IT202100025904A1 - Metodo per sbrinare uno scambiatore di calore ad aria in una unità a pompa di calore polivalente - Google Patents
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Description
METODO PER SBRINARE UNO SCAMBIATORE DI CALORE AD ARIA IN UNA
UNIT? A POMPA DI CALORE POLIVALENTE
DESCRIZIONE
La presente invenzione rientra nel settore tecnico delle pompe di calore. In particolare, l?invenzione riguarda un metodo per effettuare lo sbrinamento di uno scambiatore di calore ad aria in una unit? a pompa di calore polivalente.
Come noto, le pompe di calore cosiddette ?polivalenti? sono caratterizzate dalla presenza, nel medesimo circuito operativo, di tre scambiatori di calore: due scambiatori di calore primari, in corrispondenza dei quali si pu? produrre indipendentemente un rispettivo effetto utile di riscaldamento o raffrescamento, e uno scambiatore di calore secondario, in corrispondenza del quale, quando necessario, pu? avvenire uno scambio termico con la sorgente termica (o pozzo termico) di appoggio, tipicamente aria o acqua dell?ambiente esterno. Grazie a questa struttura, le pompe di calore polivalenti sono in grado di realizzare tre differenti modalit? di funzionamento: una modalit? di raffrescamento, corrispondente al funzionamento di un convenzionale refrigeratore (chiller), una modalit? di riscaldamento, corrispondente al funzionamento di una convenzionale pompa di calore, e una modalit? mista di raffrescamento e riscaldamento simultanei. In quest?ultima modalit? di funzionamento, peculiare delle pompe di calore polivalenti, il calore estratto in corrispondenza di uno degli scambiatori di calore primari (scambiatore di calore primario freddo, che funge da evaporatore) da una utenza termica che richiede raffrescamento non viene scaricato nell?ambiente esterno attraverso lo scambiatore di calore secondario (in questo caso non attivo), bens? viene recuperato e trasferito, in corrispondenza dell?altro scambiatore di calore primario (scambiatore di calore primario caldo, che funge da condensatore), ad un'altra utenza termica che, contemporaneamente, richiede riscalamento.
Le pompe di calore polivalenti rappresentano pertanto una soluzione particolarmente vantaggiosa, in termini di efficienza energetica, flessibilit? di impiego ed economia impiantistica, per soddisfare tramite una singola unit?, in modo mutuamente indipendente, eventualmente anche contemporaneamente, esigenze di raffrescamento, riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria all?interno di un edificio, come si possono presentare in particolare in grandi edifici ad uso residenziale, non residenziale (alberghi, ospedali, centri commerciali, complessi di uffici, musei, ecc.), e di processo (processi produttivi nei quali esiste la contemporanea esigenza di potenza frigorifera e di riscaldamento) in determinati periodi dell?anno o del giorno, o anche continuativamente.
Nel caso di impiego delle pompe di calore polivalenti in combinazione con impianti per riscaldamento / raffrescamento dell?aria ? o, pi? in generale, impianti HVACR (Heating, Ventilation, Air Conditioning, and Refrigeration) ? e per produzione di acqua calda sanitaria in edifici, gli scambiatori di calore primari sono generalmente scambiatori refrigerante / acqua destinati ad essere idraulicamente connessi a rispettivi circuiti idraulici di tali impianti, e nel caso di unit? di potenza elevata (dell?ordine di 500 kW o superiore) sono solitamente realizzati come scambiatori di calore ?a tubi e mantello? (scambiatori di calore a fascio tubiero). Lo scambiatore di calore secondario ? invece generalmente uno scambiatore refrigerante / aria ed ? solitamente configurato come scambiatore di calore a pacco alettato.
Un problema che si presenta in tutte le macchine frigorifere con scambiatore di calore secondario ad aria che operano in modalit? di riscaldamento, cio? come pompe di calore, ? costituito dalla formazione di brina sugli elementi di tale scambiatore di calore in condizioni ambientali di bassa temperatura (inferiore a circa 5?C) ed elevata umidit? dell?aria. Poich? lo strato di brina ostacola lo scambio termico tra refrigerante e aria, per evitare un decadimento delle prestazioni dell?unit? in queste condizioni ? periodicamente necessario effettuare uno sbrinamento dello scambiatore di calore secondario. In macchine frigorifere in grado di fornire sia raffrescamento sia riscaldamento, come in particolare le unit? a pompa di calore polivalenti, una soluzione frequentemente adottata per compiere tale operazione consiste nel trasferire periodicamente, per brevi intervalli di tempo, calore dall?utenza termica da riscaldare allo scambiatore di calore secondario ad aria. Concretamente, ci? viene ottenuto tramite una inversione di ciclo, a seguito della quale lo scambiatore di calore primario connesso all?utenza termica da riscaldare (scambiatore di calore primario caldo) viene temporaneamente fatto funzionare come evaporatore, mentre lo scambiatore di calore secondario ad aria viene temporaneamente fatto funzionare come condensatore.
Questa soluzione ? vantaggiosa in termini impiantistici, poich? non richiede di predisporre riscaldatori addizionali, tipicamente elettrici, per effettuare lo sbrinamento, ma comporta degli svantaggi in termini di funzionamento, in quanto, da un lato, sottrae calore ad utenza termica che invece lo richiede, potenzialmente causando effetti negativi a carico di quest?ultima, dall?altro il calore sfruttato per lo sbrinamento viene dissipato nell?ambiente esterno e rappresenta pertanto una perdita nel bilancio energetico complessivo dell?unit? a pompa di calore.
