POMPE DI CALORE KITA – Approfondimento tecnico
Approfondimento tecnico sulle scelte progettuali
Compressore singolo ermetico trascinato tramite motore BLDC inverter.
Il compressore è il cuore della pompa di calore. I due modelli di pompa di calore disponibili montano
compressori con caratteristiche tecniche differenti: sulla KITA M è di tipo Twin Rotary con alimentazione
monofase, sulla KITA L/L42 è di tipo Scroll con iniezione di vapore ed alimentazione trifase. La gestione di
entrambi avviene tramite inverter, che consente un funzionamento in modulazione.
Twin Rotary
Scroll
Motore BLDC1
Motore BLDC1
Economia d’acquisto
Range di potenza da 2 kW a 16
kW
Range di funzionamento esteso
fino a -33°C di temperatura
esterna
Guscio esterno in alta pressione2
Guscio esterno in alta pressione2
Basso impatto acustico
Iniezione di vapore ‘Smart
Injection’
Minori vibrazioni e stress3
Elevate prestazioni anche a
basso numero di giri
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All’interno della sigla BLDC, BL significa “brushless”, ossia senza spazzole. Un motore BLDC lavora
senza trascinamento delle spazzole e presenta un assorbimento elettrico minore, con conseguente
minore spesa elettrica e maggiori prestazioni della macchina. Oltre a questo, essendo un motore in
corrente continua a magnete permanente, non vi sono correnti indotte per generare il moto del
rotore quindi si evitano le perdite ad esse correlate.
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Questa architettura del compressore fa passare il refrigerante ad alta pressione e ad alta
temperatura verso il motore elettrico e gli organi meccanici a contatto con l’olio. In questo modo
viene a contatto con il lubrificante solo refrigerante in fase gas, che rispetto al refrigerante in fase
liquida trascina via dal compressore una quantità minore di olio, perché l’olio non si diluisce in
quest’ultimo. Inoltre, essendo più caldo rispetto al flusso in aspirazione, non riduce le proprietà
lubrificanti dell’olio. Il guscio in alta pressione inoltre permette al compressore di tollerare una
piccola quantità di liquido eventualmente ancora presente nel flusso evaporato senza danneggiare
le parti meccaniche atte alla compressione del gas. E’ possibile quindi lavorare con una soglia di
surriscaldamento minore rispetto ai compressori con guscio in bassa pressione, riducendo il
consumo elettrico.
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In un Twin Roraty la compressione avviene tramite due masse che ruotano all’interno di due
camere di compressione in parallelo. Prima dell’ingresso al compressore avviene la divisione del
refrigerante in due flussi che vengono aspirati da ogni singola camera di compressione. Le masse
rotanti sono sfasate di 180° e questo permette di compensare le sollecitazioni sull’albero e di
ridurre così le vibrazioni durante il funzionamento e il rischio di rottura nel lungo termine.
Tecnologia ‘Smart Injection’
L’iniezione di vapore è una tecnologia che consente di aumentare le prestazioni del compressore, sia durante
il funzionamento invernale, sia durante il funzionamento estivo. Questo è reso possibile dall’aggiunta di un
secondo scambiatore a piastre, all’interno del quale si raffredda ulteriormente il flusso principale di
refrigerante liquido dopo la condensazione, permettendo così di migliorare la termodinamica del processo.
