Feasibility study for the design of a reversible air-to-air rooftop heat pump compliant with the new F-gas regulation

Recent European regulations on fluorinated greenhouse gases are accelerating the phase-out of high-Global Warming Potential refrigerants in small- and medium-capacity heat pumps, making the replacement of conventional fluids such as R410A necessary. In this context, refrigerant selection can no longer be addressed only from a thermodynamic perspective, but must also account for regulatory compliance, safety constraints, seasonal efficiency targets, design, and cost. This thesis investigates the redesign of a reversible air-to-air rooftop heat pump toward low-GWP solutions compatible with the 2027–2031 European regulatory framework. Starting from an existing R410A baseline unit, the work compares three candidate configurations: direct expansion with R290, indirect R290 with an intermediate water loop, and direct expansion with R454C. The analysis combines the review of the regulatory and safety framework, with particular focus on EN 378:2020, with the thermodynamic and architectural implications associated with charge limits, flammability class, and refrigerant behavior. The feasibility study was carried out through detailed heat exchanger simulations in CoilDesigner, system-level refrigerant charge estimation, and steady-state cycle modeling in Simcenter Amesim. The comparison showed that all three solutions were theoretically capable of meeting the required seasonal performance thresholds, but with significantly different implications in terms of complexity and industrial feasibility. Although the direct R290 solution achieved the highest simulated seasonal efficiency, its flammable classification imposed severe charge-related constraints, requiring a more complex dual-circuit architecture. The indirect R290 solution improved safety but introduced additional components, pumping power, and a double heat-exchange penalty. Among the analyzed options, the direct-expansion R454C configuration emerged as the most balanced solution, combining regulatory compliance, compactness, architectural continuity, and competitive seasonal performance. Based on this outcome, an R454C prototype was designed, built, and experimentally tested in a controlled laboratory environment. The test campaign confirmed the validity of several major design choices, including the general system architecture, the adequacy of the liquid receiver volume, the acceptable refrigerant distribution within the finned-tube heat exchangers, and the correct operation of the compressor within the expected envelope. However, the measured thermal performance was significantly lower than predicted, particularly when the user-side coil operated as evaporator. The final analysis suggests that the main performance gap is likely linked to phase-change phenomena not fully captured by standard design models for zeotropic mixtures, particularly dry-out during evaporation and mass-transfer resistance during condensation. This thesis therefore demonstrates that R454C is a feasible candidate for the redesign of compact rooftop heat pumps under the new F-gas scenario, while also showing that the accurate modeling of zeotropic phase-change heat transfer remains a key challenge for the next stages of development.

Le recenti normative europee sui gas fluorurati a effetto serra stanno accelerando l’eliminazione dei refrigeranti ad alto Global Warming Potential nelle pompe di calore di piccola e media capacità, rendendo necessaria la sostituzione di fluidi convenzionali come l’R410A. In questo contesto, la selezione del refrigerante non può più essere affrontata soltanto da una prospettiva termodinamica, ma deve anche tenere conto della conformità normativa, dei vincoli di sicurezza, degli obiettivi di efficienza stagionale, della progettazione e dei costi. Questa tesi analizza la riprogettazione di una pompa di calore rooftop reversibile aria-aria verso soluzioni a basso GWP compatibili con il quadro normativo europeo 2027–2031. A partire da un’unità base esistente a R410A, il lavoro confronta tre configurazioni candidate: espansione diretta con R290, R290 indiretto con un circuito intermedio ad acqua, ed espansione diretta con R454C. L’analisi combina la revisione del quadro normativo e di sicurezza, con particolare attenzione alla EN 378:2020, con le implicazioni termodinamiche e architetturali associate ai limiti di carica, alla classe di infiammabilità e al comportamento del refrigerante. Lo studio di fattibilità è stato condotto attraverso simulazioni dettagliate degli scambiatori di calore in CoilDesigner, la stima della carica di refrigerante a livello di sistema e la modellazione del ciclo in condizioni stazionarie in Simcenter Amesim. Il confronto ha mostrato che tutte e tre le soluzioni erano teoricamente in grado di soddisfare le soglie richieste di prestazione stagionale, ma con implicazioni significativamente differenti in termini di complessità e fattibilità industriale. Sebbene la soluzione diretta a R290 abbia raggiunto la più alta efficienza stagionale simulata, la sua classificazione come fluido infiammabile ha imposto severi vincoli legati alla carica, richiedendo un’architettura a doppio circuito più complessa. La soluzione indiretta a R290 ha migliorato la sicurezza, ma ha introdotto componenti aggiuntivi, potenza di pompaggio e una penalizzazione dovuta al doppio scambio termico. Tra le opzioni analizzate, la configurazione a espansione diretta con R454C è emersa come la soluzione più equilibrata, combinando conformità normativa, compattezza, continuità architetturale e prestazioni stagionali competitive. Sulla base di questo risultato, è stato progettato, costruito e testato sperimentalmente un prototipo a R454C in un ambiente di laboratorio controllato. La campagna di prove ha confermato la validità di diverse scelte progettuali principali, tra cui l’architettura generale del sistema, l’adeguatezza del volume del ricevitore di liquido, l’accettabile distribuzione del refrigerante negli scambiatori di calore a tubi alettati e il corretto funzionamento del compressore entro il campo operativo atteso. Tuttavia, le prestazioni termiche misurate sono risultate significativamente inferiori a quelle previste, in particolare quando la batteria lato utenza operava come evaporatore. L’analisi finale suggerisce che il principale scostamento prestazionale sia probabilmente legato a fenomeni di cambiamento di fase non completamente catturati dai modelli di progettazione standard per le miscele zeotropiche, in particolare il dry-out durante l’evaporazione e la resistenza al trasferimento di massa durante la condensazione. Questa tesi dimostra quindi che l’R454C è un candidato fattibile per la riprogettazione di pompe di calore rooftop compatte nel nuovo scenario F-gas, mostrando al contempo che la modellazione accurata del trasferimento di calore con cambiamento di fase nelle miscele zeotropiche rimane una sfida fondamentale per le prossime fasi di sviluppo.