CENTRALI TERMO-FRIGORIFERE NUOVE TECNOLOGIE E RISPARMIO ENERGETICO. Vicenza, 18 settembre 2015

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1 CENTRALI TERMO-FRIGORIFERE NUOVE TECNOLOGIE E RISPARMIO ENERGETICO Vicenza, 18 settembre 2015

2 Le nuove tecnologie per le pompe di calore reversibili ad alta efficienza Mauro Melis RC Group SpA Valle Salimbene Pavia

3 Calcolo dello SCOP (Seasonal Coefficient Of Performance) per le pompe di calore secondo la EN

4 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

5 Il calcolo della efficienza annuale media di un refrigeratore convenzionale solo freddo, ESEER o IPLV, è stato definito da Eurovent per l Europa e AHRI per USA 5

6 ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio secondo Eurovent) confrontato con IPLV (Integrated Part Load Value secondo AHRI = Air conditioning, Heating and Refrigeration Institute) 6

7 Si è manifestata l esigenza di una procedura analoga, per le pompe di calore 7

8 EN : Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps, with electrically driven compressors, for space heating and cooling - Testing and rating at part load conditions and calculation of seasonal performance. 8

9 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] Outdoor temperature [ C] 0 9

10 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. 10

11 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 interna 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% 11

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14 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) 14

15 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 aria-acqua; 3,075 per acqua-acqua; valori che corrispondono alla Classe A * 2017: SCOP min = 3,200 per aria-acqua; 3,325 per acqua-acqua; valori che corrispondono alla Classe A+ 15

16 La normativa Europea ECODESIGN & ENERGY LABELLING ha ricadute nella progettazione delle pompe di calore; al fine raggiungere i valori di SCOP richiesti è necessaria una revisione critica delle attuali gamme e l implementazione di tutti gli interventi necessari. 16

17 Dai refrigeranti CFC(clorofluorocarburi) / HCFC(idroclorofluorocarburi), agli HFO(idrofluoroolefine passando attraverso gli HFC(idrofluorocarburi) Dal buco dell ozono a riscaldamento globale, dal protocollo di Montreal agli F- Gas passando attraverso Kyoto 17

18 ODP (Ozone Depletion Potential): I principali aspetti introdotti dal Protocollo di Montreal (1989) erano relativi alla protezione del substrato di Ozono; i refrigeranti R12, R22, altri CFC, HCFC furono banditi dal mercato. A causa di questo lungo processo nel 2015 è stato completamente bandito il refrigerante R22 per la vendita, i retrofit e la manutenzione

19 GWP (Global Warming Potential): I principali aspetti introdotti dal Protocollo di Kyoto (1997) erano relativi alla riduzione del riscaldamento globale, riducendo gradualmente l uso di refrigeranti HFC. Questo protocollo fu adottato dal Parlamento Europeo nel 2006 con il regolamento 842/2006; a causa dei risultati negativi di questa direttiva è stato deciso di rivederla con il regolamento attuale Fgas

20 GWP (Global Warming Potential): Quali refrigeranti sono coinvolti dal regolamento F-gas? Quante volte è necessario effettuare controlli di manutenzione?

21 GWP GWP (Global Warming Potential): Quando un refrigeratore con carica F-gas verrà rimosso dal mercato? Qual è la tabella dei tempi di divieto?

22 TEWI (Total Equivalent Warming Impact) significato e calcolo: Cos è il TEWI? TEWI è la misura dell'impatto di riscaldamento globale di una apparecchiatura basata sul totale delle emissioni di gas serra durante il funzionamento dell'apparecchiatura e lo smaltimento dei fluidi operativi al termine del ciclo di vita. TEWI tiene conto, sia delle emissioni dirette, sia di quelle indirette, prodotte attraverso l'energia consumata per il funzionamento dell'apparecchio. TEWI è misurato in unità di massa in kg equivalenti di biossido di carbonio (CO 2-e). TEWI è calcolato come la somma di due parti, che sono: Refrigerante rilasciato durante il ciclo di vita delle apparecchiature, comprese le perdite non recuperate durante lo smaltimento L'impatto delle emissioni di CO 2 da combustibili fossili utilizzati per generare energia per far funzionare l'apparecchiatura per tutto il ciclo di vita.

