POMPE DI CALORE AD R744 - Centro Enea Casaccia (RM), 17-01-2013 calabrese

Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo
sviluppo economico sostenibile

GIORNATA STUDIO VIESSMAN
Le pompe di calore
I refrigeranti naturali nelle pompe di calore: l’R744 (CO2)
Aspetti Legislativi: Dlgs 28/2011 e D.M. 28 dicembre 2012

C.R. ENEA di CASACCIA, 22 gennaio 2013
Referente scientifico:

Ing. Andrea Calabrese
andrea.calabrese@enea.it
www.climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it

Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo
economico sostenibile

L’ENEA IN ITALIA…e non solo:

Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo
economico sostenibile

Il C.R. ENEA di Casaccia:
Il Centro Ricerche della Casaccia è il più
grande Centro di Ricerca dell’ENEA e si
caratterizza per il complesso di laboratori
e impianti sperimentali e dimostrativi a
supporto dei programmi di ricerca. Si
estende su una superficie di circa 90
ettari, suddivisi in due aree separate
dalla via Anguillarese, e conta 190 edifici
destinati a uffici, laboratori, impianti e
infrastrutture di servizio per un volume
complessivo di circa 720.000 m3.
I dipendenti ENEA con sede di lavoro nel
Centro Casaccia sono 1185 (401 donne,
784 uomini).
Oltre al personale ENEA, ogni giorno
sono presenti in media altre 250-300
persone tra: borsisti e laureandi italiani,
borsisti stranieri, visitatori italiani e
stranieri, personale di ditte appaltatrici.

“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”


TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORE:
• A COMPRESSIONE
- Elettriche in cui il compressore è azionato da motore elettrico
- A gas in cui il compressore è azionato da un motore a gas

• AD ASSORBIMENTO
- Le pompe di calore ad assorbimento, analogamente agli impianti
frigoriferi ad assorbimento, sfruttano la solubilità e l’elevata affinità
tra due sostanze, di cui una funziona da refrigerante e l’altra da
assorbente, per realizzare un ciclo dove l ’ energia introdotta è
prevalentemente termica. Il lavoro meccanico della pompa è infatti
pari a circa l’1% del calore introdotto nel generatore.

• AD ADSORBIMENTO
- Il funzionamento di questi sistemi è basato sulla capacità di alcuni
solidi porosi (es. zeoliti, gel di silice, ecc.) di assorbire reversibilmente
vapori non dannosi per l’ambiente (es. acqua).


LA POMPA DI CALORE A COMPRESSIONE elettrica:
• È una macchina che consente di trasferire energia termica
- Da un corpo a bassa temperatura (sorgente fredda)
- Ad un corpo a temperatura maggiore (sorgente calda)
• Per effettuare questo trasferimento è necessario spendere, in alternativa:
- energia meccanica (elettrica), che viene trasformata in calore


LA POMPA DI CALORE A COMPRESSIONE con motore a gas:


MACCHINA DI CARNOT A CICLO DIRETTO:
Rappresentazione a blocchi del funzionamento di
una macchina a ciclo diretto: il sistema a più alta
temperatura fornisce alla macchina una quantità di
calore che viene in parte trasformata in lavoro ed in
parte ceduta al sistema a più bassa temperatura.
Scambiando calore fra sistemi a due temperature il
massimo rendimento si può ottenere con una
macchina di Carnot: il suo rendimento, vale a dire il
rapporto fra il lavoro utile fornito dalla macchina e la
quantità di calore ceduta dal sistema a più alta
temperatura, è funzione delle sole temperature
assolute dei due sistemi.

Il teorema di Carnot si riferisce ad una macchina
reversibile, intendendo con ciò una macchina per la
quale sia possibile invertire il senso di tutte le
trasformazioni.


MACCHINA DI CARNOT A CICLO INVERSO:
In altri termini, se la macchina a ciclo diretto riceve la
quantità di calore Q1 dalla sorgente a temperatura T1
e cede la quantità di calore Q0 alla sorgente a
temperatura T0, trasformando in lavoro la quantità
L=Q1-Q0, la macchina inversa riceve il lavoro L,
sottrae la quantità di calore Q0 dalla sorgente a
temperatura più bassa, trasferendo la quantità di
calore Q1=L+Q0 alla sorgente a temperatura più alta.
Nel caso della pompa di calore, il risultato che
interessa è la quantità di calore ottenuta dalla
sorgente a più alta temperatura. Il comportamento
della pompa di calore è allora qualificato dal
coefficiente di effetto utile o COP:

Es. T0=0°C e T1=40°C


PERCHE’ IL COP SI RIDUCE:
1) Le prestazioni del compressore sono caratterizzate dal suo rendimento isentropico, che è il rapporto
fra il lavoro ideale di compressione (processo isentropico) e quello reale:


2) La trasmissione del calore da un sistema ad un altro può avvenire soltanto se esiste una differenza di
temperatura fra i due sistemi. La potenza termica scambiata Q è proporzionale alla differenza di
temperatura T ed all’area di scambio S:

Nella pompa di calore si avrà
quindi che la sorgente fredda
deve trovarsi a temperatura sorgente calda
superiore a quella
dell’evaporatore , perché possa
cedere calore ad esso e la
sorgente calda deve trovarsi a
temperatura inferiore a quella
del condensatore per ricevere
calore. Si avrà quindi un sorgente fredda
maggior lavoro del compressore
ed una minore quantità di
calore sottratta alla sorgente
fredda.


