ITMI20091056A1 - Pompa di calore a ciclo reversibile a compressione di vapore - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad una pompa di calore a ciclo reversibile a compressione di vapore.
Una pompa di calore à ̈ un’unità termofrigorifera che può asportare con continuità calore da una sorgente a temperatura inferiore di quella dell’ambiente esterno (funzionamento inverso, in modalità di frigorifero) e/o può rendere disponibile per utilizzazione esterna del calore prelevato da una sorgente termica a temperatura inferiore (funzionamento direto, in modalità di pompa di calore). Per poter funzionare la pompa di calore necessita, coerentemente con il secondo principio della termodinamica, di un serbatoio verso cui rigetare il calore in eccesso, quando funziona in modalità inversa, o di una sorgente da cui asportare il calore, quando funziona in modalità diretta.
Le sorgenti/serbatoi generalmente utilizzati sono l’aria o l’acqua. La pompa di calore a cui si riferisce la presente invenzione può anche essere del tipo polivalente in cui à ̈ previsto aggiuntivamente uno scambiatore di recupero ad acqua che può fungere da evaporatore o da condensatore in funzione anche del regime di funzionamento.
Una tradizionale pompa di calore reversibile ad aria in genere comprende uno scambiatore ad acqua per l’utenza, uno scambiatore di smaltimento ad aria munito di ventilatori elettrici, almeno un compressore, e uno o più organi di laminazione.
In funzionamento inverso, generalmente d’estate, la pompa di calore reversibile ad aria asporta calore dall’acqua, raffreddandola per l’utenza, e lo rigetta all’aria esterna tramite lo scambiatore ad aria. Lo scambiatore ad acqua funge da evaporatore e lo scambiatore ad aria, in genere costituito da batterie alettate, funge da condensatore.
In funzionamento diretto, generalmente d’inverno, la pompa di calore reversibile ad aria asporta calore dall’aria tramite le batterie alettate e lo trasferisce all’acqua, riscaldandola per l’utenza. Lo scambiatore ad acqua funge da condensatore e le batterie alettate da evaporatore.
I principali possibili difetti delle tradizionali pompe di calore reversibili ad aria consistono nella possibile inefficienza legata ai bassi coefficienti di scambio termico con l’aria, nella possibile inefficienza legata al consumo dei ventilatori e loro usura, nel rumore legato al funzionamento dei ventilatori, nella possibilità che le batterie alettate si sporchino diminuendo i coefficienti di scambio termico, nella necessità di interrompere il funzionamento della pompa di calore per eventuale manutenzione delle batterie alettate e/o dei ventilatori, nella possibilità che sulle batterie alettate si formino, quando si lavora in modalità diretta con temperature aria prossime allo zero centrigado, strati di ghiaccio che diminuiscono i coefficienti di scambio con 1’aria, nella necessità di sbrinare periodicamente per eliminare l’eventuale ghiaccio formatosi, nella possibile inefficienza dei vari sistemi di sbrinamento, nella possibile discontinuità della fornitura di acqua calda all’utenza quando si opera uno sbrinamento con inversione di ciclo, nella possibile usura, ritorno di liquido e mancanza di olio ai compressori quando si opera uno sbrinamento con inversione di ciclo, nel campo di lavoro limitato dalle condizioni ambientali esterne, e nella mutua negativa interferenza tra eventuali pompe di calore limitrofe.
Una tradizionale pompa di calore reversibile ad acqua in genere differisce da tradizionale pompa di calore reversibile ad aria sostanzialmente per la presenza di uno scambiatore di smaltimento ad acqua invece che ad aria.
Il circuito dello scambiatore di smaltimento ad acqua può servirsi, a seconda dei casi, di acqua di falda, di pozzo, di fiume, di mare, di sonde geotermiche di vario tipo che scambiano calore con il terreno, di torri evaporative, di dry cooler, di circuiti raffreddati/riscaldati da altre unità termoffigorifere o altri sistemi quali caldaie, impianti solari, ecc.
