Retrofit e alte temperature: come cambiano i cicli frigoriferi delle nuove PDC

La diffusione capillare delle pompe di calore nell'edificato esistente si confronta con una realtà impiantistica profondamente diversa da quella per cui tali macchine erano state originariamente concepite; mentre i nuovi edifici con pannelli radianti o ventilconvettori operano a 35-45°C, il patrimonio edilizio europeo, ossia la stragrande maggioranza dell’edificato da riqualificare, presenta una predominanza schiacciante di sistemi terminali ad alta temperatura: radiatori in ghisa o acciaio dimensionati per funzionamento con temperature di mandata comprese tra i 65°C e gli 80°C in quanto progettati quando il combustibile fossile rappresentava l'unica opzione tecnologicamente matura. La sostituzione dei terminali, in linea con il turnover dell’intero impianto, spesso comporta interventi invasivi, costi elevati ai quali vanno aggiunte criticità architettonico-strutturali impraticabili.

La termodinamica fondamentale del ciclo a compressione di vapore presenta dei limiti intrinseci: al crescere della temperatura di condensazione, il rapporto di compressione aumenta esponenzialmente innalzando le sollecitazioni meccaniche sul compressore, incrementando le perdite termodinamiche e riducendo il coefficiente di prestazione; la maggior parte dei refrigeranti sintetici tradizionali, inoltre, manifesta una rapida degradazione delle proprietà termofisiche a temperature elevate con conseguenti diminuzione della capacità termica specifica e aumento delle temperature di scarico del compressore (le quali possono peraltro raggiungere valori critici per l'integrità dell'olio lubrificante e delle guarnizioni). La capacità termica e il coefficiente di prestazione (COP), quindi, diminuiscono drasticamente all'aumentare della differenza di temperatura tra evaporazione (sorgente esterna) e condensazione (pozzo termico). Tale limite ha costituito per decenni una seria criticità per la diffusione massiccia della tecnologia a pompa di calore nei contesti della riqualificazione dell’esistente, ossia per il cosiddetto retrofit, tuttavia, grazie a ricerca e sviluppo specifici per tali installazioni, l’odierno mercato offre pompe di calore ad alta temperatura (High-Temperature Heat Pump - HTHP) capaci di raggiungere temperature di mandata sino a 70-80°C anche con temperature esterne rigide (-15°C).

Il ciclo di compressione a due stadi, o compressione bistadio, è con tutta probabilità la risposta tecnologica più consolidata alle suddette criticità: anziché comprimere il refrigerante in un'unica fase dalla pressione di evaporazione a quella di condensazione, il processo viene suddiviso in due stadi consecutivi, intervallati da un raffreddamento intermedio che riporta il gas a temperature più gestibili prima di affrontare la seconda compressione. Tale configurazione consente approssimativamente di dimezzare il rapporto di compressione per ciascuno stadio mantenendo le temperature di scarico entro limiti accettabili e migliorando l'efficienza volumetrica complessiva.

Il ciclo economizzatore ottimizza ulteriormente l'efficienza del sistema introducendo un separatore a pressione intermedia: invece di espandersi direttamente fino alla pressione di evaporazione, il refrigerante liquido subisce una prima espansione parziale, quindi il vapore risultante (vapore flash) viene separato e iniettato direttamente nel secondo stadio del compressore mentre il liquido rimanente prosegue verso l'evaporatore; tale processo è in grado di ridurre le perdite termodinamiche ed aumentare la capacità termica utile della macchina.

Questa strategia offre un duplice vantaggio: da un lato, il raffreddamento del gas compresso dal primo stadio attraverso la miscelazione con vapore saturo freddo proveniente dal separatore riduce drasticamente la temperatura di aspirazione del secondo stadio abbassando conseguentemente la temperatura di scarico finale, dall'altro, il lavoro di compressione si distribuisce in modo più equilibrato tra i due stadi ottimizzando il consumo energetico complessivo. Le prestazioni di un siffatto sistema possono superare del 15-25% quelle di una configurazione monostadio equivalente e operante alle medesime condizioni di temperatura.