Tramite un valvola di laminazione secondaria, il refrigerante viene deviato e laminato allo scambiatore
secondario, dove scambia calore con il circuito primario: in questo modo il liquido condensato subisce un
sottoraffreddamento e il fluido laminato evapora prima di essere nuovamente iniettato, ad una pressione e
ad una temperatura intermedia, al compressore. L’iniezione di vapore porta importanti vantaggi quali:
Consente di ridurre la temperatura di scarico al compressore,
operando un raffreddamento durante il processo di compressione e
quindi previene zone di lavoro pericolose e poco favorevoli al
compressore
Riduce il lavoro di compressione, quindi la spesa di energia,
tramite la parziale compressione posseduta già dal vapore di iniezione
e “l’inter-refrigerazione” che essa comporta
Consente di aumentare l’efficienza del processo di evaporazione
tramite il sottoraffreddamento del liquido e di estrarre maggiore
potenza dall’aria, che sarà convertita quindi in effetto utile
Estende il campo di lavoro del compressore, ossia si possono
raggiungere temperature di evaporazione (e quindi dell’aria esterna)
molto basse, fino a -33°C di aria esterna
Grazie a questi vantaggi si ha un “booster”, ossia un potenziamento,
della pompa di calore, che presenta così maggiori COP e una maggiore
potenza resa.
Sistema di modulazione ad inverter
Maggiore efficienza
Maggiore durata di vita della pompa di calore: riduce i cicli di accensione e
spegnimento
Minore spesa elettrica
Minori dimensioni dell’accumulo inerziale, quindi minori ingombri
Maggiore silenziosità
L’inverter è un dispositivo elettronico che permette di variare la
frequenza di alimentazione del compressore rispetto alla frequenza
della rete elettrica nazionale. Al variare della frequenza di
alimentazione il compressore varia il proprio numero di giri per
rispondere a tutte le esigenze di regolazione e di sicurezza che un
impianto richiede. In particolare l’utilizzo dell’inverter permette di
migliorare l’efficienza energetica della macchina poiché i componenti
del ciclo frigo possono operare meglio, cioè risultano
sovradimensionati, quando la macchina modula: possono così ridursi
le differenze di temperatura tra refrigerante e fluido termovettore
all’interno degli scambiatori, riducendo il lavoro complessivo del
compressore.
Rispetto ad una macchina on-off, una macchina ad inverter è in grado,
all’interno del proprio campo di regolazione, di adattarsi alla richiesta energetica dell’edificio. Questo
permette, quando la richiesta non è massima, sia un risparmio economico dovuto alla minore energia
elettrica spesa dalla macchina in parzializzazione, sia di ridurre i cicli di accensione e spegnimento della
macchina, cosa che riduce gli stress subiti dal compressore, allungandone così la vita utile.
Per ridurre il più possibile le accensioni e gli spegnimenti di una macchina on-off quando si riduce la richiesta
dell’impianto, è necessario utilizzare serbatoi di accumulo di grandi dimensioni volumetriche: questo porta
ad elevati costi di impianto e a dispersioni termiche maggiori dovute alle grandi dimensioni dell’accumulo;
una macchina ad inverter invece, modulando la velocità del compressore e quindi la potenza resa, può essere
accoppiata ad un serbatoio di dimensioni minori: la macchina segue il set di temperatura rallentando la
velocità man mano che la temperatura effettiva si avvicina al set.
Modulando la potenza e quindi anche la velocità del ventilatore si riduce la rumorosità complessiva della
macchina.
Una macchina ad inverter infine presenta la maggiore efficienza quando la modulazione del compressore si
attesta a circa il 50% della capacità. Poiché si rileva che il carico termico effettivo di un impianto di
climatizzazione è, nel 90% del tempo, inferiore al 60% del carico nominale, si capisce come l’inverter sia di
fondamentale importanza per raggiungere elevati livelli di efficienza.
Separatore dell’olio in mandata
Il corretto livello di olio lubrificante e una buona fluidità dello stesso sono essenziali per il corretto
funzionamento e la longevità del compressore. Il separatore di olio è stato inserito proprio per garantire che
sia sempre presente nel compressore un buon apporto di lubrificante. Infatti per natura stessa del processo
di compressione, a causa degli attriti tra il gas e i componenti interni del compressore e a causa della velocità
stessa di avanzamento del refrigerante, l’olio viene man mano trascinato via insieme al refrigerante. Il
separatore garantisce che quasi tutto l’olio contenuto nel compressore non entri in circolo all’interno del
circuito.