I principali possibili difetti delle tradizionali pompe di calore reversibili ad acqua consistono nella necessità di poter disporre in modo continuativo di acqua a temperatura adeguata per lo smaltimento/sorgente, nei possibili difetti progettuali o malfunzionamenti del circuito di smaltimento/sorgente, nel consumo e possibile usura del sistema di pompaggio del circuito di smaltimento/sorgente, nelle limitazioni legislative (es. legionella), costi e consumi di eventuali Torri Evaporative, nel consumo, decadimento prestazionale e complessità impiantistica legata all’utilizzo di dry-cooler con acqua e/o acqua glicolata, nella difficoltà e costi nell’ ottenimento e nel mantenimento delle concessioni per l’utilizzo di acqua di falda - pozzo - fiume - mare ecc, nella variabilità temporale e geografica delle leggi in termini di concessioni, nei limiti di temperatura massima/minima di ritorno al sistema di smaltimento, nei possibili limiti di smaltimento e difetti di progettazione di un’eventuale sistema a sonde geotermiche, nel possibile prosciugamento o inquinamento della falda in uso nel circuito di smaltimento/sorgente, nelle possibili interruzioni o variabilità stagionale del flusso d’acqua utilizzato dal circuito di smaltimento/sorgente, nella necessità di interrompere il funzionamento dell’unità per eventuale manutenzione del circuito di smaltimento/sorgente, e nella difficoltà nel far coesistere sullo stesso circuito di smaltimento/sorgente unità con regimi di funzionamento diversi.
Compito tecnico che si propone la presente invenzione à ̈, pertanto, quello di realizzare una pompa di calore a ciclo reversibile a compressione di vapore che consenta di eliminare gli inconvenienti tecnici lamentati della tecnica nota.
Nell’ambito di questo compito tecnico uno scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare una pompa di calore a ciclo reversibile a compressione di vapore ad elevata flessibilità di utilizzo, altamente efficiente ed affidabile, ed avente il massimo rendimento.
Il compito tecnico, nonché questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando una pompa di calore a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo la rivendicazione 1.
Altre caratteristiche della presente invenzione sono definite, inoltre, nelle rivendicazioni successive.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita ma non esclusiva della pompa di calore a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui:
la figura 1 mostra un possibile schema di impianto della pompa di calore conforme all’invenzione.
Con riferimento alla figura 1, la pompa di calore 1 a ciclo reversibile a compressione di vapore comprende almeno una prima unità di scambio termico 2 tra il refrigerante frigorifero ed un primo fluido destinato ad una utenza, almeno una seconda unità di scambio termico 3 tra il refrigerante ed un secondo fluido avente una temperatura inferiore del primo fluido, almeno una unità di compressione 4 del refrigerante ed almeno una unità di espansione 5 del refrigerante comprendente in particolare almeno un organo di laminazione 21.
La prima unità di scambio termico 2 à ̈ atta a funzionare da condensatore per trasferire energia termica dal refrigerante frigorifero al primo fluido nel ciclo di funzionamento diretto della pompa di calore 1.
La seconda unità di scambio termico 3 à ̈ atta a funzionare da evaporatore per trasferire energia termica dal secondo fluido al refrigerante frigorifero nel ciclo di funzionamento diretto della pompa di calore 1.
In figura 1 frecce continue indicano il circuito del refrigerante nel funzionamento inverso della pompa di calore 1, mentre frecce tratteggiate indicano il circuito del refrigerante nel funzionamento diretto della pompa di calore 1.
Vantaggiosamente la seconda unità di scambio termico 3 comprende almeno uno scambiatore di calore ad aria 6 ed almeno uno scambiatore di calore ad acqua 7.
Nel ciclo di funzionamento inverso della pompa di calore 1 lo scambiatore di calore ad aria 6 e lo scambiatore di calore ad acqua 7 sono atti a smaltire energia termica trasferendola dal refrigerante frigorifero al secondo fluido .
Sono inoltre previsti mezzi di commutazione 8 atti a selezionare alternativamente e/o contemporaneamente lo scambiatore di calore ad aria 6 e/o lo scambiatore di calore ad acqua 7 per l’esecuzione del ciclo.
Preferibilmente nel circuito del refrigerante frigorifero lo scambiatore di calore ad aria 6 e lo scambiatore di calore ad acqua 7 sono collegati in parallelo.