Alla luce di quanto sopra, scopo della presente invenzione ? evitare, o quanto meno mitigare, gli svantaggi sopramenzionati che lo sbrinamento di uno scambiatore di calore ad aria in una unit? a pompa di calore polivalente effettuato come sopra descritto ha sul funzionamento di tale unit?, migliorando le prestazioni e l?efficienza energetica della stessa.
Secondo l?invenzione, questo scopo viene raggiunto tramite un metodo per sbrinare uno scambiatore di calore ad aria in una unit? a pompa di calore polivalente comprendente le fasi enunciate nella rivendicazione 1 allegata.
In particolare, l?invenzione riguarda un metodo per sbrinare uno scambiatore di calore ad aria in una unit? a pompa di calore polivalente avente almeno un circuito operativo per la circolazione di un fluido operativo comprendente:
- un primo scambiatore di calore, il quale ? destinato ad essere idraulicamente connesso ad un primo circuito utilizzatore e nel quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con un primo liquido termovettore da raffreddare o riscaldare circolante nel primo circuito utilizzatore;
- un secondo scambiatore di calore, il quale ? destinato ad essere idraulicamente connesso ad un secondo circuito utilizzatore e nel quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con un secondo liquido termovettore da riscaldare circolante nel secondo circuito utilizzatore, e
- un terzo scambiatore di calore, tramite il quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con aria dell?ambiente esterno,
il metodo comprendendo le fasi:
- ricevere una richiesta di sbrinamento del terzo scambiatore di calore;
- rilevare una temperatura del primo liquido termovettore;
- confrontare la temperatura rilevata del primo liquido termovettore con un valore di soglia prestabilito;
- se la temperatura rilevata del primo liquido termovettore ? superiore o uguale al valore di soglia, effettuare uno sbrinamento del terzo scambiatore di calore trasferendo calore dal primo circuito utilizzatore al terzo scambiatore di calore tramite il fluido operativo;
- se la temperatura rilevata del primo liquido termovettore ? inferiore al valore di soglia, effettuare uno sbrinamento del terzo scambiatore di calore trasferendo calore dal secondo circuito utilizzatore al terzo scambiatore di calore tramite il fluido operativo.
Il metodo dell?invenzione si basa sull?osservazione del fatto che, anche quando una unit? a pompa di calore polivalente sta funzionando in modalit? di solo riscaldamento, vale a dire, in questo caso, sta prelevando calore dall?ambiente esterno in corrispondenza del terzo scambiatore di calore e lo sta trasferendo al liquido termovettore del secondo circuito utilizzatore tramite il secondo scambiatore di calore, vi possono essere condizioni in cui nel primo circuito utilizzatore si manifesta contemporaneamente una certa richiesta di raffrescamento. Quest?ultima pu? non essere sufficiente per causare un passaggio dalla modalit? di funzionamento di solo riscaldamento a quella di raffrescamento e riscaldamento simultanei, ma determina in ogni caso un riscaldamento del primo liquido termovettore nel primo circuito utilizzatore. Se il calore cos? assorbito dal primo liquido termovettore ? sufficiente, ? vantaggiosamente possibile sfruttarlo per effettuare uno sbrinamento del terzo scambiatore di calore quando necessario.
A fronte di una richiesta di sbrinamento del terzo scambiatore di calore, il metodo dell?invenzione propone pertanto vantaggiosamente di rilevare la temperatura del primo liquido termovettore del primo circuito utilizzatore che sta richiedendo raffrescamento, e, se si riscontra che tale temperatura ? superiore o uguale ad un valore di soglia, di effettuare lo sbrinamento trasferendo calore al terzo scambiatore di calore da questo liquido termovettore, anzich?, come avviene solitamente nella tecnica nota, dal secondo liquido termovettore del secondo circuito utilizzatore, che deve venire riscaldato.
Da ci? deriva un duplice vantaggio. In primo luogo, si ottiene un miglioramento dell?efficienza energetica dell?unit? a pompa di calore polivalente, in quanto si evita di sottrarre calore ad una utenza che richiede riscaldamento, limitando cos? l?effetto contro-utile normalmente legato al processo di sbrinamento, e, al contempo, si sottrare calore ad una utenza termica che sta richiedendo raffrescamento, contribuendo all?effetto utile prodotto dall?unit? a pompa di calore. In secondo luogo, in termini di funzionamento, si riducono possibili effetti indesiderati a carico dell?utenza termica che richiede riscaldamento legati alla temporanea limitazione della fornitura di calore durante gli sbrinamenti.
Aspetti preferiti del metodo sopradescritto sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto ? qui integralmente incorporato per riferimento.
Il metodo dell?invenzione pu? convenientemente venire implementato come programma per elaboratore eseguibile dall?unit? di controllo di una unit? a pompa di calore polivalente.
L?invenzione riguarda quindi anche un programma per elaboratore comprendente istruzioni che, quando eseguite da una unit? di controllo di una unit? a pompa di calore polivalente avente almeno un circuito operativo per la circolazione di un fluido operativo comprendente un primo, un secondo e un terzo scambiatore di calore come sopra definiti, fanno s? che l?unit? a pompa di calore polivalente attui le fasi del metodo sopradescritto.
