ENERGY EFFICIENCY IMPROVEMENTS OF HOUSEHOLD HEAT PUMP SYSTEMS

Lo sviluppo sostenibile rappresenta una delle più importanti sfide che oggi l’umanità deve affrontare. L’uso razionale delle risorse energetiche e l’aumento dell’efficienza dei sistemi che le utilizzano, è un importante obiettivo per tutti i contesti della vita moderna, dal settore industriale, ai trasporti, agli elettrodomestici di uso quotidiano. L’interesse verso questo tema è giustificato, non solo dal prezzo dell’energia in potenziale aumento, ma anche dalla necessità di ridurre le emissioni dei gas che sono ritenuti responsabili del riscaldamento globale. Questo lavoro si inquadra nello studio di soluzioni tecnologiche innovative volte al miglioramento dell’efficienza energetica di apparecchiature domestiche, più precisamente macchine che operano con un ciclo inverso a compressione di vapore. In particolare verrà fatto riferimento ad asciugabiancheria a pompa di calore, refrigeratori domestici e pompe di calore per il riscaldamento di acqua calda sanitaria. Come è noto, le asciugatrici domestiche realizzano un processo termodinamico che richiede un elevato dispendio energetico. Per questo motivo negli ultimi anni si è dato molto spazio alla ricerca di soluzioni che ne possano ridurre i consumi elettrici, trovando nella tecnologia della pompa di calore una significativa possibilità di miglioramento. Oggi l’attenzione è rivolta a incrementarne ulteriormente l’efficienza energetica e a trovare dei sostituiti ai tradizionali fluidi refrigeranti alogenati per ridurne l’impatto sull’ambiente. Poiché non è né tossica né infiammabile, l’anidride carbonica è perfettamente compatibile con gli ambienti domestici, ed è vista come un possibile sostituto dei composti sintetici. In questo lavoro il ciclo transcritico ad anidride carbonica viene messo a confronto, sia su base teorica che sperimentale, con il ciclo subcritico a R134a. I risultati di questa indagine mostrano buone prospettive per l’impiego della CO2 in questa applicazione. Nella sezione successiva verranno approfonditi aspetti teorici e tecnologici delle pompe di calore dedicate al riscaldamento di acqua calda sanitaria, applicazione in cui il ciclo transcritico ad anidride carbonica risulta essere molto efficace. L’analisi prevede lo studio di logiche di controllo di tipo adattativo per l’ottimizzazione della pressione superiore di ciclo. Sarà inoltre presentato uno studio sperimentale di macchine operanti con gas-cooler a piastre a doppia parete, impiegato per ridurre il rischio di contaminazione del circuito idraulico. Verranno poi approfondite alcune tematiche legate al miglioramento dell’efficienza energetica dei refrigeratori domestici. Si riportano i risultati di un’indagine sperimentale condotta su un frigorifero domestico di tipo “sottotavolo”, i cui consumi elettrici sono stati monitorati al variare della frequenza ciclica di accensione del compressore. Per questa apparecchiatura è stata registrata una significativa riduzione dei consumi ad elevati frequenze. Per approfondire ulteriormente questi temi, mediante simulazione numerica, è stato sviluppato un modello per evaporatori in regime di funzionamento dinamico, seguendo uno schema di tipo “moving boundary”. Un’opportuna scelta delle variabili di stato (nello specifico, variabili corrispondenti a proprietà medie e non a grandezze di confine del modello) ha permesso di tenere conto delle variazioni nel tempo del grado di vuoto medio della zona bifase e di conseguire una maggiore velocità di simulazione dei transitori di avviamento del compressore. Questo modello è stato quindi sviluppato appositamente per la simulazione di refrigeratori domestici che operano in regime ciclico di funzionamento. Infine, nell’ottica del miglioramento dell’efficienza dei refrigeratori domestici combinati di tipo total-no-frost, viene presentata una soluzione innovativa per il ciclo termodinamico. In queste apparecchiature il vano dei prodotti freschi viene di solito raffreddato facendo circolare una piccola portata d’aria proveniente dal vano dei prodotti surgelati. Questo tipo di funzionamento è inefficiente, in quanto la potenza frigorifera viene erogata al più basso livello di temperatura. La soluzione studiata prevede, invece, di convogliare alternativamente verso l’evaporatore due flussi d’aria che raffreddano distintamente i due vani refrigerati. Così facendo è possibile differenziare due livelli di temperatura per la produzione della potenza frigorifera, conseguendo un aumento dell’efficienza energetica quando l’unità opera al raffreddamento del vano a temperatura positiva.