GIORNATA STUDIO VIESSMAN. I refrigeranti naturali nelle pompe di calore: l R744 (CO 2 )

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1 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 (CO 2 ) C.R. ENEA di CASACCIA, 22 gennaio 2013 Referente scientifico: Ing. Andrea Calabrese andrea.calabrese@enea.it

2 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 Kg di anidride carbonica (CO2). Si deduce facilmente che più basso è il valore GWP minore è l impatto del gas sull effetto serra.

3 LA CO 2 COME REFRIGERANTE 1869 Applicazione a bordo delle navi per il trasporto delle carni 1930 Avvento dei fluidi sintetici: clorofluorocarburi 1987 Con il protocollo di Montreal ci fu la messa al bando dei CFC con lo scopo di contenere la distruzione dell ozono stratosferico

4 LA CO 2 COME REFRIGERANTE R22 R134a R410A R717 R744 ODP 100 /GWP /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] TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE NORMALE [ C] PRESSIONE CRITICA [MPa] TEMPERATURA CRITICA [ C] PRESSIONE DI SATURAZIONE A - 20 C [bar] PRESSIONE DI SATURAZIONE A 30 C [bar] CAPACITÁ DI REFRIGERAZIONE VOLUMETRICA A -20 C [kj/m 3 ] CALORE LATENTE DI EVAPORAZIONE A -20 C [kj/kg] VOLUME SPECIFICO DEL VAPORE SATURO SECCO A -20 C [m 3 /kg]

5 LA CO 2 COME REFRIGERANTE 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

6 LA CO 2 COME REFRIGERANTE Temperatura critica=31 C Ciclo transcritico Pompe di calore per la climatizzazione e la produzione di ACS 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

7 LE RAGIONI DELLA BONTÀ DELLA CO 2 PER LA POMPA DI CALORE. Punto 1 LaCO 2 (R744)noncondensa incorrispondenzadellapartesuperioredelciclosvolto 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] HFCs CO 2 Punto critico R410A 72 R407C 86 R134a 101 R404A 72 Punto 2 Enthalpy (kj/kg) La CO 2 (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.

8 LE RAGIONI DELLA BONTÀ DELLA CO 2 PER LA POMPA DI CALORE. Punto 3 Essendo un ciclo transcritico, l acqua viene riscaldata in modo efficiente. Temp. Ref. OUT Acqua IN Punto 4 HFC CO 2 Condensazione del refrigerante Acqua Ref. IN 65 Acqua OUT Temp. Ref. OUT Acqua IN Acqua Ref. IN 90 Acqua OUT Una differenza di tempertura maggiore determina un efficienza migliore. Anche la temperatura d ingresso influenza molto l efficienza del sistema. Oltre alle proprietà derivanti dalla mancata condensazione, la CO 2 presenta un ottimo trasferimento termico. migliore efficienza della pompa di calore e anche produzione di acqua calda(90 ).

9 L IMPORTANZA DELLA TEMPERATURA INGRESSO GAS COOLER PER LA CO 2 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.

10 CONTAINER F92: Pompa di calore acqua acqua polivalente ad R744 (CO 2 ) L'impianto AI.CO.WA. (AIr conditioning with HP CO 2 water-water) è stato realizzato al fine di caratterizzare una pompa di calore acqua-acqua che utilizza la CO 2 (R744)comerefrigerante. CONTAINER SERBATOI DI ACCUMULO UTA DRY COOLER SCAMBIATORI DI CALORE POMPA DI CALORE

11 CONTAINER F92: Pompa di calore acqua acqua polivalente ad R744 (CO 2 ) Impianto a Pompa di calore a CO 2 (R744) UTA POMPA DI CALORE

12 CONTAINER F92: Pompa di calore acqua acqua polivalente ad R744 (CO 2 ) Layout impianto sperimentale AICOWA (AIr COnditionig with heat pump WAter-water) Prototipo Pompa di calore elettrica polivalente a CO 2 (R744) Impianto a Pompa di calore a CO 2 (R744)

13 CONTAINER F92: Pompa di calore acqua acqua polivalente ad R744 (CO 2 ) DATI TECNICI: - P tot = 2,6 [kw]; - P frig = 2,31 [kwf]; - P term = 3,49 [kwth]; - P el = 60 [W]; - Q aria = 520 [m 3 /h]; - Q acqua = 430 [m 3 /h].

