Il progetto studia una nuova generazione di impianti di climatizzazione basati sull’utilizzo di pompe di calore invertibili che operano secondo un approccio integrato di harvesting energetico multisorgente.

 

Saranno messi a punto una innovativa pompa di calore invertibile elettrica multi-sorgente e un kit di trasformazione da applicare a pompe di calore mono-sorgente esterna esistenti con l’obiettivo di massimizzare le prestazioni d’impianto, sia in riscaldamento che in raffrescamento, ridurre i costi di gestione e aumentare la quota di energia rinnovabile utilizzata.

 

L’utilizzo di una combinazione di serbatoi termici esterni, caratterizzati da livelli termici differenti e da una diversa stabilità stagionale, al posto di un unico serbatoio esterno, consente infatti di utilizzare al meglio le diverse fonti e ridurre significativamente il ricorso al sovradimensionamento degli scambiatori che operano con l’ambiente esterno. Il progetto propone inoltre l’alimentazione del sistema tramite impianti fotovoltaici innovativi a celle solari a colorante (DSSC). La progettazione di un sistema di controllo intelligente in grado di selezionare il serbatoio esterno con cui far operare la pompa di calore al variare delle condizioni di lavoro e climatiche permetterà di massimizzare le prestazioni energetiche stagionali degli impianti di condizionamento basati su queste macchine.

Sviluppo di una nuova generazione di impianti di climatizzazione basati sull'utilizzo di pompe di calore invertibili

hegos

OBIETTIVO

Studiare il comportamento di una pompa di calore multisorgente (dual-source) che usa il terreno come accumulo termico esterno in appoggio al serbatoio termico esterno principale (aria), in particolare:
• Come la pompa di calore deve decidere se cambiare il serbatoio esterno in funzione delle condizioni climatiche esterne e di carico
• Come studiare in laboratorio il comportamento dinamico della pompa di calore dual-source al fine di ottimizzare il suo sistema di controllo (circuito di prova “Hardware-in-the-loop”)
• Come dimensionare le sonde geotermiche in questo tipo di impianto
• Come deve essere la distribuzione del carico termico tra estate ed inverno perché le pompe di calore dual-source garantiscano prestazioni energetiche elevate e costi di impianto e di gestione competitivi con gli impianti attualmente sul mercato
• Quali caratteristiche deve avere una HP dual-source da immettere su mercato e come realizzare un kit di trasformazione efficace
• Quale deve essere il processo produttivo del prodotto per minimizzare il consumo di risorse critiche per l’ambiente, la produzione di rifiuti e le emissioni generate

ATTIVITÁ PREVISTE

SVILUPPO SPERIMENTALE

Finalizzato alla realizzazione di un prototipo di pompa di calore dual-source e di un impianto pilota basato sulla filosofia “Hardware-in-the-loop” mediante il quale sviluppare e testare il prototipo di pompa di calore dual-source e il suo sistema di controllo (CIRI EC – CIDEA). Realizzazione di un impianto pilota per lo sviluppo del kit per la trasformazione delle pompe di calore mono serbatoio esterno (aria o acqua) in pompe di calore dual source da accoppiare anche al terreno. Test su innovative celle fotovoltaiche a colorante da accoppiare alle pompe di calore.

Aziende coinvolte > Galletti S.p.A. e Geonet srl

 

RICERCA INDUSTRIALE

Finalizzata all’ottimizzazione dei singoli componenti della nuova macchina dual-source e alla costruzione di modelli teorici dinamici mediante i quali definire e testare nuove logiche di regolazione e controllo. Una volta definita la nuova macchina verrà ottimizzato il ciclo di produzione al fine di minimizzare l’impatto ambientale dell’intero processo secondo metodologie LCA (Life Cycle Analysis).

Aziende coinvolte > Galletti S.p.A.

AZIONI

L’attività che rientra nel progetto come OR0-Coordinamento e gestione del progetto prevede la nomina di un Comitato Scientifico costituito da un rappresentante per ogni unità di ricerca e azienda coinvolta che si riunisce semestralmente per il coordinamento di tutte le attività. Accanto a queste azioni di supervisione sono svolte attività di gestione delle informazioni da diffondere tra i partecipanti e di gestione IPR con le aziende. Sono infine pubblicati report periodici che descrivono l’attività di ricerca svolta segnalando gli obiettivi raggiunti e quelli ancora da completare.

L’OR1-Kit trasformazione dual-source prevede la definizione delle caratteristiche tecniche del kit per la trasformazione delle pompe di calore aria/acqua e acqua/acqua esistenti in pompe di calore dual-source.
Tale definizione è sviluppata in quattro fasi: 1. Progettazione di una prima versione del kit e della logica di controllo (componentistica elettromeccanica e software per il controller di sistema) con la collaborazione di CIDEA e CIRI EC per la parte di modellazione dinamica del sistema. 2. Assemblaggio del prototipo individuando la componentistica più rispondente alle specifiche di progetto utilizzando l’apporto di GALLETTI e CIRI EC per la parte macchina. 3. Realizzazione dell’impianto pilota presso il TEKNEHUB (la prima versione del kit dual-source sarà installata e preliminarmente testata con la collaborazione di GEONET). 4. Monitoraggio a lungo termine dell’impianto, valutazione delle funzionalità e dei problemi di conduzione, test delle logiche di regolazione e rilievo delle prestazioni energetiche.

