Le nuove tecnologie per le pompe di calore reversibili ad alta efficienza

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1 CENTRALI TERMO-FRIGORIFERE NUOVE TECNOLOGIE E RISPARMIO ENERGETICO Le nuove tecnologie per le pompe di calore reversibili ad alta efficienza Napoli, 20 maggio 2015 Massimo Vizzotto consulente Milano ESEER (Eurovent) confrontato con IPLV (AHRI) Calcolo dello SCOP per le pompe di calore secondo la EN14825 Le pompe di calore sono soggette a una modifica del rendimento nel caso in cui il carico applicato sia inferiore alla potenza massima che il generatore può fornire. 3 4 aria-aria EN 14825: Condizionatori d aria, refrigeratori di liquido e pompe di calore, con compressore elettrico, per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti. Metodi di prova e valutazione a carico parziale e calcolo del rendimento stagionale

2 acqua-acqua 7 8 PLR, part load ratio: carico parziale o carico totale diviso per il pieno carico. DC, declared capacity: potenza termica che può essere erogata da una unità nelle condizioni standard A, B, C, D, E, F come da dichiarazione del costruttore. CR, capacity ratio: rapporto fra carico parziale (o pieno carico) e pieno carico alle medesime condizioni di temperatura. COPDC, coefficient of performance at declared capacity: potenza termica erogata divisa per la potenza elettrica in ingresso a specifiche condizioni di temperatura (kw/kw). COPPL, coefficient of performance at part load: potenza termica erogata a carico parziale divisa per la potenza elettrica in ingresso a specifiche condizioni di temperatura (kw/kw). SCOP, seasonal coefficient or performance: efficienza stagionale di una unità che deve soddisfare la domanda standard di calore a determinate condizioni previste dalla procedura (una variante chiamata SCOPnet non considera i consumi elettrici per termostato, standby, etc.) (kw/kw). aria-aria

3 13 14 acqua-acqua La UNI/TS se ne occupa al punto (Prestazioni fattore di carico ridotto) introducendo un fattore correttivo da applicare al COP dichiarato dal costruttore nelle prestazioni a pieno carico. Tale fattore correttivo può essere determinato: in base ad una elaborazione di dati forniti dal fabbricante; in base a modelli di calcolo di default quando tali dati non siano forniti. Lo SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) definisce l efficienza annuale media di una pompa di calore operante in una località specifica con uno specifico profilo di richiesta di calore

4 Lo SCOP viene calcolato come segue : i) si identifica il numero di ore a differenti temperature nell arco della stagione di riscaldamento. Tale numero di ore è detto BIN. ii) si determina la curva di richiesta di riscaldamento per tali temperature iii) si calcola il COP della pompa di calore di calore per ogni BIN; l insieme dei valori ottenuti è la base per il calcolo del COP medio e quindi dello SCOP Number of hours Number of hours Heat demand Heat demand [kw] La norma EN definisce lo SCOP di riferimento da utilizzarsi per le indicazioni sulle etichette energetiche. Considerate le differenze climatiche in Europa, sono state definite 3 zone per il calcolo dello SCOP: 1) Average, corrispondente a Strasburgo 2) Warmer, corrispondente a Atene 3) Colder, corrispondente a Helsinki La Energy Labelling europea obbliga l indicazione del valore dello SCOP Average nella etichetta energetica, mentre i valori di SCOP Warmer & Colder sono facoltativi. Il valore dello SCOP minimo per avere la certificazione CE e accedere agli incentivi del conto termico sono sempre riferiti alla condizione Average Outdoor temperature [ C] Il calcolo dello SCOP è il risultato di una procedura molto complessa che richiede l utilizzo di software dedicati. Per ciascuna delle tre zone climatiche la norma definisce : i) Valori di temperatura di bulbo secco interne ed esterna ii) Valori della temperatura bivalente, temperatura della sorgente fredda alla quale la richiesta termica è soddisfatta dalla sola pompa di calore. La norma definisce inoltre, per ciascuna delle tre zone, la temperatura di progetto alla quale riferire il funzionamento al 100% Temperatura mandata H 2 O calda 4 diverse condizioni: Bassa temperatura (LT=30/35 C), Media temperatura (MT=40/45 C) Alta temperatura (HT=47/55 C), Altissima temperatura (VHT=55/65 C)