14 CONTAINER F92: Pompa di calore acqua acqua polivalente ad R744 (CO 2 ) Tre compressori semiermetici disposti in parallelo di cui quello ausiliario con inverter Alta pressione Media pressione Bassa pressione Valvola di laminazione principale Valvola di laminazione secondaria Temperatura dell acqua in ingresso al gas-cooler < 35 C Accensione dei soli due compressori disposti sul ramo di bassa pressione > 35 C Accensione anche del terzo compressore ausiliario disposto sul ramo di media pressione

15 CONTAINER F92: Pompa di calore acqua acqua polivalente ad R744 (CO 2 ) RILIEVO DATI SPERIMENTALI ACQUISIZIONI LATO CO 2 ACQUISIZIONI LATO ACQUA

16 CONTAINER F92: pompa di calore acqua acqua polivalente ad R744 (CO 2 ) CAMPAGNA DI MONITORAGGIO INVERNALE: CAMPAGNA DI MONITORAGGIO ESTIVA: Andamento del COP in funzione della temperatura dell acqua in ingresso al GC (Funzionamento invernale) Andamento dell EER in funzione della temperatura dell acqua in ingresso al GC (Funzionamento Estivo)

17 CONTAINER F92: pompa di calore acqua acqua polivalente ad R744 (CO 2 ) CICLO A MASSIMO = COP (2,77) Punto del ciclo Time [h:min] T,ENT, CALD, PDC [ C] Descrizione T,ENT,FRED, PDC [ C] ( C) Temperature T,ACCUM, Pressure CALD (MPa) [ C] Density (kg/m³) T,USC, CALD, PDC[ C] Enthalpy (kj/kg) FLUX,PDC, CALD [m 3 /h] Entropy (kj/kgk) 08:30 32,7 6,4 28,8 39 2,9 1 Aspirazione compressori HP-LP 3, , ,05 1, ,200 2 Mandata compressori 81,583 7, ,91 494,63 1, Uscita Gas Cooler 33,000 7, ,14 307,93 1, Uscita surriscaldatore HP 25,700 7, ,40 265,89 1, Uscita valvola di laminazione principale 0, , ,97 265,89 1, Uscita Evaporatore (Ingresso surriscaldatore HP) 0, , ,58 418,86 1,80

18 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 C; Pf= 576,9 kwf H2O 7-12 C; Pel assorbita compressori = 167,9 kwel; Test estate=36 C; Test inverno=0 C;

19 Polo Direzionale De Cecco - PESCARA (Arch. Massimiliano Fuksas): Anno 2005 Piano Primo Piano Decimo Pannello di controllo Gruppi Frigo: MANAGER 3000

20 EDIFICIO F76: pompa di calore aria aria tipo Roof Top ad R744 (CO 2 ) Il roof top è installato a servizio dell edificio F76, avente superficie complessiva pari a S=215 m 2, garantendo sia il comfort termoigrometrico invernale ed estivo che il corretto ricambio d aria all interno dei 10 uffici presenti nell edificio. Pompa di calore a CO 2 (R744): CIRCUITO FRIGORIFERO

21 EDIFICIO F76: pompa di calore aria aria tipo Roof Top ad R744 (CO 2 ) FUNZIONAMENTO ESTIVO (temperatura esterna +35 C) -Capacità frigorifera 38,5 kw f 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 kw t con aria in +16 C / out +34 C -Lato evaporatore: aria in +2 C / out -2 C