23 Pompe di calore del 21 secolo: da sottoprodotto del gruppo frigorifero a macchina a sé stante con componentistica, soluzioni tecniche, software di gestione dedicati. 23

24 Principali versioni idroniche disponibili sul mercato: Pompe di calore monoblocco aria / acqua Pompe di calore split aria / acqua 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 24

25 Componentistica: COMPRESSORI Compressori Scroll specificatamente progettati per applicazione in pompe di calore e caratterizzati da: 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 una 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. 25

26 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 26

27 Componentistica : VENTILATORI Vengono 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 27

28 Componentistica: SCAMBIATORI DI CALORE GAS / ACQUA lato impianto 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. 28

29 Componentistica: SCAMBIATORI DI CALORE GAS / ARIA 1 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 du ghiaccio uniforme su tutta la superficie. I vantaggi: 2 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 brina sull intera superficie allunga i tempi fra uno sbrinamento e l altro 29

30 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. 30

31 Componentistica: SCAMBIATORI DI CALORE GAS / ARIA Distributore del gas: dettagli 31

32 Componentistica: COMPONENTI 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 4. Separatore di liquido in aspirazione al compressore 5. Macchine con circuiti frigoriferi multipli 6. Eliminazione della funzione sottoraffreddamento 32

33 Componentistica: COMPONENTI CIRCUITO FRIGORIFERO 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. 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 33

34 Componentistica : COMPONENTI 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 di eventuali ritorni di liquido al compressore, soprattutto durante i cambiamenti si ciclo operativo. 34

35 Allargamento dell envelope L allargamento dei limiti di funzionamento dei compressori Scroll, la possibilità di esplorare area al di fuori dei limiti di funzionamento dei compressori per un limitato tempo, abbinato ad 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: 65 Temp. Acqua in uscita [ C] Temp. Aria Ambiente [ C] 35

36 Componentistica: COMPONENTI CIRCUITO FRIGORIFERO Circuiti aria separati Le unità con circuiti frigoriferi multipli e indipendenti sono equipaggiate con un circuito aria per ogni circuito frigorifero. Questa soluzione costruttiva consente una continuità di funzionamento della macchina; mentre un circuito produce acqua calda, l altro può procedere alla sbrinamento in modo indipendente. 36

37 Componentistica: COMPONENTI CIRCUITO FRIGORIFERO Eliminazione del sottoraffreddamento Formazione di brina omogenea su tutta la superficie di scambio 37

38 Logica di regolazione : PRODUZIONE DI ACQUA REFRIGERATA Set point fisso centrale (xk1) con zona neutra. La zona neutra è definita dal differenziale(xdz1). Il differenziale (xdz1) è impostato automaticamente dal controllore in base al numero dei compressori che equipaggiano il refrigeratore e al T tra la temperatura dell acqua refrigerata in ingresso/uscita. Quando la temperatura dell acqua refrigerata in uscita dal refrigeratore è all interno della zona neutra, il set-point è soddisfatto ed i compressori mantengono il loro stato di funzionamento: Se attivi continuano a funzionare Se non attivi rimangono fermi Questo perché l unità soddisfa la potenza frigorifera richiesta mantenendo il set-point. Compressori off Riduzione capacità dei compressori A xdz1 Zona neutra xdz1 ZONA NEUTRA xk1 Set-point Incremento capacità dei compressori xdz1 B Compressori a piena capacità To ( C) 38

