• District Heating
• High Temperature Heat Pump
• Low-GWP
• Process Simulation

La tesi esamina l'integrazione di una pompa di calore ad alta temperatura (HTHP) nel sistema di riscaldamento distrettuale attualmente in uso a Kempten (Germania), con particolare attenzione all'uso di fluidi con basso potenziale di riscaldamento globale (GWP). Queste pompe di calore possono rappresentare un'alternativa sostenibile ai sistemi di riscaldamento tradizionali alimentati a combustibili fossili, contribuendo non solo alla riduzione delle emissioni di gas serra ma anche al miglioramento dell'efficienza energetica complessiva del sistema.

L'obiettivo principale della ricerca è stato quello di creare differenti layout termodinamici di pompe di calore utilizzando il software EBSILON®Professional, software che ha richiesto circa due mesi di tempo di training. Una volta costruiti dunque tali layout termodinamici, il passaggio successivo è stato quello di comprendere le condizioni al contorno da imporgli e quindi sostanzialmente dove integrare la pompa di calore nella rete di teleriscaldamento. La scelta è ricaduta su una potenziale sostituzione della caldaia di back-up (in servizio ad esempio per la copertura dei picchi di domanda termica) da cui, grazie all'acquisizione dei dati relativi proprio alla caldaia di back-up, è stato possibile identificarne la temperatura di ingresso (60°C), la temperatura di uscita (130°C) ed inoltre è stata stabilita una portata di riferimento da riscaldare pari a 75 chilogrammi al secondo. Tali valori hanno preso il ruolo delle condizioni al contorno per la pompa di calore lato pozzo termico. Per quanto riguarda invece il lato sorgente, nell'impianto waste-to-heat è stato individuato uno scarto termico di basso livello (vapore a 0.17 bar e 56°C) da cui si è pensato di poter prelevare tale calore (attualmente la condensazione avviene dissipando nell'ambiente aria calda), stoccarlo idealmente sotto forma di acqua calda a 50°C ed utilizzarlo dunque per far evaporare il fluido di lavoro nella pompa di calore. Inizialmente, è stato poi supposta un uscita dell'acqua nella fase evaporativa di 40°C e una pressione di evaporazione del fluido di lavoro corrispondente ad una temperatura di evaporazione di 35°C. Così, sono dunque state definite le condizioni al contorno della pompa di calore.

Dopodiché, la selezione dei fluidi di lavoro è stata effettuata sulla base di criteri ambientali, con particolare attenzione alla conformità alle normative F-GAS. Sono stati scelti fluidi caratterizzati da un basso impatto ambientale, un'alta temperatura critica (prossima alla temperatura di servizio dell'acqua per il teleriscaldamento, 130°C) e una pressione di evaporazione superiore alla pressione atmosferica alla temperatura di riferimento di 35°C in modo da garantire la semplicità costruttiva dell'evaporatore. I fluidi che non soddisfacevano tali criteri sono stati scartati, principalmente a causa delle loro caratteristiche termodinamiche inadeguate oppure a causa dell'assenza nella libreria delle proprietà termofisiche interne al software di simulazioni impiegato.

E' stato investigato ed ipotizzata la tecnologie del compressore da utilizzarsi, passaggio fondamentale per utilizzare un'efficienza che simuli in maniera fedele a quello che può essere nella realtà il processo di compressione del fluido di lavoro. La scelta, date le grosse portate volumetriche, è ricaduta sui compressori centrifughi da cui ne è conseguita la scelta del rendimento di riferimento.

Il coefficiente di prestazione (COP) è stato utilizzato come principale indicatore di efficienza, ma sono state considerate anche altre grandezze di interesse, come il VHC (Volumetric Heat Capacity), al fine di fornire un quadro più completo sulle prestazioni dei sistemi analizzati.

Nelle condizioni di riferimento prese inizialmente, le configurazioni a singolo stadio con scambiatore di calore interno e quelle a due stadi con estrazione intermedia si sono rivelate particolarmente promettenti. In particolare, le configurazioni a due stadi, pur richiedendo una maggiore complessità e un costo superiore, hanno offerto un miglioramento (seppur marginale) del COP. Gli altri layout termodinamici, seppur più complessi (ma sempre a singolo fluido) non hanno mostrato motivi da poterne comportare la scelta ma anzi, l'ottimizzazione ha spinto con tutti i fluidi verso condizioni termodinamiche del tutto analoghe a quelle di stage singolo con scambiatore di calore interno. Tale fatto è dovuto all'elevato gradiente di temperatura a cui si sottopone la pompa di calore nelle simulazioni. Il consumo di acqua all'evaporatore è risultato in tutti i casi di entità rilevante e sicuramente costituisce un problema importante di cui tener di conto per un'integrazione effettivamente in un sistema reale di teleriscaldamento. In seguito, la temperatura di uscita dell'acqua all'evaporatore è stata ridotta in ordine da ridurne la portata e dunque il consumo, e tutti gli altri layout sono stati ancora simulati ed analizzati.

Un altro aspetto della tesi è stato appunto quello di comprendere come effettivamente integrare la pompa di calore nel sistema di riscaldamento distrettuale esistente, sfruttando gli scarti termici provenienti dall'impianto di cogenerazione. Questi scarti possono essere utilizzati per evaporare il fluido di lavoro della pompa di calore, permettendo un ciclo termodinamico più efficiente. Grazie alla disponibilità dei dati relativi alla potenza elettrica prodotta dalle turbine dell'impianto di cogenerazione, è stato possibile (con ipotesi esemplificative) valutare l'andamento nel tempo del vapore da condensare (attualmente condensato con aria via batterie alettate) e quindi calcolare il riempimento di uno storage termico stagionale grazie all'utilizzo di acqua per la condensazione del vapore esausto. Allo stesso tempo, è stata simulata la pompa di calore, per cui lo storage risulta soggetto sia a fase di carica che di scarica, permettendo dunque di capire se almeno dal punto di vista energetico vi fosse fattibilità nella creazione e utilizzo dello storage stesso per l'azionamento della pompa di calore. Altri utilizzi della pompa di calore sono poi stati proposti (ad esempio usare direttamente il vapore esausto dall'impianto di cogenerazione per aumentare la temperatura dell'acqua stoccata).