3) L’energia di pressione posseduta dal fluido è degradata nel processo irreversibile che avviene nella
valvola di laminazione, con una perdita netta di energia utilizzabile;
4) Si ha un lavoro necessario a portare a contatto evaporatore e condensatore con le sorgenti termiche.
Ad esempio, in una pompa di calore che lavora con l’aria esterna, l’aria viene fatta passare attraverso la
batteria dell’evaporatore con un ventilatore. Questo richiede un lavoro che va a sommarsi a quello del
compressore, riducendo il COP. Se invece la sorgente fredda è acqua sotterranea, bisogna azionare una
pompa;
5) L’efficienza del motore elettrico che aziona la pompa di calore non è unitaria;
6) Si ha anche un rendimento volumetrico del compressore. Viene definito come il rapporto fra volume
aspirato Va e volume generato Vg:

Per un basso rendimento volumetrico un compressore di data cilindrata dovrà compiere più corse per
comprimere un certo volume di gas. Ne derivano maggiori perdite per attrito ed una maggiore
dimensione della macchina per una data potenza.
All’aumentare del rapporto delle pressioni (Mandata-Aspirazione) si riduce sempre di più il volume
aspirato fino a portarsi a valori davvero molto bassi che suggeriscono in quel caso di attuare la
compressione almeno in due stadi.


POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO INVERNALE


RAPPORTO DI COMPRESSIONE


POTENZA IN CICLO INVERNALE COP: EFFICIENZA ENERGETICA
INVERNALE

IL LAVORO DEL COMPRESSORE CONCORRE ALL’EFFETTO UTILE


POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO ESTIVO


CICLO FRIGORIFERO DI UN GRUPPO FRIGO ELETTRICO A COMPRESSIONE:
Nel punto A’ il fluido è allo stato di liquido
sottoraffreddato e si trova in corrispondenza
dell ’ uscita del condensatore. Il passaggio
verso l ’ evaporatore è reso possibile per
effetto della diminuzione di pressione da A’ a
B realizzata attraverso una valvola di
laminazione. Per effetto della differenza di
pressione tra A’ e B una parte del liquido
evapora nel passaggio attraverso la valvola,
sottraendo calore al liquido immediatamente
a monte. Nell ’ evaporatore, il miscuglio
liquido-vapore inizia a sottrarre calore
dall’aria da raffreddare. Così facendo tutto il
refrigerante allo stato liquido passa nella
condizione di vapore saturo (punto C). Si
verifica quindi una rimozione di calore
latente. Dal punto C a C’ si effettua un
surriscaldamento del vapore, con lo scopo di
far evaporare eventuali goccioline di liquido
rimaste, che altrimenti potrebbero
danneggiare il compressore. L ’ effetto
frigorifero è dato dalla differenza di entalpia
rappresentata dal tratto C ’ B. All ’ uscita
dall’evaporatore il vapore viene aspirato dal
compressore nel quale subisce un aumento di
pressione e temperatura (tratto C’D).


CICLO FRIGORIFERO DI UN GRUPPO FRIGO ELETTRICO A COMPRESSIONE:
All ’ uscita dal compressore il gas ha un
quantitativo di calore costituito dalla somma
di quello asportato nell ’ evaporatore e di
quello corrispondente al lavoro meccanico del
compressore. Il gas surriscaldato ed a
pressione elevata, passa dal compressore nel
condensatore dove inizia a cedere il proprio
calore. Si verifica un abbassamento di
temperatura fino alla temperatura di
saturazione sulla curva (tratto DE).
Successivamente il refrigerante condensa
(tratto EA). Infine si effettua un
sottoraffreddamento del fluido allo scopo di
ottenere un maggior effetto frigorifero (tratto
AA ’ ). L ’ efficienza del ciclo frigorifero è
definita dall’Energy Efficiency Ratio (EER) pari
al rapporto tra l’effetto frigorifero e il lavoro
di compressione.


POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO ESTIVO
POTENZA IN CICLO ESTIVO EER: EFFICIENZA ENERGETICA
ESTIVA


RENDIMENTO ISOENTROPICO DEL COMPRESSORE
Il peggioramento del rendimento isoentropico del compressore fa aumentare il
lavoro del compressore


L’effetto utile invernale aumenta per cui il COP non peggiora di molto


L’effetto utile estivo rimane inalterato per cui EER peggiora molto


PERCHE’ ALL’AUMENTARE DELLA TEMPERATURA DI
PRODUZIONE DELL’ACQUA CALDA DIMINUISCE LA
POTENZA E SI RIDUCE IL COP?


