Laboratorio virtuale
Siamo in un Laboratorio dimostrativo digitale creato per condividere informazioni e risultati conseguiti dal progetto di ricerca industriale denominato CLIWAX.
CLIWAX ha proposto e individuato soluzioni innovative per i sistemi di accumulo impiegati negli impianti di climatizzazione che utilizzano una tecnologia già altamente efficiente: la pompa di calore. La soluzione più promettente è stata l’accoppiamento di materiali a cambio di fase per incrementare le prestazioni di scambiatori geotermici e quelle dei convenzionali sistemi di accumulo.
Le attività sono qui organizzate in “stanze virtuali” a cura dei diversi Laboratori di ricerca industriale coinvolti nel Progetto, con il fine comune di presentare le soluzioni proposte, l’attività svolta, i risultati conseguiti e le prospettive individuate.
Il Progetto CLIWAX
Gli obiettivi di CLIWAX:
Sistemi di accumulo distribuito
Sistemi di accumulo concentrato
Cosa sono i materiali a cambio di fase?
I materiali a cambio di fase, anche detti Phase Change Materials (PCMs), sono materiali che vengono scelti per cambiare il loro stato fisico, in genere tra liquido e solido, ad una specifica temperatura funzionale all’accumulo o al rilascio di una rilevante quantità di energia: il calore latente.
Tale capacità conferisce ai PCMs una interessante funzione nello sviluppo di tecnologie per la gestione del calore: quella di risultare un “serbatoio termico” ad elevata densità energetica.
Il PCM più diffuso ed economico è l’acqua: per sciogliersi, 1 chilogrammo di ghiaccio deve assorbire un calore 8 volte quello necessario alla stessa massa liquida per scaldarsi di 10°C.
Sfortunatamente, la temperatura di cambio di stato (0°C) rende l’acqua inadatta alla maggior parte delle applicazioni di accumulo di energia. Esistono tuttavia numerosi materiali che “congelano” e “sciolgono” alle temperature utili alla gestione termica in ambito di climatizzazione.
CLIWAX ha selezionato i PCMs più adatti in tal senso non solo in base alla temperatura caratteristica di transizione, ma anche in funzione dei caratteri termofisici, del costo, della reperibilità e della compatibilità ambientale.
Sand Octadecane Esem 100X
Octadecane Sand Ottico 8x
PCMs allo stato solido
PCM e schiume metalliche
Test - Metal foam e PurePCM x 12
Simulazione numerica dell’efficacia dell'accoppiamento di PCMs a scambiatori geotermici
Simulazione sperimentale dell'efficacia dell'accoppiamento di schiume metalliche a PCMs
Simulazione sperimentale di efficacia di impiego di PCM in batterie alettate dei fan coil
Sperimentazione in campo del sistema di accumulo distribuito (rinfianco geotermico)
Sperimentazione in scala reale del sistema di accumulo puntuale (serbatoio)
Ottimizzazione accoppiamento PCMs a scambiatore geotermico mediante CLIP
Prove in scala ridotta con carichi controllati e condizioni al contorno definite per impostare analisi numeriche ottimizzate
Accumulo distribuito. PCM e geotermia
Grazie alle tecnologie sviluppate che permettono di integrare al calore sensibile il calore latente, è stato possibile incrementare la funzionalità del terreno come accumulo termico, incrementandone di 5 volte la densità energetica. Ciò consente migliori prestazioni dei sistemi geotermici a pompa di calore, in ragione delle migliori temperature di esercizio. Inoltre, laddove il sistema possa avvalersi di ricarica solare (sistemi ibridi), il maggiore accumulo consente una più ampia valorizzazione di energie rinnovabili.
Accumulo concentrato. PCMs, schiume metalliche e Pompe di calore (PdC)
Gli accumuli termici permettono alle PdC di lavorare con rendimenti più elevati, minori stress ai componenti, migliori condizioni di comfort interno. Permettono di aumentare l’energia termica stoccata a volume fissato.
La combinazione “PCMs + Schiume metalliche” accelera i processi di carica e scarica dei PCMs permettendo di gestire portate maggiori in uscita dagli accumuli a parità di volume; la presenza delle schiume metalliche riduce le differenze di temperatura all’interno dei PCMs e la loro resistenza termica al cambiamento di fase, permettendo di trasferire un flusso termico assegnato con livelli di temperatura più bassi (migliori prestazioni della PdC).
Le tecnologie combinate permettono di:
- ridurre la potenza di picco dei generatori;
- allungare i cicli di vita delle pompe di calore;
- aumentare della quota di FER impiegate (anche in modalità integrata, ad esempio geotermico + solare);
- migliorare le prestazioni complessive del sistema (risparmio energetico, riduzione delle emissioni);
per edifici (nuovi e riqualificati) confortevoli, decarbonizzati e sostenibili.
Presentazione dei risultati di CLIWAX nell’ambito del Seminario “Climatizzazione, FER e PCM” organizzato in collaborazione con l’Ordine degli ingegneri di Ferrara
Fonti rinnovabili e pompe di calore: i limiti dello stoccaggio termico
L'opportunità dei materiali a cambio di fase (PCMs)
Funzionalità dei PCMs negli impianti a pompa di calore
Geotermia e PCMs