Analisi numerica delle prestazioni di una pompa di calore aria-acqua equipaggiata con un desurriscaldatore per la produzione di acqua calda sanitaria

The market for air-to-water heat pumps for air conditioning is growing rapidly thanks to the direction given by the most recent European policies about reducing climate-changing gas emissions in the building sector. There are numerous scientific studies aimed at investigating the subject and researching increasingly efficient solutions. Regarding heat pumps used for space heating and domestic hot water service, one solution capable of decreasing overall system consumption is to provide an additional heat exchanger, called desuperheater, designed to operate in parallel with the condenser. This new component is dedicated exclusively to the domestic hot water service and allows many advantages, including the simultaneous production of useful energy for both mentioned services of space heating and domestic hot water and the reduction of the incidence of the heat pump's operating cycles in domestic hot water-only mode, which has, of all those in which the device can operate, the lowest coefficients of performance. To evaluate the benefits, an analysis is proposed to compare the performance of a 7 kWth heat pump in this new configuration with that of a device of the same size in a simple configuration using a validated numerical simulation model written in the Matlab environment. The main service analysed is the preparation of domestic hot water through a 200-litre storage system. First, the response times of the system to keep the volume above 50 °C are compared. Subsequently, applying the assumptions required by EN 16147 for the certification tests of heat pump water heaters, the overall behaviour of the system is evaluated by calculating the actual average COP over 24 hours as a function of a standardised series of domestic hot water withdrawals considering the simultaneous demand for useful energy by the space heating service.

Il mercato delle pompe di calore aria-acqua per la climatizzazione ambiente è in forte crescita grazie all’indirizzo dato dalle più recenti politiche europee di riduzione delle emissioni di gas climalteranti nel settore dell’edilizia. Sono numerosi gli studi di carattere scientifico volti ad approfondire il tema e a ricercare soluzioni sempre più efficienti. Per quanto riguarda le pompe di calore utilizzate per i servizi di riscaldamento e acqua calda sanitaria, una soluzione in grado di diminuire i consumi globali del sistema è quella di prevedere uno scambiatore di calore aggiuntivo, chiamato desurriscaldatore, progettato per funzionare in parallelo al condensatore. Questo nuovo componente è dedicato esclusivamente al servizio di acqua calda sanitaria e permette diversi vantaggi, dei quali si segnala la contemporanea produzione di energia utile per entrambi i citati servizi di riscaldamento e acqua calda sanitaria e la riduzione dell’incidenza dei cicli di funzionamento della pompa di calore in modalità di produzione di sola acqua calda sanitaria, che presenta, fra tutte quelle in cui la macchina può operare, i coefficienti di prestazione inferiori. Per valutarne i benefici, si propone un’analisi in grado di mettere a confronto le prestazioni di una pompa di calore di taglia da 7 kWt in questa nuova configurazione con quelle di una macchina di eguale taglia in configurazione semplice attraverso l’utilizzo di un modello validato di simulazione numerica scritto in ambiente Matlab. Il principale servizio analizzato è quello di preparazione dell’acqua calda sanitaria attraverso un sistema di accumulo da 200 litri. Dapprima vengono confrontati i tempi di risposta del sistema per mantenere il volume al di sopra dei 50 °C. Successivamente, applicando le ipotesi richieste dalla EN 16147 per le prove di certificazione degli scalda acqua a pompa di calore, viene valutato il comportamento globale del sistema calcolando il COP medio effettivo nell’arco di 24 ore in funzione di una serie standardizzata di prelievi di acqua calda sanitaria considerando la contemporanea richiesta di energia utile da parte del servizio di riscaldamento.