L’aumento della temperatura di condensazione aumenta RC:


L’aumento della temperatura di condensazione aumenta Lc:


L’aumento di Lc è ancora maggiore se peggiora il rendimento del
compressore:


A parità di rendimento del compressore diminuisce EUi:


Se il rendimento del compressore peggiora, Eui potrebbe rimanere
inalterato o addirittura aumentare


La variazione di Eui dipende anche dal refrigerante: è leggermente
più marcata con R410A rispetto a R134a a causa della forma della
campana

R410A R134a


All’aumentare della temperatura di produzione dell’acqua il COP
peggiora sempre, perché Lc aumenta mentre Eui diminuisce o
rimane inalterato, a seconda del rendimento isoentropico del
compressore:



COMPRESSORI SCROLL


COMPRESSORI A VITE


RENDIMENTO VOLUMETRICO DEL COMPRESSORE

La potenza dipende anche dalla massa di refrigerante spostato M

Entra in gioco il rendimento volumetrico del compressore


Il rendimento volumetrico diminuisce sempre all’aumentare di RC sia
per gli scroll…


Il rendimento volumetrico diminuisce sempre all’aumentare di RC sia
per gli scroll..che per i vite


La diminuzione della temperatura di evaporazione aumenta RC


La diminuzione della temperatura di evaporazione aumenta Lc


La diminuzione della temperatura di evaporazione fa aumentare
EUi


Il COP peggiora sempre, perché Lc aumenta percentualmente
sempre più di quanto aumenta Eui:


La potenza dipende anche dalla densità del refrigerante che
diminuisce con la temperatura di evaporazione:

Ovviamente diminuisce anche il rendimento volumetrico del
compressore!!


Vi è una forte dipendenza del COP dalla temperatura della
sorgente fredda e da quella del calore utile prodotto:

COP di pompe di calore di diversa qualità confrontate con il valore teorico in funzione della differenza
fra le temperature di condensazione e di evaporazione (Temp. al condensatore = Temp. Utile = 60°C)


PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE

La quantità di calore trasferita è proporzionale alla massa di gas che viene fatta evaporare,
compressa e fatta condensare
1. All’aumentare del salto di temperatura, aumenta il salto di pressione
→ il lavoro di compressione aumenta,
→ il COP diminuisce.

2. Il compressore è una macchina volumetrica: al diminuire della temperatura di evaporazione
diminuisce la densità del gas
→ diminuisce la massa di gas trasferito,
→ diminuisce la potenza utile.

3. Il compressore è una macchina volumetrica: all ’ aumentare della temperatura di
condensazione aumenta la pressione finale
→ aumenta il lavoro di compressione sull’unità di massa di gas trasferito,
→ aumenta la potenza assorbita dal compressore.
4. Le variazioni stagionali di temperatura delle sorgenti si ripercuotono sulle prestazioni della
macchina:
→ SCOP, Seasonal Coefficient Of Performance.


COP massimo teorico di una pompa di calore
(macchina di Carnot a ciclo inverso):

Temperatura della sorgente fredda: 5 [⁰C ]= 268 [K].
Temperatura della sorgente calda: 55 [⁰C ]= 328 [K].


Prestazioni di una pompa di calore al variare delle temperature di
condensazione e di evaporazione

(generica sorgente fredda)



http://www.ntb.ch/ies/competences/heat-pump-test-center-wpz.html?L=1


COMPONENTI PRINCIPALI DI UNA POMPA ELETTRICA A COMPRESSIONE
Compressore: provvede ad aspirare il vapore di refrigerante a bassa
pressione e a portarlo alla pressione più elevata necessaria alla
condensazione a più alta temperatura.

Compressore a vite Compressore scroll

Compressore alternativo

Compressore centrifugo a palette o rotativo


Condensatore: in tale componente il refrigerante, ad alta pressione,
condensa cedendo calore alla sorgente calda o pozzo caldo. Tipologie:
-Batterie alettate: la sorgente è l’aria;
-Scambiatori a fascio tubiero: la sorgente è l’acqua;
-Scambiatori di calore a piastre saldo brasate, per piccole potenze: la sorgente è un
liquido (tipicamente acqua).

Condensatore a piastre

Condensatore a fascio tubiero


Evaporatore: in tale componente il refrigerante evapora sottraendo calore
dalla sorgente fredda. Tipologie:
-Batteria alettata: la sorgente è l’aria;
-Scambiatore a fascio tubiero: la sorgente è l’acqua.
-Scambiatori di calore a piastre saldo brasate, per piccole potenze: la sorgente è un
liquido (tipicamente acqua).

Evaporatore a fascio tubiero
Evaporatore a tubi alettati


Organo di laminazione: attraverso l’organo di laminazione il refrigerante si
raffredda e diminuisce di pressione.
La resistenza che il refrigerante liquido incontra nell’attraversare l’organo di
laminazione fa spendere ad una parte di refrigerante l’energia termica che possiede
(ed in conseguenza di ciò esso si raffredda). Tale energia viene assorbita dalla
restante parte di refrigerante che grazie ad essa vaporizza. Durante il processo di
laminazione non si ha scambio di energia termica tra refrigerante ed ambiente
esterno ma solo un trasferimento di tale energia all’interno del refrigerante stesso
(processo adiabatico). Tipologie:
-Valvola termostatica;
-Valvola elettronica.