Inoltre, l?invenzione riguarda una unit? a pompa di calore polivalente avente almeno un circuito operativo per la circolazione di un fluido operativo comprendente un primo, un secondo e un terzo scambiatore di calore come sopra definiti, e una unit? di controllo comprendente mezzi di memoria, in cui nei mezzi di memoria dell?unit? di controllo ? memorizzato un programma per elaboratore comprendente istruzioni che, quando eseguite dall?unit? di controllo, fanno s? che l?unit? a pompa di calore polivalente attui le fasi del metodo sopradescritto.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione preferita, fatta qui di seguito, a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- Fig. 1 ? un diagramma di flusso di una forma di attuazione preferita di un metodo in accordo con l?invenzione per sbrinare uno scambiatore di calore ad aria in una unit? a pompa di calore polivalente;
- Fig. 2 ? uno schema circuitale di una unit? a pompa di calore polivalente nella quale ? possibile attuare il metodo di Fig.1;
- Fig. 3 ? uno schema circuitale che mostra una prima modalit? di funzionamento attuabile nell?unit? a pompa di calore polivalente di Fig. 2 per sbrinare il rispettivo scambiatore di calore ad aria, e
- Fig. 4 ? uno schema circuitale che mostra una seconda modalit? di funzionamento attuabile nell?unit? a pompa di calore polivalente di Fig. 2 per sbrinare il rispettivo scambiatore di calore ad aria.
Fig. 2 mostra uno schema circuitale di una unit? a pompa di calore polivalente nella quale ? possibile attuare il metodo in accordo con l?invenzione per sbrinare uno scambiatore di calore ad aria. L?unit? a pompa di calore mostrata ? in particolare del tipo destinato a funzionare in combinazione con impianti utilizzatori aventi configurazione cosiddetta ?a 4 tubi?. Per motivi di chiarezza, in tale schema sono mostrati solamente i componenti principali dell?unit? a pompa di calore, necessari per comprendere l?invenzione e i relativi vantaggi.
L?unit? a pompa di calore mostrata comprende un circuito operativo 1 atto a realizzare un ciclo frigorifero / a pompa di calore con un fluido operativo circolante in esso. Il fluido operativo ? un refrigerante che pu? essere scelto tra quelli convenzionalmente noti per l?impiego in unit? frigorifere / a pompa di calore, preferibilmente un refrigerante a basso GWP (Global Warming Potential), come ad esempio R-513A o R-134a.
Nel circuito operativo 1 sono presenti tre scambiatori di calore 11, 12, 13.
Un primo scambiatore di calore 11, anche indicato come scambiatore di calore primario freddo, ? destinato ad essere idraulicamente connesso ad un primo circuito utilizzatore 100 (mostrato solo parzialmente), nel quale circola acqua, o un altro liquido termovettore appropriato, da raffreddare. Preferibilmente, il primo circuito utilizzatore 100 costituisce o fa parte di un impianto per il raffrescamento e/o la deumidificazione dell?aria di ambienti di edifici. In questo caso, l?acqua circolante nel primo circuito utilizzatore 100 tipicamente entra nel primo scambiatore di calore 11 con una temperatura di ritorno compresa tra circa 10?C e circa 23?C e lascia il primo scambiatore di calore 11 con una temperatura di mandata compresa tra circa 5?C e circa 18?C.
Un secondo scambiatore di calore 12, anche indicato come scambiatore di calore primario caldo, ? destinato ad essere idraulicamente connesso ad un secondo circuito utilizzatore 200 (mostrato solo parzialmente), nel quale circola acqua, o un altro liquido termovettore appropriato, da riscaldare. Preferibilmente, il secondo circuito utilizzatore 200 costituisce o fa parte di un impianto per il riscaldamento di ambienti di edifici e/o per la produzione di acqua calda sanitaria. In questo caso, l?acqua circolante nel secondo circuito utilizzatore 200 tipicamente entra nel secondo scambiatore di calore 12 con una temperatura di ritorno compresa tra circa 30?C e circa 55?C e lascia il secondo scambiatore di calore 12 con una temperatura di mandata compresa tra circa 35?C e circa 60?C.
Il primo e il secondo circuito utilizzatore 100, 200 sono idraulicamente separati e indipendenti. Essi possono per? essere integrati funzionalmente, ad esempio nell?ambito di un sistema HVACR centralizzato di un edificio.
Gli scambiatori di calore 11, 12 sono pertanto scambiatori di calore refrigerante / acqua in corrispondenza dei quali l?unit? a pompa di calore polivalente, nelle sue modalit? di funzionamento normali, produce effetti utili rispettivamente di raffrescamento e riscaldamento, e che, in tali modalit? di funzionamento, fungono rispettivamente da evaporatore e da condensatore nel circuito operativo 1.
