Alta efficienza e zero impatto ambientale

Geoheat e Airheat

Le nuove pompe di calore serie Geoheat e Airheat , rispettivamente di tipo acqua/acqua e aria/acqua, sono state progettate appositamente per il riscaldamento di acqua per usi civili e industriali
Fig.2 – Rappresentazione schematica del processo di messa a regime del serbatoio di accumulo combinato con una pompa di calore tradizionale con HFC

Le pompe di calore a zero impatto ambientale Geoheat e Airheat utilizzano refrigerante naturale anidride carbonica, CO2, un fluido naturale non dannoso per l’ambiente, non soggetto a restrizioni d’uso e non infiammabile. L’anidride carbonica presenta, per questa specifica applicazione,  un altro vantaggio importante, ovvero permette di realizzare un ciclo termodinamico di tipo “supercritico” o “transcritico”.
Tale ciclo, anche se il nome può far pensare a un sistema particolarmente complesso, è semplicemente caratterizzato da un processo di cessione del calore, dal fluido operatore all’acqua, a temperatura variabile. E’ quindi il più adatto  quando si desideri ottenere elevati salti di temperatura dell’acqua da riscaldare, e le applicazioni più favorevoli sono quelle in cui l’acqua, inizialmente alla temperatura dell’acquedotto,  viene riscaldata direttamente fino alla temperatura dell’accumulo caldo, regolabile tra 50 a 90°C , e viene dispersa dopo l’uso.
Esempi di applicazioni sono quindi il riscaldamento di acqua per alberghi, comunità, ospedali – e quindi usi sanitari – e alcuni processi industriali.
Le pompe di calore Airheat e Geoheat sono disponibili in varie taglie, da 15 a 50 kW. Le due versioni più grandi sono progettate per essere facilmente accoppiate ed è quindi possibile ottenere macchine compatte fino a 150 kW.
A differenza delle pompa di calore convenzionali con HFC l’evaporatore viene leggermente sovraalimentato (nel flusso di refrigerante all’uscita è presente circa il 5% di liquido). Questo permette di sfruttare al massimo la superficie di scambio termico dell’evaporatore e di ridurre la differenza di temperatura tra la sorgente fredda e il fluido refrigerante. Questo è un primo significativo fattore di aumento dell’efficienza rispetto alla situazione in cui l’alimentazione dell’evaporatore avviene mediante un controllo basato sul  surriscaldamento, come avviene nelle pompe di calore convenzionali.

Fig.2a – Profilo di temperatura nello scambiatore di alta pressione in funzione della distanza dalla sezione di ingresso di R134a

La pompa di calore e l’accumulo di acqua e devono essere progettati in modo coordinato per poter ottenere il massimo rendimento complessivo dal sistema, come risulterà chiaro dai 2 esempi di simulazione riportati nel seguito, nei quali si descrive il comportamento di una installazione per il riscaldamento di una quantità significativa di acqua calda sanitaria – utilizzo di 5800 litri di acqua a 45°C in 24 ore – realizzata in un caso con pompa di calore convenzionale, ad esempio con refrigeranti di tipo HFC, e nel secondo caso con la nuova pompa di calore Airheat/Geoheat. Lo scopo è solo quello di evidenziare le differenze operative, e la simulazione non considera alcuni aspetti, ad esempio le dispersioni termiche, e deve considerarsi approssimata.

Fig.2b – Profilo di temperatura nello scambiatore di alta pressione in funzione del calore scambiato