Valvola di laminazione elettronica


Rigeneratori (surriscaldatori, sottoraffreddatori): effettuano un recupero di
calore interno al ciclo con lo scopo di raffreddare il refrigerante in uscita dal
condensatore e per riscaldare il fluido in aspirazione al compressore.
Tipologie:
- Scambiatori a piastre;
- Scambiatori a fascio tubiero.

Scambiatore a fascio tubiero


SORGENTI TERMICHE:

Terreno
Aria
Acqua
- Aria esterna;
- Flusso di scarto (aria di - Acque superficiali (laghi, mare,
ventilazione). corsi d’acqua);
- Acque sotterranee.


SORGENTI TERMICHE:

http://www.dimplex.de/it/addetti-ai-lavori/la-tecnica-alla-portata-di-tutti/pompe-di-calore/la-tecnica-alla-portata-di-tutti-pompa-di-calore.html


SORGENTI TERMICHE
Aria esterna

- Liberamente ed immediatamente disponibile;
- Temperatura generalmente caratterizzata da oscillazioni non trascurabili durante
l’anno;
- Movimentazione rumorosa e con costi energetici a volte elevati;
- La potenza della macchina deve essere determinata in relazione alla curva di
frequenza della temperatura dell'aria esterna (bin method);
- Formazione di brina sulle alette della batteria esterna;
- Al diminuire della temperatura dell’aria esterna cresce il fabbisogno per il
riscaldamento, mentre le prestazioni della pompa di calore decrescono.


SORGENTI TERMICHE
Acqua

- Caratteristiche di scambio termico migliori rispetto all’aria a parità di
temperatura;
- Maggiore capacità termica rispetto all’aria a parità di temperatura;
- Largamente disponibile sul nostro territorio sia sotto forma di acque superficiali
che di acque sotterranee;
- Temperatura generalmente caratterizzata da oscillazioni di rado superiori ai 10⁰C
durante l’anno;
- Si necessita di un adeguato filtraggio delle acque utilizzate;
- Limiti di natura burocratico-amministrativa relativi al prelievo, allo scarico e alla
reiniezione dell’acqua (salto termico massimo consentito);
- Problematiche relative alla variazione di portata della risorsa idrica utilizzata
durante l’anno.


SORGENTI TERMICHE
Terreno

- Le macchine utilizzate sono costituite da pompe di calore
geotermiche;
- Già a qualche metro di profondità la temperatura del
terreno si stabilizza ad un valore prossimo alla media
annuale della temperatura dell’aria esterna;
- Il terreno può essere impiegato come sorgente fredda della
pompa di calore o come pozzo termico della macchina
frigorifera con ampie possibilità all'inizio della stagione
calda di lavorare in free-cooling;
- L ’ interfacciamento con il terreno può avvenire con
scambiatori a tubi orizzontali o a tubi verticali, entrambe
tecniche ormai largamente impiegate nel geotermico..


PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE AD ARIA

Curve di potenza termica,
frigorifera ed assorbita, di COP
invernale ed estivo e di
fabbisogno in funzione della
temperatura dell’aria esterna.

BALANCE POINT: punto di
intersezione tra la curva di
carico e la curva della potenza
della macchina.

(Pompa di calore ad aria).


DIMENSIONAMENTO IMPIANTO PdC
Scelta potenza PdC: differenze con caldaia


Scelta potenza PdC: impianto con sola PdC


NO – 3 ERRORI


Coefficienti correttivi: Necessità di correggere il valore del COP per tener in considerazione i cicli di sbrinamento effettuati.
Quando la temperatura superficiale della
batteria evaporante raggiunge valori minori
di 0°C può formarsi brina sulla batteria e
diventa necessario eseguire lo sbrinamento
di quest’ultima. Per la pompa di calore la
formazione di ghiaccio è decisamente
negativa: la presenza di brina
sull’alettatura della batteria diminuisce lo
potenza scambiata, fungendo da isolante; la
brina causa l ’ aumento delle perdite di
carico della batteria e quindi provoca una
diminuzione di portata d ’ aria che
attraversa la batteria stessa.
Durante i cicli di sbrinamento periodico, che
interessa la batteria dell’unità esterna, si ha
l ’ interruzione o la riduzione dell ’ energia
termica prodotta lato “ utilizzatore ” a
vantaggio della produzione di energia
termica necessaria allo sbrinamento della
batteria. L’effetto globale della formazione
di brina è quindi la riduzione del COP della
macchina: di seguito un grafico tipico che
riporta il coefficiente correttivo della
potenza termica erogata dalla macchina in
funzione della temperatura esterna.



La presenza dei cicli di sbrinamento è rintracciabile attraverso il tipico «ginocchio»
che presenta la curva del COP al variare della temperatura dell’aria esterna.


CORREZIONE DEGLI ERRORI

Si potrebbe pensare di risolvere i tre errori precedenti scegliendo una
pompa di calore in grado di:

-Funzionare anche nelle condizioni più critiche;
-Produrre acqua calda sanitaria in tutte le condizioni;
-Fornire energia sufficiente anche sbrinando.


