Una startup utilizza Simcenter Engineering Services e Simcenter STAR-CCM+ per sviluppare una pompa di calore in grado di ridurre i costi energetici

Un’idea innovativa

La maggior parte delle case americane è riscaldata da una caldaia o da uno scaldabagno elettrico, mentre una piccola parte delle abitazioni utilizza pompe di calore che sfruttano l'energia (tipicamente l'elettricità) per spostare il calore ambientale dall'esterno all'interno. Le caldaie e i boiler ad alta efficienza rimangono costosi e richiedono basse temperature di riscaldamento per mantenere la massima efficienza. In condizioni di carico termico elevato, l'efficienza spesso diminuisce. Le pompe di calore elettriche sono disponibili da molti anni, ma non hanno avuto un'ampia diffusione a causa delle scarse prestazioni nei climi freddi. L'efficienza diminuisce alle basse temperature, quando è richiesto più calore, il che richiede un combustibile supplementare o un riscaldamento a resistenza che può aumentare i costi.

I condizionatori d'aria (A/C) sono pompe di calore che trasferiscono il calore da ambienti più freddi a quelli più caldi. La stragrande maggioranza dei sistemi di condizionamento dell'aria utilizza un ciclo a compressione di vapore, con una piccola installazione di sistemi ad assorbimento, e rappresenta la maggior parte dell'elettricità consumata in un'abitazione (22%). I sistemi A/C sono principalmente azionati elettricamente e funzionano durante i mesi estivi, richiedendo quindi elettricità quando è meno disponibile e più costosa. I sistemi a compressione di vapore utilizzano anche refrigeranti che presentano una serie di problemi ambientali, tra cui la riduzione dell'ozono e gli effetti serra.

ThermoLift è nata all'inizio del 2012 da una conversazione tra amici e colleghi di altre imprese, il Dottor Peter Hofbauer e Paul Schwartz. I due stavano discutendo di una tecnologia di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) che potrebbe cambiare il modo in cui gli edifici utilizzano l'energia. Hofbauer si è lamentato: "È un vero peccato che la tecnologia non venga sviluppata". Questo è stato il catalizzatore che ha spinto Schwartz a iniziare a lavorare nel suo seminterrato di Long Island, a New York, per avviare la fase di sviluppo dell'attività e individuare il capitale iniziale per creare ThermoLift.

Oggi, ThermoLift ha sede presso l'Advanced Energy Center della State University of New York (SUNY) a Stony Brook. Conta 20 dipendenti a tempo pieno e ha raccolto quasi 20 milioni di dollari in finanziamenti, comprese sovvenzioni dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dall'Autorità per la ricerca e lo sviluppo energetico dello Stato di New York (NYSERDA). Il sistema ThermoLift è un condizionatore d'aria e una pompa di calore alimentati a gas naturale, che possono sostituire i sistemi di riscaldamento, raffreddamento e acqua calda degli edifici con un unico apparecchio. Questo apparecchio è simile a una pompa di calore Vuilleumier (VHP, Vuilleumier Heat Pump), ma utilizza un ciclo modificato, il TC-Cycle™, che aumenta ulteriormente i vantaggi rispetto a una VHP, riducendo i costi di riscaldamento e raffreddamento degli edifici e le emissioni di gas serra.

Figura 2: L'innovativa pompa di calore di generazione 1.0 di ThermoLift.

Pompe di calore Vuilleumier (VHP)

La tecnologia ThermoLift è nata dalla VHP, che è un motore termico direttamente accoppiato a una pompa di calore. Un sistema VHP sposta un working gas (WG), come l'elio, tra tre camere all'interno di un sistema chiuso. Nella VHP, due dislocatori sincronizzati con la manovella si alternano all'interno di un cilindro per spostare il working gas tra camere calde, tiepide e fredde separate. Il ciclo termodinamico utilizza il raffreddamento mediante gas in espansione per creare una temperatura fredda nella camera fredda. L'energia derivante dalla compressione termica e dalla combustione (o dalla raccolta solare) nell'estremità calda fornisce temperature calde nella camera calda, che possono essere utilizzate per il riscaldamento degli ambienti e/o la fornitura di acqua calda. Il dispositivo ThermoLift si differenzia dalla VHP perché i dislocatori sono controllati in modo indipendente tramite la meccatronica, per controllare meglio il movimento del dislocatore e, quindi, il ciclo termodinamico.