5 A partire dal 26 Settembre 2015 l etichetta energetica sarà obbligatoria per tutte le pompe calore con potenza termica </= 400 kw Per le pompe di calore aria acqua e acqua acqua a bassa temperatura BT sono richieste, per l immissione sul mercato, le seguenti classi di EFFICIENZA MINIMA: * 2015: SCOP min = 2,950 per ; 3,075 per acqua-acqua; valori che corrispondono alla Classe A La normativa Europea ECODESIGN & ENERGY LABELLING ha ricadute nella progettazione delle pompe di calore; al fine raggiungere i valori di SCOP previsti I costruttori di pompe di calore dovranno prevedere una revisone critica delle attuali gamme e l implementazione di tutti gli interventi necessari. In particolare: PROGETTO COMPENTI SOFTWARE * 2017: SCOP min = 3,200 per ; 3,325 per acqua-acqua; valori che corrispondono alla Classe A

6 Pompe di calore del XXI secolo: da sottoprodotto del gruppo frigorifero a macchina a sé stante, con componentistica, soluzioni tecniche e software di gestione dedicati. Principali versioni idroniche disponibili sul mercato: Pompe di calore monoblocco Pompe di calore split Pompe di calore acqua-acqua con inversione lato gas Pompe di calore acqua -acqua con inversione lato idraulico Compressori : SCROLL con refrigerante R410A VITE con refrigerante R134a Componentistica: COMPRESSORI Componentistica: COMPRESSORI Compressori Scroll specificatamente progettati per applicazione in pompe di calore caratterizzati da: SI ai compressori volumetrici Elevata efficienza e maggiore capacità in riscaldamento Elevata temperatura dell acqua per tutte le applicazioni Tecnologia di iniezione di vapore per una maggiore efficienza stagionale Design che garantisce un adattabilità assiale e radiale tra le due spirali aumentando la vita utile del compressore. Per adattabilità si intende la capacità delle spirali di separarsi in condizioni anomale, in modo che detriti o refrigerante liquido possano attraversarle e, pertanto, eliminanazione di contatti che possano causare rottura. No ai compressori dinamici Componentistica : COMPRESSORI Compressori a vite specificatamente progettati per applicazione in chillers condensati ad aria e perfezionati per le pompe di calore. Caratterizzati da: Limiti di applicazione estesi per operare a rapporti di compressione elevati Rapporto volumetrico intrinseco (a carico pieno e parziale) adeguato al campo di applicazione esteso. Raffreddamento aggiuntivo per condizioni di esercizio estreme grazie all iniezione diretta di refrigerante Ottimizzazione del sistema di gestione dell olio Componentistica : VENTILATORI Sono utilizzati ventilatori assiali e Plug Fan con motori AC & EC. Questi ultimi sono caratterizzati da : Motori sincroni brushless Sistema di commutazione elettronica integrato Elevata efficienza (83 86%) Minima potenza assorbita Controllo continuo della velocità proporzionale al segnale 0 10VDC I vantaggi: Drastica riduzione della potenza assorbita Aumento della vita media (nessun attrito dovuto alle spazzole rotanti) Riduzione delle interferenze elettromagnetiche Minimo rumore induttivo

7 Componentistica: SCAMBIATORI DI CALORE GAS / ACQUA lato impianto Componentistica: SCAMBIATORI DI CALORE GAS / ARIA Scambiatori a piastre e a fascio tubiero sono utiizzati scambiatori che lavorano, come evaporatori, nel funzionamento in freddo e, come condensatori, nel funzionamento in caldo. Priorità di funzionamento in caldo per entrambi Per gli scambiatori a piastre sono utilizzate alcune nuove tecnologie, che migliorano lo scambio termico nel funzionamento in freddo e non influiscono su quello in caldo. Sistema Equalancer*: rende possibile una doppia miscelazione del refrigerante bifase all interno dell evaporatore garantendone una distribuzione più uniforme attraverso le piastre e riducendo le le fluttuazioni del surriscaldamento Sistema Dualaced*: fa sì che tutta la portata dell acqua sia in contatto con ciascun circuito refrigerante garantendo un raffreddamento uniforme anche in funzionamento a carico parziale. Gli scambiatori a fascio tubiero sono generalmente di tipo forcinato con ingresso e uscita refrigerante dallo stesso lato. * Alfa Laval Batterie Cu/Al con trattamento idrofilico e passo alette 2,1 mm Il trattamento idrofilico consente la formazione di gocce di minore dimensione sulla superficie dell aletta e favorisce una formazione di ghiaccio uniforme su tutta la superficie I vantaggi: L effetto combinato delle ridotte dimensioni delle gocce e dell aumento del passo alette contribuisce a diminuire le perdite di carico sul lato aria e, indirettamente, migliora le performance del ventilatore L omogeneità della formazione di ghiaccio sulla superficie allunga i tempi fra uno sbrinamento e l altro e riduce quello di sbrinamento Componentistica : SCAMBIATORI DI CALORE GAS / ARIA Componentistica: SCAMBIATORI DI CALORE GAS / ARIA Distributore gas specifico per creare una perdita di carico tale da favorire la miscelazione tra le due fasi del refrigerante in uscita dalla termostatica e, al tempo stesso, aumentarne la velocità per garantire una distribuzione uniforme all interno dei tubi dello scambiatore aria gas. Il risultato è una omogenea formazione della brina sulla superficie esterna. Distributore del gas: dettagli Componentistica: COMPENTI CIRCUITO FRIGORIFERO Componentistica: COMPENTI CIRCUITO FRIGORIFERO 1. Linea di by-pass di gas caldo 2. Differenziazione delle valvole di espansione in modalità chiller e pompa di calore 3. Circuitazione gas con ricevitore di liquido sempre flussato Linea di by-pass gas caldo, utilizzata come risorsa estrema, consente l aumento forzato della pressione di evaporazione riportando repentinamente il funzionamento del compressore nei limiti di funzionamento. 4. Separatore di liquido in aspirazione al compressore 5. Macchine con circuiti frigoriferi multipli 6. Eliminazione della funzione sottoraffreddamento Valvole elettroniche, o valvole termostatiche differenti per il funzionamento invernale e quello estivo ottimizzato per le condizioni operative richieste. Consentono di fornire stabilità al ciclo frigorifero. Ciclo invernale, produzione acqua calda

