Come fanno le pompe di calore ad aria a far fronte agli ambienti a temperature ultra-basse?

Le pompe di calore ad aria hanno guadagnato terreno sul mercato per la loro efficienza e i vantaggi ambientali. Tuttavia, le prestazioni possono variare in modo significativo in base a diversi fattori. Nei climi più freddi, l’efficienza di queste pompe diminuisce e la formazione di brina durante il riscaldamento può compromettere gravemente sia l’efficienza che l’affidabilità. Per combattere queste sfide, sono stati compiuti progressi nella tecnologia e nel design, migliorando la funzionalità e l’applicazione delle pompe di calore ad aria in vari ambienti.

Progressi nella tecnologia di compressione multistadio

La tecnologia di compressione a frequenza variabile è uno dei metodi efficaci per migliorare la capacità di riscaldamento delle pompe di calore ad aria. In condizioni di bassa temperatura, l'aumento della velocità del compressore può aumentare significativamente il volume di scarico, migliorando così la capacità di riscaldamento della pompa di calore ad aria. Tuttavia, la tecnologia a frequenza variabile non migliora l’efficienza energetica del sistema. Per migliorare contemporaneamente la capacità di riscaldamento e l’efficienza energetica a bassa temperatura, è stata sviluppata la tecnologia di compressione multistadio.

A seconda del numero di stadi di compressione e della struttura del ciclo, le pompe di calore con sorgente d'aria compressa multistadio possono essere suddivise in cicli a cascata e compressione doppia/multistadio, ecc. Per migliorare la capacità di riscaldamento dei sistemi di compressione monostadio a basse temperature ambiente, il refrigerante può essere iniettato direttamente nella camera di compressione durante il processo di compressione, noto come compressione quasi a due stadi. Poiché i cicli di compressione quasi a due stadi hanno caratteristiche di compressione a doppio stadio, questo articolo li includerà nell'ambito della discussione dei cicli di compressione a doppio stadio.

Pompe di calore ad aria in cascata

A causa della bassa temperatura ambiente, il rapporto di pressione del sistema è elevato, il lavoro di compressione è elevato e la perdita di strozzamento è significativa, con conseguente riduzione dell'efficienza energetica della pompa di calore. Per ridurre le perdite e migliorare l'efficienza, i sistemi a pompa di calore con sorgente d'aria in cascata utilizzano due cicli di compressione del vapore in serie per sostituire un singolo ciclo, per ridurre il rapporto di compressione del ciclo a stadio singolo.

Come mostrato nella figura, il sistema a cascata è costituito da due cicli di compressione del vapore indipendenti, uno è un ciclo a fasi a bassa temperatura e l'altro è un ciclo a fasi ad alta temperatura. Questi due cicli sono collegati tramite uno scambiatore di calore intermedio comune, che funge anche da condensatore per il ciclo a bassa temperatura e da evaporatore per il ciclo ad alta temperatura. In inverno, il ciclo a bassa temperatura assorbe il calore dall'aria ambiente attraverso l'evaporatore ed eleva il calore a una temperatura più elevata per fungere da fonte di calore per il ciclo ad alta temperatura; nel ciclo ad alta temperatura, il calore viene ulteriormente elevato alla temperatura richiesta per il riscaldamento interno.

Utilizzando una pompa di calore ad aria compressa in cascata, il rapporto di compressione del ciclo viene notevolmente ridotto, riducendo la perdita di compressione complessiva e la perdita di strozzamento, migliorando così l'efficienza energetica della pompa di calore ad aria. Inoltre, a seconda delle diverse condizioni di lavoro, le fasi di alta e bassa temperatura del ciclo a cascata possono utilizzare refrigeranti diversi. Poiché il sistema a cascata può essere realizzato utilizzando due semplici sistemi monostadio, viene utilizzato da molti anni nelle applicazioni di riscaldamento e di fornitura di acqua calda. Tuttavia, la differenza di temperatura nello scambio termico dello scambiatore di calore intermedio nel ciclo in cascata porta inevitabilmente ad alcune perdite di efficienza; inoltre il ciclo in cascata richiede due compressori e uno scambiatore di calore aggiuntivo, il che lo rende più costoso rispetto ai cicli monostadio.

Vantaggi delle pompe di calore con sorgente d'aria a compressione a doppio stadio

Una pompa di calore ad aria compressa a doppio stadio collega insieme due cicli di refrigerazione e può essere vista come una forma semplificata del sistema a cascata. Come mostrato in figura, in base ai diversi economizzatori utilizzati, le pompe di calore con sorgente d'aria compressa a doppio stadio possono essere suddivise in due tipologie: sistemi Flash Tank (FT) e sistemi Intermediate Heat Exchanger (IHX).

