Pompe di calore e accumuli sostenibili per un riscaldamento e un raffreddamento efficaci

Utilizzare l’energia del sole per soddisfare gran parte del fabbisogno di riscaldamento nelle applicazioni residenziali è un’opzione significativa per molti climi, ma non facile da realizzare pur essendo competitiva in termini di costi. Il progetto TRI-HP mostra come il fabbisogno di riscaldamento degli edifici possa essere soddisfatto in modo efficiente con l'energia solare, utilizzando il cosiddetto ghiaccio solare, in modo economicamente efficiente. Questo concetto di sistema combina collettori solari termici, pompe di calore e accumulo di ghiaccio per soddisfare il fabbisogno energetico nelle regioni dominate dal riscaldamento con sufficiente irradiazione solare, ad esempio nell'Europa centrale. L'impasto di ghiaccio prodotto nelle stagioni invernale e primaverile può essere utilizzato per il freecooling come funzionalità aggiuntiva in climi con bassa domanda di raffreddamento.

I sistemi Solar-Ice utilizzano i collettori solari termici come unica fonte di calore per la pompa di calore, che può essere alimentata anche dal fotovoltaico (PV). I collettori solari termici vengono utilizzati anche per soddisfare direttamente le richieste di riscaldamento e acqua calda sanitaria. Finché splende il sole o la temperatura ambiente non è troppo bassa, i collettori solari fungono da fonte di calore diretta per la pompa di calore. Durante le notti fredde o le giornate con scarsa irradiazione solare, lo stoccaggio del ghiaccio viene utilizzato come fonte di calore. L'accumulo di ghiaccio funge da accumulo solare stagionale a bassa temperatura (caricato in estate e scaricato in inverno) con un accumulo di densità energetica molto elevata, nell'ordine di 80 kWh/m3. Uno schema concettuale del sistema del ghiaccio solare può essere visto in Fig. 1.

Il sistema con liquame di ghiaccio solare può essere paragonato alle pompe di calore geotermiche (GSHP) con il vantaggio di non dover scavare pozzi e quindi di non essere limitato dalle leggi sulla protezione dell’acqua. Inoltre, non è necessario rigenerare il terreno come nel caso dei pozzi, anche se l'accumulo è interrato, poiché si rigenera annualmente grazie all'energia solare.

La principale innovazione proposta da TRI-HP è lo sviluppo del concetto di ice slurry con il metodo del supercooling, che elimina gli scambiatori di calore all'interno dello stoccaggio del ghiaccio, riducendo i costi di installazione del sistema del 10%. Inoltre, la superficie di trasferimento del calore (supercooler) è sempre priva di ghiaccio e ha un'efficienza maggiore rispetto ai tradizionali sistemi ice-on-coil. Con questa innovazione, si prevede che i sistemi di liquame di ghiaccio solare avranno un costo simile al GSHP a parità di efficienza del sistema senza la necessità di perforare pozzi o rigenerarsi negli scenari futuri.

Una delle principali barriere tecnologiche per i sistemi di liquame di ghiaccio che utilizzano il metodo del superraffreddamento è lo sviluppo di scambiatori di calore che consentano di funzionare con temperature dell'acqua inferiori a 0°C senza congelamento. Nell'ambito del progetto TRI-HP, abbiamo sviluppato rivestimenti antighiaccio durevoli che funzionano in flussi d'acqua turbolenti, consentendo loro di sopprimere la formazione di ghiaccio per le condizioni di lavoro necessarie. Una volta che l'acqua è stata superraffreddata in una forma stabile, viene pompata in un cristallizzatore di ghiaccio, dove si forma l'impasto di ghiaccio che verrà poi immagazzinato nel recipiente dell'impasto di ghiaccio. Il grado di sottoraffreddamento è definito come la differenza tra la temperatura di congelamento effettiva e la temperatura di fusione, che nel caso dell'acqua è pari a 0°C.

I supercooler TRI-HP testati basati su scambiatori di calore saldobrasati sono estremamente compatti e raggiungono gradi di sottoraffreddamento fino a 4°C, che è ben oltre i 2°C raggiunti dalle tecnologie giapponesi all'avanguardia che utilizzano scambiatori di calore meno compatti. La temperatura media di sottoraffreddamento è stata valutata per sette cicli di congelamento per diversi rivestimenti antighiaccio, contrassegnati come punti nella Fig. 2.

L'uso di refrigeranti sintetici è iniziato intorno al 1930. Da allora, sono stati regolamentati a causa della distruzione dello strato protettivo di ozono della Terra, dell'elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP) e dell'impatto sulla salute umana. Ciò ha portato allo sviluppo di tre generazioni di refrigeranti sintetici. L'ultima generazione, a base di HFO, si decompone nell'atmosfera, generando acido trifluoroacetico e formando trifluoroacetato, che può contaminare l'acqua potabile. Pertanto, l’unica soluzione sostenibile e duratura per le pompe di calore è l’utilizzo di refrigeranti naturali ed ecologici con un basso GWP, come idrocarburi, acqua, ammoniaca e anidride carbonica (CO2). In questo contesto, nell’ambito del progetto TRI-HP, sono state sviluppate e testate nuove pompe di calore con refrigeranti naturali (propano e CO2).