8 Componentistica : COMPENTI CIRCUITO FRIGORIFERO Ricevitore di liquido sempre flussato sia nel funzionamento estivo, sia in quello invernale in modo che sia garantito il regolare ritorno dell olio in qualsiasi assetto di funzionamento della macchina. Separatore di liquido in aspirazione del compressore, in tale porzione di circuito la bassa velocità del gas consente una lenta evaporazione e riduzione di eventuali ritorni di liquido al compressore, soprattutto durante i cambiamenti si ciclo operativo. Allargamento dell envelope L allargamento dei limiti di funzionamento dei compressori Scroll, la possibilità di esplorare area oltre i limiti di funzionamento dei compressori per un limitato tempo, abbinato a un software adattativo che riconosca le caratteristiche del componente e sia in grado di adattare il set point dinamicamente alle condizione operative della macchina, attuando tutte le strategie per il contenimento del punto di lavoro all interno dei limiti di funzionamento, consentono l allargamento dell envelope della macchina come riportato nel grafico: Temp. Acqua in uscita [ C] Temp. Aria Ambiente [ C] Componentistica: COMPENTI CIRCUITO FRIGORIFERO Componentistica: COMPENTI CIRCUITO FRIGORIFERO Circuiti aria separati Le unità con circuiti frigoriferi multipli e indipendenti sono equipaggiate con un circuito aria per ogni circuito frigorifero. Questo consente un funzionamento continuo della macchina. Mentre un circuito produce acqua calda, l altro può procedere alla sbrinamento in modo indipendente. Eliminazione del sottoraffreddamento Formazione di brina omogenea su tutta la superficie di scambio Logica di regolazione : SBRINAMENTO EVOLUTO Logica di regolazione : SBRINAMENTO EVOLUTO Il ciclo di sbrinamento (DEFROST) è oggi attivo solo quando il sistema di controllo riscontra una effettiva presenza di ghiaccio sullo scambiatore aria / gas che determina, a sua volta, una progressiva riduzione della pressione di evaporazione. Se le condizioni di temperatura e di umidità ambientale non producono formazione di ghiaccio sulla superficie della batteria il sistema continua a funzionare senza passare alla modalità di DEFROST. Adattamento all ambiente a ogni ciclo di sbrinamento allungando o diminuendo i tempi che intercorrono fra due sbrinamenti a seconda della rapidità con cui si forma il ghiaccio. Memorizzazione della pressione di evaporazione e della sua permanenza nei limiti del compressore al termine di ogni ciclo di sbrinamento, alla ripresa della produzione di acqua calda. Cond ensin g p ressu re Su ction pre ssure Hea tin g re que st Comp res so r/s Cyc le in ve rsion va lve Co nd en sing co ntro l Liqu id so len oid d T E A B C D E A Ciclo Sbrinamento - Circuito frigorifero al 100% B Ciclo Asciugatura - Circuito frigorifero al 50% C Ciclo Stabilizzazione - Circuito frigorifero al 50% D Ciclo Memorizzazione - Circuito frigorifero al 100% E Funzionamento normale

9 Logica di regolazione : COMPENSAZIE DEL SET-POINT segnale analogico (0 10Vdc) da cliente sonda temperatura aria esterna (Vdc) (% - compensation) ( C - cxk1 compensation range for cooling) ( C - cxk3 compensation range for heating) GRAZIE PER L ATTENZIE (min reaction time) Le opinioni espresse dagli Autori non rispecchiano necessariamente quelle dell Associazione