Caso di studio: simulazione delle prestazioni insufficienti di un sistema
Un nuovo white paper, “Oltre la brochure: Alla Scoperta della Realtà sulle Prestazioni Insufficienti dei Prodotti della Refrigerazione,” di Eurovent Certification, presenta i risultati di recenti ricerche basate su test condotti su apparecchiature di smaltimento del calore selezionate, inclusi prodotti non certificati secondo uno schema di terze parti al momento del test. Lo studio indica che in determinati climi, le prestazioni dichiarate dai produttori e quelle misurate in laboratorio potrebbero variare in modo significativo. Infatti, i test su refrigeratori a gas CO2 non certificati hanno rilevato che la capacità di dissipazione del calore misurata potrebbe essere fino al 53% inferiore a quella dichiarata nelle regioni dell’Europa centrale e settentrionale e fino al 37% inferiore a quella dichiarata nei climi caldi.
Utilizzando i dati dello studio sui refrigeratori a gas e i risultati di ricerche precedenti sulle prestazioni dei condensatori raffreddati ad aria a base di HFC, Eurovent Certification ha utilizzato un software di simulazione per valutare il potenziale impatto dei componenti di smaltimento del calore a base di HFC e CO2 con prestazioni inferiori alle attese su un intero sistema di un supermercato. Questi sono i risultati di tali simulazioni.
Obiettivi del caso di studio
L'obiettivo era:
1) Accertare il potenziale impatto delle prestazioni insufficienti in termini di:
- Consumo energetico aggiuntivo
- Costi di esercizio aggiuntivi
- Emissioni di CO2 aggiuntive.
2) Simulare prestazioni insufficienti a diversi livelli per valutare l'impatto su un periodo di 1 anno, 10 anni e 15 anni (intero ciclo di vita).
Metodo
Utilizzando un software di simulazione, l'impatto dei dispositivi di smaltimento del calore con prestazioni insufficienti è stato calcolato utilizzando due soluzioni tecniche tipiche per un'applicazione in un supermercato:
- Sistema 1: impianto transcritico a CO2
- Sistema 2: impianto a HFC a media temperatura (MT) e bassa temperatura (LT).
Entrambi i sistemi sono stati sottoposti a una serie di simulazioni per calcolare l'impatto delle prestazioni insufficienti sulla base della seguente configurazione:
Dimensioni del sistema:
-
Temperatura media (MT): Teva = -8 °C; Qeva = 180 kW
- 112 kW da armadi – 62%
- 68 kW da celle frigorifere – 38%
- Bassa temperatura (LT): Teva = -30 °C; Qeva = 50 kW
- 23 kW da armadi – 46%
- 27 kW da celle frigorifere – 54%
Riferimento: differenza di temperatura del punto di approccio +2K (condensatore / uscita del refrigeratore a gas – ambiente)
Profilo climatico [1]: Monaco (DE)
Tipologia di gruppo: booster a CO2 e R448a
Fattore di emissione [2]: 338 gCO2/kWh – media dal 2020 al 2023
Costo dell'elettricità: 0,18 €/kWh
Figura 1: Temperatura massima giornaliera annua
Sistema del caso di studio 1: impianto transcritico a CO2
In questo sistema, lo smaltimento del calore viene effettuato da un refrigeratore a gas CO2. Nella ricerca del white paper, i refrigeratori a gas CO2 sono stati testati in cinque condizioni di mercato, con la deviazione più elevata riscontrata nelle condizioni 3 e 4.
Tabella 1: Deviazioni tra la capacità di smaltimento del calore dichiarata e quella misurata
| Condizioni operative | Refrigeratore di gas 1 | Refrigeratore di gas 2 |
|---|---|---|
| Condizione 1 (condizione standard SC20) | 8% | 8% |
| Condizione 2 | -33% | -37% |
| Condizione 3 | -39% | -41% |
| Condizione 4 | -50% | -53% |
| Condizione 5 (condizione standard SC25: condensatore) | -32% | -23% |
Il segno “-“ indica una prestazione inferiore alle specifiche
Per questo caso di studio, le prestazioni sono valutate in base alle diverse condizioni elencate nella tabella 2, che si basano sulla prestazione media inferiore alle specifiche rilevata dalla ricerca del white paper.
Il rendimento inferiore è espresso come aumento del delta T per le simulazioni. Ciò traduce la capacità persa in una variazione di temperatura ridotta attraverso il raffreddatore di gas. Ciò comporta una temperatura di uscita significativamente più alta, che può portare a un aumento della pressione sul lato alto e del consumo energetico del compressore, e può ridurre la capacità e l’efficienza complessive del sistema.
