Controllo dinamico dei cicli di sbrinamento nelle pompe

Pompe di Calore &
Multifunzione
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Controllo dinamico dei cicli di
sbrinamento nelle pompe di calore
evaporanti ad aria: il sistema IDEA®
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INDICE
0 .......... PREMESSA
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1 .......... LA FORMAZIONE DI BRINA SULLE BATTERIE EVAPORANTI
5
1.1 INFLUENZA DELLA GEOMETRIA DELLE BATTERIE
6
1.2 BATTERIE EVAPORANTI DI NUOVA TECNOLOGIA
7
1.3 INFLUENZA DELLA PARZIALIZZAZIONE DELLA POTENZA
8
1.4 AREA DI FORMAZIONE DELLA BRINA
9
1.5 CONSEGUENZE DELLA FORMAZIONE DI BRINA SULLA BATTERIA
10
2 .......... I CICLI DI SBRINAMENTO
11
3 .......... LA GESTIONE DEI CICLI DI SBRINAMENTO
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3.1 I SISTEMI TRADIZIONALI
11
3.2 IL NUOVO SISTEMA IDEA
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4 .......... CONCLUSIONI
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di calore evaporanti ad aria: il nuovo sistema IDEA
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Premessa
La formazione di brina e i conseguenti necessari cicli di sbrinamento rappresentano, per le pompe di
calore evaporanti ad aria, sia per il riscaldamento dell’acqua, sia per il riscaldamento dell’acqua, un
aspetto fondamentale che ne condiziona le prestazioni durante il funzionamento in ciclo invernale.
Una progettazione ottimale delle batterie di scambio non è di per se stessa sufficiente per ridurre le
perdite energetiche connesse al fenomeno, se non accompagnata da una gestione corretta del ciclo di
sbrinamento, comunque necessario e inevitabile. La presente relazione esamina i principi di
funzionamento di un nuovo sistema di gestione dello sbrinamento denominato IDEA, Intelligent
Defrosting system for Energy saving Applications, brevettato e introdotto nel mercato europeo, e ne
confronta i benefici rispetto ai tradizionali sistemi ancora utilizzati dalle pompe di calore tradizionali.
1
La formazione di brina sulle batterie evaporanti
Durante il funzionamento invernale delle pompe di calore si forma brina sulla superficie delle batterie
evaporanti qualora si verifichino simultaneamente le due seguenti condizioni:
a) diminuzione dell’umidità assoluta dell’aria tra ingresso e uscita della batteria evaporante con
conseguente deposito sulla sua superficie della condensa prodotta;
b) temperatura superficiale della batteria evaporante inferiore a 0°C.
Come è visibile nel diagramma psicrometrico riportato in figura 1, la diminuzione dell’umidità assoluta tra
ingresso e uscita dalla batteria, quindi sostanzialmente il crearsi di uno scambio di calore con
componente latente, non dipende tanto dalla temperatura dell’aria, quanto dalla sua umidità assoluta. La
figura mostra, infatti, lo scambio che avviene in una data batteria in due differenti casi, entrambi con
temperatura dell’aria di 4°C, ma in presenza di diversi valori di UR, rispettivamente 90% e 50%. Benché
per entrambe le trasformazioni la temperatura superficiale della batteria sia inferiore a 0°C, una
variazione dell’umidità assoluta si ha solamente nel caso di UR pari a 90%.
Figura 1: trasformazioni dell’aria sulla batteria evaporante per diversi valori di umidità relativa
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L’osservazione della figura 1 mette in risalto un altro aspetto molto interessante per la comprensione del
problema: il valore di ∆x, cioè la variazione di umidità assoluta della trasformazione, dipende
sostanzialmente dalla pendenza della curva di saturazione e quindi, a parità di ogni altra condizione, è
maggiore per maggiori temperature dell’aria. Poiché la quantità di ghiaccio formatasi sulle batterie,
qualora la loro temperatura superficiale sia inferiore a 0°C, è pari alla portata di massa dell’aria trattata
per il ∆x, ne consegue che, a parità di umidità relativa, essa diminuisca al diminuire della temperatura
dell’aria.