In tal caso i mezzi di commutazione 8 comprendono una prima valvola di intercettazione 12 presente nella derivazione del circuito del refrigerante frigorifero in cui si trova lo scambiatore termico ad aria 6, ed una seconda valvola di intercettazione 13 presente nella derivazione del circuito del refrigerante frigorifero in cui si trova lo scambiatore termico ad acqua 7.
La prima unità di scambio termico 2 comprende una scambiatore ad acqua 9.
Lo scambiatore ad aria 6 della seconda unità di scambio termico 3 comprende almeno una batteria alettata 10 munita di almeno un ventilatore 1 1.
La pompa di calore 1 comprende inoltre un controllore elettronico 14 in comunicazione con i mezzi di commutazione 8 per il loro azionamento automatico.
I mezzi di commutazione 8 possono in ogni caso essere azionabili anche manualmente.
Lungo il circuito del refrigerante frigorifero sono inoltre presenti un separatore di liquido 15, un ricevitore di liquido 16, un filtro disidratatore 17, una valvola di inversione ciclo 18 a quattro vie 18a, 18b, 18c e 18d, valvole unidirezionali 19, ed elettrovalvole 20.
Lungo il circuito del refrigeratore à ̈ previsto anche un desurriscaldatore 22, vale a dire uno scambiatore 22 atto a recuperare parte del calore di smaltimento.
In una soluzione preferita non mostrata la pompa di calore conforme all’ invenzione può essere una unità polivalente che presenta, oltre a quanto espresso sopra, un’ulteriore scambiatore ad acqua per l’utenza denominato scambiatore di recupero che può fungere da evaporatore o da condensatore in funzione del tipo di unità e del regime di funzionamento.
Il principio di funzionamento à ̈ semplice: quando si verifica la richiesta contemporanea di acqua fredda e calda, l’unità polivalente estrae calore dall’ambiente da raffrescare e lo cede all’ambiente da riscaldare. Nel caso in cui i carichi termici non siano bilanciati, l’unità polivalente si serve automaticamente di una sorgente termica terza, aria o acqua a seconda dei modelli.
Il massimo dei benefici dell’unità polivalente si verifica quando ci sono richieste contemporanee di raffreddamento e riscaldamento in quanto si soddisfano i due effetti utili con un’unica spesa dì energia, con doppio rendimento e conseguenti risparmi in termini di costi di gestione ed inquinamento indotto.
L’unità polivalente può essere del tipo adatto ad impianti di condizionamento dell’aria a quattro tubi oppure del tipo adatto ad impianti di condizionamento dell’aria a due tubi.
Nell’unità polivalente per impianti a quattro tubi, lo scambiatore 2 funge sempre da evaporatore fornendo acqua fredda all’utenza, mentre lo scambiatore di recupero funge sempre da condensatore fornendo acqua calda all’utenza.
Nell’unità polivalente per impianti di condizionamento dell’aria a due tubi, lo scambiatore 2 può fungere da evaporatore o condensatore fornendo acqua fredda o calda all’utenza, mentre lo scambiatore di recupero funge sempre da recupero fornendo acqua calda ad un’ulteriore utenza ad esempio sanitaria o di postriscaldamento per una centrale di trattamento aria. In modalità estiva l’unità polivalente presenta la possibilità di produzione simultanea e indipendente di acqua fredda nel circuito primario e calda nel circuito ausiliario. In modalità invernale invece l’unità polivalente può gestire la produzione di caldo su due circuiti: utenza riscaldamento e utilizzo acqua calda sanitaria, secondo la richiesta dei due circuiti e le priorità dell’utente.
Esiste infine la possibilità , ad esempio per utenze industriali, di far funzionare l’unità polivalente in modo totalmente reversibile trasferendo calore da un ambiente all’altro o viceversa: in questo caso sia lo scambiatore per l’utenza 2 che quello di recupero possono fungere indistintamente da evaporatori o condensatori fornendo acqua calda o fredda alle due utenze in funzione delle necessità .
