Ottimizzare le pompe di calore a CO2 per prestazioni eccellenti
Le pompe di calore assorbono l’energia termica da fonti ambientali, principalmente aria, ma anche suolo o acqua, al fine di trasferirla per il riscaldamento o il raffreddamento. Poiché hanno bisogno di poca elettricità e non dipendono da combustibili fossili, si dimostrano altamente efficienti e pulite. Alla luce delle prestazioni elevate in numerosi climi miti europei, si rivelano molto promettenti per il raggiungimento degli obiettivi di zero emissioni nette. Le pompe di calore a CO2 funzionano allo stesso modo; tuttavia, anziché utilizzare un fluido refrigerante chimico, come ad esempio gli idrofluorocarburi (HFC), impiegano CO2 per il processo di trasferimento dell’energia. «Risultano persino più rispettose dell’ambiente poiché la CO2 non viene rilasciata nell’atmosfera. Inoltre, la CO2 non è tossica e possiede un potenziale di riscaldamento globale nettamente inferiore rispetto alle alternative chimiche», spiega Natasa Nord, coordinatrice del progetto ROCOCO2HP. Eppure, quando le pompe di calore a CO2 sono collegate a un impianto di riscaldamento, sono molto sensibili alle alte temperature del liquido in corrispondenza dell’ingresso del raffreddatore di gas o alle temperature elevate del liquido di ritorno proveniente dall’impianto di riscaldamento. Il progetto ROCOCO2HP, sostenuto dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, ha scoperto che l’adeguamento della dimensione e delle prestazioni del raffreddatore di gas e le modifiche alla valvola di espansione permettevano di ovviare a questa limitazione delle prestazioni. Ciò ha consentito al progetto di sviluppare un modello per guidare nella scelta del dimensionamento e delle proprietà dei componenti.
Ritoccare la configurazione
Per scambiare l’energia all’interno di una pompa di calore a CO2, un raffreddatore di gas utilizza la CO2 ad alta temperatura e alta pressione per scaldare l’acqua, che a sua volta riscalda gli edifici. In una pompa di calore normale, al posto del raffreddatore di gas ci sarebbe un condensatore. Nella pompa di calore a CO2, invece, non verificandosi alcuna condensazione, la CO2 raffreddata ad alta pressione e a temperatura inferiore entra in una valvola di espansione, che funziona come una valvola a farfalla. Con il calare della pressione all’interno della valvola di espansione, la CO2 entra in un evaporatore ed evapora a una pressione e temperatura ridotte. Successivamente, viene compressa per diventare nuovamente calore utile, completando il ciclo. Nelle pompe di calore a CO2, la temperatura dell’acqua di ritorno proveniente dall’impianto di riscaldamento deve essere inferiore ai 31 °C. Tuttavia, spesso la temperatura supera questo valore, spingendo la valvola ad accelerare troppo presto per attuare un’evaporazione efficiente, fornendo quindi un’immissione ridotta di calore all’evaporatore e, di conseguenza, una produzione di calore utile ridotta nel raffreddatore di gas, traducendosi in definitiva in uno scarso coefficiente di prestazione. In seguito all’acquisto di un impianto di pompa di calore a CO2, il gruppo ha effettuato il collegamento a una piattaforma virtuale, LabVIEW, per il suo monitoraggio e controllo. Allo scopo di concentrarsi in particolare sul problema delle alte temperature di ritorno indesiderate provenienti dall’impianto di riscaldamento, si sono avvalsi di una «camera di riscaldamento», riscaldata da diversi apparecchi, tra cui radiatori, che prelevavano il calore dalle proprie pompe di calore alimentate ad aria a base di CO2. «Tali esperimenti hanno dimostrato che alle attuali configurazioni di pompe di calore a CO2 mancavano i controlli necessari per raggiungere i livelli di prestazione auspicati», afferma Nord dell’Università norvegese di scienze e tecnologia, che ospita il progetto. Per migliorare il coefficiente di prestazione, il gruppo ha utilizzato la configurazione di LabVIEW al fine di verificare vari parametri, quali modifiche a carichi termici parziali, controlli del compressore, impostazioni della valvola e la pressione di scarico. «Abbiamo riscontrato che la zona del raffreddatore di gas dovrebbe essere più grande per raffreddare meglio il fluido di CO2. Inoltre, dato che la valvola di espansione per gli impianti residenziali tradizionali è piccola, è necessario che sia di qualità superiore per controllare meglio il flusso di CO2», aggiunge Nord.
Verso un sistema di controllo ottimale in tempo reale
Poiché l’UE sta prendendo le distanze dai combustibili fossili per passare a un futuro più verde con abitazioni a energia quasi zero, le pompe di calore a CO2 svolgeranno un ruolo di spicco. «I nostri risultati possono fornire informazioni per direttive e norme, favorendo la creazione di prodotti e servizi migliori e, in definitiva, contribuendo a un’energia più conveniente ed ecologica», conclude Nord. L’obiettivo principale di ROCOCO2HP è lo sviluppo di un sistema di controllo ottimale per pompe di calore a CO2, in tempo reale e basato sull’IA, nel quadro di un sistema di approvvigionamento energetico degli edifici.
Parole chiave
ROCOCO2HP, pompe di calore, CO2, riscaldamento, valvola di espansione, raffreddatore di gas, edifici