22 EDIFICIO F76: Sistema di regolazione e monitoraggio dell impianto

23 EDIFICIO ΧΑΣΕ F76: ΣΤΥ ΙΕΣ pompa di calore aria aria tipo Roof Top ad R744 (CO 2 ) ΕΦΙΝΙΤΙΟΝ: Risultati delle simulazioni del prototipo ENEA. P t =40 kw

24 EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento Test 1 con T miscela = 16⁰C: lato CO 2 8,8 C 93 bar 42 C 37 bar 47 C 11,7 C

25 EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento Test 1 con T miscela = 16⁰C : lato aria 17,0 Portata:1.640 m 3 /h % 100 % 100 T mandata :52⁰C UR miscela :4,7% T miscela :16,0⁰C UR miscela :44%

26 EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento Test 2 con T miscela = 18⁰C : lato CO 2 6,5 C 93 bar 36 C 35 bar 39 C 1,0 C

27 EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento Test 2 con T miscela = 18⁰C : lato aria 18,45 Portata:4.837 m 3 /h % 100 % 100 T mandata :33⁰C UR miscela :23% T miscela :18,0⁰C UR miscela :46%

28 EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento Test 3 con T miscela = 20⁰C : lato CO 2 10,6 C 93 bar 42 C 39 bar 47 C 11,6 C

29 EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento Test 3 con T miscela = 20⁰C : lato aria 17,0 Portata:1.817 m 3 /h % 100 % 100 T mandata :51⁰C UR miscela :7% T miscela :20,0⁰C UR miscela :42%

30 Pompa di calore ad R744 (CO 2 ) per produzione di A.C.S. Facility di prova Impianto Pa.CO 2 (PAsteurization with CO 2 ) EVAPORATORE

31 Pompa di calore ad R744 (CO 2 ) 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).

32 Pompa di calore ad R744 (CO 2 ) per produzione di A.C.S. istantanea Risultatisperimentaliperuncicloda5kWdoppio-stadio consotto-raffreddamento 1

33 Pompa di calore ad R744 (CO 2 ) per produzione di A.C.S. istantanea Risultatisperimentaliperuncicloda5kWdoppio-stadio consotto-raffreddamento 1

34 Pompa di calore ad R744 (CO 2 ) per produzione di A.C.S. istantanea Risultatisperimentaliperuncicloda5kWdoppio-stadio consotto-raffreddamento 1

35 Caratteristiche del compressore a CO 2 della Sanyo Funzionamento per applicazioni di riscaldamento. Alta pressione Motore Cassa Bassa pressione Secondo stadio Pressione interna intermedia Primo stadio

36 Caratteristiche del compressore a CO 2 della Sanyo Funzionamento per applicazioni di riscaldamento. Alta pressione Motore Cassa Bassa pressione Riscaldare l acqua senza condensazione Pressione (MPa) Pressione interna intermedia Il secondo stadio di compressione determina un alto rendimento isoentropico ed un alta affidabilità. Entalpia(kJ/kg)

37 LaforzadellaCO 2 perilnordeuropa Sistema d accumulo Pompa di calore Uscita acqua Ingresso acquar Scambiatore di calore gasacqua da riscaldare Valvola d espansione Scambiatore di calore Aria-gas Air Innovativo sistema per evitare il congelamento della batteria esterna Bassa Pressione Gas Flusso d aria Compressore Air Accumulator Alta Pressione Gas caldo Reale effetto dell evaporatore *Sezione trasversale: Diagramma nella parte terminale 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)

38 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)valoridiTambeperTw,in=15 C Ρ744

39 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 Efficienza è ricchezza Luca Marchisio - Messa in funzione, analisi sperimentale e caratterizzazione della pompa di calore a CO 2 N. Calabrese, G. Oliveti, V. Marinelli, R. Mastrullo, A.W. Mauro - Progettazione costruttiva di un prototipo di pompa di calore a CO 2 (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

40 Climatizzazione con fonti rinnovabili Le nostre attività di ricerca e sviluppo: Grazie per l attenzione