Nella pompa di calore 1 conforme all’ invenzione il controllore elettronico 14, ad esempio un PLC, à ̈ in comunicazione con sonde per il rilevamento di una o più variabili significative della pompa di calore 1 e/o dell’impianto in cui à ̈ inserita. Le variabili possono comprendere una o più temperature d’acqua e/o d’aria nella prima 2 e/o seconda 3 unità di scambio termico, e/o una o più pressioni e temperature in punti significativi del circuito frigorifero, e/o una portata d’acqua e/o d’aria nella prima 2 e/o seconda unità di scambio termico 3, e/o una portata del refrigerante, e/o un assorbimento elettrico di un organo elettromeccanico della pompa di calore 1, e/o una concentrazione d’olio nel refrigerante, e/o un parametro fisico atmosferico (ad esempio temperatura, e/o pressione e/o umidità atmosferica). Il controllore 14 à ̈ quindi atto ad azionare automaticamente i mezzi di commutazione 8 in relazione ai valore reali rilevati delle variabili che gli sono trasmessi.
In questo modo la pompa di calore garantisce il soddisfacimento dei carichi termici e frigoriferi dell’utenza commutando in modo automatico e/o manuale tra il funzionamento con lo scambiatore ad aria 6 e ad acqua 7 e viceversa offrendo sempre il massimo rendimento del sistema inteso come effetto utile (acqua calda e/o fredda alla temperatura desiderata) rapportato all’energia complessivamente consumata per ottenerlo.
La pompa di calore della presente invenzione presenta la massima flessibilità operativa permettendo di soddisfare ogni esigenza e necessità dell’utente.
Essa può fornire contemporaneamente e/o alternativamente utenze che richiedono acqua calda e fredda a diversi livelli di temperatura ed indipendentemente dalle condizioni ambientali, sempre con la massima efficienza di gestione, affidabilità ed auto-adattabilità . Essa può garantire acqua calda d’inverno anche con temperature aria inferiori ai limiti operativi delle pompe di calore ad aria tradizionali sfruttando lo scambiatore ad acqua 7.
Essa può commutare in modo automatico e/o manuale dal funzionamento con lo scambiatore ad aria 6 a quello con lo scambiatore ad acqua 7 ottimizzando il rendimento complessivo dell’impianto in funzione delle necessità dell’utenza, delle condizioni atmosferiche, delle variabili caratteristiche del circuito.
In funzionamento diretto essa può utilizzare selettivamente solo lo scambiatore ad acqua 7 evitando la formazione di ghiaccio ed i conseguenti inefficienti sbrinamenti delle batterie alettate.
Essa può utilizzare selettivamente solo lo scambiatore ad aria 6 quando à ̈ necessaria manutenzione sullo scambiatore ad acqua 7 o non à ̈ possibile servirsene per contingenze tecniche e/o legislative. Essa può utilizzare selettivamente solo lo scambiatore ad acqua 7 qualora sia necessaria manutenzione sulle batterie alettate 10 o sui ventilatori 11.
Essa offre maggiori garanzie di acqua calda all’utenza potendo mitigare gli sbrinamenti ad inversione di ciclo.
Essa può utilizzare selettivamente solo lo scambiatore ad acqua 7 negli orari in cui sia necessario garantire maggiore silenziosità , ad esempio la notte.
Essa può utilizzare selettivamente solo lo scambiatore ad aria 6 qualora sia non adeguato o non economicamente conveniente utilizzare l’acqua dello scambiatore ad acqua 7.
La pompa di calore a ciclo reversibile conforme all’ invenzione può più in generale essere del tipo acqua-acqua o acqua-aria, polivalente acqua-acqua o polivalente acqua-aria.
La pompa di calore a ciclo reversibile a compressione di vapore così concepita à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti.
In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a secondo delle esigenze e dello stato della tecnica.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Pompa di calore (1) a ciclo reversibile a compressione di vapore comprendente almeno una prima unità di scambio termico (2) tra il refrigerante frigorifero ed un primo fluido destinato ad una utenza, detta prima unità di scambio termico (2) essendo atta a funzionare da condensatore per trasferire energia termica da detto refrigerante frigorifero a detto primo fluido nel ciclo di funzionamento diretto di detta pompa di calore (1), almeno una seconda unità di scambio termico (3) tra detto refrigerante ed un secondo fluido avente una temperatura inferiore di detto primo fluido, detta seconda unità di scambio termico (3) essendo atta a funzionare da evaporatore per trasferire energia termica da detto secondo fluido a detto refrigerante frigorifero nel ciclo di funzionamento diretto di detta pompa di calore (1), almeno una unità di compressione (4) di detto refrigerante ed almeno una unità di espansione (5) di detto refrigerante, caratterizzato dal fatto che detta seconda unità di scambio termico (3) comprende almeno uno scambiatore di calore ad aria (6) ed almeno uno scambiatore di calore ad acqua (7), e dai fatto che sono previsti mezzi di commutazione (8) atti a selezionare alternativamente e/o contemporaneamente detto scambiatore di calore ad aria (6) e/o detto scambiatore di calore ad acqua (7) per l’esecuzione di detto ciclo.