1.1 Influenza della geometria delle batterie
La temperatura superficiale delle batterie dipende, a parità di portata d’aria trattata, esclusivamente dalla
geometria delle stesse, quindi dal loro dimensionamento, dal passo e tipo delle alette, dal numero dei
ranghi. Una batteria evaporante, in quanto parte integrante del circuito frigorifero, deve sempre
scambiare il calore necessario a equilibrare la potenza frigorifera del compressore che, a sua volta, varia
in modo direttamente proporzionale alla temperatura di evaporazione. Si supponga di avere un circuito
frigorifero con batteria evaporante che, in certe condizioni di funzionamento, lavori con una determinata
temperatura di evaporazione: se si sostituisce la batteria utilizzata con una più piccola, la temperatura di
evaporazione diminuisce fino al valore di equilibrio tra la nuova potenza fornita dal compressore e la
potenza scambiata dalla batteria.
La temperatura superficiale della batteria è sempre superiore alla temperatura di evaporazione: questa
differenza è tanto maggiore quanto più elevato è lo scambio di calore latente, quindi la variazione di
umidità assoluta ottenuta durante la trasformazione. Le leggi che regolano i fenomeni di scambio delle
batterie sono molto complesse ed esulano dagli scopi prefissati: ai fini del presente lavoro, si può
ritenere che la temperatura superficiale della batteria sia superiore a quella di evaporazione di un valore
che varia dai 1,5K a 3K secondo condizioni di funzionamento.
La temperatura superficiale della batteria varia, quindi, in funzione della configurazione geometrica della
batteria stessa. Benché non vi siano limiti teorici, in termini pratici nelle pompe di calore di serie il
dimensionamento delle batterie è effettuato rispettando dei vincoli dimensionali e di costo: in generale è
quindi possibile tracciare un andamento della temperatura superficiale delle batterie per macchine di
serie così come riportato in figura 2.
Come si può osservare, la temperatura superficiale è tanto più elevata quanto maggiore è il valore
dell’umidità relativa in quanto aumenta lo scambio latente, con conseguenti benefici per la resa e
l’efficienza del ciclo frigorifero. I valori riportati in figura 2 possono essere ritenuti validi con buona
approssimazione per le pompe di calore di serie dei principali costruttori con le seguenti
approssimazioni:
•
Per motivi legati all’ottimizzazione produttiva, le dimensioni delle macchine di una certa serie non
variano per ogni singola grandezza, ma a più taglie compete una dimensione di mobile. Per
incrementare la potenza scambiata dalle batterie si lavora generalmente sul numero di ranghi:
può tuttavia capitare che, all’interno di una serie di macchine, i valori ottenibili si possano
discostare anche di 2K dai valori riportati.
•
Pompe di calore con ventilatori centrifughi, quindi progettate per installazione all’interno degli
edifici e occupare il minor spazio possibile, possono avere temperature superficiali inferiori di
oltre 2K
•
Al contrario, pompe di calore a bassa emissione sonora possono avere valori di circa 2K più alti
qualora nel funzionamento invernale lavorino con i ventilatori a piena portata.
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TEMPERATURAARIA[°C]
Figura 2: temperatura superficiale delle batterie evaporanti in funzione delle condizioni termoigrometriche dell’aria
esterna
In ogni caso, i valori citati in precedenza valgono per batteria pulita: lo sporco accumulatosi tra le
superfici di scambio durante il funzionamento della pompa di calore, se non rimosso sistematicamente,
può portare a una drastica diminuzione della temperatura superficiale, con conseguente diminuzione
delle prestazioni.
E’ interessante notare che, a un certo punto, le curve tendono a sovrapporsi, a mano a mano che lo
scambio diviene esclusivamente sensibile.
1.2 Batterie evaporanti di nuova tecnologia
Quanto appena espresso sulla geometria delle batterie, può mutare discretamente quando le stesse
sono superficialmente trattate idrofiliche. Questo trattamento può essere utilizzato nelle batterie per
evaporazione e per raffreddamento allo scopo di ottenere una condensazione a film del vapore acqueo
sulle pareti delle alette. Con tale trattamento, queste ultime sono rese idrofiliche e quindi “bagnabili”
evitando così la formazione di gocce che assumono forma allungata con un angolo di tangenza minore
di 30° evitando il fastidioso trascinamento da parte del flusso d'aria.
Riassumendo, il trattamento idrofilico offre i seguenti vantaggi:
•
impedisce la riduzione della sezione di passaggio dell’aria ed evita, quindi, un aumento delle
perdite di carico;
•
consente passi delle alette ridotti altrimenti sconsigliabili, per ovvi motivi, in presenza di gocce
d’acqua;
•
permette velocità più alte dell’aria senza il rischio di trascinamento delle gocce.
