Analisi sperimentale dell'influenza della carica di refrigerante sul funzionamento di una pompa di calore e confronto con modelli predittivi

With the increasing and dramatic impact of human activities on climate and global temperatures, during the past decades the awareness of environmental issues has concretely risen. The Paris Agreement set off the commitment of the signatory countries, including EU member states, in containing the global warming within 2 °C from pre-industrial levels and at least within 1,5 °C by mid-century. Air conditioning in the built environment plays a crucial role in a carbon-neutral transition and heat pumps may represent an effective solution to reduce GHG emissions. The growing popularity of heat pumps worldwide has driven several studies aimed at maximizing these machines performance while minimizing the chance of breakdowns. Hence, the focus of this study is the experimental investigation of the effects of a decreasing refrigerant charge on the performance and operating conditions of a R513A water-to-water heat pump equipped with a liquid receiver, a suction accumulator and variable speed compressor. The refrigerant level inside the machine is progressively extracted in order to simulate refrigerant leakages occurring during the normal operation or in case of failures. The set of 107 experimental tests can be divided into four types which include tests performed at a fixed frequency of 50 Hz and variable frequency. Results show that the degree of subcooling, as long as positive, is the most affected property by a refrigerant charge variation and it rapidly collapses to 0 K when the charge reaches the 95% of the nominal value. Furthermore, it is possible to highlight a peculiar trend with three different slopes for almost all the properties analyzed (including COP and heating capacity) as the charge decreases from 100% to 35%. The liquid receiver in the system determines the presence of a nearly constant trend zone for a wide range of intermediate charge levels. Lastly, four simple models to predict the actual refrigerant charge inside a vapor compression machine (Li e Braun, 2009; Kim e Braun, 2014; Hong et al., 2019), are applied to the set of experimental data collected. The estimations provided by these four methods appear to be totally inadequate when input data show the constant trend, even though the RMS errors are low for slightly undercharged conditions (100% - 95%).

Con il crescente impatto delle attività umane sul clima, negli ultimi anni l’attenzione verso le tematiche ambientali è aumentata notevolmente. I Paesi firmatari dell’Accordo di Parigi si sono impegnati a contenere il riscaldamento globale entro 2 °C dal livello preindustriale. La climatizzazione degli edifici gioca un ruolo cruciale verso una transizione carbon-neutral: le pompe di calore rappresentano una soluzione efficace ai fini della riduzione delle emissioni di gas serra. La notevole diffusione delle pompe di calore ha incentivato numerosi studi volti a massimizzare le prestazioni di tali macchine e a ridurre al minimo la possibilità di guasti. La presente analisi sperimentale si pone l’obiettivo di indagare il funzionamento di una pompa di calore di tipo acqua-acqua contenente una quantità di refrigerante (R513A) via via decrescente, fino al raggiungimento di una condizione operativa rischiosa per il compressore, in modo da simulare le perdite di refrigerante che si verificano nel normale funzionamento o in presenza di guasti. In particolare, sulla pompa di calore equipaggiata di ricevitore di liquido, accumulatore e compressore a giri variabili, è stato effettuato un set di 107 prove sperimentali. I risultati mostrano che il grado di sottoraffreddamento è uno dei parametri che maggiormente risente della variazione di carica, portandosi rapidamente a zero già in corrispondenza del 95% della carica nominale. Inoltre, nell’andamento peculiare della maggior parte delle grandezze analizzate, inclusi COP e potenza termica utile, è possibile distinguere tre zone a diversa pendenza al ridursi del livello di carica dal 100% al 35%. La presenza di un plateau di valori costanti per un ampio range intermedio di carica è diretta conseguenza della funzione svolta dal ricevitore di liquido presente nel sistema. Vengono, infine, testati quattro semplici modelli previsionali della carica di refrigerante (Li e Braun, 2009; Kim e Braun, 2014; Hong et al., 2019), utilizzando i dati della campagna sperimentale sulla specifica macchina. Le stime fornite da tali modelli, sebbene presentino errori RMS ridotti nel range di carica 100 - 95%, appaiono totalmente inadeguate in corrispondenza del plateau nei dati in ingresso.