Preferibilmente, gli scambiatori di calore 11, 12 sono configurati come scambiatori di calore a tubi e mantello, con tubi preferibilmente in rame e mantello preferibilmente in acciaio. In questo caso, entrambi gli scambiatori di calore 11, 12 possono essere connessi nel circuito operativo 1 lato tubi, in modo tale per cui il refrigerante fluisce all?interno dei tubi, mentre l?acqua dei circuiti utilizzatori 100, 200 fluisce tra i tubi e il mantello. La tipologia degli scambiatori di calore 11, 12 e/o la modalit? di collegamento degli stessi nel circuito operativo 1 non sono per? vincolanti per l?attuazione del metodo dell?invenzione, descritto in dettaglio nel seguito.
Un terzo scambiatore di calore 13, anche indicato come scambiatore di calore secondario, permette di realizzare, nelle modalit? di funzionamento dell?unit? a pompa di calore polivalente che lo richiedono, uno scambio termico tra refrigerante e aria dell?ambiente esterno in funzione di pozzo termico o di sorgente termica. Lo scambiatore di calore 13 ? quindi uno scambiatore di calore refrigerante / aria che nel circuito operativo 1 dell?unit? a pompa di calore polivalente funge, a seconda della modalit? di funzionamento dell?unit?, da condensatore oppure da evaporatore.
Lo scambiatore di calore 13 ? preferibilmente configurato come scambiatore di calore a pacco alettato, con tubi preferibilmente in rame e alette preferibilmente in alluminio, e preferibilmente del tipo a flusso di aria forzato, ottenuto tramite uno o pi? ventilatori 131.
Oltre agli scambiatori di calore 11, 12, 13, il circuito operativo 1 comprende, in modo noto al tecnico del settore, un gruppo di compressione 14 per realizzare una compressione del refrigerante, tre distinti dispositivi di laminazione 15a, 15b e 15c, sotto forma di valvole di laminazione o di organi di laminazione passivi, per realizzare una espansione del refrigerante nelle differenti modalit? di funzionamento dell?unit? a pompa di calore polivalente, una valvola a 4 vie 16 per gestire il flusso del refrigerante nel circuito operativo 1 nelle differenti modalit? di funzionamento dell?unit? a pompa di calore polivalente, un ricevitore di liquido 17 per consentire un accumulo di refrigerante in fase liquida nel circuito operativo 1, e un separatore di liquido 18, per separare frazioni di liquido eventualmente ancora presenti nel refrigerante in fase vapore prima del suo ingresso nel gruppo di compressione 14.
Tutti i componenti sopradescritti, ed altri convenzionalmente presenti in un circuito operativo di una unit? a pompa di calore polivalente anche se qui non mostrati e descritti in dettaglio, possono venire alloggiati all?interno di un unico involucro, in modo da realizzare una unit? monoblocco.
L?unit? a pompa di calore polivalente comprende inoltre una unit? di controllo 2 elettronica, tramite cui ? possibile controllare in modo automatizzato il suo funzionamento. L?unit? di controllo 2 comprende mezzi di memoria 21 nei quali possono venire memorizzati parametri di funzionamento e istruzioni eseguibili dall?unit? di controllo 2 per controllare il funzionamento dell?unit? a pompa di calore. L?unit? di controllo 2 comprende inoltre mezzi di input / output 22, tramite i quali un operatore pu? monitorare il funzionamento dell?unit? a pompa di calore nonch? impostare parametri di funzionamento e immettere istruzioni di controllo. I mezzi di input / output 22 possono essere fisicamente localizzati a bordo dell?unit? a pompa di calore polivalente oppure anche essere convenientemente localizzati in un dispositivo elettronico remoto, come ad esempio un personal computer, un laptop, un tablet o uno smartphone, in comunicazione di dati con l?unit? di controllo 2 tramite una linea dati cablata o senza fili.
Nell?unit? a pompa di calore polivalente sopradescritta si possono realizzare in modo noto al tecnico del settore tre modalit? di funzionamento normali, nelle quali viene prodotto un effetto utile, vale a dire una modalit? di funzionamento di solo raffrescamento, una modalit? di funzionamento di solo riscaldamento, e una modalit? di raffrescamento e riscaldamento simultanei.
Nella modalit? di funzionamento di solo raffrescamento, l?unit? a pompa di calore polivalente estrae calore dall?acqua del primo circuito utilizzatore 100, che richiede raffrescamento, in corrispondenza dello scambiatore di calore primario freddo 11, funzionante come evaporatore, e lo scarica nell?ambiente esterno tramite lo scambiatore di calore secondario 13, funzionante come condensatore.
Nella modalit? di funzionamento di solo riscaldamento, l?unit? a pompa di calore polivalente preleva calore dall?aria dell?ambiente esterno in corrispondenza dello scambiatore di calore secondario 13, funzionante come evaporatore, e lo trasferisce all?acqua del secondo circuito utilizzatore 200, che richiede riscaldamento, tramite lo scambiatore di calore primario caldo 12, funzionante come condensatore.
Nella modalit? di funzionamento di raffrescamento e riscaldamento simultanei, l?unit? a pompa di calore polivalente estrae calore dall?acqua del circuito utilizzatore 100, che richiede raffrescamento, in corrispondenza dello scambiatore di calore primario freddo 11, funzionante come evaporatore, e lo trasferisce all?acqua del circuito utilizzatore 200, che contemporaneamente richiede riscaldamento, in corrispondenza dello scambiatore di calore primario caldo 12, funzionante come condensatore.