I vantaggi di cui sopra sono ancora più accentuati nei casi di batterie con alette turbolenziate.
Le ultime tecnologie adottate nelle batterie evaporanti sorgente aria riguardano i distributori del gas
realizzati per massimizzare l’uso della superficie di scambio e l’incremento del passo alette da 1,8 mm. a
2,1 mm. privilegiando le soluzioni a 3Ranghi, tali da ridurre drasticamente la perdita di carico sul lato
aria. e, indirettamente, migliora le performance dei ventilatori. Inoltre, l’omogeneità della formazione di
ghiaccio sulla superficie allunga i tempi fra uno sbrinamento e l’altro.
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Studi effettuati sulle perdite di carico negli evaporatori ad aria: 90% nei distributori e 10% nei tubi, hanno
consentito di ottimizzare le perdite di carico nella batteria con effetto diretto sulla distribuzione del gas e
indiretto sulla omogeneità di formazione della brina sulla superficie esterna.
Figura 3: la distribuzione del gas refrigerante con differente equilibrio delle perdite di carico (90% nei distributori e
10% nei tub), premette di ottenere un più omogeneo ed efficace assorbimento del calore
A differenza delle batterie ad aria per la sola condensazione del refrigerante (ciclo solo estivo), su quelle
adibite anche all’evaporazione (ciclo reversibile a pompa di calore) è opportuno eliminare il circuito di
sottoraffreddamento utilizzando, così, tutti i tubi di tutti i ranghi esclusivamente per l’evaporazione (ciclo
invernale). In termini di omogeneità di formazione del ghiaccio e superficie di scambio si sono ottenuti,
così, risultati eccellenti. Nelle immagini successive è possibile valutare anche due circuiti in cui uno brina
mentre l’altro, contemporaneamente, permette la produzione continua di acqua calda.
Figura 4: l’eliminazione del sottoraffreddamento,l’applicazione del trattamento idrofilico sulle alette di alluminio, la
diversa distribuzione del gas refrigerante permettono alle nuove batterie evaporanti un brinamento più omogeneo e
ridotte nel tempo
1.3 Influenza della parzializzazione della potenza
La parzializzazione della potenza generata da una pompa di calore può portare benefici al suo
funzionamento. Quasi tutte le macchine presenti sul mercato sono realizzate con circuiti singoli per ogni
compressore: pertanto, qualora questi non abbiano parzializzazioni aggiuntive, ogni circuito si comporta
come una macchina a sé stante. Quindi, in una pompa di calore a due compressori, quando il carico è
parzializzato al 50% (un dei due compressori spento) la temperatura superficiale della batteria del
circuito in funzione rimane inalterata. Al contrario, qualora la potenza del compressore possa essere
regolata autonomamente, la temperatura di evaporazione e, di conseguenza, quella superficiale della
batteria, aumenta poiché la stessa superficie di scambio lavora con una portata di refrigerante minore,
aumentando la propria efficienza di scambio.
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TEMPERATURA ARIA [°C]
Figura 5: temperatura superficiale della batteria per circuiti parzializzati al 50%
Nella figura 5 è riportato l’andamento della temperatura superficiale nel caso di circuiti parzializzati al
50%.
1.4 Area di formazione della brina
E’ ora possibile tracciare sul diagramma psicrometrico un’area all’interno della quale avviene la
formazione di brina sulle batterie evaporanti, cosi come mostrato in figura 6.
Figura 6: area di formazione di brina sulle batterie evaporanti
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Come si vede chiaramente, la formazione di brina può avvenire solamente per valori di U.R. superiori al
50%. L’area si riduce drasticamente in caso di parzializzazione del singolo circuito proprio a causa delle
migliorate condizioni di scambio che elevano la temperatura superficiale della batteria. Analogamente,
pompe di calore con batterie abbondanti, come nel caso delle macchine super silenziate, presentano
un’area di formazione di brina più ristretta; al contrario le pompe di calore con ventilatori centrifughi
presentano un’area di formazione di brina più estesa. Discorso analogo va fatto per macchine con
batteria sporca.
La quantità di ghiaccio formatasi non è uniforme in tutta l’area, ma è massima nel punto d’innesco del
fenomeno sulla curva di saturazione, per diminuire all’allontanarsi da questo e si annulla lungo la curva
limite inferiore. Ciò dimostra che i punti critici per la formazione del ghiaccio in una pompa di calore sono
sempre quelli prossimi al punto d’innesco del fenomeno sulla curva di saturazione: più alta è la
temperatura di innesco della brina e maggiore è la quantità di ghiaccio che si forma sulla batteria.