Per il sistema flash tank, il refrigerante liquido in uscita dal condensatore interno viene suddiviso in due fasi e quindi entra nel flash tank, dove il refrigerante bifase viene separato in vapore saturo e liquido saturo; il refrigerante a vapore saturo viene miscelato con il refrigerante di scarico proveniente dal compressore dello stadio di bassa pressione e quindi compresso nuovamente dal compressore dello stadio di alta pressione, il liquido saturo viene strozzato dalla seconda valvola di espansione ed entra nell'evaporatore esterno per evaporare in gas e quindi entrare nel compressore dello stadio di bassa pressione, miscelandosi successivamente con il gas a media pressione proveniente dal serbatoio di flash.

Per il sistema con scambiatore di calore intermedio, il refrigerante liquido proveniente dall'uscita del condensatore è direttamente diviso in due percorsi: flusso principale e flusso diramato. Il refrigerante del flusso ramificato viene regolato a una pressione intermedia ed entra nello scambiatore di calore intermedio, dove il refrigerante a bassa temperatura raffredda il refrigerante del flusso principale portandolo a uno stato sottoraffreddato, il refrigerante del flusso ramificato assorbe calore e diventa vapore saturo o stato surriscaldato e si mescola con lo scarico dal compressore dello stadio di bassa pressione, quindi entra nel compressore dello stadio di alta pressione per un'ulteriore compressione. Il refrigerante sottoraffreddato proveniente dall'uscita del flusso principale dello scambiatore di calore intermedio viene strozzato attraverso l'evaporatore e infine ritorna al compressore dello stadio di bassa pressione, compresso a pressione intermedia e si miscela con il refrigerante del flusso diramato.

Compressione quasi a doppio stadio per versatilità

Come mostrato nella figura, le pompe di calore con sorgente d'aria con compressione quasi a doppio stadio (note anche come sistemi di trucco) sono molto simili ai sistemi di compressione a doppio stadio. La differenza è che nella compressione quasi a doppio stadio, il refrigerante proveniente dal flash tank o dallo scambiatore di calore intermedio viene iniettato nella camera di compressione del compressore, invece che tra due compressori in serie.

Pertanto, le pompe di calore quasi a doppio stadio possono essere considerate una forma semplificata di pompe di calore a doppio stadio, utilizzando compressori di trucco appositamente progettati per sostituire due compressori, evitando così il problema di equalizzazione dell'olio tra due compressori e riducendo i costi di sistema. Ancora più importante, chiudendo la valvola sul ramo di reintegro, i sistemi quasi a doppio stadio possono passare in modo flessibile alla modalità di ciclo a stadio singolo, ottimizzando così le prestazioni delle pompe di calore quasi a doppio stadio in inverno e in estate. Per questo motivo, negli ultimi anni la tecnologia di compressione quasi a doppio stadio è stata ampiamente applicata nelle pompe di calore a bassa temperatura.

Sostituzione del refrigerante

Il passaggio a refrigeranti efficienti e rispettosi dell’ambiente è fondamentale per il progresso delle pompe di calore ad aria. I refrigeranti tradizionali come R22 e R410A vengono sostituiti da alternative come R290, R32, R744 e R161, tra gli altri. Ciascuno di questi refrigeranti presenta vantaggi e considerazioni, in particolare per quanto riguarda l’impatto ambientale, l’efficienza e gli standard di sicurezza. Con il progresso della tecnologia, l’adozione di queste alternative, abbinata a progettazioni di sistemi avanzati, continuerà a migliorare le prestazioni e l’applicabilità delle pompe di calore ad aria.

Attraverso la continua innovazione e ricerca, le pompe di calore ad aria stanno diventando sempre più robuste, efficienti e adatte a una gamma più ampia di climi e applicazioni. L’integrazione di tecnologie di compressione avanzate e il passaggio a refrigeranti rispettosi dell’ambiente sono fondamentali per questa evoluzione, aprendo la strada a soluzioni di riscaldamento sostenibili ed efficienti.

Conclusione

Le pompe di calore ad aria sono all'avanguardia nella tecnologia del riscaldamento e del raffreddamento, offrendo un'alternativa sostenibile ed efficiente ai sistemi tradizionali. Attraverso l'adozione di tecnologie di compressione multistadio e refrigeranti rispettosi dell'ambiente, questi sistemi sono in continua evoluzione per fornire prestazioni migliori, adattabilità e un impatto ambientale ridotto. Grazie alla continua ricerca e innovazione, le pompe di calore ad aria sono destinate a diventare un’opzione ancora più interessante per un’ampia gamma di applicazioni residenziali e commerciali, portando avanti il ​​futuro del riscaldamento e del raffreddamento sostenibili.