Progettare temperature efficienti per pompe di calore di grande taglia

Le pompe di calore di grande potenza stanno diventando uno degli strumenti più efficaci per ridurre le emissioni nel settore del riscaldamento, soprattutto nelle reti di teleriscaldamento, nei sistemi locali e negli edifici con elevato fabbisogno termico. La loro diffusione richiede però pianificazione accurata, scelte tecnologiche adeguate e una valutazione attenta dei livelli di temperatura richiesti.

Uno dei temi più rilevanti riguarda proprio la temperatura di mandata: fino a che punto ci si può spingere e quali sono le implicazioni sulla progettazione della pompa di calore, sui costi e sulle prestazioni?

Di seguito vengono analizzati gli aspetti principali legati alle diverse temperature operative e alle tecnologie disponibili.

Le generazioni di reti di calore e i livelli di temperatura

Le reti di riscaldamento non sono tutte uguali e richiedono temperature diverse in base alla loro struttura, alla tipologia degli utenti e alla tecnologia impiegata.

Reti di terza generazione

Operano con acqua calda in pressione e temperature di mandata comprese generalmente tra 90 e 110 °C. A questi livelli, le perdite di distribuzione sono elevate, soprattutto nei periodi dell’anno in cui il fabbisogno di calore è ridotto.

Reti di quarta generazione

Lavorano con temperature più basse, intorno ai 70 °C. Questo permette una riduzione significativa delle perdite e rende più semplice integrare fonti rinnovabili e calori di scarto, come solare termico, geotermia o recuperi da processi industriali.

Reti di quinta generazione

Sono reti “fredde” o reti di anergia, pensate per funzionare in abbinamento alle pompe di calore. Con un’unica infrastruttura è possibile fornire sia riscaldamento sia raffrescamento: il calore di scarto degli edifici che necessitano di raffreddamento può essere trasferito a edifici che, nello stesso momento, richiedono energia termica.

In sintesi, i livelli di temperatura richiesti più frequentemente sono:

• Teleriscaldamento tradizionale: fino a 110 °C
• Reti moderne: 65–85 °C
• Reti locali/quartieri: 40–70 °C (ideale 40–50 °C)
• Ospedali e strutture sanitarie: 70–90 °C, per esigenze di accumulo e requisiti igienici

La temperatura di mandata influenza direttamente la scelta della tecnologia, del refrigerante e dell’architettura della pompa di calore.

Refrigeranti e temperature raggiungibili

La scelta del refrigerante definisce la temperatura massima ottenibile e incide sull’efficienza e sugli aspetti normativi. La diffusione crescente dei refrigeranti naturali è legata ai requisiti del Regolamento (UE) 2024/573.

Ammoniaca (R717)

È uno dei refrigeranti più interessanti per le pompe di calore di grande taglia: ha GWP pari a zero, non contribuisce alla riduzione dell’ozono ed è economicamente vantaggiosa.
Richiede quantità ridotte rispetto ai refrigeranti sintetici e offre ottime prestazioni energetiche.

Il limite riguarda la tossicità, che impone il rispetto rigoroso delle norme di sicurezza e delle procedure di installazione.

Propano (R290)

Molto diffuso nel settore residenziale, garantisce temperature di mandata fino a 70–75 °C. È apprezzato per efficienza, disponibilità e impatto ambientale contenuto.

CO₂ (R744)

Consente di raggiungere temperature fino a 90 °C come standard. Per rendere al meglio richiede però salti termici elevati tra mandata e ritorno, come 90/40 °C. Con salti ridotti l’efficienza cala sensibilmente.

HFO/HFC

Sono utilizzati come sostituti degli HFC tradizionali e permettono mandata fino a circa 80–85 °C. La loro importanza è in diminuzione a causa delle normative F-Gas.

(Figura 1 – Temperature massime raggiungibili per refrigerante)

L’importanza della temperatura della sorgente

La temperatura della sorgente termica è uno dei fattori più determinanti per l’efficienza della pompa di calore. Più alta è la temperatura disponibile, più semplice e meno energivoro sarà aumentarne il livello.

Per salti termici superiori a 50 K è solitamente necessario un ciclo a due stadi, con l’eccezione della CO₂ che, grazie al processo transcritico, può gestire differenziali ampi con buone efficienze quando è presente un grande scarto fra mandata e ritorno.

COP teorico e COP reale

Il COP teorico di una pompa di calore può essere calcolato con la formula di Carnot:

COP_Carnot = Tsink / (Tsink – Tsource)

Nella pratica, il COP reale è compreso tra il 45% e il 65% del valore teorico. Diagrammi dedicati consentono di stimare le prestazioni in funzione del salto termico (Figura 2).

Per temperature di mandata comprese tra 70 e 85 °C e sorgenti tra 6 e 14 °C, i COP reali si attestano tipicamente tra 2 e 4. Le pompe di calore ad ammoniaca tendono a posizionarsi nella fascia superiore.

La bozza della norma VDI 4646 permette ulteriori valutazioni tramite curve specifiche (Figura 3).

Scelta del compressore: alternativo o a vite?

La selezione del compressore incide direttamente sulla capacità di gestire salti termici elevati.

Compressori alternativi

• Alta efficienza soprattutto ai carichi parziali

• Maggiore flessibilità operativa
• Adatti a potenze fino a circa 5 MW
• Manutenzione più frequente e maggiore rumorosità

Compressori a vite

• Minore manutenzione

• Funzionamento più silenzioso
• Temperature di mandata fino a 95 °C grazie all’iniezione d’olio
• Ideali per potenze superiori a 5 MW
• Minore ingombro

Effetti della temperatura di mandata su costi e prestazioni

Temperature di mandata più elevate richiedono:

• Compressori più potenti
• Scambiatori di calore più grandi
• Componenti resistenti alle alte pressioni

All’aumentare del salto termico, il COP diminuisce e cresce il consumo elettrico. Per questo, scegliere temperature di mandata ottimizzate – ad esempio tra 65 e 75 °C – può migliorare sensibilmente l’efficienza e ridurre i costi complessivi del sistema.

Le pompe di calore ad ammoniaca rappresentano spesso un buon compromesso in termini di investimento, affidabilità e performance tra 70 e 90 °C.

Come cambiano efficienza e potenza con diversi livelli di temperatura

L’esempio di una pompa di calore acqua-acqua con isobutano R600a mostra in modo chiaro come varia la capacità termica disponibile al variare della temperatura della sorgente e della temperatura di mandata (Figura 4).

Con una sorgente a 45 °C, la potenza termica ottenibile è:

• 1.140 kW con 60/35 °C
• 1.050 kW con 100/75 °C

Il COP corrispondente è rispettivamente 7,5 e 3,9 (Figure 5 e 6).

Le prestazioni riportate sono a pieno carico, ma ai carichi parziali – molto frequenti durante l’anno – la regolazione tramite inverter permette di ottenere efficienze ancora più elevate.

Conclusione

Le pompe di calore di grande taglia costituiscono una soluzione matura e altamente efficiente per la trasformazione dei sistemi di riscaldamento. Le diverse opzioni di temperatura in mandata consentono di adattare la tecnologia alle reti esistenti, mentre la scelta del refrigerante e del compressore permette di ottimizzare efficienza, affidabilità e costi complessivi.

Le soluzioni basate su refrigeranti naturali, in particolare ammoniaca, ma anche propano, isobutano e CO₂, offrono oggi un equilibrio particolarmente favorevole fra sostenibilità, performance e disponibilità.