1.5 Conseguenze della formazione di brina sulla batteria
Il fenomeno della formazione della brina, se non controllato, porta rapidamente al blocco della pompa di
calore per bassa pressione. Lo strato di ghiaccio che si forma sulla superficie della batteria riduce, sia le
caratteristiche di scambio termico in quanto funge da isolante, sia l’area di passaggio dell’aria,
aumentando le perdite di carico. Di fatto è come se la superficie di scambio si riducesse a mano a mano
al procedere della formazione di ghiaccio. Così, il suo duplice effetto fa diminuire la temperatura di
evaporazione e, di conseguenza, anche la temperatura superficiale con conseguente incremento del ∆x
In breve, più aumenta lo strato di ghiaccio, più si riduce la superficie di scambio e più aumenta la
formazione di brina.
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B AT TE RIA B RI NAT A
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Figura 7: andamento temporale dei parametri di funzionamento di una pompa di calore
La figura 7 mostra l’andamento temporale dei parametri di funzionamento principali (temperatura e
pressione di evaporazione, temperatura superficiale della batteria, potenza termica fornita, COP) di una
pompa di calore in caso di batteria pulita e in caso di formazione di brina. Si noti come, mentre nel primo
caso l’andamento rimane costante nel tempo, nel secondo si ha un rapido deterioramento, causato
proprio dalla presenza di brina. Tale deterioramento è tanto più rapido quanto maggiore è la quantità di
ghiaccio che si forma nell’unità di tempo e quindi è sempre massimo per condizioni prossime al punto
d’innesto del fenomeno sulla curva di saturazione.
In particolare, la figura mostra il caso di una pompa di calore che lavora a basse temperature, ma senza
formazione di brina, confrontandola con un’altra analoga che però lavori in prossimità del punto
d’innesco. Mentre per la prima i valori pur bassi si mantengono costanti, per la seconda i valori dei
parametri si abbassano nel tempo. Questo concetto è molto importante e sarà richiamato nel successivo
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capitolo 3 per spiegare il funzionamento della logica di sbrinamento dinamica IDEA e confrontarla ai
sistemi tradizionali statici.
2
I cicli di sbrinamento
Una volta innescato, il fenomeno di formazione della brina aumenta d’intensità in modo esponenziale
fino a che la batteria non si ricopre completamente di ghiaccio e le sicurezze della macchina non ne
blocchino il funzionamento. Per evitare questa circostanza, nelle pompe di calore evaporanti ad aria si
effettuano cicli di sbrinamento per eliminare il ghiaccio che incrosta le superfici di scambio.
I sistemi generalmente utilizzati per effettuare lo sbrinamento sono due: l’inversione di ciclo e l’iniezione
di gas caldo. L’inversione di ciclo, di gran lunga la più utilizzata, consiste nell’invertire il ciclo di
funzionamento della macchina da invernale a estivo: in questo modo la batteria di scambio, tornando a
lavorare come condensatore, è alimentata da gas caldo che scioglie e stacca il ghiaccio dalla superficie.
Anche con il sistema d’iniezione di gas caldo la batteria viene attraversata da fluido caldo, senza tuttavia
che sia completamente invertito il ciclo frigorifero.
Indipendentemente dal sistema utilizzato, i cicli di sbrinamento non sono indolori per la pompa di calore.
Innanzitutto lo sbrinamento comporta una perdita energetica dovuta all’effetto congiunto del consumo
del compressore durante il ciclo e alla sottrazione di calore dall’impianto effettuata dal condensatore
divenuto evaporatore. Questa perdita può essere quantificata in circa il 10% per ogni ciclo.
Molto fastidiosa per il funzionamento dell’impianto è la sottrazione di calore da parte del condensatore
divenuto evaporatore. Se per le pompe di calore aria–acqua questo fenomeno può essere controllato
con un contenuto d’acqua dell’impianto adeguato, nelle macchine aria–aria la sottrazione deve avvenire
direttamente dall’ambiente: l’evaporatore va a raffreddare proprio l’aria immessa in ambiente, con
conseguente disturbo per il benessere.