Quando una unit? a pompa di calore polivalente con scambiatore di calore secondario ad aria, come in questo caso lo scambiatore di calore secondario 13, funziona nella modalit? di solo riscaldamento, in presenza di condizioni ambientali di bassa temperatura ed elevata umidit? dell?aria tale scambiatore di calore ad aria ? soggetto a brinamento e, per garantire un funzionamento efficace dell?unit? a pompa di calore, occorre effettuare periodicamente uno sbrinamento dello stesso.
Una forma di attuazione preferita di un metodo in accordo con l?invenzione per sbrinare lo scambiatore di calore secondario 13 ad aria nell?unit? a pompa di calore polivalente sopradescritta ? mostrata come digramma di flusso in Fig.1.
Tale metodo pu? convenientemente essere implementato sotto forma di programma per elaboratore e, come tale, pu? venire memorizzato nei mezzi di memoria 21 dell?unit? di controllo 2 sopradescritta dell?unit? a pompa di calore polivalente e pu? venire eseguito dalla stessa unit? di controllo 2 per effettuare lo sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13 ad aria in modo automatizzato.
In una prima fase S1 del metodo, viene ricevuta una richiesta di sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13. Come gi? menzionato, ci? implica che l?unit? a pompa di calore polivalente sta funzionando in una modalit? di solo riscaldamento.
Una richiesta di sbrinamento viene preferibilmente generata sulla base di un rilevamento della temperatura ambiente in prossimit? dello scambiatore di calore secondario 13 e della pressione nello scambiatore di calore secondario 13, rispettivamente tramite una sonda di temperatura BTa e un misuratore di pressione BP. Nella modalit? di funzionamento di solo riscaldamento la pressione nello scambiatore di calore secondario 13 corrisponde alla pressione di evaporazione del ciclo ed ? sostanzialmente uguale alla pressione di aspirazione del gruppo di compressione 14. La richiesta di sbrinamento viene generata se i valori rilevati di entrambe le grandezze suddette risultano inferiori a rispettivi valori di soglia prestabiliti, che possono essere memorizzati sotto forma di parametri nei mezzi di memoria 21 dell?unit? di controllo 2. Ai fini del controllo, pu? essere conveniente generare la richiesta di sbrinamento con un certo ritardo temporale prestabilito rispetto all?istante in cui si verifica che la temperatura ambiente e la pressione nello scambiatore di calore secondario 13 sono inferiori ai rispettivi valori di soglia.
All?atto della ricezione di una richiesta di sbrinamento, in una fase S2 del metodo viene rilevata una temperatura T1 dell?acqua circolante nel circuito utilizzatore 100 tramite una sonda di temperatura BT1.
La temperatura T1 viene preferibilmente rilevata in una linea di ritorno dell?acqua circolante nel circuito utilizzatore 100, in corrispondenza dello scambiatore di calore primario freddo 11. Questa scelta ? conveniente per poter ottenere una pi? precisa indicazione dell?effettivo livello termico dell?acqua circolante nel circuito utilizzatore 100 nelle diverse condizioni di funzionamento dell?unit? a pompa di calore polivalente.
In una fase S3 viene poi richiamato un valore di soglia T1ts per la temperatura T1, precedentemente impostato e memorizzato nei mezzi di memoria 21 dell?unit? di controllo 2.
Si ? riscontrato che, generalmente, per garantire un efficace sfruttamento di calore eventualmente disponibile nel primo circuito utilizzatore 100 per uno sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13 e, al contempo, evitare che ci? causi un raffreddamento eccessivo dell?acqua nel primo circuito utilizzatore 100, con pericolo di formazione di ghiaccio nello scambiatore di calore primario freddo 11, ? vantaggioso scegliere il valore di soglia T1ts in modo tale per cui una differenza tra tale valore di soglia e una temperatura di regolazione T1sp dell?acqua nel primo circuito utilizzatore 100 sia maggiore di 0 C? , laddove la temperatura di regolazione T1sp ? considerata nella linea di mandata dell?acqua circolante nel circuito utilizzatore 100 in corrispondenza dello scambiatore di calore primario freddo 11.
Successivamente, in una fase S4, la temperatura T1 rilevata dell?acqua circolante nel circuito utilizzatore 100 viene confrontata con il relativo valore di soglia T1ts.
Se la temperatura T1 rilevata ? superiore o uguale al valore di soglia T1ts prestabilito, vale a dire se l?esito del confronto nella fase S4 ? positivo (YES), il livello termico dell?acqua circolante nel circuito utilizzatore 100 viene considerato sufficiente per effettuare uno sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13. Come gi? menzionato, questa condizione pu? verificarsi in situazioni in cui, anche se l?unit? a pompa di calore polivalente sta funzionando nella modalit? di solo riscaldamento, nel circuito utilizzatore 100 si verifica una condizione operativa, che non ? sufficiente a determinare un cambiamento di modalit? di funzionamento, con passaggio alla modalit? di raffrescamento e riscaldamento simultanei, ma che causa comunque un aumento di temperatura dell?acqua del circuito utilizzatore che pu? essere utilizzato per lo sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13.
In questo caso, in una fase S5 viene effettuato lo sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13 trasferendo calore dall?acqua del circuito utilizzatore 100 a tale scambiatore di calore secondario 13 per mezzo del refrigerante circolante nel circuito operativo 1 dell?unit? a pompa di calore polivalente.
