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Experimental investigation on the performance of a transcritical CO2 heat pump with multi-ejector expansion system [Étude expérimentale sur la performance d'une pompe à chaleur au CO2 transcritique équipée d'un système d'expansion multi-éjecteur]
No full textambient temperature in the range of −15–12 °C according to the standard UNI EN 14511/2011. The results show the possibility to reach an optimum of the COP by varying the ejector area, once the other parameters are fixed, as a consequence of the ejector regulation on the pressures at the inlet and outlet of the compressor. © 2017 Elsevier Ltd and IIRcompressor frequency in the range of 30–60 HzCarbon dioxide is becoming an interesting option also for HVAC heating appliances due to its eco-friendly characteristics. The incurrence of transcritical cycles makes the use of ejectors attractive to improve performance. Part load conditions and varied ambient temperatures imply the use of variable geometry systems of appropriate design to keep their efficiency high. This paper investigates experimentally a multi-ejector air-to-water CO2 heat pump for heating needs, measuring the performance of the system and of each component under partial and full load conditions. A sensitivity analysis was run varying, separately or in a combined way, the following parameters or operating conditions: ejector area ratio in a range of 33.1–86.6
The heat-pump market in Italy: An in-depth economic study about the reasons for a still unexpressed potential
No full textIn this paper, the Italian heat-pump (HP) market is presented, with an overview over the past 10 years. In order to highlight market potential and barriers, a comparison is proposed between the economic performances of two different heating and domestic hot-water systems, air-to-water HPs and condensing boilers, based on several factors, such as energy costs, thermal loads, climatic conditions, HP-performance classes and some economic indicators such as the payback time and the interest rate. The results are presented in a parametric form, which may be profitably used for a comparative analysis with other European countries. The first part of the paper deals with the analysis of the current Italian HP market, to show its still unexpressed potential. The second part analyses the HP economic convenience with respect to the most commonly used heating technology, i.e. the gas boiler, under conditions typical of the Italian climate. The comparison is carried out in terms of two economic indicators: additional acceptable cost and net present value. The main results show that HP technology is economically competitive in most Italian climatic zones, with a strong dependence on the HP-performance class. In particular, if the best-performing class was adopted, economic gains would be guaranteed over the gas boiler, even with significant variations in the main influencing variables. Thus, the economic issue does not seem to be a limiting factor for HP technology diffusion, at least if the current incentives are maintained. Rather, some other barriers should be removed, such as the supply chain, the training of installation personnel and the final-user awareness
Development and experimental analysis of CO2 heat pump for DHW production
No full textThis study presents results of two experimental campaigns on a 30 kW air source CO2 heat pump prototype for domestic hot water (DHW) production. The prototype has been realized, tested and optimized within the NxtHPG (Next Generation of Heat Pumps working with Natural fluids), 7th Framework European project. The project aims to reach higher efficiency (10-20% SPF improvement) and lower Carbon footprint (20% lower TEWI) than the current state of the art HFCs/HFOs or Sorption heat pumps, with costs very similar or slightly higher than the latter systems (10%). The tested CO2 heat pump has been designed to produce water at 60°C/80° C starting from a return temperature in the range 10°C/55°C (winter) and 20°C/55°C (summer). First experimental campaign was performed to determine possible issues and potential improvements to be applied on this prototype. In the second experimental campaign, after the required modifications of the prototype, the measured performance, COP and heating capacity, have been in line with objectives. In addition, useful information have been obtained to make additional modifications to further improve the heat pump performance. © 2016, International Institute of Refrigeration. All rights reserved
Thermodynamic Analysis of a Multi-Ejector, CO2, Air-To-Water Heat Pump System