Lo sbrinamento comporta, inoltre, una maggiore usura sui compressori. Durante l’inversione del ciclo, si
invertono le parti del circuito ad alta e a bassa pressione, con inevitabili stress su tutti gli organi del
circuito, problemi di fuoriuscita di olio dalla coppa del compressore e, soprattutto, rischio di ritorno di
liquido all’aspirazione del compressore. Tutto ciò porta a un deterioramento degli organi.
3
La gestione dei cicli di sbrinamento
Per far funzionare in modo adeguato una pompa di calore evaporante ad aria e salvaguardare al tempo
stesso il consumo energetico, il benessere ambientale e il comfort termico delle persone è necessario
limitare al minimo necessario il numero dei cicli di sbrinamento. Ciò è possibile solamente se la logica
che sovraintende la chiamata dei cicli è in grado di riconoscere la reale presenza di ghiaccio sulla
batteria, cosa non possibile con i sistemi tradizionali.
3.1 I sistemi tradizionali
I sistemi più diffusi attualmente sono di tre tipi: il primo è basato solamente sul tempo, il secondo integra
il comando a tempo con una lettura di temperatura e il terzo, più completo, integra il tempo con una
doppia lettura di temperatura e pressione.
Il primo è il più vecchio e largamente diffuso, almeno fino all’introduzione dell’elettronica sulle macchine.
Con questo sistema lo sbrinamento è attivato a tempo, ad esempio ogni 30 minuti, indipendentemente
dalle condizioni dell’aria.
Il secondo sistema effettua una lettura di temperatura dell’aria in uscita dalla batteria: se questa è
inferiore a un valore prefissato, generalmente 3°C, parte il conteggio. Se dopo il tempo predefinito,
generalmente 30 minuti, la temperatura è ancora inferiore al valore assegnato, parte lo sbrinamento.
Questo sistema è largamente adottato per le pompe di calore di piccola e media potenza dalla maggior
parte dei costruttori.
A prima vista può sembrare che questo secondo sistema sia in grado di evitare lo sbrinamento in molte
situazioni: questo però non è vero se si pensa a come sono impostati i parametri di regolazione. Per
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essere certi di sbrinare ogniqualvolta si formi il ghiaccio bisogna tarare la temperatura minima non più
bassa di 1,5°C (differenza tra aria in uscita e superficie della batteria). Si può giocare con il tempo, ma
bisogna pensare che la taratura deve necessariamente tenere presenti le condizioni peggiori in assoluto
che si possono verificare durante la stagione, soprattutto nelle fasi di avviamento della macchina al
mattino. Nei climi del nord Italia, ad esempio, si deve sempre prevedere la possibilità di avere una
situazione di 5°C con nebbia. Quindi, il tempo deve essere necessariamente breve, massimo 30 minuti,
per evitare rischi di blocco in condizioni critiche.
Il terzo sistema permette un controllo più coerente, perché gioca su due differenti parametri: temperatura
dell’aria e pressione di evaporazione. Pensando sempre ai climi dell’Italia del Nord, prevedendo
situazioni di 5°C con nebbia, la logica della regolazione è questa: se la pressione del refrigerante scende
sotto 5,4 bar (con R410A significa avere una temperatura di evaporazione di - 7°C), si contano 30 minuti
e se, dopo questo tempo, la temperatura dell’aria a valle della batteria è inferiore a 0°C scatta lo
sbrinamento.
Tutti questi sistemi non sono in grado di riconoscere la reale presenza di ghiaccio sulla batteria e
chiamano lo sbrinamento solamente effettuando una lettura statica di alcuni parametri. Inoltre richiedono
sempre l’intervento umano per fissare i parametri limite: ciò significa esporsi a errori sempre possibili o a
eccessi di prudenza. Generalmente la taratura della macchina è eseguita dal frigorista della casa
costruttrice o da chi gestisce l’impianto: lo scopo di queste persone è quello di far funzionare sempre la
macchina, anche nelle condizioni più critiche. Meglio allora, per loro che non pagano certo la bolletta
elettrica, che la pompa di calore effettui uno sbrinamento in più piuttosto che si blocchi la macchina con
la batteria ghiacciata. Inoltre la loro taratura deve necessariamente tenere conto del fatto che la batteria
si sporca durante il suo funzionamento, specialmente in inverno quando può essere invasa dal fogliame,
con il conseguente allargamento dell’area di formazione di brina, secondo quanto visto in precedenza.