- 2. Pompa di calore (1) a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta prima unità di scambio termico (2) comprende una scambiatore ad acqua (9).
- 3. Pompa di calore (1) a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto scambiatore ad aria (6) comprende almeno una batteria alettata (10) munita di almeno un ventilatore (11).
- 4. Pompa di calore (1) a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che nel circuito del refrigerante frigorifero detto scambiatore di calore ad aria (6) e detto scambiatore di calore ad acqua (7) sono collegati in parallelo.
- 5. Pompa di calore (1) a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di commutazione (8) comprendono una prima valvola di intercettazione (12) presente nella derivazione del circuito di detto refrigerante frigorifero in cui si trova detto scambiatore termico ad aria (6), ed una seconda valvola di intercettazione (13) presente nella derivazione del circuito di detto refrigerante frigorifero in cui si trova detto scambiatore termico ad acqua (7).
- 6, Pompa di calore (1) a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere un controllore elettronico (14) in comunicazione con detti mezzi di commutazione (8) per il loro azionamento automatico.
- 7. Pompa di calore (1) a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che detto controllore (14) à ̈ in comunicazione con sonde per il rilevamento di una o più variabili significative di detta pompa di calore e/o dell’ impianto in cui à ̈ inserita, dette variabili comprendendo una o più temperature d’acqua e/o d’aria in detta prima e/o seconda unità di scambio termico, e/o una o più pressioni e temperature in punti significativi del circuito frigorifero, e/o una portata d’acqua e/o d’aria in detta prima e/o seconda unità di scambio termico, e/o una portata di detto refrigerante, e/o un assorbimento elettrico di un organo elettromeccanico di detta pompa di calore, e/o una concentrazione d’olio nel detto refrigerante, e/o un parametro fisico atmosferico, detto controllore (14) essendo atto ad azionare automaticamente detti mezzi di commutazione (8) in relazione ai valore reali rilevati per dette variabili.
- 8. Pompa di calore (1) a ciclo reversibile a compressione di vapore secondo una o più rivendicazioni precedenti, caraterizzata dal fatto di presentare almeno uno scambiatore di recupero per lo scambio termico tra il refrigerante frigorifero ed un terzo fluido destinato ad una utenza, deto scambiatore di recupero essendo in comunicazione con detta prima unità di scambio termico (2) per il trasferimento bidirezionale di energia termica tra deto primo e deto terzo fluido.
- 9. Impianto per la fornitura di acqua ad una utenza caraterizzato dal fato di comprendere una pompa di calore conforme ad una o più rivendicazioni precedenti.
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| US1935281A (en) * | 1931-06-03 | 1933-11-14 | Reed Frank Maynard | Heat-exchange mechanism |
| GB1504395A (en) * | 1975-06-27 | 1978-03-22 | Daikin Ind Ltd | Environmental control systems |
| US4718248A (en) * | 1986-05-05 | 1988-01-12 | Stephen Fisher | Four element refrigeration heat pump and geothermal control systems |
| US5937665A (en) * | 1998-01-15 | 1999-08-17 | Geofurnace Systems, Inc. | Geothermal subcircuit for air conditioning unit |
| US20050252226A1 (en) * | 2004-05-12 | 2005-11-17 | Seefeldt William J | Heating/cooling system |
-
2009
- 2009-06-16 IT ITMI2009A001056A patent/IT1394312B1/it active
-
2010
- 2010-06-15 EP EP10165928A patent/EP2264382A3/en not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2264382A3 (en) | 2011-12-28 |
| EP2264382A2 (en) | 2010-12-22 |
| IT1394312B1 (it) | 2012-06-06 |
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