Nell’ambito del progetto di ricerca “LC150 (Low Charge 150) Development of a Refrigerant-Reduced Heat Pump Module with Propane“, finanziato Ministero tedesco dell’Economia e dell’Energia BMWI, l’Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare ISE e un consorzio di produttori di pompe di calore stanno sviluppando un circuito di refrigerazione a propano standardizzato e a ridotto contenuto di refrigerante. La squadra è ora riuscita a stabilire un nuovo record di efficienza: una capacità di riscaldamento di 12,8 kilowatt è stata raggiunta con soli 124 grammi di propano, il che si traduce in una carica specifica di refrigerante di circa 10 g/kW. Il Fraunhofer ISE ha mostrato un prototipo del circuito di refrigerazione del progetto alla recente fiera Chillventa.
L’obiettivo del progetto LC 150 è quello di raggiungere una carica di refrigerante specifica di 15-30 grammi di propano per kW di potenza termica. Il valore record raggiunto è dunque ancora più basso.
Dall’ottobre 2021, il team del progetto Fraunhofer ISE costruisce prototipi di pompe di calore ad acqua glicolata, assemblando i singoli componenti (evaporatore, compressore, condensatore, scambiatore di calore e valvola di espansione) in una varietà di costellazioni diverse. Questi moduli sono misurati su banchi di prova 24 ore al giorno per due settimane alla volta. Ogni prototipo viene fatto funzionare con un numero di punti di funzionamento compreso tra 30 e 150 e i valori misurati vengono registrati da 26 sensori. Nella ricerca della pompa di calore ideale, finora sono stati costruiti 26 prototipi, 14 dei quali hanno già superato la matrice di misurazione completa.
La stessa carica di 5 accendini per un kilowatt di potenza di riscaldamento
Il dispositivo con la migliore costellazione di componenti ha raggiunto una capacità massima di riscaldamento di 12,8 kilowatt e un’efficienza di 4,7 (rapporto tra calore generato ed elettricità utilizzata) con soli 124 grammi di propano. Ciò significa che la quantità di refrigerante necessaria per ogni kilowatt di capacità di riscaldamento è di soli 9,7 grammi di propano. «Questo equivale all’incirca alla quantità di propano contenuta in cinque accendini» spiega il responsabile del progetto Clemens Dankwerth del Fraunhofer ISE. L’obiettivo del progetto di ridurre la quantità specifica di refrigerante a 15-30 grammi/kilowatt è stato quindi chiaramente superato. Le pompe di calore disponibili in commercio utilizzano circa 60 grammi di propano per kilowatt. Il propano è caratterizzato da ottime proprietà termodinamiche e da un basso potenziale di riscaldamento globale. Tuttavia, poiché è infiammabile, l’obiettivo è quello di utilizzarne il meno possibile.
Il circuito di refrigerazione da record non è ancora pronto per il lancio sul mercato in questa forma, perché è stato utilizzato un compressore semiermetico per autoveicoli. Questo richiede una minore quantità di refrigerante a una maggiore capacità grazie all’elevata velocità di rotazione e al basso volume di olio. Finora i compressori automobilistici non sono stati progettati per le elevate ore di funzionamento di una pompa di calore destinata a durare 20 anni. «Tuttavia, il produttore sta già lavorando a compressori completamente ermetici con una durata maggiore» afferma Clemens Dankwerth, guardando al futuro. La versione finale del circuito di refrigerazione record verrebbe implementata con una quantità leggermente maggiore di refrigerante e uno scambiatore di calore più grande per ottenere un sistema più equilibrato. Il gruppo di ricerca è convinto che gli obiettivi del progetto LC 150 – un circuito di refrigerazione con una potenza di 8-10 kilowatt e una carica massima di 150 grammi di refrigerante – possano essere raggiunti anche in condizioni operative reali.
Anche il secondo miglior circuito di refrigerazione del programma di test ha raggiunto gli obiettivi del progetto, con una carica di 164 grammi di propano, un’efficienza del 4,8% e una capacità di riscaldamento di 8,1 kilowatt. In questo caso è stato utilizzato un compressore convenzionale completamente ermetico.
Ottimizzazione di altri componenti della pompa di calore
Oltre al compressore, il gruppo di ricerca ha regolato anche altri fattori per ridurre la quantità di refrigerante. Ad esempio, sono stati ridotti il volume interno degli scambiatori di calore e la quantità di olio necessaria. Anche i componenti aggiuntivi, come i sensori, sono stati ridotti al minimo. Inoltre, le tubazioni sono state ridotte al minimo per ridurre i volumi interni.
Il progetto LC150 (FKZ 03EN4001A), finanziato dal Ministero federale tedesco dell’Economia e della Protezione del Clima (BMWK), durerà fino a marzo 2023. I ricercatori mirano a ricavare correlazioni metodologiche basate sul database ottenuto nei test incrociati, in modo da poter progettare in futuro pompe di calore a ridotto consumo di refrigerante con minore sforzo. A tal fine, l’Università Tecnica di Valencia sta sviluppando uno strumento di previsione simulativa con il suo software IMST-Art. Durante la campagna di misura, i risultati della simulazione vengono confrontati con i valori reali misurati e il software viene così continuamente migliorato. Anche i partner industriali del consorzio del progetto LC150 possono accedere ai risultati della campagna di misura per valutarli in base alle proprie specifiche.
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