Messa in funzione, analisi sperimentale e caratterizzazione della pompa di calore a CO2

Il principale obiettivo del progetto “Studi e valutazioni sull’uso razionale dell’energia: Utilizzo dell’energia elettrica e solare per la climatizzazione estiva”, svolto nell’ambito del programma di Ricerca di Sistema Elettrico in collaborazione con il Ministero dello Sviluppo Economico è di definire e sviluppare un sistema di produzione integrato che sia robusto, competitivo e di riferimento per il “sistema Italia”, in grado di assolvere l’intero compito della climatizzazione estiva e invernale. Il progetto ha inoltre l’obiettivo di comprendere in quali condizioni climatiche, con quali tecnologie e con quale politica di supporto possa essere avviata un’azione che porti a una diffusione di massa di sistemi di climatizzazione basati sull’energia solare o comunque assistiti da fonti rinnovabili. Per assolvere a tali richieste, la ricerca si sta concentrando su soluzioni caratterizzate essenzialmente dalle seguenti caratteristiche: ‐ Sfruttamento di fonti rinnovabili (aria, terra, sole) per la produzione di energia elettrica da utilizzarsi per l’alimentazione di macchine per la climatizzazione. ‐ Utilizzo di fluidi frigoriferi non dannosi per l’ambiente (CO2) in macchine termiche a compressione di vapore in luogo di quelli attualmente utilizzati. ‐ Realizzazione di sistemi “globali” capaci di provvedere autonomamente al riscaldamento degli ambienti in inverno, al raffrescamento in estate e, simultaneamente, alla produzione di acqua calda sanitaria nell’arco dell’intero anno solare. Sotto il profilo più strettamente ambientale, la sostituzione dei fluidi frigoriferi attualmente utilizzati con fluidi naturali (CO2) consentirebbe di ridurre o addirittura annullare gli effetti negativi sul buco dell’ozono in caso di dispersione del fluido frigorifero nell’atmosfera. Un importante sistema che si sta imponendo all’attenzione degli specialisti del settore è l’utilizzo di pompe di calore utilizzanti la CO2 (R744), quindi un fluido naturale, come refrigerante in grado di provvedere alla produzione di acqua ad alta temperatura e di acqua refrigerata, nonché alla climatizzazione degli ambienti. Il tipo di refrigerante utilizzato consente il funzionamento della macchina anche a temperature esterne prossime a ‐25°C e per questo è particolarmente adatta alle zone climatiche “rigide”, dove le tradizionali pompe di calore hanno il problema dello sbrinamento delle batterie esterne. Questa tecnologia può essere quindi una valida alternativa alle caldaie termiche attualmente utilizzate, specie nelle zone scarsamente servite da gas di città. L’ottimale sfruttamento delle pompe di calore a CO2 per la climatizzazione e per la produzione di acqua calda sanitaria, richiede comunque una serie di ottimizzazioni, legate alla massimizzazione del rendimento della pompa di calore in ogni condizione operativa, alla gestione dei flussi termici, alla definizione di componentistica efficiente ed affidabile ed infine al perfezionamento dei sistemi di controllo e supervisione. Tale attività di ricerca consiste nell’analisi sperimentale di una pompa di calore che impiega come fluido refrigerante la CO2 (R744) in grado di produrre acqua calda fino alla temperatura massima di 65°C anche qualora la temperatura esterna fosse prossima ai ‐25°C. L’attività si è svolta dapprima effettuando la prova dei vari componenti costituenti la pompa di calore e, successivamente, realizzando un prototipo ottimizzato per garantire il riscaldamento, il raffrescamento degli ambienti ed anche la produzione di acqua calda sanitaria. E’ stata inoltre allestita una facility per la caratterizzazione della pompa di calore a servizio di un edificio sperimentale, altamente strumentato e con utenza simulata. La realizzazione della facility ha come finalità la verifica tecnica ed economica della convenienza di questa soluzione impiantistica. L’impianto servito dalla pompa di calore è individuato dall’acronimo AI.CO.WA (AIr Conditioning with HP CO2 WAter‐water) ed è un impianto di climatizzazione ad aria primaria e fan coil. È stato effettuato il monitoraggio del funzionamento della macchina sia nel periodo invernale che in quello estivo durante i quali sono state effettuate delle prove sperimentali in cui sono stati acquisiti i dati sperimentali necessari alla caratterizzazione della pompa di calore. Tale caratterizzazione ha permesso di determinare i parametri che ne definiscono il comportamento, sia nel funzionamento estivo che in quello invernale. Lo studio del comportamento della macchina ha anche avuto lo scopo di realizzare un modello di simulazione del funzionamento della pompa di calore stessa. I risultati di tale modello sono stati poi confrontati con i dati sperimentali acquisiti.