Se invece la temperatura T1 rilevata dell?acqua circolante nel circuito utilizzatore 100 ? inferiore al valore di soglia T1ts prestabilito, vale a dire l?esito del confronto effettuato nella fase S4 ? negativo (NO), il livello termico dell?acqua circolante nel circuito utilizzatore 100 viene considerato non sufficiente per effettuare uno sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13.
In questo caso, in una fase S6 viene effettuato lo sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13 trasferendo calore dall?acqua del secondo circuito utilizzatore 200 a tale scambiatore di calore tramite il refrigerante circolante nel circuito operativo 1 dell?unit? a pompa di calore polivalente.
Concretamente, la fase S5 pu? essere attuata tramite un temporaneo passaggio dalla modalit? di funzionamento di solo riscaldamento alla modalit? di funzionamento di solo raffrescamento, mentre la fase S6 pu? essere attuata tramite una temporanea inversione di ciclo rispetto alla modalit? di funzionamento di solo riscaldamento.
Il funzionamento dell?unit? a pompa di calore polivalente di Fig. 2 nei due casi sopramenzionati ? mostrato rispettivamente nelle Figg.3 e 4. In tali figure componenti e rami di circuito attivi nella rispettiva modalit? di funzionamento sono rappresentati con linea continua, mentre componenti e rami di circuito non attivi nella medesima modalit? funzionamento sono rappresentati con linea tratteggiata. Inoltre, le espressioni ?a valle?, ?a monte? come utilizzate in questo contesto sono da intendersi con riferimento alla direzione di flusso del refrigerante nel circuito operativo 1, univocamente determinata dal gruppo di compressione 14 e indicata tramite frecce nelle Figg 3 e 4.
In dettaglio, Fig.3 mostra il funzionamento dell?unit? a pompa di calore polivalente per effettuare uno sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13 tramite prelievo di calore dall?acqua del primo circuito utilizzatore 100 in corrispondenza dallo scambiatore di calore primario freddo 11 (fase S5).
In questo caso, tramite una opportuna configurazione operativa della valvola a 4 vie 16 lo scambiatore di calore primario caldo 12 e i rami di circuito con il dispositivo laminazione 15c e il ricevitore di liquido 17 vengono esclusi dal circuito operativo 1. Il dispositivo di laminazione 15b assume una configurazione di chiusura. Lo scambiatore di calore primario freddo 11, funzionante come evaporatore, risulta connesso a valle del dispositivo di laminazione 15a e a monte del gruppo di compressione 14, nonch? del separatore di liquido 18, mentre lo scambiatore di calore secondario 13, funzionante come condensatore, risulta connesso a valle del gruppo di compressione 14 e a monte del dispositivo di laminazione 15a.
In questa modalit? di funzionamento, all?uscita dello scambiatore di calore secondario 13, il refrigerante, in condizioni di liquido, preferibilmente sottoraffreddato, subisce una caduta di pressione fino alla pressione inferiore del ciclo attraverso il dispositivo di laminazione 15a; da l? giunge allo scambiatore primario freddo 11, in corrispondenza del quale esso assorbe calore dall?acqua del circuito utilizzatore 100, evaporando. L?assorbimento di calore da destinare allo sbrinamento determina contemporaneamente anche la produzione di un effetto utile di raffrescamento nel primo circuito utilizzatore 100. Il refrigerante lascia lo scambiatore primario freddo 11 in condizioni di vapore, preferibilmente surriscaldato, e viene poi portato alla pressione superiore del ciclo tramite il gruppo di compressione 14. Da l?, passando attraverso la valvola a 4 vie 16, esso giunge allo scambiatore di calore secondario 13, in corrispondenza del quale, condensando, rilascia il calore precedentemente assorbito dall?acqua del circuito utilizzatore 100, determinando lo sbrinamento di tale scambiatore di calore. All?uscita dello scambiatore di calore secondario 13 il refrigerante si trova nuovamente in condizioni di liquido, preferibilmente sottoraffreddato.
Nel caso di uno sbrinamento effettuato secondo la modalit? sopradescritta si pu? anche prevedere che l?acqua nel primo circuito utilizzatore 100 subisca un certo sotto-raffreddamento, per cui al termine del processo la sua temperatura ? inferiore alla temperatura di regolazione T1sp dell?acqua nel primo circuito utilizzatore 100.
Come sopra indicato, la temperatura di soglia T1ts ? scelta in modo che sia verificata la condizione T1ts - T1sp > 0, laddove T1sp ? una temperatura di regolazione (o di progetto) prevista per l?acqua nel primo circuito utilizzatore 100 nella modalit? di funzionamento in solo raffreddamento. Si osserva che l?energia termica e il tempo necessario per effettuare lo sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13 sono molto limitati. A fronte di questo e a fronte del criterio di scelta della temperatura di soglia T1ts, la diminuzione di temperatura (salto termico) provocata nel primo circuito utilizzatore 100 durante lo sbrinamento (cio? durante il trasferimento di calore allo scambiatore di calore secondario 13) resta comunque inferiore alla diminuzione di temperatura che si verifica nello stesso primo circuito utilizzatore 100 nella modalit? di funzionamento in solo raffreddamento. Di fatto, la temperatura dell?acqua di mandata nel primo circuito utilizzatore 100 rimane sempre convenientemente superiore al valore della temperatura di regolazione T1sp caratteristica della modalit? funzionamento in solo raffreddamento. Questo si traduce in una totale sicurezza rispetto al pericolo di ghiacciatura dello scambiatore di calore primario freddo 11.
