Generazioni di reti (1G–5G)

Le reti di teleriscaldamento e teleraffrescamento (DHC) sono raggruppate in generazioni in base alle loro temperature di esercizio. La generazione determina quali tipi di fonte di calore sono praticabili, quanto calore perdono le tubazioni durante il trasporto e di quali apparecchiature necessitano gli edifici nelle loro sottostazioni. TESSA supporta la progettazione e la simulazione di reti di qualsiasi generazione, comprese le reti anergetiche 5G.

Le cinque generazioni in sintesi

flowchart LR
    G1["1G<br/>Vapore<br/>≥ 200 °C"]
    G2["2G<br/>Acqua calda<br/>in pressione<br/>90–120 °C"]
    G3["3G<br/>Acqua calda<br/>70–90 °C"]
    G4["4G<br/>Bassa temp.<br/>30–70 °C"]
    G5["5G<br/>Ambiente /<br/>anergia<br/>5–25 °C"]

    G1 --> G2 --> G3 --> G4 --> G5

    classDef gen fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    class G1,G2,G3,G4,G5 gen

Da 1G a 4G: distribuzione centralizzata del calore

Nelle reti dalla prima alla quarta generazione, il calore viene prodotto centralmente e trasportato agli edifici. Il fluido è più caldo di quanto servirebbe agli edifici, per cui il calore esce dalla rete a ogni sottostazione. Il compromesso fondamentale è tra temperatura di mandata e perdita di calore:

• Temperatura di mandata più alta → salto di temperatura maggiore → tubazioni più piccole a parità di potenza, ma più calore disperso nel terreno per metro di tubazione.
• Temperatura di mandata più bassa → minori perdite nelle tubazioni, ma gli edifici potrebbero richiedere una riqualificazione (radiatori più grandi o riscaldamento a pavimento) per funzionare con la mandata più fredda, e le pompe di calore centrali diventano più efficienti.

Al calare della temperatura di mandata da 3G a 4G, le pompe di calore centrali diventano più interessanti (COP più elevato con salto termico minore), il solare termico e il calore di scarto sono più facili da integrare e le perdite di calore diminuiscono in modo significativo.

5G: circuiti ambiente e reti anergetiche

Le reti di quinta generazione operano approssimativamente alla temperatura del terreno — così vicine a quella del terreno che le perdite di calore delle tubazioni sono trascurabili. Anziché trasportare calore in modo centralizzato, la tubazione trasporta un potenziale termico: gli edifici con fabbisogno di riscaldamento estraggono calore dal circuito tramite una pompa di calore; gli edifici con fabbisogno di raffrescamento cedono calore allo stesso circuito.

In questo modo il raffrescamento diventa una risorsa termica gratuita. Il calore di scarto del raffrescamento (che altrimenti verrebbe ceduto all'aria) viene ridistribuito agli edifici che ne hanno bisogno per il riscaldamento. Nei quartieri a uso misto con carichi di riscaldamento e raffrescamento simultanei, il 5G può ridurre in modo significativo il consumo totale di energia primaria.

Principali implicazioni progettuali del 5G

• Ogni sottostazione di edificio necessita di una pompa di calore — la rete è troppo fredda per soddisfare direttamente il fabbisogno dell'edificio. Ciò sposta l'investimento dalla centrale energetica alle sottostazioni.
• Protezione antigelo — nei climi freddi il fluido può scendere sotto 0 °C al picco di estrazione, per cui si ricorre spesso a una miscela con glicole.
• Bilancio termico — se il quartiere è dominato dal riscaldamento, l'estrazione dal circuito raffredderà nel tempo il terreno e il COP delle pompe di calore diminuirà. Le fonti di rigenerazione (solare termico, dry cooler, calore di scarto) aiutano a mantenere la temperatura del terreno. Si veda Campi di sonde.
• COP della pompa di calore booster. Il COP a ciascuna sottostazione dipende dalla temperatura di mandata della rete $T_\text{source}$ e dalla temperatura di consegna all'edificio $T_\text{delivery}$:
  $\text{COP} = \eta_\text{Carnot} \cdot \frac{T_\text{delivery}}{T_\text{delivery} - T_\text{source}}$
  Qui $\eta_\text{Carnot}$ è l'efficienza della pompa di calore rispetto al ciclo di Carnot, tipicamente da 0.4 a 0.5. Il consumo di elettricità si aggiunge ai costi di esercizio e alla CO₂ dell'edificio. Il circuito trasporta solo il calore che ne viene estratto.
• Modello delle perdite di calore — TESSA pone a zero la perdita di calore delle tubazioni per le reti in modalità raffrescamento e per quelle combinate, perché le temperature di esercizio sono prossime a quella ambiente.

Scegliere una generazione in TESSA

La generazione della rete è determinata implicitamente dalle temperature di mandata e di ritorno impostate nella configurazione del fluido di lavoro della rete e dal tipo di sottostazione assegnato a ciascun collegamento di edificio:

• Temperatura di mandata ≥ 60 °C + scambiatore di calore o sottostazioni dirette → rete di riscaldamento 3G/4G.
• Temperatura di mandata 10–20 °C + sottostazioni con pompa di calore booster → rete anergetica 5G.

TESSA non richiede di dichiarare un numero di generazione — la simulazione si adatta in base alle temperature e ai tipi di sottostazione configurati.

Dove proseguire

• Modello dati di reti e fonti di calore — fluido di lavoro, temperature di mandata/ritorno e tipi di sottostazione.
• Simulazione della rete — quando viene calcolata la perdita di calore e quando viene posta a zero.
• Campi di sonde — modellazione della temperatura del terreno per i circuiti anergetici 5G.