Development and validation of a heat pump simulation model for the comparison of R290 and R454C

The growing urgency of addressing climate change has placed the heat pump industry under significant regulatory pressure. The European Union Regulation (EU) 2024/573 prohibits the use of F-gases with a Global Warming Potential (GWP) equal to or greater than 150 in monobloc heat pumps up to 12 kW from 2027, with a complete ban on all F-gases for the same category from 2032. In this context, R290 (propane), despite its excellent thermodynamic performance, presents flammability concerns that drive manufacturers towards alternative low-GWP refrigerants. R454C, a blend of R32 and R1234yf with a GWP of approximately 148, is itself an F-gas and will therefore also be subject to the 2032 ban; however, the regulation provides safety-based derogations that may allow its continued use in applications where flammability constraints preclude the adoption of A2L or A3 refrigerants such as R290. This work develops a steady state thermodynamic model of an air-to-water heat pump, employing a brazed plate heat exchanger on the water side and a finned tube on the air side, analysed in both heating and cooling modes. The model is validated against experimental test data collected on the R290 unit and subsequently applied to compare the performance of R290 and R454C across different operating conditions and heat exchanger layouts, where layout refers to the choice of parallel-flow or counterflow arrangement in each heat exchanger. Results show that R454C performance remains significantly lower than R290 under equivalent conditions. The only configuration that allows a meaningful reduction of this gap requires counterflow arrangements in both heat exchangers combined with an internal heat exchanger, at the cost of increased system complexity and higher component costs.

La crescente urgenza di affrontare il cambiamento climatico ha sottoposto l’industria delle pompe di calore a una significativa pressione normativa. Il Regolamento dell’Unione Europea (UE) 2024/573 vieta l’uso di F-gas con un Potenziale di Riscaldamento Globale (GWP) uguale o superiore a 150 nelle pompe di calore monoblocco fino a 12 kW a partire dal 2027, con un divieto completo di tutti gli F-gas per la stessa categoria dal 2032. In questo contesto, l’R290 (propano), nonostante le sue eccellenti prestazioni termodinamiche, presenta problematiche di infiammabilità che spingono i produttori verso refrigeranti alternativi a basso GWP. L’R454C, una miscela di R32 e R1234yf con un GWP di circa 148, è a sua volta un F-gas e sarà quindi anch’esso soggetto al divieto del 2032; tuttavia, il regolamento prevede deroghe basate sulla sicurezza che potrebbero consentirne l’utilizzo continuato in applicazioni in cui i vincoli di infiammabilità impediscono l’adozione di refrigeranti A2L o A3 come l’R290. Questo lavoro sviluppa un modello termodinamico in regime stazionario di una pompa di calore aria-acqua, impiegando uno scambiatore di calore a piastre saldobrasate lato acqua e uno a tubi alettati lato aria, analizzati sia in modalità riscaldamento che raffrescamento. Il modello viene validato rispetto a dati sperimentali raccolti su un’unità a R290 e successivamente applicato per confrontare le prestazioni di R290 e R454C in diverse condizioni operative e configurazioni degli scambiatori di calore, dove per configurazione si intende la scelta tra flusso parallelo o controcorrente in ciascun scambiatore. I risultati mostrano che le prestazioni di R454C rimangono significativamente inferiori rispetto a quelle di R290 a parità di condizioni. L’unica configurazione che consente una riduzione significativa di questo divario richiede l’adozione di configurazioni in controcorrente in entrambi gli scambiatori, combinata con uno scambiatore di calore interno, a fronte di una maggiore complessità del sistema e di costi dei componenti più elevati.