Per far riconoscere la presenza di ghiaccio si è pensato di installare un pressostato differenziale in modo
da individuare un aumento di perdita di carico dovuto alla presenza di brina. Il sistema può essere
utilizzato in macchine canalizzate, quindi con ventilatori centrifughi, ma non in pompe di calore con
batterie esposte all’ambiente perché troppo influenzabili dal vento. Analogamente, non offre sufficienti
garanzie un sistema basato su misure di spessore della brina, simili a quelle utilizzate nelle banche del
ghiaccio, perché lo spessore non si forma in modo uniforme sulle batterie e il collocamento dei
pressostati sarebbe problematico.
3.2 Il nuovo sistema IDEA
Il sistema automatico, denominato IDEA (Intelligent Defrosting system for Energy-saving Applications)
permette di ovviare a tutti gli inconvenienti e alle carenze che, con tutti I precedenti sistemi illustrati si
riscontrano.
Il concetto guida del sistema IDEA è molto semplice: il microprocessore è in grado, da solo, di capire se i
parametri che sta leggendo derivano dalla presenza di brina sulla batteria o piuttosto dalle condizioni
ambientali esterne. Ad esempio, si può leggere una pressione di evaporazione 4,8 bar e una
temperatura dell’aria, a valle della batteria, di -9°C perché la pompa di calore sta lavorando con aria a 5°C e umidità del 40%, quindi senza alcuna formazione di brina, oppure a 5°C con umidità del 100% e
batteria colma di ghiaccio. Con i sistemi tradizionali è impossibile cogliere la differenza: IDEA riesce a
discernere i due casi effettuando letture dinamiche sui vari parametri, non più letture statiche. I sistemi
tradizionali visti in precedenza fotografano una situazione in un determinato momento, la rifotografano
dopo un certo tempo paragonando i parametri letti istantaneamente con i valori limite preimpostati: si
disinteressano totalmente di come si è evoluta la situazione. Nel caso precedente, i sistemi tradizionali
chiamerebbero comunque lo sbrinamento anche per la macchina che lavori con aria a -5°C e batteria
perfettamente pulita, solamente perché i valori letti sono entrambi la soglia dei valori limite.
Il nuovo sistema IDEA, invece, filma in continuazione l’andamento dei parametri e, in base alla loro
evoluzione, capisce quando vi sia formazione di brina sulla batteria. Se la pompa di calore lavorasse a
bassa temperatura dell’aria esterna, pressione di evaporazione e temperatura a valle della batteria
sarebbero basse, ma si manterrebbero costanti nel tempo; se invece la pompa di calore lavorasse con
temperatura dell’aria superiore a 0°C, ma con alta umidità relativa, pressione e temperatura
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diminuirebbero nel tempo sempre più rapidamente in funzione dello spessore di ghiaccio formatosi sulla
batteria, così come mostrato in figura 7.
In pratica il sistema IDEA esegue una lettura dinamica dei parametri, mentre gli altri sistemi eseguono
solo letture statiche.
I vantaggi di un sistema dinamico possono essere facilmente riassunti. Prima di tutto la pompa di calore
effettuata i cicli di sbrinamento quando questi diventano realmente necessari. In questo modo, non solo
si evitano sbrinamenti indesiderati, ma si ottimizza la sequenza temporale, stringendola o allargandola in
funzione delle condizioni termoigrometriche dell’aria. Per comprendere meglio, i sistemi tradizionali
effettuano lo sbrinamento solamente dopo il tempo minimo impostato, ad esempio i 30 minuti già citati.
Ci possono essere condizioni particolari ove questo tempo è eccessivo, perché la formazione di brina in
batteria è particolarmente abbondante: un caso tipico è l’avviamento al mattino delle pompe di calore
con temperatura fredda dell’impianto. La bassa temperatura di condensazione aumenta la resa delle
macchine, aumentando di conseguenza anche l’evaporazione e quindi la capacità di deumidificazione
della batteria evaporante. Il mattino presto l’umidità relativa è sempre più alta che durante il giorno: il
connubio tra elevata evaporazione e alta umidità porta a un rapido addensamento di ghiaccio sulla
batteria. Il tempo di sbrinamento impostato per situazioni di regime può essere scarso nei transitori di
avviamento; i famosi 30 minuti, in molti casi, dovrebbero diventare 15 in queste particolari condizioni:
logicamente, con un sistema tradizionale ciò non è possibile, pena un cattivo funzionamento della
macchina a regime. Per questo motivo spesso le pompe di calore hanno serie difficoltà in avviamento,
con reiterati interventi della sicurezza di bassa pressione.