No full textNowadays, air conditioning systems for residential and office buildings, contribute largely to the energy consumptions and to the direct and indirect emissions of greenhouse gases. Carbon dioxide (CO2) could be an interesting option to replace traditional HFCs in space heating applications, due to its environmentally friendly characteristics: zero ODP and extremely low GWP, but, in order to spread its use, improvements in performances are needed. In fact, CO2 requires transcritical cycles with high expansion losses. The use of an ejector can reduce these losses and improve the performances up to 30% (depending on the performances of the ejector itself and on the operating conditions). In the a/c applications, characterized by variable operating conditions, multi-ejector systems could be used, where some ejectors work in parallel, in different combination, varying the operating conditions. Currently, a project of DTE-PCU-SPCT Department of ENEA and Industrial Engineering Department of Federico II University of Naples, is in progress, in order to evaluate experimentally the effect of several ejectors geometries on the global performance of a CO2 heat pump working with a transcritical cycle. As a part of this project, a complete heat pump system for production of hot water for sanitary use and for space heating is tested to investigate the effect of the ejector size on the balancing of the global performance of the whole system. © 2016 The Authors
Realizzazione dei piezometri nel campo geotermico sperimentale del C.R. ENEA-Casaccia e misure di conducibilità tecnica
Full text linkL’attività descritta in questo report è parte del progetto di ricerca, relativo al Piano Triennale di realizzazione 2022-2024 della Ricerca di Sistema Elettrico Nazionale, linea di attività 1.7 “Tecnologie per la penetrazione efficiente del vettore elettrico negli usi finali”. Nello specifico, l’attività in oggetto è la L.A. 4.1 (WP4). Nel primo anno e mezzo di attività sono stati realizzati due fori attrezzati a piezometri, per monitorare temperatura e livello dell’acqua di falda nel campo geotermico realizzato nel 2021, costituito da 4 pozzi a diversa profondità (da 35 a 85 m), a circuito chiuso e con configurazione a doppia U (cfr. RT/2023/23/ENEA). Le due perforazioni (PZ1 e PZ2), profonde 45 m, sono state eseguite a carotaggio continuo nel marzo 2023. Di ogni litotipo è stato estrapolato il valore del coefficiente di permeabilità e di porosità efficace. È stata determinata la portata unitaria attraverso i diversi strati, tenuto conto della permeabilità del litotipo e del gradiente idraulico effettivamente calcolato. Inoltre, sono state caratterizzate le litologie attraversate in ogni foro ed è stata effettuata la correlazione litostratigrafica tra i due siti. Misurazioni dirette di conducibilità termica sono state eseguite, all’atto del recupero, sulle carote dei sondaggi PZ1 e PZ2, in condizioni sostanzialmente indisturbate. I valori sono stati confrontati con le misure effettuate in laboratorio sulle carote del sondaggio geognostico S1 (corrispondente al pozzo 1 del campo geotermico) correlando le successioni litostratigrafiche fino alla profondità di 45 m. Da 45 a 85 m sono stati considerati i valori di conducibilità termica media misurati in laboratorio sui campioni del sondaggio S1. Su tutti i campioni dei sondaggi S1, PZ1 e PZ2 sono stati calcolati densità e calore specifico, con l’intento di utilizzare tali valori nelle future fasi di modellizzazione termica del campo geosonde. I dati rilevati ogni 12 ore dai piezometri hanno permesso di definire la quota del livello statico della falda acquifera e di registrarne le variazioni in funzione della pluviometria.The activity described in this report is part of the research project, related to the 2022-2024 ThreeYear Implementation Plan of the National Electricity System Research, activity line 1.7 “Tecnologie per la penetrazione efficiente del vettore elettrico negli usi finali”. Specifically, this activity is L.A. 4.1 (WP4). In the first year and a half of activity, two boreholes equipped with piezometers were drilled, to monitor temperature and groundwater level in the geothermal field constructed in 2021 and consisting of 4 boreholes at different depths (from 35 to 85 m), with a closed circuit and a double U configuration (see RT/2023/23/ENEA). The two 45 m deep boreholes (PZ1 and PZ2) were drilled by continuous coring in March 2023. The value of the permeability coefficient and effective porosity was extrapolated for each lithotype. The unit flow rate through the different layers was determined, considering the permeability of the lithotype and the effectively calculated hydraulic gradient. In addition, the lithologies crossed in each borehole were characterised and the lithostratigraphic correlation between the two sites was carried out. Direct measurements of thermal conductivity were carried out, upon recovery, on the cores of boreholes PZ1 and PZ2 under substantially undisturbed conditions. The values were compared with laboratory measurements on the cores of geognostic survey S1 (corresponding to borehole 1 of the geothermal field) by correlating the lithostratigraphic successions up to a depth of 45 m. From 45 to 85 m, the mean thermal conductivity values measured in the laboratory on the S1 samples were considered. Density and specific heat were calculated on all samples from S1, PZ1 and PZ2, to use these values in future thermal modelling of the geosonde field. The data collected every 12 hours from the piezometers made it possible to define the static level of the aquifer and to record its variations as a function of the rainfall
Comparative analysis of calculation methods of pressure drops for two-phase flow through pipelines