PRODUZIONE DI ACQUA CALDA SANITARIA

Per produrre A.C.S. per una doccia servono circa 25 kW
Una doccia necessita di circa 10-12 litri al minuto, 600-700 litri all’ora, per
circa 30°C di salto termico (le caldaie a produzione istantanea sono infatti
da 24 kW). Se ci sono 2 bagni, serve una caldaia con un accumulo da 50-
100 litri, perché comunque la potenza di una doccia è fornita
istantaneamente.
Una caldaia da 24 kW carica un accumulo da 50 litri da 4 a 6 minuti
(dipende dalla temperatura d’accumulo), uno da 100 litri in un tempo
doppio.
Per questo periodo la caldaia non alimenta il circuito di riscaldamento, ma
l’energia persa è irrisoria e la potenza della caldaia è comunque molto
superiore alla richiesta per cui l’impianto recupera.



Per tutto il periodo in cui la pompa di calore lavora sul sanitario, non può
fornire energia all’impianto.
Torna ad essere un problema energetico. Nel caso di un bagno, l’energia
mancante è 11,9 kWh: nel caso di due bagni addirittura 23,8 kWh.
Questa energia qualcuno la DEVE fornire.

SOLUZIONI

1)Si utilizza una caldaia di supporto
2)Si sfasa la produzione dell’acqua calda sanitaria (se possibile)
3)Si aumenta la potenza della pompa di calore


1) CALDAIA DI SUPPORTO
Sempre consigliata nei climi più freddi
Inoltre dà la possibilità di scegliere il fornitore di energia più economico
Convenienza economica:


2) SFASAMENTO PRODUZIONE ACQUA CALDA SANITARIA

Il sistema non deve funzionare con priorità sull’acqua calda sanitaria, ma a
tempo.

L’acqua calda sanitaria viene prodotta nelle ore più calde della giornata,
quando la richiesta di riscaldamento è limitata. In questo modo aumenta
anche il COP del sistema.


3) AUMENTO POTENZA POMPA DI CALORE E TERMINALI

L’ultima soluzione prevede l’aumento di potenza della pompa di calore e
dei terminali d’impianto.
Quest’ultimo aspetto è fondamentale, soprattutto nel caso di sistemi ad
alta inerzia, come il pavimento radiante.
Bisogna sempre ragionare in termini di energia da fornire all’impianto.


CONFRONTO TRA POMPE DI CALORE E TECNOLOGIE TRADIZIONALI
Si consideri un edificio residenziale, una
villetta unifamiliare di nuova costruzione
con una superficie di circa 260 m2 situata
nel Nord Italia. La potenza termica
richiesta è di 8,5 kW, mentre quella
frigorifera è di 6,2 kW.

SISTEMA TRADIZIONALE
POMPA DI CALORE ELETTRICA Caldaia a gas metano abbinata
ARIA/ACQUA ad un condizionatore di tipo
split.
Si è scelto di installare un unico impianto a pompa di calore elettrica aria/acqua per il
raffrescamento, il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria. Il sistema di
distribuzione per la climatizzazione è stato realizzato con pannelli radianti a soffitto, mentre il
rinnovo e la purificazione dell’aria avvengono con recupero di calore. È stato poi integrato un
impianto solare termico. (speciale tecnico CO.AER maggio 2012)



Rispetto ai costi di un impianto tradizionale costituito da una caldaia abbinata a un
condizionatore split, il costo della pompa di calore come apparecchio è maggiore anche se i costi
di accessori e di installazione si riducono poiché si tratta di un unico impianto. In ogni caso
rimane un maggior costo di investimento, pari a circa 2.600 euro.



Se si analizzano i costi di esercizio dell’impianto con pompa di calore, si riscontra un risparmio di circa 1.200
euro/anno rispetto al sistema tradizionale. I maggiori risparmi si hanno nella fase invernale di riscaldamento.
Ciò significa che, nonostante un maggiore investimento iniziale di 2.600 euro rispetto all’impianto
tradizionale, i risparmi annui di 1.166 euro consentono di avere un ritorno dell’investimento in soli 3 anni e
di risparmiare, per tutti gli altri anni di vita dell’impianto, un importo di 1.166 euro/anno.


La tariffa D2 è applicata ai contratti stipulati nelle abitazioni di residenza con impegno di potenza non
superiore ai 3 kW. La tariffa D3 è applicata ai contratti stipulati nelle abitazioni di residenza con impegno
di potenza superiore a 3 kW e a quelli stipulati per le abitazioni non di residenza.

Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo
sviluppo economico sostenibile

GIORNATA STUDIO VIESSMAN

I refrigeranti naturali nelle pompe di calore: l’R744 (CO2)

C.R. ENEA di CASACCIA, 22 gennaio 2013
Referente scientifico:

Ing. Andrea Calabrese
andrea.calabrese@enea.it
www.climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it


Refrigeranti utilizzati nelle Pompe di calore elettriche a compressione
Caratteristiche d’impatto ambientale e di sicurezza dei principali fluidi refrigeranti:

ODP (potenziale di distruzione dell’ozono)
GWP (potenziale di riscaldamento globale)

Es. un gas con GWP100 pari a 1.500, significa che 1 Kg di questo gas introdotto in atmosfera, in 100 anni,
causerà lo stesso effetto serra di 1.500 Kg di anidride carbonica (CO2).
Si deduce facilmente che più basso è il valore GWP minore è l’impatto del gas sull’effetto serra.