Un sistema intelligente è invece in grado di prevenire questi inconvenienti, attuando gli sbrinamenti nel
momento esatto del bisogno: magari ogni 15 minuti in avviamento per poi dilatarli a 1 ora, 2 ore o
eliminarli quando non più necessari.
Altro vantaggio del sistema IDEA è l’assoluta indipendenza dall’intervento umano. I sistemi tradizionali
richiedono l’impostazione dei valori limite: come si sa, non sempre chi mette le mani su un gruppo
frigorifero ha la competenza necessaria per farlo e quindi possono spesso esserci gravi errori
d’impostazione o manomissioni a impianto in corso. Non solo, ma durante il funzionamento dell’impianto
le condizioni della batteria possono cambiare a causa della sporcizia accumulata: il sistema dinamico è
in grado di adattarsi alle mutate condizioni a differenza di un sistema tradizionale. Il sistema non richiede
alcun intervento umano, perché si basa solo sulla lettura dinamica dei parametri di funzionamento, dati
assolutamente oggettivi. In questo modo c’è l’assoluta impossibilità di errore da parte umana.
In sintesi i vantaggi sono :
•
ottimizzazione del funzionamento della pompa di calore;
•
ottimizzazione del funzionamento dell’impianto;
•
risparmio annuo di esercizio stimabile tra il 10% e il 20%;
•
nessuna possibilità di errori di programmazione;
•
minor usura dei compressori e quindi maggior vita della pompa di calore.
Per comprendere meglio i vantaggi del sistema dinamico rispetto ai sistemi tradizionali si possono
osservare i grafici di figura 8 che riportano l’andamento del COP reale di una pompa di calore, con
temperature superficiali pari a quelle riportate in figura 1, al variare della temperatura esterna. I grafici
sono 3: nel primo l’umidità relativa è fissata al 90%, il secondo al 70% e nel terzo è uguale o minore del
50%.
Nella prima figura, con UR del 90%, il COP della pompa di calore dotata di sistema di sbrinamento
dinamico IDEA sale, a partire da –10°C, all’aumentare della temperatura fino ad un valore massimo
posto da 2°C a 4°C, diminuisce leggermente fino al valore di 6°C dove è posta la netta discontinuità per
poi salire in modo regolare. Il motivo di questo andamento è chiaro: all’aumentare della temperatura
l’efficienza cresce perché si innalza la temperatura di evaporazione. Tuttavia questo aumento è
contrastato dal fatto che aumenta anche la formazione di ghiaccio e di conseguenza anche la necessità
dei cicli di sbrinamento: la quantità di ghiaccio diventa massima nel punto d’innesco della formazione di
ghiaccio a 6°C. La netta discontinuità è dovuta al fatto che, in pochi decimi di grado, la superficie della
batteria passa da un valore negativo a uno positivo e la condensa non ghiaccia più.
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Sistema Tradizio nale
U.R. = 90%
Sistema Dinamico
4,0
3,5
3,0
P
O
C 2,5
2,0
1,5
-10
-5
0
5
10
15
TEMPERATURA [°C]
Figura 8a: variazione del COP in funzione della temperatura esterna con UR = 90%
SistemaTradizionale
U.R. = 70%
Sistema Dinamico
4,0
3,5
P 3,0
O
C 2,5
2,0
1,5
-10
-5
0
5
10
15
TEMPERATURA [°C]
Figura 8b: variazione del COP in funzione della temperatura esterna con UR = 70%
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quadernotecnico
Controllo dinamico dei cicli di sbrinamento nelle pompe di calore evaporanti ad aria: il sistema IDEA
®
SistemaTradizionale
U.R. = 50%
Sistema Dinamico
4,0
3,5
P 3,0
O
C 2,5
2,0
1,5
-10
-5
0
5
10
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TEMPERATURA [°C]
Figura 8c: variazione del COP in funzione della temperatura esterna con UR = 50%
Il COP della pompa di calore con sistema tradizionale cresce in modo continuo perché i parametri di
controllo, in particolare temperatura e pressione, sono sempre inferiori al valore di chiamata dello
sbrinamento, indipendentemente dallo spessore di ghiaccio formatosi. Il valore di COP rimane sempre
inferiore a quello della macchina con sistema dinamico perché il numero di cicli effettuati è maggiore di
quelli realmente necessari. I valori tendono ad avvicinarsi attorno al punto d’innesco dello sbrinamento,
che è da considerarsi il punto critico. In linea teorica, se l’impostazione del sistema tradizionale fosse
perfettamente corretta, le due curve s’incontrerebbero perfettamente per una temperatura di 6°C e UR
100%, in altre parole nebbia, condizione critica per la macchina in esame (cfr. figura 1).