No full textDespite the importance of an adequate and correct sizing of emergency relief systems, a high level of uncertainty is still present when two-phase liquid-vapor flow can establish. In such a case, no single correlation is presently generally applicable to calculate the pressure drop through a relief pipeline in a wide range of relief conditions. In the present paper a large number of new experimental data have been produced and compared with two of the most widely known and adopted calculation methods: the Friedel model and the classical Lockhart-Martinelli model. They belong to either of the two main groups of prediction models, the homogeneous and non-homogeneous models. The results provide useful insights in their accuracy and range of applicability, and are expected to be of help in the correct sizing of these fundamental safety systems. © 2015 Taylor & Francis Group
Motive flow calculation through ejectors for transcritical CO2 heat pumps. Comparison between new experimental data and predictive methods
No full textThe revival of CO2 as refrigerant is due to new restrictions in the use of current refrigerants in developed countries, as consequence of environmental policy agreements. An optimal design of each part is necessary to overcome the possible penalty in performance, and the use of ejectors instead of throttling valves can improve the performance. Especially for applications as CO2 HPs for space heating, the use of ejectors has been little investigated. The data collected in a cooperation project between ENEA (C.R. Casaccia) and Federico II University of Naples have been used to experimentally characterize several ejectors in terms of motive mass flow rate, both in transcritical CO2 conditions and not. A statistical comparison is presented in order to assess the reliability of predictive methods available in the open literature for choked flow conditions. © Published under licence by IOP Publishing Ltd
Risk assessment and selection of low gwp refrigerants for heat pumps in residential applications
Full text linkThis work deals with the risk related to the flammability and toxicity of low Global Warming Potential (GWP) refrigerants used in heat pumps for residential applications. Some new generation refrigerants were analyzed assuming to make a drop-in for a typical 50 kW heat pump, suited for small multi-family buildings (4 ÷ 6 dwellings). The theoretical maximum Coefficient of Performance (COP) was calculated for the selected fluids, identifying the best performing one from an energy point of view. Subsequently, an analysis of some of the potentially more dangerous accident scenarios was performed, considering the outdoor/indoor release of gases. More in detail, two accident scenarios were analyzed, assuming a refrigerant leak from a hole in the pipeline downstream of the heat pump compressor: in one case the gas is released in an open environment with an ignition near the release point (jet fire), in the other case the release happens within a confined environment. In both cases, the conditions in which it is possible to operate safely were determined
Impianto geotermico sperimentale a bassa entalpia presso il C.R. ENEA-Casaccia. Caratterizzazione termica stagionale, assemblaggio del circuito di prova, risultati del monitoraggio
Full text linkL’attività descritta nel presente report è parte del progetto di ricerca, relativo al Piano Triennale di realizzazione 2019-2021 della Ricerca di Sistema Elettrico Nazionale, linea di attività 1.7 “Tecnologie per la penetrazione efficiente del vettore elettrico negli usi finali”. Nello specifico, l’attività in oggetto è la L.A. 3.24, contenuta nel WP3. Nel terzo anno, l’attività è stata incentrata sullo studio e la caratterizzazione termica stagionale del campo geosonde. Per la difficoltà a reperire alcune componenti dell’impianto, causata dalla situazione pandemica, l’assemblaggio del circuito di prova ha subìto ritardi, e quindi il monitoraggio dei valori termometrici all’interno dei pozzi è stato effettuato a circuito spento. Tutti i dati mensili di temperatura dei quattro pozzi sono stati confrontati con i dati del mese di maggio del pozzo 1, in quanto risente ancora delle variazioni di temperatura indotte durante il test di risposta termica (GRT) effettuato il 15 aprile 2021. Sulla base dei dati di temperatura è stato possibile estrapolare la curva di conducibilità termica sperimentale della successione stratigrafica. Inoltre, con l’utilizzo della simulazione termica computazionale si è ricostruita l’alterazione del campo termico indisturbato del terreno sotto l’azione del geoscambio sonde-terreno. Successivamente, il confronto tra i dati climatici annuali registrati dalle stazioni meteorologiche all’interno del C.R. Casaccia con le temperature rilevate direttamente dalle fibre ottiche ha consentito di determinare la profondità fin dove si risente dell’irraggiamento solare nei quattro pozzi. Sono stati calcolati i valori di resistenza termica equivalente dello scambiatore a terreno, ed è stato descritto il funzionamento dell’impianto, le sue componenti, gli strumenti di controllo e di monitoraggio.The activity described in this report is part of the research project, related to the 2019-2021 ThreeYear Implementation Plan of the National Electricity System Research, activity line 1.7 “Tecnologie per la penetrazione efficiente del vettore elettrico negli usi finali”. Specifically, this activity is L.A. 3.24, contained in WP3. In the third year, the activity focused on the study and seasonal thermal characterisation of the geosonde field. Due to the difficulty in finding part of the plant