Pompe di calore tradizionali con HFC con accumulo a miscelamento
Una pompa di calore tradizionale  normalmente è progettata per bassi salti di temperatura (tipicamente 5K tra ingresso  e uscita) e riscalda l’acqua gradualmente (Fig. 2).
Nell’esempio che si intende analizzare si assume che la pompa di calore sia collegata a un serbatoio di accumulo come in fig. 3. Con questo tipo di pompa di calore la stratificazione dell’acqua nel serbatoio è necessariamente limitata, dato che l’immissione di acqua fredda per reintegro, a seguito di prelievo dagli utilizzatori, porta inevitabilmente a una riduzione di temperatura nel serbatoio e quindi anche la temperatura di mandata  della pompa di calore sarà inferiore, a certe condizioni, a quella richiesta nel serbatoio. Per evitare che la temperatura dell’acqua scenda sotto il valore minimo richiesto per l’utilizzo, normalmente 45°C,  il serbatoio di accumulo deve essere costruito con opportuni accorgimenti (volume e forma adeguati, posizione degli attacchi di ingresso / uscita dell’acqua, eventuali diaframmi) e la pompa di calore deve avere adeguata capacità per limitare, a seguito di prelievi importanti, la caduta di temperatura.
Il grafico di fig.4 riporta l’andamento di temperatura nel serbatoio di accumulo, nel quale si vuole avere acqua a 50°C, nell’ipotesi di un prelievo avente il profilo riportato con la linea blu. Come detto l’esempio, rappresentativo di un impianto per un albergo, considera un utilizzo totale giornaliero di 5800 litri, concentrato in due fasce orarie dalle 7,00 alle 9,00 e dalle 19,00 alle 21,00.
L’acqua, inizialmente a 10°C, viene riscaldata fino alla temperatura di set  di 50°C nel serbatoio di accumulo. La pompa di calore con 50 kW di capacità termica impiega circa 4 ore per portare tutto il serbatoio  a 50°C. Fino a quel momento quindi l’acqua calda è disponibile a temperatura inferiore a 50°C. Seguono  delle fasi di prelievo di acqua calda e di ripristino della temperatura, con il serbatoio ancora alla temperatura massima al termine della giornata. Evidentemente quanto sopra si riferisce alla prima accensione, a regime la temperatura del serbatoio sarà mantenuta costante durante le 24 ore.
L’asse orizzontale riporta il tempo (24 ore / 1440 minuti) e l’asse verticale visualizza sia la temperatura del serbatoio (in °C) sia la quantità prelevata (litri x10 /min). Si è assunto che l’acqua venga utilizzata nei rubinetti, docce, ecc, a una temperatura di 45°C e che quindi via sia un certo piccolo miscelamento dell’acqua prelevata dal serbatoio a 50°C con l’acqua della rete.

Fig.3 – Configurazione tipo di un sistema pompa di calore / accumulo nel caso di una pompa di calore tradizionale con HFC

Si fa notare che i picchi – di breve durata – corrispondono a circa 600 litri / minuto ovvero 10 litri/secondo. La potenza termica istantanea è enorme – circa 1600 kW di picco – comunque  troppo alta per la produzione istantanea, anche avendo a disposizione una caldaia a gas.  Anche per questo motivo l’utilizzo di un serbatoio di accumulo è indispensabile.
Il volume del serbatoio è stato assunto di 5000 litri, in modo da limitare la caduta di temperatura nel serbatoio.

Pompe di calore con serbatoio a stratificazione con HFC
Esistono sul mercato pompe di calore con HFC ottimizzate per accumulo a stratificazione, ovvero con acqua in uscita a temperatura controllata dallo scambiatore caldo e sottoraffreddamento del condensato con l’acqua fredda all’ingresso.
Come si vede dai grafici di fig.2a e fig.2b, considerando come fluido di lavoro R134a,  con questa configurazione si ha pur sempre che l’aumento di temperatura di set dell’acqua in uscita richiede un aumento corrispondente della temperatura di condensazione. Si noti che il punto di inizio condensazione che rappresenta un vincolo, dato che la temperatura

Fig.4 – Profilo di temperatura nel serbatoio di accumulo e dell’utilizzo di acqua calda in funzione del tempo, esteso a 24 h, per una pompa di calore HFC e serbatoio a miscelamento

dell’acqua deve in qualunque punto dello scambiatore essere inferiore alla temperatura del fluido operatore. Il beneficio, in termini di efficienza, ottenuto dal sottoraffreddamento del liquido mediante scambio termico in controcorrente con l’acqua all’ingresso risulta limitato.
Il grafico 2a rappresenta il profilo di temperatura dell’acqua e del fluido R134a nello scambiatore di calore di alta pressione, in funzione della superficie di scambio. La configurazione assunta per lo scambiatore è con flussi in controcorrente. I profili di temperatura in fig.2b sono rappresentati in funzione del calore scambiato. È interessante il confronto del grafico di fig.2 con i grafici di fig. 8 riportati nel seguito.

Pompe di calore Geoheat/Airheat con serbatoio a stratificazione
A differenza della pompa di calore convenzionale le pompe di calore Airheat / Gehoheat  sono in grado di innalzare la temperatura dell’acqua anche di 70-80K in un solo passaggio nello scambiatore di calore. La portata della pompa centrifuga di circolazione dell’acqua – P1 in fig.6 –  tra il serbatoio e la pompa di calore stessa, installata di serie sulle macchine Airheat e Geoheat, è controllata  variando la velocità di rotazione. In questo modo è possibile mantenere la temperatura dell’acqua immessa nel serbatoio di accumulo al valore richiesto, come detto sopra impostabile tra 50 e 90°C.  Il diagramma sperimentale di fig. 5 mostra il comportamento della macchina durante un test con acqua all’ingresso a 10°C con set di temperatura all’uscita 80°C.