Sopra il punto d’innesco, la pompa di calore con sistema tradizionale ha una lieve discontinuità: sulla
batteria non si forma più ghiaccio, e questo migliora l’efficienza, ma il microprocessore continua a
chiamare gli sbrinamenti perché la temperatura in uscita è comunque inferiore al valore di chiamata del
ciclo. La discontinuità dovuta alla fine degli sbrinamenti è posta a un valore di circa 9°C.
Andamento analogo si ha nel caso di UR pari al 70%. La curva della pompa di calore dotata di sistema
IDEA cresce in modo continuo perché la formazione di ghiaccio è minore e quindi minore è la necessità
di nuovi cicli di sbrinamento. Il punto d’innesco della brina è spostato verso temperature più alte perché
lo scambio ha una componente latente minore e quindi la batteria si comporta in modo peggiore. Nel
punto d’innesco la differenza di efficienza tra le due macchine è ora maggiore in quanto ci si scosta dal
punto critico.
Nel caso di UR uguale al 50%, la curva della macchina con sistema IDEA cresce continuamente perché
ora non vi è più formazione di brina per nessuna temperatura dell’aria esterna. Il sistema tradizionale
continua, invece, a chiamare cicli di sbrinamento, ingannato dai parametri di controllo inferiori al valore
limite.
4
Conclusioni
I benefici energetici del sistema di sbrinamento dinamico, in grado di riconoscere la reale presenza di
ghiaccio sulla batteria, sono fondamentali per migliorare le prestazioni di una pompa di calore
evaporante ad aria. Oltre ai vantaggi energetici, chiaramente esposti nel presente lavoro, vanno aggiunti
gli aspetti gestionali dell’impianto, particolarmente importanti nelle macchine aria–aria, dove ogni ciclo di
sbrinamento incide pesantemente sul comfort dell’ambiente climatizzato.
Il sistema IDEA è stato brevettato nel 1997 dopo una lunga sperimentazione sul campo, necessaria per
affinare gli algoritmi di scelta del microprocessore, sicuramente più complessi del suo semplice principio
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quadernotecnico
Controllo dinamico dei cicli di sbrinamento nelle pompe di calore evaporanti ad aria: il sistema IDEA
®
di funzionamento. Le analisi effettuate sulle macchine funzionanti ne hanno confermato i vantaggi
fondamentali a fronte anche di un elevatissimo grado di affidabilità. La pompa di calore evaporante ad
aria è sicuramente una tra le macchine frigorifere più interessanti dal punto di vista ingegneristico. Più
complessa di un gruppo frigorifero tradizionale o di una pompa di calore evaporante ad acqua, essa si è
sviluppata negli anni per merito di un’intensa attività di ricerca atta a determinare i criteri ideali di
dimensionamento dei vari componenti, ma soprattutto grazie a un costante rilievo delle prestazioni sul
campo che ha permesso di individuare accorgimenti, apparentemente anche di lieve entità, spesso però
fondamentali per il miglioramento delle prestazioni energetiche.
Il presente lavoro vuole essere di ausilio al progettista nell’interpretare correttamente i dati di
funzionamento forniti dai costruttori, così da facilitare la scelta della pompa di calore, il dimensionamento
dei componenti dell’impianto e l’analisi delle prestazioni energetiche stagionali, di là di quanto previsto
dalle normative vigenti o da alcune proposte di modifica che tendono a enfatizzare aspetti marginali,
tralasciandone altri molto più importanti.
Fonti:
Osvaldo Minelli e Luigi Rosso – “Controllo dinamico dei cicli di sbrinamento nelle pompe di calore evaporanti ad
®
aria: il sistema IDEA ” - RC Group spa - Pavia
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quadernotecnico
Controllo dinamico dei cicli di sbrinamento nelle pompe di calore evaporanti ad aria: il sistema IDEA
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Il continuo miglioramento dei prodotti può comportare variazioni nei dati indicati nel presente quaderno tecnico.
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