Il separatore dell’olio, posto in serie al compressore nel tratto di mandata, ha la funzione di ripulire il
refrigerante dal lubrificante. Questo è utile per 3 motivi principalmente:
1) L’olio lubrificante è necessario per il funzionamento del compressore, quindi
idealmente dovrebbe rimanere al 100% all’interno dell’organo in movimento. Il
separatore dell’olio, con un’efficienza del 98-99% garantisce che solo una minima
parte di olio fugga dal compressore.
2) L’olio all’interno del circuito frigo si deposita sulle superfici creando uno strato
isolante che riduce lo scambio termico e quindi l’efficienza della macchina, in
quanto la sua presenza all’interno del circuito non concorre all’effetto utile.
3) Allo stesso modo il refrigerante contaminato con l’olio ha proprietà di scambio
termico diverse rispetto all’R410A puro, quindi le prestazioni del refrigerante
“sporco” risultano non più ottimizzate per la macchina in questione, andando a
ridurre l’efficienza generale di funzionamento.
Assicura
una
corretto
ritorno
dell’olio al compressore
Migliora l’efficienza della macchina
in ogni condizione operativa
Il separatore dell’olio è costituito da un filtro attraverso il
quale scorre il refrigerante, che si trova in stato gassoso.
L’olio contenuto nel refrigerante viene trattenuto da
questo filtro e cade nella parte bassa del serbatoio, dove
un capillare lo preleva per mandarlo al circuito di
raffreddamento in batteria.
Ventilatore BLDC modulante e silenzioso dotato di boccaglio aria e griglia,
controllato tramite MODBUS RS485 dalla scheda elettronica programmabile
Motore BLDC inverter: permette un campo di regolazione più preciso e flessibile
Silenzioso: è possibile scegliere tra 5 modalità di funzionamento a crescente livello di
silenziosità
Silenzioso: diametro più grande per garantire la stessa portata con un numero di giri
inferiore
Modulazione della velocità in funzione della richiesta dell’impianto
Modulazione della velocità per allargare la zona operativa
Bassi consumi elettrici: assorbimento massimo di 375 W
Il ventilatore movimenta l’aria attraverso la batteria alettata.
La scelta progettuale attuata prevede l’utilizzo di un singolo
ventilatore di diametro 800 mm dimensionato per
ottimizzare il flusso d’aria. Il dimensionamento del ventilatore
è un nodo particolarmente importante in quanto deve
garantire un corretto apporto d’aria alla batteria senza essere
troppo rumoroso, ossia contenere il numero di giri. Questo è
possibile grazie al diametro elevato della ventola che realizza
una superficie aspirante che va ad essere molto simile a
quella della batteria.
Il motore del ventilatore è comandato dalla scheda elettronica principale tramite rete RS-485 che modula la
sua velocità di rotazione in funzione della richiesta. A differenza dei ventilatori on-off, con motore AC o con
taglio di fase, un motore BLDC comandato via rete RS-485 presenta un campo di modulazione molto esteso,
una maggiore efficienza e una potenza richiesta minore. Il ventilatore viene fornito con il proprio boccaglio,
aerodinamicamente ottimizzato per aumentarne l’efficienza e ridurre la rumorosità
A queste caratteristiche tecniche all’avanguardia si affianca una gestione del ventilatore tramite scheda
elettronica molto particolare che aumenta ulteriormente l’efficienza e il campo di lavoro della macchina. Tale
gestione consiste nel controllo delle temperature di evaporazione/condensazione alla batteria alettata:
quando la temperatura della sorgente termica esterna è tale da rendere la temperatura di
evaporazione/condensazione prossima al limite di lavoro del compressore, il ventilatore interviene
modulando la propria velocità per favorire l’allontanamento da questa condizione critica di lavoro. Questo
permette quindi, anche con condizioni più spinte, un funzionamento stabile e costante della macchina. Un
esempio: se la macchina è chiamata a lavorare in pompa di calore con temperature esterne elevate, ad
esempio per la produzione dell’acqua sanitaria, è possibile che la temperatura di evaporazione tenda a salire
sopra il suo limite massimo. In questo caso il ventilatore rallenterà per favorire un abbassamento della
temperatura di evaporazione.