Fig.5 – Andamento sperimentale, in funzione del tempo, della temperatura dell’acqua inviata al serbatoio di accumulo

Questa caratteristica rende possibile l’utilizzo di un serbatoio a completa stratificazione, ad esempio costituito da più serbatoi in serie come schematizzato in fig. 6. L’acqua fredda viene prelevata direttamente da un attacco posto vicino all’ingresso dell’acqua dalla rete idrica, e l’acqua riscaldata viene immessa nel serbatoio in prossimità del punto di prelievo ed esattamente alla temperatura di set, supposta nell’esempio di 65°C.
In fig.7 è riportato il profilo di temperatura nel serbatoio di accumulo a stratificazione assumendo la medesima condizione di prelievo dell’esempio precedente e riportata in fig. 4. La pompa di calore Airheat/Geoheat richiede una diversa rappresentazione grafica della temperatura dell’accumulo. Le linee indicate con T1, T2, … T6 rappresentano la temperatura a diversi livelli del serbatoio, come riportato schematicamente  in fig. 6. Il volume totale del serbatoio è di 2500 litri , mentre la potenza nominale della pompa di calore è di 30 kW. Il volume di acqua compreso tra due livelli successivi, ad esempio tra T1 e T2, è di 500 litri.
Anche in questo caso il ciclo include la prima accensione della macchina. L’acqua è  inizialmente a 10°C, viene riscaldata fino alla temperatura di set  65°C. Anche se la pompa di calore ha una potenza inferiore rispetto al caso precedente una certa quantità di acqua a 65°C è disponibile già pochi minuti dopo l’accensione. Dopo circa 1 ora dall’accensione il serbatoio contiene già circa 500 litri di acqua alla temperatura voluta. Seguono, come nell’esempio precedente,  delle fasi di prelievo di acqua calda e di ricarica, e il serbatoio risulta essere quasi completamente carico alla temperatura massima al termine della giornata.

Fig. 6 – Configurazione tipo di un sistema pompa di calore / accumulo nel caso di una pompa di calore a CO2 ottimizzata per riscaldamento di acqua sanitaria

La temperatura dell’acqua all’utilizzo è assunta , come nell’esempio precedente,  di 45°C e questa temperatura è ottenuta mediante miscelamento dell’acqua calda dal serbatoio con acqua di rete. Si noti che nei due casi messi a confronto, pompa di calore convenzionale e pompa di calore Airheat / Geoheat, le temperature di stoccaggio dell’acqua sono ben diverse (rispettivamente 50°C e 65°C).
Contrariamente a quanto si potrebbe pensare non si introducono perdite rilevanti dal miscelamento di acqua calda e fredda in prossimità degli utilizzatori, poiché entro certi limiti l’efficienza della pompa di calore dipende molto di più dalla temperatura di ingresso  (10°C nell’esempio), che non dalla temperatura di uscita dell’acqua. Per questo motivo l’efficienza della pompa di calore cambia poco se l’accumulo è mantenuto a 60°C oppure a 70°C.

Fig.7 – Profilo di temperatura nel serbatoio di accumulo e dell’utilizzo di acqua calda in funzione del tempo, esteso a 24 h, per una pompa di calore CO2 e serbatoio a stratificazione

Si vede dal grafico di fig. 7 che con  il dimensionamento adottato per il serbatoio, avente solo il 50% del volume del serbatoio a miscelamento considerato in precedenza,  la parte superiore del serbatoio dal quale viene prelevata l’acqua per l’utilizzo è sempre a temperatura costante. Vi sono inoltre importanti differenze pratiche nell’impianto descritto secondo le due modalità di realizzazione, come riportato dalla seguente Tab. I di sintesi.

