Innovative technologies in HVAC&R systems for energy saving and environment preservation

Energy savings and the environmental impacts of energy systems are distinctive issues which have driven scientific research in heating, ventilation and air conditioning systems over the last couple of decades. The main reasons are increasing energy costs and concerns related to negative environmental impacts, in particular anthropic greenhouse effect. There are two contributors to the greenhouse effect for refrigerating systems. The first is due to the primary input energy, in large part from fossil energy, that is, organic substances which produce carbon dioxide upon burning. Therefore, if the energy efficiency increases, this contribution will decrease. The second contribution is directly due to the operating fluid or refrigerant; the principal halogenated refrigerant fluids utilized are strong greenhouse gases when they leak to the atmosphere. In order to change these fluids there are two primary options being pursued. The first is the use of natural fluids: carbon dioxide, hydrocarbon, ammonia; the second is the use of new synthetic fluids such as HFOs (hydrofluoroolefins). Both of these solutions have lower (or zero) greenhouse impact relative to halogenated refrigerants. Unfortunately both approaches involve several efficiency and technological problems. Another way to reduce the working fluid’s contribution is to decrease the system refrigerant charge, accounting for standard charge restrictions. After an introductory chapter, this work presents an air-water commercial reversible heat pump with an aluminium louver-fin flat-tube minichannel heat exchanger, with a small internal volume, allowing for high charge reduction. Further a user friendly code to simulate the minichannel heat exchanger working as an evaporator or condenser is described. The model allows the user to calculate the heat exchanger performance and to optimize the circuitry. The model has been used to validate and simulate an automotive air conditioning condenser working with the new HFO-1234yf fluid, including the effects of the presence of oil. Later, three applications with natural fluids are investigated: the first is a low charge ammonia chiller for an air conditioning system; the second is a simple reversible water/water carbon dioxide heat pump working for a residential building winter heating, summer cooling and tap water production; the third is a carbon dioxide reversible heat pump working with an ejector as the throttling device for increasing the system efficiency. Finally, a method to optimize circuit length in a finned coil evaporator and a comparison of fluid evaporating performance, in particular for the new fluids HFO-1234yf and HFO-1234ze(E), is described. The new HFO refrigerants benefit more from circuit optimization than do the halogenated refrigerants they are designed to replace. In summary the goal is to show some solutions for chiller and heat pump systems in reference to the energy efficiency, charge reduction, and halogenated fluid substitution problems, taking into account that there is no univocal solution to these problems, but each application needs to be studied and optimized considering its own features.

I temi dell’efficienza energetica e dell’impatto ambientale sono requisiti che sempre più negli ultimi decenni hanno guidato la ricerca scientifica riguardante i sistemi di refrigerazione, condizionamento dell’aria e riscaldamento. Le principali ragioni sono: l’aumento del prezzo dell’energia con una conseguente maggiore attenzione ai costi di esercizio e la necessità di ridurre i contributi indiretto e diretto all’effetto serra antropico. Il contributo indiretto è legato all’energia primaria utilizzata, nella maggior parte dei casi energia fossile quindi combustione di sostanze organiche con produzione di anidride carbonica, attualmente il principale gas serra; per ridurre questo contributo è necessario incrementare l’efficienza energetica del sistema. Il contributo diretto è dovuto ai refrigeranti, i fluidi alogenati attualmente utilizzati sono fortemente gas serra se immessi in atmosfera. Si è indirizzati da un lato a sviluppare sistemi utilizzanti fluidi naturali: l’anidride carbonica (il cui contrito all’effetto serra, nettamente inferiore agli HFC, è 0 se si utilizza quella esistente), gli idrocarburi, l’ammoniaca; dall’altro lato si sono introdotti nuovi fluidi sintetici HFO a ridotto effetto serra. Si cerca inoltre di ridurre la carica di refrigerante del sistema, tenendo conto che in alcuni casi vi sono vincoli normativi proprio sulla carica. Nella prima parte di questo lavoro si presenta l’utilizzo di uno scambiatore di calore a minicanali in una PDC aria-acqua commerciale; questo tipo di scambiatori a basso volume interno consente di ridurre considerevolmente la carica di refrigerante del sistema. In seguito si presenta un modello di simulazione per il calcolo delle prestazioni e l’ottimizzazione di evaporatori e condensatori a minicanali ed una sua validazione/applicazione per calcolare un condensatore funzionante con fluido R1234yf tenendo conto anche della presenza dell’olio. Si presentano poi soluzioni utilizzanti i fluidi naturali: un chiller ad ammoniaca a bassa carica, una PDC ad anidride carbonica per un edificio residenziale, ed uno studio sperimentale sull’uso dell’eiettore come organo di laminazione per incrementarne l’efficienza di queste PDC. Si presenta infine un metodo per l’ottimizzazione della lunghezza dei circuiti negli evaporatori a batteria alettata ed un confronto delle prestazioni di diversi refrigeranti in evaporazione con particolare riferimento ai nuovi HFO R1234yf e R1234ze(E). In sintesi l’obbiettivo di questo lavoro è quello di offrire diverse soluzioni che vadano nella direzione dell’incremento dell’efficienza, della riduzione della carica e dell’impatto ambientale, tenendo conto che non esiste una soluzione univoca a tali problemi, ma che ciascuna applicazione va studiata ed ottimizzata nelle proprie peculiarità.