Tabella 2: Sottoperformance in base a ciascuna condizione sulla base dei risultati dei test
| Condizioni operative | Deviazione media | Aumento del delta T |
|---|---|---|
| Condizione 3 | -40% | + 2 K (Temperatura di uscita CO2 34 °C invece di 32 °C) |
| Condizione 4 | -51,5% | + 2.6 K (Temperatura di uscita CO2 34,6 °C invece di 32 °C) |
| Condizione 5: Condensatore (funzionamento subcritico CO₂) | -32% | + 3.5 K (temperatura di condensazione CO₂ 18,5 °C invece di 15 °C) |
Il raffreddatore di gas funziona come condensatore per T ambiente ≤18 °C e in modalità transcritica quando T ambiente >18 °C.
Risultati
Le prestazioni del sistema sono state simulate sia nella condizione 3 che nella condizione 4, tenendo conto del calo di rendimento riscontrato durante il funzionamento in modalità subcritica (condizione 5). Le simulazioni hanno valutato il consumo energetico aggiuntivo, i costi di esercizio aggiuntivi e le emissioni aggiuntive di CO2 su un periodo di 1, 10 e 15 anni.
Tabella 3: Rendimento inferiore alle aspettative di un impianto a CO2 nelle condizioni 3 e 5
| Condizioni 3 & 5 | 1 anno | 10 anni | 15 anni |
|---|---|---|---|
| Differenza percentuale rispetto al valore di riferimento [%] | + 11,5% | + 11,5% | + 11,5% |
| Energia aggiuntiva [kWh] | 43.586 | 435.864 | 653.795 |
| Costo aggiuntivo [€] | 7.846 | 78.455 | 117.683 |
| Emissioni aggiuntive di CO2 [tonnellate] | 14,7 | 147,3 | 221 |
Tabella 4: Rendimento inferiore alle aspettative di un impianto a CO2 nelle condizioni 4 e 5
| Condizioni 4 & 5 | 1 anno | 10 anni | 15 anni |
|---|---|---|---|
| Differenza percentuale rispetto al valore di riferimento [%] | + 11,6% | + 11,6% | + 11,6% |
| Energia aggiuntiva [kWh] | 43935 | 439354 | 659031 |
| Costo aggiuntivo [€] | 7908 | 79084 | 118625 |
| Emissioni aggiuntive di CO2 [tonnellate] | 14,9 | 148,5 | 222,8 |
Sistema del caso di studio 2: impianto HFC
In questo caso di studio, lo smaltimento del calore è effettuato da un condensatore HFC che utilizza il refrigerante R448a con un rendimento inferiore del 32%. Il rendimento inferiore del 32% si basa su uno studio precedente sui condensatori HFC. Ciò comporta una penalizzazione della temperatura di uscita del condensatore di +3,5 K nell'ipotesi utilizzata per questa simulazione per tutto l'anno.
Risultati
La simulazione ha mostrato il consumo energetico aggiuntivo, i costi di esercizio e le emissioni di CO2 su un periodo di 1 anno, 10 anni e 15 anni come segue.
Tabella 5: Rendimento inferiore di un impianto HFC
| 1 anno | 10 anni | 15 anni | |
|---|---|---|---|
| Differenza percentuale rispetto al valore di riferimento [%] | + 11,7% | + 11,7% | + 11,7% |
| Energia aggiuntiva [kWh] | 43360 | 433603 | 650404 |
| Costo aggiuntivo [€] | 7805 | 78048 | 117073 |
| Emissioni aggiuntive di CO2 [tonnellate] | 14,7 | 146,6 | 219,8 |
Sia per i sistemi HFC che per quelli a CO2, componenti di smaltimento del calore inefficienti comportano un consumo energetico aggiuntivo di oltre 43.000 kWh all'anno, con un costo superiore a 7.800 € all'anno e l'aggiunta di almeno 14,7 tonnellate di emissioni di CO2 in base alle ipotesi applicate nei casi di studio.
