GIORNATA STUDIO VIESSMAN I refrigeranti naturali nelle pompe di

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
[email protected]
www.climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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.
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
LA CO2 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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
LA CO2 COME REFRIGERANTE
R22
ODP100/GWP100
R134a R410A R717 R744
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
NORMALE [°C]
-40.8
-26.2
-52.6
-33.3
-78.4
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 20 °C [bar]
2.5
1.3
4.0
1.9
19.7
PRESSIONE DI SATURAZIONE A
30 °C [bar]
11.9
7.7
18.9
11.7
72.1
CAPACITÁ DI REFRIGERAZIONE
3
VOLUMETRICA A -20 °C [kJ/m ]
2371
1444
3756
2131
14592
CALORE LATENTE DI
EVAPORAZIONE A -20°C [kJ/kg]
220
213
249
1329
283
VOLUME SPECIFICO DEL VAPORE
3
SATURO SECCO A -20°C [m /kg]
0.093
0.147
0.066
0.625
0.019
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
LA CO2 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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
LA CO2 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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
LE RAGIONI DELLA BONTÀ DELLA CO2 PER LA POMPA DI CALORE.
La CO2 (R744) non condensa in corrispondenza della parte superiore del ciclo svolto
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 1
Pressure ［MPa］
］
Punto Critico（31℃）
CO2
Curve Isoterme
●
●
HFCs
Punto critico
R410A 72℃
℃
R407C 86℃
℃
R134a 101℃
℃
R404A 72℃
℃
Enthalpy (kJ/kg)
Punto 2
La CO2 (R744) è caratterizzata da alti valori di pressione e di densità anche a bassa
Alte performance della pompa di calore anche nel
temperatura ambiente come -20℃.
Nord Europa.
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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
Temp.
Condensazione
del refrigerante
CO2
Ref. IN
Ref. IN
Temp.
90℃
Acqua OUT
65℃
Acqua OUT
Acqua
Ref. OUT
Una
differenza
di
tempertura maggiore
determina un’efficienza
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℃).
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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.
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
CONTAINER F92: Pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
Impianto a Pompa di calore a CO2 (R744)
POMPA DI CALORE
UTA
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
CONTAINER F92: Pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
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)
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
CONTAINER F92: Pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
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].
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
CONTAINER F92: Pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
Tre compressori semiermetici
disposti in parallelo di cui
quello ausiliario con inverter
Alta pressione
Valvola di
Media pressione
laminazione
Bassa pressione
principale
Valvola di
laminazione
secondaria
Temperatura dell’
’acqua in ingresso al gas-cooler
< 35°C
> 35°C
Accensione dei soli due
compressori disposti sul
ramo di bassa pressione
Accensione anche del terzo
compressore ausiliario disposto sul
ramo di media pressione
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
CONTAINER F92: Pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
RILIEVO DATI SPERIMENTALI
ACQUISIZIONI LATO CO2
ACQUISIZIONI LATO ACQUA
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
CONTAINER F92: pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
CAMPAGNA DI MONITORAGGIO INVERNALE:
Andamento del COP in funzione della temperatura
dell’acqua in ingresso al GC
(Funzionamento invernale)
CAMPAGNA DI MONITORAGGIO ESTIVA:
Andamento dell’EER in funzione della temperatura
dell’acqua in ingresso al GC
(Funzionamento Estivo)
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
CONTAINER F92: pompa di calore acqua – acqua polivalente ad R744 (CO2)
CICLO A MASSIMO = COP (2,77)
Punto
del
ciclo
T,ENT,
T,ACCUM,
T,USC,
Temperature Pressure
TimeDescrizione
T,ENT,FRED,
Density
Enthalpy
CALD (kg/m³) CALD,
CALD,
(MPa)
(kJ/kg)
(°
°C]
C)
[h:min]
PDC [°
°
PDC [°
°C]
[°
°C]
PDC[°
°C]
08:30
32,7
1
Aspirazione compressori HP-LP
2
Mandata compressori
3
4
5
6
6,4
28,8
39
FLUX,PDC,
Entropy
CALD
(kJ/kgK)
[m3/h]
2,9
3,5200
83,307
457,05
1,9369
81,583
7,9400
156,91
494,63
1,9369
Uscita Gas Cooler
33,000
7,9400
601,14
307,93
1,3505
Uscita surriscaldatore HP
25,700
7,9400
766,40
265,89
1,2119
0,37647
3,5200
274,97
265,89
1,2408
0,37647
3,5200
103,58
418,86
1,80
Uscita valvola di laminazione
principale
Uscita Evaporatore
(Ingresso surriscaldatore HP)
17,200
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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;
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
Polo Direzionale De Cecco - PESCARA (Arch. Massimiliano Fuksas): Anno 2005
Piano Primo
Piano Decimo
Pannello di controllo Gruppi Frigo: MANAGER 3000
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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,
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 CO2 (R744): CIRCUITO
FRIGORIFERO
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
EDIFICIO F76: pompa di calore aria – aria tipo Roof Top ad R744 (CO2)
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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
EDIFICIO F76: Sistema di regolazione e monitoraggio dell’impianto
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
EDIFICIO
F76:ΣΤΥ∆ΙΕΣ
pompa di calore aria – aria tipo Roof Top ad R744 (CO2)
ΧΑΣΕ
∆ΕΦΙΝΙΤΙΟΝ:
Risultati delle simulazioni del prototipo ENEA. Pt=40 kW
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento
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%
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento
Test 2 con Tmiscela = 18⁰C : lato CO2
6,5°
°C
93 bar
36°
°C
35 bar
39°
°C
1,0°
°C
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento
Test 2 con Tmiscela = 18⁰C : lato aria
18,45
Portata:4.837 m3/h
% 100
% 100
Tmandata:33⁰C
Tmiscela:18,0⁰C
URmiscela:23%
URmiscela:46%
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento
Test 3 con Tmiscela = 20⁰C : lato CO2
10,6°
°C
93 bar
42°
°C
39 bar
47°
°C
11,6°
°C
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
EDIFICIO F76: Test preliminari di funzionamento
Test 3 con Tmiscela = 20⁰C : lato aria
17,0
Portata:1.817 m3/h
% 100
% 100
Tmandata:51⁰C
Tmiscela:20,0⁰C
URmiscela:7%
URmiscela:42%
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
Pompa di calore ad R744 (CO2) per produzione di A.C.S.
Facility di prova Impianto Pa.CO2
(PAsteurization with CO2 )
EVAPORATORE
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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).
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
Caratteristiche del compressore a CO2 della Sanyo
Funzionamento per applicazioni di riscaldamento.
Alta
pressione
Motore
Bassa
Cassa pressione
Secondo stadio
Pressione
interna
intermedia
Primo stadio
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
Caratteristiche del compressore a CO2 della Sanyo
Funzionamento per applicazioni di riscaldamento.
Alta
pressione Motore
Bassa
Cassa 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)
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
La forza della CO2 per il Nord Europa
Uscita acqua
Ingresso acquar
Sistema d’accumulo
Innovativo sistema per
evitare il congelamento
della batteria esterna
Valvola
d’espansione
Scambiatore di calore
Aria-gas
Pompa di calore
Scambiatore di calore gasacqua da riscaldare
Air
Flusso d’aria
Bassa Pressione Gas
Air
Compressore
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)
“Nuove apparecchiature per la climatizzazione”
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
Ρ744
“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/