LA CO2 COME REFRIGERANTE

Applicazione a bordo
1869 delle navi per il
trasporto delle carni

Avvento dei fluidi sintetici:
1930 clorofluorocarburi

Con il protocollo di Montreal ci fu
la messa al bando dei CFC con lo
1987 scopo di contenere la distruzione
dell’ozono stratosferico


R22 R134a R410A R717 R744

ODP100/GWP100 0.05/1700 0/1300 0/1900 0/0 0/1

INFIAMMABILITÁ/TOSSICITÁ NO/NO NO/NO NO/NO SI/SI NO/NO

MASSA MOLECOLARE [kg/kmol] 86.5 102.0 72.6 17.0 44.0

TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE
-40.8 -26.2 -52.6 -33.3 -78.4
NORMALE [°C]

PRESSIONE CRITICA [MPa] 5.0 4.1 4.8 11.4 7.4

TEMPERATURA CRITICA [°C] 96.0 101.1 70.2 133.0 31.0

PRESSIONE DI SATURAZIONE A -
2.5 1.3 4.0 1.9 19.7
20 °C [bar]

PRESSIONE DI SATURAZIONE A
11.9 7.7 18.9 11.7 72.1
30 °C [bar]

CAPACITÁ DI REFRIGERAZIONE
3 2371 1444 3756 2131 14592
VOLUMETRICA A -20 °C [kJ/m ]

CALORE LATENTE DI
220 213 249 1329 283
EVAPORAZIONE A -20°C [kJ/kg]

VOLUME SPECIFICO DEL VAPORE
3 0.093 0.147 0.066 0.625 0.019
SATURO SECCO A -20°C [m /kg]


Fluido naturale
GWP (Global Warming Potential) =1
Atossico
Non infiammabile

Contenuto effetto diretto
sull’effetto serra
Soluzioni impiantistiche ad
espansione diretta in
Condizionamento di auto veicoli
ambienti solitamente affollati
Vending machines
Supermercati
Refrigerazione commerciale


LA CO2 COME REFRIGERANTE Tco=80°C

Temperatura
critica=31°C
Ciclo transcritico
R134
a

Pompe di calore per Tin_gc=100°C
Tout_gc=20°C
la climatizzazione
e la produzione di ACS

R744

Profili di temperatura vicini e di forma
simile, il ché vuol dire minori perdite
exergetiche nello scambio termico fattore
decisivo per avere COP maggiori rispetto
a quelli ottenuti con fluidi tradizionali


LE RAGIONI DELLA BONTÀ DELLA CO2 PER LA POMPA DI CALORE.
La CO2 (R744) non condensa in corrispondenza della parte superiore del ciclo svolto
Punto 1 in una pompa di calore perchè il punto critico di tale gas è collocato a pressioni
inferiori a quelle di lavoro. (Ciclo Transcritico)
Alta capacità volumetrica, Piccole perdite di carico.

Punto Critico（31℃） Curve Isoterme
Pressure ［MPa］

●
CO2 Punto critico
●
R410A 72℃
R407C 86℃
R134a 101℃
HFCs R404A 72℃

Enthalpy (kJ/kg)
Punto 2 La CO2 (R744) è caratterizzata da alti valori di pressione e di densità anche a bassa
temperatura ambiente come -20℃.  Alte performance della pompa di calore anche nel
Nord Europa.


LE RAGIONI DELLA BONTÀ DELLA CO2 PER LA POMPA DI CALORE.

Punto 3 Essendo un ciclo transcritico, l’acqua viene riscaldata in modo efficiente.
HFC CO2
Ref. IN Ref. IN 90℃
Temp. Condensazione Temp.
del refrigerante 65℃ Acqua OUT

Una differenza di
Acqua OUT tempertura maggiore
determina un’efficienza
Ref. OUT Acqua migliore.
Ref. OUT

Acqua IN
Acqua Acqua IN Anche la temperatura
d’ingresso influenza
molto l’efficienza del
sistema.
Punto 4

Oltre alle proprietà derivanti dalla mancata condensazione, la CO2 presenta un ottimo
trasferimento termico.
→ migliore efficienza della pompa di calore e anche produzione di acqua calda（90℃).


L’IMPORTANZA DELLA TEMPERATURA INGRESSO GAS COOLER PER LA CO2

Quando si opera con i tradizionali
refrigeranti a ciclo subcritico l’elemento
che maggiormente influenza il COP è la
temperatura in uscita dell’acqua; essa
influisce direttamente sulla pressione di
condensazione e quindi sul lavoro del
compressore che viene ridotto o
incrementato.
Operando con ciclo transcritico invece,
l’elemento che maggiormente influenza il
coefficiente di performance del ciclo è la
temperatura dell’acqua in ingresso al gas
cooler. La cosa è ben visibile in figura:
all’aumentare della temperatura dell’acqua
in ingresso si riduce il calore ceduto
dall’anidride carbonica mentre il lavoro di
compressione rimane costante, causando
una graduale riduzione del COP.