La differenza di temperatura tra la camera fredda e l'ambiente, anche a basse temperature ambiente, può essere sfruttata per estrarre calore dall'ambiente per il riscaldamento degli ambienti e il riscaldamento dell'acqua calda. Le pompe di calore ThermoLift catturano l'energia termica in modo altamente efficiente, a differenza delle pompe di calore convenzionali. Le pompe di calore convenzionali utilizzano l'elettricità, che è energia di alta qualità generata dall'energia termica, per produrre calore, che è energia di bassa qualità. La pompa di calore ThermoLift utilizza solo calore ed evita le perdite di energia associate alla conversione, alla distribuzione e ai cambiamenti di fase dei sistemi convenzionali a pompa di calore basati su compressori.

La pompa di calore ThermoLift utilizza il TC-Cycle per incorporare diverse innovazioni, migliorando le prestazioni e riducendo i costi. Il prototipo di prima generazione di questo sistema è già stato progettato, costruito e testato. Include innovazioni come un bruciatore a combustione a bassissime emissioni, attuatori a controllo elettronico per il miglioramento dell'efficienza del ciclo e scambiatori di calore innovativi. Grazie a questi miglioramenti, si prevede che il dispositivo VHP di nuova generazione supererà le prestazioni delle apparecchiature HVAC e acqua calda sanitaria (ACS) attualmente disponibili, e aumenterà significativamente l'efficienza operativa del processo termodinamico, riducendo al contempo i costi e le emissioni di anidride carbonica

Figura 4: Il grafico temporale dei monitor critici di trasmissione del calore.

Test e dati della build di prima generazione

ThermoLift ha costruito e testato tre generazioni del suo prototipo TC-Cycle nell'ambito dei precedenti programmi di sovvenzione DOE e NYSERDA. Lo sviluppo della generazione (Gen) 1.0 di ThermoLift si è concentrato sulla progettazione di un azionamento elettromeccanico come alternativa ai VHP sincronizzati con la manovella, che presentavano problemi di costo e durabilità, e compromettevano la termodinamica del sistema a causa del controllo limitato sul movimento del dislocatore. Utilizzando le conoscenze acquisite da Gen 1.0, ThermoLift ha completato lo sviluppo del prototipo Gen 2.0, che è stato dimostrato ai rappresentanti dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL)/National Renewable Energy Laboratory (NREL) nell'ottobre 2016. Il prototipo Gen 3.0 di ThermoLift è stato testato con successo dall'ORNL nell'agosto 2018.

La maggiore qualità e affidabilità dei dati dell'unità Gen 2.0 ha facilitato le simulazioni e le prestazioni. Nel luglio 2017, ThermoLift ha raggiunto un importante traguardo tecnico, definito "atterraggio morbido" dei dislocatori, mentre si alternano da un capo all'altro, che ha eliminato la rumorosità della macchina e ha consentito tempi di funzionamento affidabili e continui (oltre 10 ore). ThermoLift prevede di assemblare più prototipi Gen 3.0 e di dimostrare prestazioni ad alta fedeltà in dimostrazioni di laboratorio e alfa nel 2018.

Espansione del processo di progettazione guidato dalla simulazione

Nel 2016, ThermoLift ha iniziato a collaborare con Siemens Digital Industries Software per espandere il processo di progettazione guidato dalla simulazione. Quando si sviluppa una nuova tecnologia innovativa come il ThermoLift, lo sviluppo iniziale del prototipo può diventare costoso se si fa affidamento sui dati dei test sperimentali. Nella fase iniziale di sviluppo, devono essere valutati molti concept, spesso con diverse idee fondamentali da testare. La costruzione e il collaudo di questi prototipi possono presentare rischi significativi per una startup. Richiedono ingenti investimenti in risorse e strutture con un ritorno incerto.

