di alimentazione, in genere 50 Hz in Europa e nella maggior parte dell'Asia, 60 Hz in Nord America. Ciò significa che la girante della pompa ruota a velocità costante indipendentemente dall'effettiva richiesta di flusso imposta dal sistema in qualsiasi momento. In un circuito di riscaldamento o raffreddamento, la richiesta termica varia continuamente in base alla temperatura esterna, all'occupazione, al guadagno solare e ai programmi operativi. Un sistema di riscaldamento progettato per fornire il pieno flusso nelle condizioni invernali di picco, forse 10-15 giorni all’anno, funziona alla stessa condizione di pieno flusso per i restanti 350 giorni quando la domanda è parziale, moderata o minima.

La fisica di questa situazione è governata dalle leggi di affinità della pompa, che affermano che il consumo di energia varia con il cubo della velocità di rotazione. Una pompa che funziona all'80% della velocità di progetto consuma solo il 51% della sua potenza a piena velocità (0,8³ = 0,512). Una pompa che funziona al 60% della velocità di progetto consuma solo il 22% della potenza a piena velocità. Queste relazioni significano che anche riduzioni modeste della velocità operativa, ottenute adattando la velocità della pompa alla domanda effettiva del sistema anziché funzionando a piena velocità ininterrottamente, producono riduzioni sproporzionatamente grandi del consumo energetico. Una pompa a velocità fissa che funziona a piena potenza per 8.760 ore all’anno mentre il sistema richiede il pieno flusso solo per 500 di quelle ore sta sprecando enormi quantità di elettricità in un modo che è strutturalmente inevitabile senza la tecnologia di controllo a velocità variabile.

La tecnologia alla base delle moderne pompe di circolazione a risparmio energetico

Le moderne pompe di circolazione a risparmio energetico raggiungono la loro efficienza attraverso l'integrazione di tre tecnologie chiave: motori a magneti permanenti commutati elettronicamente, azionamenti a frequenza variabile integrati e algoritmi di controllo intelligenti che adattano continuamente la potenza della pompa alla domanda del sistema. Questi tre elementi lavorano insieme come un sistema inseparabile e non come componenti indipendenti, motivo per cui le prestazioni delle unità di pompaggio integrate a risparmio energetico superano sostanzialmente quanto è ottenibile installando un convertitore di frequenza su una pompa a motore asincrono convenzionale.

Motori a magneti permanenti a commutazione elettronica

Il motore di una pompa di circolazione ad alta efficienza è un motore a magneti permanenti CC senza spazzole (chiamato anche ECM, motore a commutazione elettronica) anziché il motore a induzione CA utilizzato nelle pompe convenzionali. I motori a magneti permanenti eliminano le perdite di rame del rotore che rappresentano una frazione significativa della dissipazione di energia del motore a induzione, poiché il campo del rotore è fornito da magneti permanenti anziché da corrente indotta. Ciò garantisce ai motori ECM un'efficienza a pieno carico del 90–95% rispetto al 75–85% dei motori a induzione equivalenti e, aspetto fondamentale, mantiene un'elevata efficienza in un'ampia gamma di punti operativi a carico parziale. Un motore a induzione che funziona al 30% del carico nominale generalmente scende al 60-65% di efficienza; un motore ECM a magnete permanente allo stesso carico parziale mantiene un'efficienza dell'85–90%. Poiché i sistemi con pompe di circolazione trascorrono la maggior parte delle ore di funzionamento a carico parziale, questo vantaggio in termini di efficienza a carico parziale è molto più importante nella pratica rispetto al solo valore di efficienza nominale a pieno carico.

Azionamenti a frequenza variabile integrati

L'azionamento elettronico integrato in una pompa di circolazione a risparmio energetico converte l'alimentazione CA in ingresso in un'uscita CC a frequenza e tensione variabile e quindi in uscita CA che controlla con precisione la velocità del motore in risposta ai segnali di controllo. In un'unità con pompa di circolazione dedicata, questo azionamento è progettato specificamente per il motore che controlla: l'adattamento di impedenza, la frequenza di commutazione e la gestione termica sono tutti ottimizzati per il motore specifico anziché per l'ottimizzazione generica richiesta di un VFD universale. Questo approccio integrato garantisce efficienze di azionamento del 97-99% rispetto al 93-96% dei VFD per uso generico ed elimina la complessità di installazione, i requisiti di cablaggio e i potenziali problemi EMC associati alle installazioni di azionamenti separati.

Modalità e algoritmi di controllo intelligente

L'intelligenza di controllo incorporata nelle moderne pompe di circolazione a risparmio energetico è ciò che traduce la capacità di velocità variabile in un effettivo risparmio energetico nel funzionamento reale del sistema. I principali produttori di pompe offrono diverse modalità di controllo adatte a diversi tipi di sistema e filosofie operative. Il controllo della pressione proporzionale mantiene la pressione differenziale nella pompa proporzionale alla portata: quando la richiesta di flusso diminuisce, la pressione di setpoint viene ridotta di conseguenza, consentendo alla pompa di rallentare più di quanto consentito dal controllo della pressione differenziale costante. Il controllo della pressione costante mantiene una pressione differenziale fissa indipendentemente dal flusso, adatto per sistemi in cui la perdita di pressione è concentrata in un singolo punto anziché distribuita nella rete. Il controllo basato sulla temperatura, disponibile in alcuni modelli di pompe di riscaldamento, regola la velocità della pompa in base al differenziale di temperatura di mandata e ritorno del sistema, rallentando la pompa quando il differenziale di temperatura si riduce (indicando una ridotta richiesta di calore) e aumentando la velocità quando si allarga. Il controllo di adattamento automatico, offerto da diversi produttori premium, consente alla pompa di apprendere le effettive caratteristiche operative del sistema nel tempo e di ottimizzare continuamente il proprio setpoint senza input di messa in servizio manuale.

Classificazioni di efficienza energetica e standard normativi

La prestazione energetica delle pompe di circolazione è quantificata e regolata attraverso l'indice di efficienza energetica (EEI), una metrica introdotta dalla direttiva ErP (prodotti legati all'energia) della Commissione Europea che misura il consumo energetico effettivo di una pompa in una gamma rappresentativa di condizioni operative rispetto a una pompa di riferimento. La scala EEI va da 0 a 1, con valori più bassi che rappresentano una migliore efficienza. La tabella seguente riassume le soglie EEI attuali e storiche e le loro implicazioni pratiche per le pompe s