In questo paragrafo viene descritta la soluzione impiantistica proposta in questa tesi al fine di migliorare le prestazioni della macchina soggetta periodicamente al ciclo di defrosting. Si fornisce lo schema della pompa di calore, se ne illustra il funzionamento e infine si spiegano le principali differenze con la macchina tradizionale introdotta nei paragrafi precedenti.
3.3.1 Schema della macchina
Figura 16.3. Schema della pompa di calore con accumulo in sottoraffreddamento.
La macchina in figura 16.3 mette in luce la presenza di:
sottoraffreddatore: è uno scambiatore a piastre in cui il refrigerante sottoraffreddato in uscita dal condensatore scambia calore con acqua tecnica, contenuta in un accumulo ad essa dedicato.
accumulo sottoraffreddamento: è un recipiente di acqua tecnica che viene riscaldata durante il funzionamento della pompa di calore dal refrigerante che si sottoraffredda. Durante il defrosting la sua inerzia termica viene sfruttata come pozzo freddo per il funzionamento della
59 macchina che in questo modo non preleva energia dall'accumulo dell'impianto.
pompa dell'accumulo in sottoraffreddamento: spinge l'acqua tecnica nello scambiatore a piastre durante il funzionamento della pompa di calore. Durante il defrosting essa è spenta in quanto la macchina usa la pompa dell'impianto termico per scambiare calore con l'accumulo di sottoraffreddamento.
Rispetto allo schema di figura 14.3 si nota la presenza di alcune complicazioni impiantistiche lato idronico e la presenza di 3 valvole a tre vie deviatrici. Questa scelta viene spiegata illustrando il funzionamento del sistema durante la fase di riscaldamento e durante la fase di defrosting. Durante il funzionamento della pompa di calore in modo diretto la macchina riscalda sia l'accumulo dell'impianto tramite il condensatore che l'accumulo di sottoraffreddamento tramite il sottoraffreddatore. Entrambe le pompe sono in funzione con le rispettive portate di acqua dell'impianto termico e di acqua tecnica dell'accumulo di sottoraffreddamento. Le valvole V2 e V3 sono posizionate in modo che lo scambio termico al condensatore avvenga solo con la portata d'acqua dell'accumulo dell'impianto. La valvola V1 è invece regolata in modo che sia impedito il bypass del refrigerante sottoraffreddato: tutta la portata di liquido attraversa quindi il sottoraffreddatore.
Durante la fase di defrosting viene cambiata la posizione della valvola a 4 vie e il ciclo viene percorso al contrario. Il sottoraffreddatore in questo caso è completamente bypassato tramite le valvola V1 e la pompa relativa all'accumulo ad esso dedicato è spenta. Per far avvenire l'evaporazione del refrigerante si utilizza lo scambiatore a piastre (condensatore nel funzionamento diretto), mentre le valvole V2 e V3 fanno in modo che lo scambio termico avvenga con l'acqua tecnica dell'accumulo di sottoraffreddamento. In questo modo l'accumulo dell'impianto risulta "isolato" da ogni tipo di scambio termico con il refrigerante durante lo
60 sbrinamento, in quanto tutta la portata è prelevata dall'accumulo di sottoraffreddamento.
Le pompe relative ai due accumuli sono supposte a portata costante per cui durante la fase di sbrinamento la portata prelevata dall'accumulo di sottoraffreddamento sarà in generale diversa (maggiore) da quella durante la ricarica dello stesso.
3.3.2 Confronto con la pompa di calore tradizionale
Le principali differenze operative con la pompa di calore tradizionale sono le seguenti:
1. durante il defrosting la presenza dell'accumulo di sottoraffreddamento fa sì che non venga prelevato calore dal serbatoio dell'impianto di riscaldamento per eseguire lo sbrinamento; 2. durante la successiva fase di riscaldamento pertanto la macchina
dovrà fornire minor energia all'accumulo perché dove integrare solo l'energia prelevata dall'impianto all'accumulo. La PDC senza accumulo in sottoraffreddamento dovrà invece anche integrare l'energia termica sottratta per effettuare lo sbrinamento e di conseguenza spendere una maggior potenza elettrica;
3. durante il funzionamento in pompa di calore la macchina lavorerà con un consistente sottoraffreddamento del refrigerante prima che esso venga laminato. Si è supposto che le condizioni di uscita dal condensatore siano le stesse per le due macchine: quando l'accumulo di sottoraffreddamento è scarico dal punto di vista termico (dopo la fine di ogni defrosting), il sottoraffreddamento sarà molto elevato e man mano diminuirà con il progressivo riscaldamento dell'accumulo stesso;
4. l'aumento del sottoraffreddamento causa un diverso (minore) titolo di vapore in ingresso all'evaporatore, una volta avvenuta la laminazione: la quantità di calore necessario a far avvenire la
61 completa evaporazione sarà pertanto maggiore. Essendo costanti temperatura, portata e velocità dell'aria sull'evaporatore ciò necessita una maggior area di scambio di quest'ultimo. L'attenta osservazione della scheda tecnica della macchina in esame ha messo in luce che lo stesso scambiatore esterno viene adoperato anche per le pompe di calore della stessa serie con potenze termiche superiori (da 14,50 e 16,05 kW) senza che vengano variate le condizioni di velocità e portata dell'aria. Si è pertanto concluso che l'evaporatore si sufficientemente sovradimensionato per questa macchina e tale da non dover richiedere un aumento della superficie di scambio quando viene utilizzato l'accumulo di sottoraffreddamento. Tuttavia questo problema potrebbe non essere sempre di così facile soluzione e per alcune applicazioni potrebbe essere richiesto un evaporatore di dimensioni maggiori per questa soluzione impiantistica;
5. il COP di defrosting della macchina sarà in generale minore di quello della macchina tradizionale: la differenza è dovuta al fatto che l'accumulo di sottoraffreddamento è a temperatura inferiore rispetto a quello dell'impianto. E' minore quindi la temperatura (e pressione) a cui avviene l'evaporazione durante il ciclo di sbrinamento. Di questa situazione si è tenuto conto nelle simulazioni svolte introducendo due diversi per le due pompe di calore confrontate;
6. il costo della macchina è maggiore rispetto alla PDC tradizionale in quanto prevede più componenti e più complicazione impiantistica. Anche lo spazio occupato risulta maggiore e di ciò va tenuto conto considerando che le applicazioni in ambito residenziale spesso trovano delle limitazioni importanti da questo punto di vista.
I punti 1, 2 e 3 rappresentano i principali vantaggi della macchina studiata in questo lavoro rispetto alla pompa di calore tradizionale. I punti 4,5 e 6
62 invece ne rappresentano le principali criticità. Nei capitoli successivi, in cui vengono descritte le simulazioni eseguite per confrontare le due macchine e i risultati numerici ottenuti, si cercherà di rendere più chiari i benefici e i limiti della PDC con accumulo in sottoraffreddamento rispetto alle macchine classiche presenti sul mercato.
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