La simulazione può fornire risposte rapide ed economiche. È possibile valutare più concept e i relativi KPI, nonché eliminare i progetti meno performanti prima della realizzazione di un prototipo.

La progettazione e la simulazione di sistemi complessi può essere costosa e complicata. Gli ingegneri di tutto il mondo seguono il V-Cycle (figura 2) per lo sviluppo di prodotti digitali. L'idea è quella di avere diversi livelli di dettaglio e complessità nel processo di progettazione, dal concept generale e dai moduli ai singoli componenti. All’inizio vi è un ampio concept progettuale del sistema. L'intero sistema è costituito da diversi moduli come scambiatori di calore, rigeneratori e dislocatori. Il livello più dettagliato è il livello dei componenti, che prevede la progettazione di piccoli componenti come ugelli, orifizi o alette dello scambiatore di calore.

Durante il processo, i disegni vengono creati dall'alto verso il basso; dal layout di base alla progettazione di moduli e componenti. Il processo di verifica mediante simulazione funziona nella direzione opposta quando i componenti e i moduli vengono verificati e ottimizzati, il che si traduce in un sistema complessivo migliorato. In altre parole, se i moduli che compongono un sistema funzionano meglio, il sistema complessivo funzionerà meglio a sua volta.

ThermoLift e Simcenter™ Engineering Services hanno adottato questo approccio per ridurre significativamente i tempi di sviluppo e risparmiare sulla prototipazione. Fino al 2016, il team di sviluppo di ThermoLift aveva effettuato ampie simulazioni 1D del loro ciclo termodinamico unico. La domanda era come prevedere i processi fisici in 3D. Uno dei moduli critici della pompa di calore ThermoLift è lo scambiatore di calore caldo. Questo è l'unico sottosistema in cui l'energia proveniente dai combustibili fossili entra nel sistema ed è fondamentale per ottenere un'elevata efficienza.

Maggiore è il calore che può essere trasferito all'elio gassoso all'interno, maggiore è l'efficienza complessiva (figura 1). È fondamentale acquisire una visione completa della fisica e del percorso dell'energia dal bruciatore al lato caldo dell'elio, comprendendo la combustione, l'irraggiamento, il trasferimento di calore convettivo e coniugato. Inoltre, il dislocatore alternativo a caldo introduce un dominio in movimento, che richiede un'analisi transitoria e risorse di calcolo ad alte prestazioni. La sfida era trovare una soluzione di simulazione per modellare la fisica complessa, combinata con domini in movimento. Simcenter Engineering Services, tramite il software Simcenter STAR-CCM+™ del portfolio Simcenter, ha fornito la risposta. Simcenter STAR-CCM+ è una soluzione all-in-one che offre una simulazione multidisciplinare accurata ed efficiente in un'unica interfaccia utente integrata.

Figura 5: Distribuzione del flusso di calore per irraggiamento e linee di flusso.

Analisi transitoria dello scambiatore di calore caldo

L'obiettivo principale di tale analisi è stato quello di fornire informazioni dettagliate sullo scambio termico dal bruciatore al lato caldo dell'elio. Ciò ha richiesto la modellazione dell'irraggiamento, della convezione e della conduzione nella camera del bruciatore e dello scambiatore di calore caldo all'interno della camera dell'elio caldo e del movimento alternato del dislocatore. Un modello di fluidodinamica computazionale (CFD) a trasferimento termico coniugato è stato costruito a partire dai dati CAD (Computer-Aided Design) del software Pro/E® nativo. L'esclusiva tecnologia overset mesh di Simcenter STAR-CCM+ è stata utilizzata per modellare il movimento del dislocatore alternativo. Tutte le modalità di scambio termico sono state modellate e tutti i fluidi sono stati trattati come gas ideale. Le condizioni al contorno cicliche delle simulazioni 1D sono state applicate all'uscita dell'elio, dove lo scambiatore di calore caldo si collega al primo stadio del rigeneratore.