Fig. 4 mostra invece il funzionamento dell?unit? a pompa di calore polivalente per effettuare uno sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13 tramite prelievo di calore dall?acqua del secondo circuito utilizzatore 200 in corrispondenza dallo scambiatore di calore primario caldo 12 (fase S6).
In questo caso i dispositivi di laminazione 15a e 15b sono in una configurazione di chiusura e lo scambiatore di calore primario freddo 11 e il ricevitore di liquido 17 sono esclusi dal circuito operativo 1. La valvola a 4 vie 16 assume una configurazione tale per cui lo scambiatore di calore primario caldo 12, in questo caso funzionante come evaporatore, ? connesso a valle del dispositivo di laminazione 15c e a monte del gruppo di compressione 14, mentre lo scambiatore di calore secondario 13, funzionante come condensatore, ? connesso a valle del gruppo di compressione 14 e monte del dispositivo di laminazione 15c.
In questa modalit? di funzionamento, all?uscita dello scambiatore di calore secondario 13, il refrigerante in condizioni di liquido, preferibilmente sottoraffreddato, subisce una caduta di pressione fino alla pressione inferiore del ciclo attraverso il dispositivo di laminazione 15c. Da l? giunge allo scambiatore di calore primario caldo 12, in corrispondenza del quale esso assorbe calore dall?acqua del circuito utilizzatore 200, evaporando. All?uscita dello scambiatore di calore primario caldo 12 il refrigerante si trova in condizione di vapore, preferibilmente surriscaldato, e da l?, passando attraverso la valvola a 4 vie 16 e al separatore di liquido 18, giunge al gruppo di compressione 14, tramite il quale viene portato alla pressione superiore del ciclo. Il refrigerante, passando nuovamente attraverso la valvola a 4 vie 16, giunge poi allo scambiatore di calore secondario 13, in corrispondenza del quale, condensando, rilascia il calore precedentemente assorbito dall?acqua del circuito utilizzatore 200, determinando lo sbrinamento di tale scambiatore di calore. All?uscita dello scambiatore di calore secondario 13 il refrigerante ? nuovamente in una condizione di liquido, preferibilmente sottoraffreddato.
Nelle fasi S5 e S6 lo sbrinamento dello scambiatore di calore secondario 13 viene preferibilmente completato nella rispettiva modalit? di funzionamento dell?unit? a pompa di calore polivalente inizialmente scelta sulla base del confronto effettuato nella fase S4.
Il completamento di un processo di sbrinamento viene preferibilmente stabilito rilevando la pressione nello scambiatore di calore secondario 13 tramite il misuratore di pressione BP e verificando quando essa torna nuovamente al di sopra di un valore prestabilito. In entrambe le modalit? di funzionamento sopradescritte tale pressione corrisponde alla pressione di condensazione del ciclo ed ? sostanzialmente uguale alla pressione di mandata del gruppo di compressione 14.
Se lo sbrinamento viene effettuato secondo la fase S5, bisogna per? garantire che nello scambiatore di calore freddo 11 non vengano raggiunte condizioni di ghiacciamento, pericolose per l?integrit? dello stesso. Ci? viene in primo luogo ottenuto tramite una scelta opportuna della temperatura di soglia T1ts utilizzata per decidere (fase S4) quale modalit? di sbrinamento verr? utilizzata. La temperatura di soglia T1ts pu? infatti essere impostata in modo da assicurare un certo margine rispetto al raggiungimento delle condizioni di ghiacciamento nello scambiatore di calore freddo 11, anche in relazione alle condizioni ambientali esterne. Se, nonostante ci?, venissero comunque raggiunte condizioni di ghiacciamento, sono previste in modo noto misure di salvaguardia dello scambiatore di calore freddo 11, come l?attivazione di appositi riscaldatori elettrici (non mostrati nelle figure) e, in ultima istanza, lo spegnimento dell?unit? a pompa di calore.
Con l?invenzione viene quindi messo a disposizione un metodo ?intelligente? per sbrinare uno scambiatore di calore ad aria in una unit? a pompa di calore polivalente, tramite il quale ? possibile scegliere la sorgente di calore di volta in volta pi? conveniente per effettuare tale processo, migliorando cos? le prestazioni e l?efficienza energetica dell?unit? a pompa di calore polivalente stessa.
Un tecnico del settore potr? apportare modifiche al metodo sopradescritto allo scopo di soddisfare specifiche e contingenti esigenze applicative, come, a titolo ad esempio, il suo impiego in una unit? a pompa di calore polivalente atta a funzionare con impianti utilizzatori con configurazione ?a 2+2 tubi?, modifiche comunque rientranti nell'ambito di protezione quale definito dalle successive rivendicazioni.
