Apparato sperimentale per l’analisi delle prestazioni energetiche di pompe di calore

Il REPowerEU Plan e la recente Direttiva RED III dell’Unione Europea prevedono di accelerare la transizione energetica in corso fissando target molto sfidanti al 2030 sulla promozione delle fonti energetiche rinnovabili. In questo contesto di obiettivi sempre più stringenti, le pompe di calore svolgono un ruolo cruciale: attraverso questa tecnologia è possibile soddisfare tutti i servizi energetici di un edificio, massimizzando lo sfruttamento dell’energia rinnovabile dell’ambiente, ricavata da aria, acqua o terreno. In questo articolo viene descritto un nuovo apparato sperimentale, progettato per effettuare test su pompe di calore aerotermiche, geotermiche e multi-sorgente di piccola e media taglia, fino a 12 kW di potenza termica nominale. Il sistema è stato costruito presso l'Università di Bologna e si basa su un approccio di tipo “Hardware-in-the-Loop” (HiL) per valutare le prestazioni effettive di una pompa di calore in regime dinamico, attraverso test di lunga durata su una serie di giornate rappresentative. L’apparato sperimentale è composto da una camera climatica, all’interno della quale viene collocata la pompa di calore sotto test, un campo di quattro sonde geotermiche verticali di varia lunghezza e da un circuito idraulico, che permette di gestire il funzionamento del sistema. Attraverso la metodologia HiL, è possibile testare una pompa di calore simulando sia le condizioni climatiche dell’ambiente in cui essa si troverà effettivamente ad operare nella realtà (all’interno della camera climatica si possono riprodurre le condizioni esterne, in termini di temperatura e umidità), sia il comportamento di un preciso sistema edificio-impianto associato alla pompa di calore. Attraverso un software di simulazione dinamica, l’emulatore, accoppiato al sistema di gestione Labview dell’apparato sperimentale, è possibile ricavare i carichi termici effettivi che la pompa di calore deve soddisfare. Tali carichi vengono poi riprodotti dal circuito idraulico, in modo da condizionare le variabili operative della macchina sotto test (temperatura e portata della corrente di acqua in ingresso). In aggiunta a ciò, l’apparato sperimentale permette di determinare le prestazioni di una pompa di calore anche secondo la metodologia descritta dalla norma UNI EN 14511-3, che riporta le condizioni di prova ed i requisiti minimi degli strumenti di misura per valutare le prestazioni nominali di una macchina in regime stazionario. In questo modo, è possibile sfruttare il sistema per effettuare test standard su prodotti commerciali. Nell’articolo vengono descritti i principali componenti dell’apparato (camera climatica, campo sonde, circuito idraulico), il sistema di gestione e monitoraggio e la logica di controllo attraverso la quale è possibile effettuare test dinamici su pompe di calore. Verranno riportate nel dettaglio le caratteristiche degli attuatori e dei principali strumenti di misura impiegati, per delineare in maniera completa le potenzialità del sistema. Inoltre, viene mostrato come l’utilizzo di diversi software di simulazione abbia rappresentato un elemento di notevole importanza nella progettazione dell’apparato. I risultati di diverse simulazioni numeriche si sono rivelati fondamentali per definire il range delle condizioni operative possibili e per ottimizzare la configurazione del sistema, oltre che per la messa a punto dell’architettura HiL. Ad esempio, parametri quali la distribuzione della temperatura e del campo di velocità all’interno della camera climatica sono stati valutati per mezzo di simulazioni CFD al fine di determinare il posizionamento ottimale di una pompa di calore di calore ad aria durante lo svolgimento dei test. Infine, nell’’articolo verranno riportati i risultati di alcuni test preliminari condotti su una pompa di calore aerotermica seguendo la procedura della norma UNI EN 14511-3 per validare il sistema di gestione, monitoraggio e acquisizione dell’impianto. Gli Autori ritengono che apparati sperimentali HiL come il sistema descritto in questo lavoro diventeranno sempre più diffusi presso Università, centri di Ricerca e aziende del settore, in quanto costituiscono un importante strumento per valutare sperimentalmente le prestazioni stagionali effettive dei sistemi di climatizzazione basati su pompe di calore. L’approccio utilizzato per il dimensionamento dell’apparato può rappresentare una sorta di linea guida per l’implementazione di sistemi analoghi.