Figura 2: confronto delle emissioni aggiuntive di CO2 tra un impianto HFC e uno a CO2 con prestazioni insufficienti
Misurazione di diversi livelli di prestazioni insufficienti
I casi di studio sopra riportati illustrano le prestazioni insufficienti del condensatore e del raffreddatore di gas sulla base di una selezione di sistemi che mostrano le maggiori deviazioni di prestazione osservate negli studi analizzati da Eurovent Certification. Per fornire una visione più ampia dell’impatto sui sistemi di refrigerazione a diversi livelli di prestazioni insufficienti, sono stati simulati i seguenti scenari a scopo comparativo e illustrativo:
Caso S1: refrigerante CO2, penalizzazione del -10% = +0,5 K di temperatura di uscita del condensatore in fase transcritica e +2,5 K in fase subcritica
Caso S2: refrigerante CO2, penalizzazione del -20% = +1 K di temperatura di uscita del condensatore in fase transcritica e +3 K in fase subcritica
Caso S3: refrigerante CO2, penalizzazione del -30% = +1,5 K di temperatura all'uscita del condensatore in fase transcritica e +3,5 K in fase subcritica
Caso S4: refrigerante R448a, penalizzazione del -10% = +2,5 K di temperatura all'uscita del condensatore tutto l'anno
Caso S5: refrigerante R448a, penalizzazione del -20% = +3 K di temperatura all'uscita del condensatore per tutto l'anno
Caso S6: refrigerante R448a, penalizzazione del -30% = +3,5 K di temperatura all'uscita del condensatore per tutto l'anno
I risultati sono stati simulati su periodi di 1, 10 e 15 anni per riprodurre il ciclo di vita dei condensatori HFC e dei refrigeratori a gas CO2.
Figura 3: Differenza percentuale rispetto al valore di riferimento
Tabella 6: Rendimento inferiore alle prestazioni in condizioni variabili su un periodo di 1 anno.
| 1 anno | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Differenza percentuale rispetto al valore di riferimento [%] | + 8,1% | + 9,8% | + 11,4% | + 8,5% | + 10,1% | + 11,7% |
| Energia aggiuntiva [kWh] | 29776 | 36448 | 43301 | 30214 | 36707 | 43360 |
| Costo aggiuntivo [€] | 5360 | 6561 | 7794 | 5438 | 6607 | 7805 |
| Emissioni aggiuntive di CO2 [tonnellate] | 10,1 | 12,3 | 14,6 | 10,2 | 12,4 | 14,7 |
Tabella 7: Rendimento inferiore alle aspettative in condizioni variabili su un periodo di 10 anni.
| 10 anni | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Differenza percentuale rispetto al valore di riferimento [%] | + 8,1% | + 9,8% | + 11,4% | + 8,5% | + 10,1% | + 11,7% |
| Energia aggiuntiva [kWh] | 297760 | 364479 | 433009 | 302138 | 367071 | 433603 |
| Costo aggiuntivo [€] | 53597 | 65606 | 77942 | 54385 | 66073 | 78048 |
| Emissioni di CO2 aggiuntive [tonnellate] | 100,6 | 123,2 | 146,4 | 102,1 | 124,1 | 146,6 |
Tabella 8: Rendimento inferiore alle aspettative in condizioni variabili su un periodo di 15 anni.
| 15 anni | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Differenza percentuale rispetto al valore di riferimento [%] | + 8,1% | + 9,8% | + 11,4% | + 8,5% | + 10,1% | + 11,7% |
| Energia aggiuntiva [kWh] | 446640 | 546719 | 649514 | 453207 | 550607 | 650404 |
| Costo aggiuntivo [€] | 80.395 | 98.409 | 116.912 | 81.577 | 99.109 | 117.073 |
| Emissioni aggiuntive di CO2 [tonnellate] | 151 | 184,8 | 219,5 | 153,2 | 186,1 | 219,8 |
Figura 4: Emissioni aggiuntive di CO2
I risultati mostrano che anche una piccola prestazione insufficiente può avere un grande impatto sul ciclo di vita di un prodotto.
Conclusione
Eurovent Certification è riuscita a calcolare le potenziali conseguenze di una prestazione insufficiente delle apparecchiature di smaltimento del calore per un'applicazione in supermercato con CO2 e HFC. Nel corso di un ciclo di vita di 15 anni, entrambe le serie di apparecchiature di smaltimento del calore con prestazioni insufficienti potrebbero:
- Consumare almeno 650.000 kWh di energia aggiuntiva
- comportare un costo aggiuntivo di oltre 117.000 € per il funzionamento
- produrre oltre 219 tonnellate di emissioni di CO₂ evitabili.
Questo senza considerare il potenziale impatto aggiuntivo sull'affidabilità e la longevità del sistema, poiché i componenti lavorano di più per soddisfare il fabbisogno di smaltimento del calore in queste condizioni simulate. In breve, l'analisi ha indicato che le prestazioni insufficienti andavano oltre la singola unità, influenzando potenzialmente il funzionamento dell'intero sistema di refrigerazione.
Scopri di più sulla ricerca e sull'impatto delle prestazioni insufficienti del sistema scaricando il white paper: “Oltre la brochure: Svelare la realtà delle prestazioni insufficienti dei prodotti di refrigerazione.”
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