Nel settore residenziale la produzione di acqua calda sanitaria mediante pompa di calore avviene con accumulo,
in quanto l’energia primaria richiesta per produzione istantanea sarebbe nettamente superiore alla potenza
elettrica disponibile al contatore. Tuttavia, all’aumentare della temperatura dell’acqua nel serbatoio si ha una
riduzione importante dell’efficienza della macchina.


CONTAINER F92: Pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
L'impianto AI.CO.WA. (AIr conditioning with HP CO2 water-WAter) è stato
realizzato al fine di caratterizzare una pompa di calore acqua-acqua che utilizza la
CO2 (R744) come refrigerante.

SERBATOI DI ACCUMULO
CONTAINER

UTA

DRY COOLER

SCAMBIATORI DI CALORE
POMPA DI CALORE


Impianto a Pompa di calore a CO2 (R744)
UTA

POMPA DI CALORE


Layout impianto sperimentale AICOWA (AIr COnditionig with heat pump WAter-water)
Prototipo Pompa di calore elettrica polivalente a CO2 (R744)

Impianto a Pompa di calore a CO2 (R744)



DATI TECNICI:
- P tot = 2,6 [kW];
- P frig = 2,31 [kWf];
- P term = 3,49 [kWth];
- P el = 60 [W];
- Q aria = 520 [m3/h];
- Q acqua = 430 [m3/h].


 Tre compressori semiermetici
disposti in parallelo di cui
Alta pressione quello ausiliario con inverter
Media pressione  Valvola di
Bassa pressione laminazione
principale
 Valvola di
laminazione
secondaria
Temperatura dell’acqua in ingresso al gas-cooler

Accensione dei soli due
< 35°C compressori disposti sul
ramo di bassa pressione

Accensione anche del terzo
> 35°C compressore ausiliario disposto sul
ramo di media pressione


RILIEVO DATI SPERIMENTALI

ACQUISIZIONI LATO CO2

ACQUISIZIONI LATO ACQUA


CONTAINER F92: pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
CAMPAGNA DI MONITORAGGIO INVERNALE: CAMPAGNA DI MONITORAGGIO ESTIVA:

Andamento del COP in funzione della temperatura Andamento dell’EER in funzione della temperatura
dell’acqua in ingresso al GC dell’acqua in ingresso al GC
(Funzionamento invernale) (Funzionamento Estivo)


CONTAINER F92: pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
CICLO A MASSIMO = COP (2,77)

Punto T,ENT, T,ACCUM, T,USC, FLUX,PDC,
Time T,ENT,FRED,
Temperature Pressure Density Enthalpy Entropy
del CALD,
Descrizione CALD (kg/m³) CALD, CALD
[h:min] PDC [°C]
(°C) (MPa) (kJ/kg) (kJ/kgK)
ciclo PDC [°C] [°C] PDC[°C] [m3/h]

08:30 32,7 6,4 28,8 39 2,9
1 Aspirazione compressori HP-LP 3,5200 83,307 457,05 1,9369
17,200

2 Mandata compressori 81,583 7,9400 156,91 494,63 1,9369

3 Uscita Gas Cooler 33,000 7,9400 601,14 307,93 1,3505

4 Uscita surriscaldatore HP 25,700 7,9400 766,40 265,89 1,2119

Uscita valvola di laminazione
5 0,37647 3,5200 274,97 265,89 1,2408
principale

Uscita Evaporatore
6 (Ingresso surriscaldatore HP) 0,37647 3,5200 103,58 418,86 1,80


Polo Direzionale De Cecco - PESCARA (Arch. Massimiliano Fuksas): Anno 2005

N°4 Gruppi frigo polivalenti:
Marca: CLIMAVENETA; mod. ERACS-Q_2462; R134a; 2 Screw
PRESTAZIONI IN RECUPERO TOTALE:
Pt = 740,3 kWt – H2O 45-40 °C;
Pf= 576,9 kWf – H2O 7-12°C;
Pel assorbita compressori = 167,9 kWel;
Test estate=36°C; Test inverno=0°C;


Polo Direzionale De Cecco - PESCARA (Arch. Massimiliano Fuksas): Anno 2005

Piano Primo Piano Decimo

Pannello di controllo Gruppi Frigo: MANAGER 3000


EDIFICIO F76: pompa di calore aria – aria tipo Roof Top ad R744 (CO2)

Il roof top è installato a servizio dell’edificio F76,
avente superficie complessiva pari a S=215 m2, Pompa di calore a CO2 (R744): CIRCUITO
garantendo sia il comfort termoigrometrico invernale FRIGORIFERO
ed estivo che il corretto ricambio d’aria all’interno dei
10 uffici presenti nell’edificio.