L’utente può inoltre scegliere tra 5 diversi regimi di velocità, che portano ad altrettanti livelli di silenziosità. E’
quindi possibile, ad esempio, impostare un funzionamento notturno con un regime di rotazione ad un più
basso numero di giri, e un funzionamento giornaliero a velocità più spinta.
Batteria alettata con rivestimento idrofilico, alette corrugate con passo di
2,5mm, tubo corrugato interno e telaio in alluminio per evitare formazione
ruggine.
La batteria di scambio termico rappresenta un organo
Rivestimento idrofilico
chiave per garantire efficienza della macchina,
prestazioni ottimizzate e un funzionamento affidabile Passo alette 2,5 mm
della pompa di calore. Alla base della progettazione della
nostra pompa di calore si pone il dimensionamento della Spessore aletta 0,15 mm
batteria: è stato scelto di utilizzare una batteria
sovradimensionata per garantire un migliore scambio Batteria sovradimensionata per una
maggiore efficienza energetica
termico e conseguentemente maggiore efficienza. La
potenza scambiata infatti è direttamente proporzionale
Circuiti di raffreddamento olio e di
alla superficie di scambio e alla differenza di
sottoraffreddamento del refrigerante
temperatura tra l’aria e il refrigerante. Quindi, a parità di
condensato
potenza termica scambiata con l’aria, una maggiore
superficie di scambio consente di mantenere una minore differenza di temperatura tra l’aria esterna e il
refrigerante in evaporazione. Ciò inoltre consente di aumentare il campo di lavoro della macchina: infatti,
dato il limite inferiore di temperatura di evaporazione che il compressore può sopportare, minore è la
differenza di temperatura tra l’aria e il flusso in evaporazione tanto più bassa sarà la temperatura dell’aria
esterna alla quale la macchina riesce a lavorare. La nostra
pompa di calore lavora infatti fino a -33°C di temperatura
dell’aria esterna.
Se una macchina è stata progettata come pompa di calore
lo si vede anche dalla configurazione della batteria. La
batteria ha un rivestimento idrofilico, un processo
produttivo che consiste in un trattamento esterno
particolare nelle fasi di produzione, che consente alla
goccia di condensa che si deposita sulle alette, di scivolare
via ed evita che questa, e così anche le gocce successive, si
ghiaccino sull’aletta andando ad ostruire il passaggio
dell’aria. Il rivestimento idrofilico si nota dalla caratteristica
colorazione azzurrina delle lamelle della batteria. Una
colorazione delle lamelle grigia, solitamente utilizzata sulle
pompe di calore derivate dai chiller, denota l’assenza del
trattamento idrofilico. Le alette hanno uno spessore di 0,15
mm, anziché i classici 0,11 mm, cosa che contribuisce a migliorare lo scambio termico. Inoltre la distanza tra
ogni aletta è pari a 2,5 mm, soluzione che rallenta l’ostruzione dell’area di passaggio dell’aria per opera della
brina. Questo permette di allungare i tempi di lavoro posticipando e limitando i cicli di defrost.
Le alette sono inoltre corrugate, per consentire una migliore canalizzazione del flusso d’aria e aumentare lo
scambio termico.
I tubi di passaggio del refrigerante sono in rame e corrugati internamente, per consentire un migliore
scambio termico con l’aria esterna. I tubi sono disposti su tre ranghi, e raggruppati in vari circuiti, il cui
numero è ottimizzato per il funzionamento in pompa di calore; in questa modalità il refrigerante fluisce
all’interno della batteria in direzione inversa rispetto al flusso dell’aria, secondo una configurazione detta in
controcorrente, che migliora lo scambio termico.