Claims (8)
1. Metodo per sbrinare uno scambiatore di calore ad aria (13) in una unit? a pompa di calore polivalente avente almeno un circuito operativo (1) per la circolazione di un fluido operativo comprendente:
- un primo scambiatore di calore (11), il quale ? destinato ad essere idraulicamente connesso ad un primo circuito utilizzatore (100) e nel quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con un primo liquido termovettore da raffreddare o riscaldare circolante in detto primo circuito utilizzatore (100);
- un secondo scambiatore di calore (12), il quale ? destinato ad essere idraulicamente connesso ad un secondo circuito utilizzatore (200) e nel quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con un secondo liquido termovettore da riscaldare circolante in detto secondo circuito utilizzatore (200), e
- un terzo scambiatore di calore (13), tramite il quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con aria dell?ambiente esterno,
il metodo comprendendo le fasi:
- ricevere (S1) una richiesta di sbrinamento del terzo scambiatore di calore (13);
- rilevare (S3) una temperatura del primo liquido termovettore;
- confrontare (S4) la temperatura rilevata del primo liquido termovettore con un valore di soglia prestabilito;
- se la temperatura rilevata del primo liquido termovettore ? superiore o uguale al valore di soglia, effettuare uno sbrinamento (S5) del terzo scambiatore di calore (13) trasferendo calore dal primo circuito utilizzatore (100) al terzo scambiatore di calore (13) tramite il fluido operativo;
- se la temperatura rilevata del primo liquido termovettore ? inferiore al valore di soglia, effettuare uno sbrinamento (S6) del terzo scambiatore di calore (13) trasferendo calore dal secondo circuito utilizzatore (200) al terzo scambiatore di calore (13) tramite il fluido operativo.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la temperatura del primo liquido termovettore viene rilevata in una linea di ritorno del primo liquido termovettore in corrispondenza del primo scambiatore di calore (11).
3. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il valore di soglia ? scelto in modo tale per cui la differenza tra tale valore di soglia e una temperatura di regolazione del primo liquido termovettore nel primo circuito utilizzatore (100) ? maggiore di zero.
4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui effettuare lo sbrinamento (S5) del terzo scambiatore di calore (13) trasferendo calore dal primo circuito utilizzatore (100) al terzo scambiatore di calore (13) tramite il fluido operativo comprende sotto-raffreddare il primo liquido termovettore rispetto ad una temperatura di regolazione dello stesso nel primo circuito utilizzatore (100).
5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?almeno un circuito operativo (1) comprende mezzi di compressione (14), mezzi di espansione (15a, 15b, 15c), e mezzi valvolari (16), e effettuare lo sbrinamento del terzo scambiatore di calore (13) trasferendo calore dal primo circuito utilizzatore (100) al terzo scambiatore di calore (13) tramite il fluido operativo comprende comandare i mezzi valvolari (16) e almeno alcuni dei mezzi di espansione (15a, 15b, 15c) in modo tale per cui il secondo scambiatore di calore (12) ? escluso dall?almeno un circuito operativo (1), il primo scambiatore di calore (11) ? connesso a valle dei mezzi di espansione (15a) e a monte dei mezzi di compressione (14), e il terzo scambiatore di calore (13) ? connesso a valle dei mezzi di compressione (14) e a monte dei mezzi di espansione (15a).
6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?almeno un circuito operativo (1) comprende mezzi di compressione (14), mezzi di espansione (15a, 15b, 15c), e mezzi valvolari (16), e effettuare lo sbrinamento del terzo scambiatore di calore (13) trasferendo calore dal secondo circuito utilizzatore (200) al terzo scambiatore di calore (13) tramite il fluido operativo comprende comandare i mezzi valvolari (16) e almeno alcuni dei mezzi di espansione (15a, 15b, 15c) in modo tale per cui il primo scambiatore di calore (11) ? escluso dall?almeno un circuito operativo (1), il secondo scambiatore di calore (12) ? connesso a valle dei mezzi di espansione (15c) e a monte dei mezzi di compressione (14), e il terzo scambiatore di calore (13) ? connesso a valle dei mezzi di compressione (14) e a monte dei mezzi di espansione (15c).
7. Programma per elaboratore comprendente istruzioni che, quando eseguite da una unit? di controllo (2) di una unit? a pompa di calore polivalente, fanno s? che l?unit? a pompa di calore polivalente attui le fasi del metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
8. Unit? a pompa di calore polivalente avente almeno un circuito operativo (1) per la circolazione di un fluido operativo comprendente:
- un primo scambiatore di calore (11), il quale ? destinato ad essere idraulicamente connesso ad un primo circuito utilizzatore (100) e nel quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con un primo liquido termovettore da raffreddare o riscaldare circolante in detto primo circuito utilizzatore (100);
- un secondo scambiatore di calore (12), il quale ? destinato ad essere idraulicamente connesso ad un secondo circuito utilizzatore (200) e nel quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con un secondo liquido termovettore da riscaldare circolante in detto secondo circuito utilizzatore (200);
- un terzo scambiatore di calore (13), tramite il quale il fluido operativo pu? essere posto in relazione di scambio termico con aria dell?ambiente esterno;
e una unit? di controllo (2) comprendente mezzi di memoria (21),
caratterizzata dal fatto che nei mezzi di memoria (21) dell?unit? di controllo (2) ? memorizzato un programma per elaboratore comprendente istruzioni che, quando eseguite dall?unit? di controllo (2), fanno s? che l?unit? a pompa di calore polivalente attui le fasi del metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6.
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- 2021-10-08 IT IT102021000025904A patent/IT202100025904A1/it unknown
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