 

Totale acqua utilizzata Litri /24 h 5800
Temperatura acqua di rete °C 10
Temperatura utilizzo °C 45

 

Volume totale accumulo temp. accumulo Capacità termica nominale Potenza elettrica nominale Tempo di marcia Consuma di energia
[litri] [°C] [kW] [kW] [h] [kWh / d]
Pompa di calore tradizionale 5000 50 50 18,0 4,7 84
Airheat/Geoheat 2500 65 30 8,5 7,9 67

 

Fig.8a – Profilo di temperatura nello scambiatore di alta pressione in funzione della distanza dalla sezione di ingresso della CO2

In funzione del profilo del prelievo potranno variare sia la potenza nominale richiesta per la pompa di calore, sia la dimensione del serbatoio.
L’abbinamento di una pompa di calore Airheat o Geoheat a un serbatoio a stratificazione presenta quindi, e questo è evidente dagli esempi precedenti, numerosi e significativi vantaggi :

  • È richiesto un minor volume dell’accumulo
  • La potenza elettrica  installata è inferiore
  • La temperatura dell’accumulo può essere più alta
  • È possibile progettare il sistema in modo da limitare il funzionamento a certe ore del giorno (ad esempio di notte nel caso di tariffe elettriche inferiori).
  • Vi sono anche due ulteriori vantaggi:
  • L’accumulo ad alta temperatura, superiore a 65°C evita la possibile formazione del batterio della legionella, oltre ai conseguenti costi, anche energetici, di sanificazione.
  • L’efficienza complessiva è maggiore, sia per il basso differenziale di temperatura all’evaporatore, sia per quanto descritto al punto successivo.
Fig.8b – Profilo di temperatura nello scambiatore di alta pressione in funzione del calore scambiato

Funzionamento con elevata efficienza
Oltre a permettere il riscaldamento dell’acqua a temperature molto elevate con qualunque valore della temperatura della sorgente, le pompe di calore della serie Geoheat e Airheat funzionano con una efficienza significativamente  più elevata di una pompa di calore convenzionale.
Il motivo principale è legato alla riduzione delle perdite per irreversibilità dovute alla differenza di temperatura tra il fluido operatore del ciclo, l’anidride carbonica,  e l’acqua da riscaldare. Per ottenere questo vantaggio è necessario che tutto il sistema pompa di calore / serbatoio di accumulo / utilizzo sia progettato in modo da ridurre le irreversibilità, e quindi le perdite di energia, per miscelamento di acqua a temperatura diversa o per differenza di temperatura tra i due fluidi in scambio termico, l’acqua e il refrigerante.

Fig. 9 – Rappresentazione semplificata su un diagramma termodinamico P-H del funzionamento di una pompa di calore per riscaldamento di acqua sanitaria

Date le particolari caratteristiche dell’anidride carbonica la cessione di calore ad alta temperatura avviene a temperatura variabile, secondo un processo isobaro ma non isotermo. Infatti la pompa di calore opera con alta pressione sempre superiore a 73 bar : al di sopra di tale temperatura non avviene cambiamento di fase – condensazione – come nei normali cicli a pompa di calore, ma il trasferimento di calore avviene con temperatura variabile del fluido frigorigeno.
In questo modo vengono minimizzate le perdite per irreversibilità dovute a differenze di temperatura tra i due fluidi in scambio termico, l’anidride carbonica e l’acqua da riscaldare.
Il profilo di temperatura nello scambiatore di calore “caldo” segue l’andamento rappresentato in fig.8, riferito a una versione di pompa di calore con scambiatore a tubi coassiali, più semplice da visualizzare come esempio.
Lo scambiatore è del tipo in “controcorrente”. In ordinata è riportata la temperatura dei due fluidi nelle varie sezioni dello scambiatore, assumendo come origine dell’ascissa la sezione di ingresso della CO2.

Fig.12 – Rappresentazione grafica della variazione del COP di una pompa di calore per acqua sanitaria in funzione della pressione superiore del ciclo

Nel diagramma P-h di fig.9 è riportato, in un diagramma termodinamico,  la condizione descritta dalla fig.8. Il riscaldamento dell’acqua mediante un processo isobaro a temperatura variabile e il corrispondente raffreddamento del fluido operatore fino alla minima temperatura fisicamente possibile – al limite fino alla temperatura di ingresso dell’acqua –  permetta di ottenere una maggiore quantità di calore utile prelevandolo dalla sorgente esterna  – aria ad esempio – senza che sia necessario fornire maggiore potenza al compressore.