In ingresso alla batteria di evaporazione è presente un distributore, che consente la distribuzione omogenea
del refrigerante. Rispetto agli standard progettuali, la sezione dei capillari in partenza dal distributore è
maggiore, e ciò consente una maggiore silenziosità e minori perdite di carico del refrigerante. Particolare
importanza è data al tratto rettilineo di arrivo al distributore: questo tratto è stato allungato e rivolto verso
l’alto per consentire una migliore miscelazione delle fasi liquida e gassosa del refrigerante in ingresso alla
batteria. Altresì un tratto corto in seguito ad una curva causa una disomogenea miscelazione con
conseguente maldistribuzione alla batteria.
Innovazioni tecniche di rilievo sulla batteria alettata
La batteria alettata presenta due principali innovazioni rispetto alle altre pompe di calore presenti sul
mercato. Sono infatti state implementate due importanti modifiche dei circuiti nella parte inferiore della
batteria: per prima cosa, è stato progettato un metodo aggiuntivo di sottoraffreddamento del refrigerante
liquido prima della laminazione. In questo modo si attua, tramite il passaggio dell’aria, un ulteriore
sottoraffreddamento che aumenta l’efficienza della macchina. La seconda modifica riguarda il circuito di
raffreddamento dell’olio: l’olio, proveniente dal separatore, viene raffreddato ancora una volta tramite il
passaggio dell’aria. L’olio viene poi iniettato in aspirazione al compressore. Raffreddare l’olio ha permesso di
ridurre la temperatura di scarico al compressore, aumentando l’efficienza della macchina e il campo di
lavoro.
Queste modifiche hanno inoltre permesso di rendere la parte inferiore della batteria una zona più calda dove
non si ha la formazione di ghiaccio. Ciò impedisce alle gocce, che scivolano dalle alette, di depositarsi e
formare uno zoccolo spesso di ghiaccio durante il funzionamento in pompa di calore.
COMPONENTI IN DOTAZIONE
COMPONENTE
Separatore dell’olio
Separatore del liquido
Ricevitore di liquido
Valvola principale e valvola d’iniezione
elettroniche
Pannello di controllo remoto
Antivibranti in gomma
Vaschetta raccogli condensa
Isolamento termoacustico del vano
frigo
Refrigerante R410A
FUNZIONALITA’ DISPONIBILI
FUNZIONALITA’
Defrost intelligiente
Gestione del ventilatore
5 set di velocità del
ventilatore
Protezione antigelo
invernale ed estiva
Gestione integrata della
caldaia
Ciclo antilegionella
Ritorno olio
Possibilità di limitare il
consumo di potenza
elettrica
Curva climatica
Gestione di diverse fasce
orarie
Tempi e modalità di defrost gestiti direttamente dalla scheda
elettronica, in modo da realizzare uno sbrinamento solo
quando c’è un effettivo bisogno
Gestione del ventilatore tramite scheda elettronica per
garantire un ampio range di funzionamento in funzione delle
temperature esterne (funzionamento in pompa di calore fino a
+35°C esterni)
Possibilità di impostare 5 set diversi di velocità del ventilatore a
crescente livello di silenziosità.
Protezione antigelo invernale contro il rischio di ghiaccio per le
tubazioni idrauliche situate all’esterno.
Protezione antigelo estiva che limita la temperatura di
mandata a minimo 3°C.
Possibilità di gestire la caldaia direttamente attraverso la
scheda elettronica, secondo una logica di funzionamento già
implementata e testata.
Possibilità di impostare la programmazione dei cicli
antilegionella con frequenza giornaliera o settimanale,
effettuati da resistenza integrativa.
Procedura di ritorno olio gestita dalla scheda elettronica per
garantire una corretta lubrificazione del compressore anche a
basso numero di giri
E’ presente all’interno del software una funzione che limita la
potenza assorbita dalla macchina quando richiesto, ad esempio
in presenza di un contatore elettrico a limitata potenza.
Variazione del setpoint dell’impianto in funzione della
temperatura esterna, per aumentare risparmio ed efficienza
energetica.
La macchina può funzionare secondo diverse fasce orarie preimpostate dall’utente.