Il sistema è caratterizzato da una combinazione di processi transitori e stazionari. Sebbene il bruciatore a combustione fornisca calore costante, il trasferimento di calore nell'elio è un processo ciclico guidato dal dislocatore alternativo. Man mano che il sistema si riscalda, si raggiunge infine uno stato quasi stazionario in cui il trasferimento di calore viene bilanciato ad ogni ciclo ripetuto. Ciò richiede lunghe simulazioni transitorie, che sono state completate con i cluster di computer ad alte prestazioni di Siemens Digital Industries Software nell'ambito di questo progetto di cooperazione. La Figura 4 mostra la cronologia temporale del trasferimento di calore attraverso le interfacce dei componenti critici dal bruciatore all'elio. Dopo 15-20 cicli, gli scambi termici diventano ciclici ed è possibile ricavare i dati sulle prestazioni medie del ciclo. I dati potrebbero prevedere KPI come l'efficienza dello scambiatore di calore e la perdita di calore per valutare il progetto Gen 2.

La Figura 5 mostra la distribuzione della temperatura resa in volume dei gas di scarico e dell'elio all'interno della macchina, quando il dislocatore si muove verso il basso. La Figura 6 mostra la distribuzione del flusso di calore di irraggiamento limite sullo scambiatore di calore caldo rivolto verso il bruciatore. Le linee di flusso (streamline) mostrano il percorso del gas di scarico dal bruciatore attraverso il design del canale a spirale, colorato in base alla temperatura, fornendo indicazioni sui punti in cui il gas perde temperatura verso lo scambiatore di calore caldo.

Figura 6: Distribuzione della temperatura dei gas di scarico e dell'elio resa in volume

Collaborazione con Simcenter Engineering Services

I risultati dell'analisi transitoria dello scambiatore di calore caldo eseguita da Simcenter Engineering Services hanno aiutato il team di progettazione di ThermoLift a identificare i dati critici sulle prestazioni, compresi i problemi e le cause:

• La temperatura dei gas di scarico era troppo alta all'uscita dallo scambiatore di calore. Questo ha portato a un riscaldatore di pre-combustione che recupera il calore in eccesso nel sistema.
• Il trasferimento totale di calore nell'elio era troppo basso per raggiungere gli obiettivi prestazionali. È stato sviluppato uno scambiatore di calore tubolare più complesso (figura 1).
• Il trasferimento di calore per irraggiamento nello scambiatore di calore ha contribuito in modo critico all'apporto di calore complessivo.

Cambiare il modo in cui gli edifici utilizzano l'energia

Siemens Digital Industries Software e ThermoLift continuano la loro partnership per espandere ulteriormente il processo di progettazione guidato dalla simulazione. Grazie al continuo trasferimento tecnologico e al supporto di Simcenter Engineering Services, il team di simulazione di ThermoLift è diventato esperto di Simcenter STAR-CCM+, che simula e sviluppa componenti ogni giorno. Siemens supporta e sviluppa una roadmap per la crescita continua e il miglioramento dei processi di ThermoLift attraverso:

• L’integrazione di più componenti nella simulazione. L'obiettivo è quello di modellare l'intera macchina in 3D.
• L’integrazione dell'ottimizzazione automatica dei progetti. Invece di limitarsi a valutare i progetti scelti, possono lasciare che la simulazione guidi il processo di progettazione.
• Servizi di analisi e risorse di calcolo ad alte prestazioni per grandi simulazioni, mantenendo bassi i costi.

La tecnologia di ThermoLift può potenzialmente ridurre il consumo e i costi energetici per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici e le emissioni di gas serra associate. Questo potrebbe cambiare il modo in cui gli edifici utilizzano l'energia in futuro e rendere di conseguenza il mondo più verde.