L’unità coordina le attività previste nell’OR2-Nuova HP dual-source.
Per lo svolgimento delle attività sono stati arruolati 4 assegnisti di ricerca a copertura dei complessivi 48 mesi finanziati dal progetto. L’attività di ricerca si è concentrata sulla progettazione del prototipo di pompa di calore dual-source (OR2.2 – Progetto nuova HP) in collaborazione con la ditta Galletti. La macchina è stata dimensionata completamente modificando una pompa di calore polivalente ad inverter attualmente presente nel catalogo Galletti. In accordo con il partner industriale si è deciso di basare il prototipo sulla componentistica già presente in Galletti (OR2.1-Test su singoli componenti) al fine di ridurre i tempi per passare dalla fase di prototipazione a quella di produzione industriale. E’ stato quindi progettato il circuito di prova in cui andare a testare la nuova pompa di calore. Il circuito è stato pensato per simulare in laboratorio le condizioni di funzionamento reali della macchina secondo la filosofia “Hardware-in-the-Loop” (HiL). Il circuito di prova verrà connesso anche a 4 sonde geotermiche verticali che verranno realizzate presso il Laboratorio di Termotecnica di UNIBO.
In parallelo a queste attività si è lavorato sulla costruzione del modello dinamico della nuova pompa di calore dual-source in TRNSYS (OR3.1-Modello dinamico HP). Tale attività è stata svolta in collaborazione con UNIPR che coordina le attività OR3-Monitoraggio e controllo HP. Attraverso il modello dinamico della macchina sono state testate, in collaborazione con Galletti, nuove logiche di regolazione delle macchine dual source (OR3.2-Nuovo sistema di controllo) quantificando i vantaggi energetici ottenibili con tali macchine rispetto a quelle tradizionali. E’ stato inoltre utilizzato il modello dinamico della macchina dual source per verificare di quanto sia possibile accorciare le sonde geotermiche verticali (a parità di calore erogato) per effetto della possibilità di utilizzare anche l’aria come serbatoio termico esterno.
Le attività svolte durante il primo anno di progetto sono state riassunte in una serie di memorie che verranno presentate al Congresso Internazionale SET2017 (www.set2017.org) che si tiene a Bologna dal 17 al 20 Luglio 2017.

Le attività dell’OR3-Monitoraggio e controllo HP sono finalizzate alla messa a punto del sistema di regolazione da adottare nella nuova pompa di calore dual-source e del sistema di monitoraggio del funzionamento della pompa di calore.
L’OR3 prevede: 1. La realizzazione di un modello dinamico della pompa di calore che permetta di analizzare la variazione della prestazione energetica istantanea e stagionale della pompa di calore al variare dei carichi termici richiesti, del livello termico dei serbatoi esterni e delle condizioni climatiche esterne. Il modello è utilizzato per definire la logica secondo cui la pompa di calore sceglie il serbatoio esterno con cui interagire al fine di massimizzare il valore di SCOP, SEER e SPF. Questa attività è svolta in collaborazione con CIRI EC ed utilizza i risultati ottenuti in OR1 da TEKNEHUB. 2. La realizzazione del sistema di controllo da implementare sul prototipo di macchina sviluppato da CIRI EC attraverso una stretta interazione con GALLETTI. 3. La messa a punto del sistema di monitoraggio delle prestazioni energetiche della macchina da installare a bordo della pompa di calore, anche attraverso la collaborazione con ENTECH, per l’integrazione nel sistema di monitoraggio dei dati di produzione di energia elettrica del generatore fotovoltaico accoppiato alla macchina, e di GALLETTI per l’installazione del sistema di monitoraggio. 4. La realizzazione di test sperimentali del sistema di monitoraggio e regolazione da espletarsi sull’impianto pilota (OR1) e sul prototipo di laboratorio (OR2).

L’obiettivo principale dell’OR4-Analisi tecnica economica ed ambientale è quello di verificare il raggiungimento di predefiniti obiettivi in ambito tecnico economico e ambientale sia durante lo svolgimento del progetto sia al termine dello stesso.
Attraverso una serie di campagne sperimentali sarà possibile testare le performance dei prodotti focus del progetto permettendo un confronto con le soluzioni attualmente esistenti sul mercato. Sarà inoltre possibile estrapolare ed elaborare dati connessi ai processi produttivi che ne assicureranno la immissione sul mercato, nonché i rifiuti generati durante la produzione, la vita utile del prodotto e al termine della stessa.
In particolare, relativamente alla sostenibilità dell’approccio proposto, si intende individuare ed analizzare, mediante la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), gli impatti ambientali, per compararli con impatti di soluzioni alternative. Una prima stima a metà progetto permetterà di indirizzare il successivo periodo di lavoro al raggiungimento degli obiettivi prefissati.

L’obiettivo principale di questa fase è il supporto al sistema imprenditoriale regionale, assicurando la più ampia ricaduta dei risultati raggiunti dal progetto sulle filiere locali. Attraverso l’implementazione di un piano di diffusione e valorizzazione degli stessi, appositamente tarato sul target di riferimento, il Centro SIAER-Area Trasferimento Tecnologico e Innovazione garantirà infatti la divulgazione degli avanzamenti tecnologici maggiormente significativi per il sistema produttivo alle imprese ed ai soggetti potenziali utilizzatori dei risultati della ricerca.
Le attività programmate concorreranno a favorire lo sviluppo di iniziative per il raggiungimento degli obiettivi, con l’intento di informare, valorizzare e stimolare un coinvolgimento proattivo del territorio attraverso materiali, azioni e strumenti quali sito internet, workshop, newsletter del Centro, partecipazione a fiere, studi di fattibilità e attività di formazione.