Le nuove tecnologie per le pompe di calore elettriche a

Le nuove tecnologie per le
pompe di calore reversibili
ad alta efficienza
CENTRALI TERMO-FRIGORIFERE
NUOVE TECNOLOGIE E RISPARMIO ENERGETICO
Massimo Vizzotto
Roma, 19 maggio 2015
consulente Milano
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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.
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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.
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aria-acqua
acqua-acqua
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• 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
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aria-acqua
aria-acqua
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aria-acqua
aria-acqua
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acqua-acqua
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La UNI/TS 1130-4 se ne occupa al punto 9.4.4
(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
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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
400
1) Average, corrispondente a Strasburgo
2) Warmer, corrispondente a Atene
3) Colder, corrispondente a Helsinki
12
Heat demand
350
La Energy Labelling europea obbliga l’indicazione del valore dello SCOP
Average nella etichetta energetica, mentre i valori di SCOP Warmer & Colder
sono facoltativi.
10
300
8
250
200
6
150
4
100
Heat demand [kW]
Number of hours
La norma EN 14825 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:
Il valore dello SCOP minimo per avere la certificazione CE e accedere agli
incentivi del conto termico sono sempre riferiti alla condizione Average.
2
50
0
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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14
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0
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Outdoor temperature [˚C]
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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%
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Temperatura mandata H2O 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)
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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.
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:
In particolare:
• PROGETTO
• COMPONENTI
• SOFTWARE
* 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+
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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
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.
Compressori :
• SCROLL con refrigerante R410A
• VITE con refrigerante R134a
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Componentistica: COMPRESSORI
Componentistica: COMPRESSORI
Compressori Scroll specificatamente progettati per applicazione in pompe di calore
caratterizzati da:
SI
• 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.
ai compressori volumetrici
No ai compressori dinamici
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Componentistica : VENTILATORI
Componentistica : COMPRESSORI
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
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
I vantaggi:
• Drastica riduzione della potenza assorbita
• Aumento della vita media (nessun attrito dovuto alle spazzole
rotanti)
• Riduzione delle interferenze elettromagnetiche
• Minimo rumore induttivo
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Componentistica: SCAMBIATORI DI CALORE GAS / ARIA
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
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
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
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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.
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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
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Componentistica: COMPONENTI CIRCUITO FRIGORIFERO
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.
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
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Ciclo invernale, produzione acqua calda
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Componentistica : COMPONENTI CIRCUITO FRIGORIFERO
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:
• 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.
65
Temp. Acqua in uscita [°C]
• 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.
60
55
50
45
40
35
30
25
20
-15
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-10
-5
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0
5
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20
25
Temp. Aria Ambiente [°C]
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Componentistica: COMPONENTI CIRCUITO FRIGORIFERO
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.
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
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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”.
C o nd ens in g p res su re
S u ction pre ss ure
ON
O FF
H ea tin g re que st
dT
ON
O FF
C o mp res so r/s
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.
C yc le in ve rsion va lv e
ON
O FF
Co nd en sing co ntro l
ON
O FF
ON
O FF
Liqu id so len oid
E
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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
.
A
B C
D
E
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Logica di regolazione : COMPENSAZIONE DEL SET-POINT
(Vd c) 10 –
9–
8–
7–
6–
5–
4–
3–
2–
1–
0–
• segnale analogico (0÷10Vdc) da cliente
• sonda temperatura aria esterna
0
0
10
20 30
40 5 0 6 0 70
80 90 100 (% - co mp ensation)
1
2
4
0
0
3
1
1
2
2
3
4
5
(°C - cxK1 compen sat ion
ran ge for co oling )
3
(°C - cxK3 compen sat ion
ran ge for heating)
5
(min – reaction tim e)
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Le opinioni espresse dagli Autori non rispecchiano necessariamente quelle dell’Associazione
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