components, caused by the pandemic situation, the assembly of the test circuit was delayed and therefore the monitoring of the thermometric values inside the wells was carried out while the circuit was switched off. All monthly temperature data of the four wells were compared with the May data of well 1, as it was still affected by the temperature variations induced during the thermal response test (GRT) carried out on 15 April 2021. Based on the temperature data, it was possible to extrapolate the experimental thermal conductivity curve of the stratigraphic succession. In addition, with the use of computational thermal simulation, the alteration of the undisturbed thermal field of the ground under the action of probe-soil geo-exchange was reconstructed. Subsequently, the comparison of the annual climatic data recorded by the meteorological stations in the C.R. Casaccia with the temperatures measured directly by the optical fibres made it possible to determine the depth to which solar radiation is detected in the four wells. The equivalent thermal resistance values of the ground heat exchanger were calculated, and the functioning of the plant, its components, control, and monitoring instruments were also described
Realizzazione di un prototipo di macchina frigorifera caldo/freddo dedicata al settore alimentare
Full text linkI costi energetici legati ai trattamenti termici ad alta e bassa temperatura degli alimenti costituiscono una importante porzione dei costi energetici globali sostenuti dal sistema industriale: nel mondo essi sono stimati in circa due miliardi di dollari l’anno. Tali costi potrebbero essere considerevolmente ridotti realizzando i trattamenti con sistemi tecnologicamente avanzati e integrati. In particolare, si ritiene di poter contribuire a tali obiettivi attraverso la realizzazione di macchine reversibili in grado di produrre sia “caldo”
che “freddo” a seconda delle necessità, con ridotto impatto economico. In generale, i processi termici prevedono una fase di riscaldamento fino a temperature comprese tra i 65‐80°C ed una successiva fase di raffreddamento per la conservazione a temperatura controllata (generalmente dell’ordine di 4°C) dell’alimento trattato. In questa linea di attività è stata valutata l’opportunità di realizzare tali trattamenti avvalendosi di macchine
reversibili a CO2 (R744) per una serie di motivi, legati sia ad aspetti prestazionali, che di ridotto impatto ambientale del sistema complessivo. La scelta della CO2 come fluido di lavoro è legata a caratteristiche peculiari della stessa quali l’atossicità e la non infiammabilità. In più tale fluido è caratterizzato da un ridottissimo impatto ambientale, comprovato da valori del potenziale di riduzione dell’ozono (ODP) pari a 0 e del potenziale di riscaldamento globale (GWP) pari a 1. Sotto il profilo delle prestazioni di scambio termico è stata spesso evidenziata l’elevata attitudine di un ciclo transcritico a CO2 a fornire calore con rendimento elevato, attraverso il gas‐cooler, a un fluido che debba subire un trattamento termico di riscaldamento, per l’ottimale corrispondenza dei profili di temperatura dei due fluidi avviati allo scambiatore. D’altra parte, è noto che è possibile realizzare cicli frigoriferi utilizzanti CO2, che possono garantire livelli di
prestazione (COP frigorifero) soddisfacenti a diversi livelli di temperature delle sorgenti calda e fredda. Per i livelli di temperatura minima previsti per la maggior parte dei trattamenti termici (dell’ordine dei 5°C) richiesti dai prodotti alimentari, si possono peraltro prevedere valori di COP frigoriferi soddisfacenti anche disponendo di sorgenti calde (aria o acqua) al gas cooler a temperature relativamente elevate. Per questi motivi, si è ritenuto possibile proporre in questa attività di ricerca una macchina a CO2 acqua-acqua di tipo reversibile in grado di realizzare trattamenti termici di raffreddamento e/o di riscaldamento. Si è proceduto quindi a verificare i range di temperatura ottimali di utilizzo di una siffatta macchina e sono stati proposti vari schemi di impianto. Sono stati selezionati i principali componenti adatti a realizzare il ciclo termico completo per una situazione di riferimento caratterizzata da condizioni rmodinamiche che includessero il maggior numero di trattamenti termici possibili. E’ stato inoltre affrontato il problema dell’inversione del ciclo di funzionamento della macchina, che rappresenta il principale nodo tecnico da risolvere, dato che gli scambiatori, lavorando da evaporatori o da condensatori/gas‐cooler secondo le
necessità (produzione di caldo o freddo) devono presentare delle caratteristiche specifiche. La scelta dello schema d’impianto più appropriato all’applicazione in parola e il definitivo dimensionamento degli scambiatori di calore è infine subordinato alla completa conoscenza delle prestazioni garantite dal compressore (bistadio con inverter) e dal sistema di espansione elettronico selezionati per l’applicazione
nelle condizioni termodinamiche di riferimento. Per ottenere informazioni più dettagliate sulle prestazioni ottenibili con tali componenti ci si è infine dedicati allo studio delle problematiche legate alla realizzazione degli idonei sistemi di gestione e controllo del compressore e della valvola elettronica di laminazione
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