FUNZIONAMENTO ESTIVO (temperatura esterna +35°C)
-Capacità frigorifera 38,5 kWf con aria in +27°C / out
+16°C
-Lato condensatore: aria in +35°C / out +50°C

FUNZIONAMENTO INVERNALE (temperatura esterna +5°C)
-Capacità termica 36,3 kWt con aria in +16°C / out +34°C
-Lato evaporatore: aria in +2°C / out -2°C


EDIFICIO F76: Sistema di regolazione e monitoraggio dell’impianto


CASE STUDIES
DEFINITION:
Risultati delle simulazioni del prototipo ENEA. Pt=40 kW


EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento
Test 1 con Tmiscela = 16⁰C: lato CO2

8,8°C

93 bar

42°C

37 bar

47°C
11,7°C


Test 1 con Tmiscela = 16⁰C : lato aria
17,0

Portata:1.640 m3/h

% 100

% 100

Tmandata:52⁰C Tmiscela:16,0⁰C

URmiscela:4,7% URmiscela:44%


Test 2 con Tmiscela = 18⁰C : lato CO2

6,5°C

93 bar

36°C

35 bar

39°C
1,0°C


18,45

Portata:4.837 m3/h

% 100

% 100


URmiscela:23% URmiscela:46%


Test 3 con Tmiscela = 20⁰C : lato CO2

10,6°C

93 bar

42°C

39 bar

47°C
11,6°C


17,0

Portata:1.817 m3/h

% 100

% 100


URmiscela:7% URmiscela:42%


Pompa di calore ad R744 (CO2) per produzione di A.C.S.

Facility di prova Impianto Pa.CO2
(PAsteurization with CO2 )

EVAPORATORE


Pompa di calore ad R744 (CO2) per produzione di A.C.S. con accumulo

Rispetto alla configurazione standard (E1 pompa di calore) si registra per E2 una riduzione dei consumi compresa tra il 27% e il 32%
mentre un accorciamento dei tempi di processo mediamente del 55 - 57%.
Di certo ancora più marcate risultano le differenze con le prove di riscaldamento a mezzo resistenze elettriche (E1 Pastomaster) rispetto
alle quali il funzionamento della pompa di calore in versione “modificata” fa registrare consumi più bassi di oltre il 65% a fronte di un
non eccessivo allungamento dei tempi, stimato nell’ordine del 30 % (circa 15 min).


Pompa di calore ad R744 (CO2) per produzione di A.C.S. istantanea
Risultati sperimentali per un ciclo da 5 kW doppio-stadio con sotto-raffreddamento1


Caratteristiche del compressore a CO2 della Sanyo
Funzionamento per applicazioni di riscaldamento.

Alta Bassa
pressione Motore Cassa pressione

Secondo stadio

Pressione
interna
intermedia

Primo stadio


Caratteristiche del compressore a CO2 della Sanyo
Funzionamento per applicazioni di riscaldamento.

Alta Bassa
pressione Motore Cassa pressione
Riscaldare l’acqua
senza condensazione
Pressione (MPa)

Pressione Il secondo stadio
interna di compressione
determina un alto
intermedia
rendimento
isoentropico ed un
alta affidabilità.

Entalpia(kJ/kg)


La forza della CO2 per il Nord Europa Innovativo sistema per
evitare il congelamento
Uscita acqua Ingresso acquar
della batteria esterna
Sistema d’accumulo
Valvola
d’espansione
Scambiatore di calore Flusso d’aria
Aria-gas
Pompa di calore
Scambiatore di calore gas- Air
acqua da riscaldare Bassa Pressione Gas

Compressore Air

Accumulator
Alta Pressione
Gas caldo

*Sezione trasversale: Diagramma nella
parte terminale dell’evaporatore
Reale effetto
dell’evaporatore

Un flusso speciale di refrigerante è stato adottato per impedire che lo scambiatore di
calore ghiacci senza arrestare il ciclo. (Nessun riscaldamento, nessuna bisogno di
effettuare un ciclo inverso)


Risultati delle simulazioni con il sistema di sbrinamento innovativo
Confronto termodinamico di una soluzione con e di una senza sezione di preriscaldo dell ’ aria con un
compressore.
COP vs Tw,out con efficienza del pre-riscaldatore del 50% e senza pre-riscaldatore per diversi (-10 °C, 0 °C, +10
°C) valori di Tamb e per Tw,in = 15 °C

R744

“Efficienza energetica ed Uso di fonti rinnovabili”

RIFERIMENTI:
- Diagnosi e certificazione energetica degli edifici. Corso Avanzato UNI-TS 11300:4
Ing. Laurent Socal
- Pompe di calore
Prof. Renato Lazzarin
- Gli impianti a pompa di calore: cosa cambia alla luce del D.Lgs. 28/11
Ing. Michele Vio
- Speciale tecnico CO.AER maggio 2012
- Efficienza è ricchezza
Luca Marchisio
- Messa in funzione, analisi sperimentale e caratterizzazione della pompa di calore a CO2
N. Calabrese, G. Oliveti, V. Marinelli, R. Mastrullo, A.W. Mauro
- Progettazione costruttiva di un prototipo di pompa di calore a CO2 (R744) invertibile del
tipo aria-aria e realizzazione della facility di prova
N. Calabrese, R. Mastrullo, A.W. Mauro
- Realizzazione di un prototipo di macchina frigorifera caldo/freddo dedicata al settore
alimentare
G. Boccardi, N. Calabrese, L. Saraceno, R. Trinchieri
- Sanyo CO2 Technologies
Kjell Lundén

“Climatizzazione con fonti rinnovabili”

Le nostre attività di ricerca e sviluppo:

Grazie per l’attenzione
http://www.climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it/

POMPE DI CALORE AD R744 - Centro Enea Casaccia (RM), 17-01-2013 calabrese

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