39 Logica di regolazione : PRODUZIONE DI ACQUA REFRIGERATA Quando la temperatura dell acqua refrigerata in uscita dal refrigeratore sale oltre la zona neutra ed entra nella zona B, i compressori incrementano la capacità frigorifera attraverso il sistema di controllo della capacità. Quando la temperatura dell acqua refrigerata eccede quest area i compressori sono a piena capacità. Quando la temperatura dell acqua refrigerata scende sotto la zona neutra ed entra nell area A, i compressori riducono la capacità frigorifera A ZONA attraverso il sistema di controllo della capacità. NEUTRA B Quando la temperatura dell acqua refrigerata scende al di sotto di quest area i compressori sono xdz1 xdz1 fermati (compressori off) Con entrambi i compressori attivi, il software automaticamente xdz1+100% incrementa del 100% il set xdz1 per evitare brevi cicli dei compressori con rapide variazioni della temperatura dell acqua. Compressori off Riduzione capacità dei compressori Zona neutra xdz1 Incremento capacità dei compressori Compressori a piena capacità To ( C) 39

40 Logica di regolazione : PRODUZIONE DI ACQUA CALDA Set point fisso centrale (xk3) con zona neutra. La zona neutra è definita dal differenziale (xdz3). Il differenziale (xdz3) è impostato automaticamente dal controllore in base al numero dei compressori che equipaggiano il refrigeratore e al T tra la temperatura dell acqua refrigerata in ingresso/uscita. Quando la temperatura dell acqua calda in uscita dal refrigeratore è all interno della zona neutra, il set-point è soddisfatto ed I compressori mantengono il loro stato di funzionamento. Se attivi continuano a funzionare Se non attivi rimangono fermi Questo perché l unità soddisfa la capacità termica richiesta mantenendo il set-point. Compressori a piena capacità Incremento capacità dei compressori A xdz3 Zona neutra xdz3 Zona neutra xk3 Set-point Riduzione capacità dei compressori xdz3 B Compressori off To ( C) 40

41 Logica di regolazione : PRODUZIONE DI ACQUA CALDA Quando la temperatura dell acqua calda in uscita sale oltre la zona neutra ed entra nell area B, i compressori riducono la capacità frigorifera attraverso il sistema di controllo della capacità. Quando la temperatura dell acqua calda eccede quest area i compressori sono fermati. Quando la temperatura dell acqua refrigerata scende sotto la zona neutra ed entra nell area A, i compressori incrementano la capacità frigorifera attraverso il sistema di controllo della capacità. Quando la temperatura dell acqua refrigerata scende al di sotto di quest area i compressori sono a piena capacità. Con entrambi i compressori attivi, il software automaticamente incrementa del 100% il set xdz3 per evitare brevi cicli dei compressori con rapide variazioni della temperatura dell acqua. Compressori a piena capacità Incremento capacità dei compressori A xdz3+100% xdz3 Zona neutra xdz3 Zona neutra xk3 Set-point Riduzione capacità dei compressori xdz3 B Compressori off To ( C) 41

42 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. 42

43 Logica di regolazione : SBRINAMENTO EVOLUTO Cond ensin g p ressure Su ction pre ssure Heating re quest Compresso r/s Cycle inversion va lve Co nd ensing co ntrol Liqu id so len oid d T E A B C D E O N O FF O N O FF O N O FF O N O FF O N O FF A B C D Ciclo Sbrinamento - Circuito frigorifero al 100% - Durata max 8 min Ciclo Asciugatura - Circuito frigorifero al 50% - Durata 1 min Ciclo Stabilizzazione - Circuito frigorifero al 50% - Durata 1 min Ciclo Memorizzazione - Circuito frigorifero al 100% - Durata 3 min E Funzionamento normale. 43

44 Logica di regolazione : COMPENSAZIONE DEL SET-POINT segnale analogico (0 10Vdc) da cliente sonda temperatura aria esterna (Vdc) (% - compensation) ( C - cxk1 compensation range for cooling) ( C ) ( C - cxk3 compensation range for heating) (min reaction time) 15 ( C ) (% ) (c ompens ation) ( C ) ( C) (com pens at ion range for c ooling) (c ompens ation range for heating) 44

45 GRAZIE PER L ATTENZIONE Le opinioni espresse dagli Autori non rispecchiano necessariamente quelle dell Associazione 45