Ottimizzazione costante del cop
Una caratteristica delle pompe di calore Airheat e Geoheat è data dall’utilizzo di un innovativo algoritmo di regolazione dell’alta pressione tale da permettere la ricerca continua del punto di massimo COP.
È noto che l’efficienza di un sistema frigorifero operante secondo un ciclo supercritico è massima, data una certa temperatura all’uscita dallo scambiatore “caldo”, per un ben determinato valore dell’alta pressione. Fig.12.
Nel caso di una pompa di calore del tipo qui analizzato il problema è più complesso. Prima di tutto è necessario assicurare che la pompa di calore abbia la capacità di scaldare l’acqua alla temperatura voluta, essendo questa la funzione della macchina. Inoltre, durante l’anno, a causa delle variazioni della temperatura della sorgente, aria esterna o acqua,  la capacità termica della pompa di calore  varia di molto. La conseguente variazione di capacità termica e la variazione di portata d’acqua, necessaria per

Fig.13 – Curve del COP in funzione dell’alta pressione calcolate e punto di lavoro effettivo della pompa di calore al raggiungimento della condizione di equilibrio

l’ottenimento della temperatura  desiderata e costante all’uscita, determinano  una variazione significativa nel valore dell’approach nello scambiatore caldo, definito come la differenza tra la temperatura del fluido operatore all’uscita dallo scambiatore di alta pressione e la temperatura dell’acqua all’ingresso. Ad una minore portata d’acqua d’inverno seguirà un approach più elevato, ovvero una più alta temperatura del fluido operatore – CO2 – a monte della valvola di laminazione, a parità di temperatura di ingresso dell’acqua da riscaldare, portando così a uno scostamento dalle condizioni ideali di progetto.
È dimostrato da vari ricercatori, e verificato sperimentalmente, che l’utilizzo di un criterio di controllo convenzionale, in cui l’alta pressione è regolata solo in base alla temperatura di uscita del fluido operatore CO2, porta ad avere pressioni di esercizio troppo alte in alcune condizioni. Per questo motivo è stato sviluppato e implementato nel controllo delle pompe di calore Airheat e Geoheat un innovativo algoritmo che ottimizza tutti i parametri di funzionamento contemporaneamente.

Fig. 14 – Curve di capacità termica e potenza assorbita per una pompa di calore con capacità nominale 24 kW

L’algoritmo di controllo è in grado, mediante il calcolo istantaneo del COP e un adattamento iterativo delle condizioni di lavoro, di mantenere continuamente la massima efficienza a tutte le condizioni e in un ampio campo operativo.
Il grafico sperimentale di  fig.13 mostra come per due condizioni diverse venga raggiunta una condizione praticamente coincidente con il massimo COP. La regolazione dell’alta pressione secondo una curva fissa e solo in funzione della temperatura all’uscita della CO2 porterebbe in alcuni casi a un extraconsumo fino al 25-30%.

Altre caratteristiche
La versione Airheat è progettata per  essere installata all’esterno e per funzionare in sicurezza durante l’inverno anche con temperatura dell’aria esterna di -20°C.  Nel periodo estivo la macchina può funzionare, con efficienza molto più alta  rispetto all’inverno, fino a temperature ambiente di 45°C : un apposito controllo di velocità dei ventilatori limita la temperatura di evaporazione a un valore massimo per evitare sovraccarico al motore elettrico del compressore.
Il sistema di sbrinamento è rapido ed efficiente, di tipo misto elettrico/gas caldo, attivato a tempo fisso oppure ON DEMAND, secondo la selezione decisa dall’utilizzatore. Lo sbrinamento è molto rapido (tipicamente la durata è di 10-15 minuti) e le fasi di sbrinamento sono state attentamente studiato per prevenire accumulo di ghiaccio in ogni parte della macchina, inclusa la bacinella di raccolta del’acqua, anche con temperature esterne molto basse.
In fig. 14 sono riportati, per il modello Airheat24,  le curve caratteristiche di capacità e potenza elettrica assorbita in funzione della temperatura dell’aria esterna..
Le pompe di calore della famiglia Geoheat/Airheat sono state ampiamente collaudate negli ultimi 3 anni in tutte le condizioni ambientali.
A titolo di esempio tre pompe di calore costruite su licenza, in base a progetto Enex, da una azienda cinese sono state installate a 4800 m sul livello del mare  in una stazione – Bumade  – della ferrovia Qinghai-Tibet  e funzionano  durante il periodo invernale con temperatura esterna di -30°C.
Oltre alle macchine già operanti su impianti commerciale alcune sono state installate per test e dimostrazioni commerciali. Nella foto una pompa di calore installata per test e dimostrazioni a clienti nel Nord-Ovest dell’Inghilterra.
Un prossimo articolo descriverà la serie di pompe di calore GEOPLUS, appositamente studiata per elevate temperature di ritorno e per bassi salti di temperatura.

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