ITTO20111134A1 - HEAT PUMP UNIT AND PROCEDURE FOR COOLING AND / OR HEATING THROUGH THIS HEAT PUMP UNIT - Google Patents
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Description
“UNITA’ A POMPA DI CALORE E PROCEDIMENTO PER RAFFRESCARE E/O RISCALDARE TRAMITE TALE UNITA’ A POMPA DI CALORE†⠀ œHEAT PUMP UNIT AND PROCEDURE FOR COOLING AND / OR HEATING WITH THIS HEAT PUMP UNITâ €
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Campo deH’invenzione Field of invention
La presente invenzione riguarda il settore delle pompe di calore. In particolare, l'invenzione si riferisce ad un’unità a pompa di calore adatta all'impiego per raffrescamen e/o riscaldamento di ambienti e produzione di acqua calda sanitaria con alte prestazioni in termini di efficienza energetica e di flessibilità di impiego. L’invenzione riguarda inoltre un procedimento per raffrescare e/o riscaldare attuabile tramite tale unità a pompa di calore. The present invention relates to the heat pump sector. In particular, the invention refers to a heat pump unit suitable for use for cooling and / or heating of environments and for the production of domestic hot water with high performance in terms of energy efficiency and flexibility of use. The invention also relates to a process for cooling and / or heating which can be carried out by means of this heat pump unit.
Stato della tecnica State of the art
Le pompe di calore rappresentano una soluzione tecnica sempre più diffusa per soddisfare le esigenze di raffrescamento/riscaldamento di ambienti e/o di fluidi. Le ragioni di tale successo sono da ricondursi principalmente alle elevate efficienze energetiche, alla possibilità di utilizzare un unico dispositivo sia per raffrescare sia per riscaldare (pompe di calore cosiddette "reversibili"), alla flessibilità nella gestione di utenze termiche con esigenze differenti, e alla possibilità , nel caso di uso per riscaldamento, di ridurre drasticamente l'impiego di combustibili fossili e quindi l'emissione di gas serra nocivi per l'ambiente. Heat pumps represent an increasingly widespread technical solution to meet the cooling / heating needs of environments and / or fluids. The reasons for this success are mainly due to the high energy efficiency, the possibility of using a single device for both cooling and heating (so-called "reversible" heat pumps), the flexibility in the management of thermal users with different needs, and the possibility, in the case of use for heating, to drastically reduce the use of fossil fuels and therefore the emission of greenhouse gases harmful to the environment.
Al fine di rendere l'impiego delle pompe di calore sempre più competitivo, l'attenzione di progettisti e produttori à ̈ rivolta ad un costante miglioramento delle loro prestazioni, sia in termini di efficienza energetica, sia in termini di flessibilità di impiego (possibilità di uso sia per riscaldamento sia per raffrescamento, possibilità di soddisfare, anche contemporaneamente, più utenze termiche con esigenze differenti in termini di richiesta di potenza termica/frigorifera e/o di temperature di esercizio, capacità di funzionamento a carichi parziali senza decadimento dell'efficienza energetica, ecc.). L'esigenza di ottimizzazione à ̈ particolarmente sentita per unità a pompa di calore di elevata potenza frigorifera/termica (ad esempio, >100kW), tipicamente destinate all'impiego in grandi edifici con utenze termiche centralizzate, come ad esempio condomini, alberghi, ospedali, caserme, centri sportivi, piscine, ecc. In order to make the use of heat pumps more and more competitive, the attention of designers and manufacturers is aimed at a constant improvement of their performance, both in terms of energy efficiency and in terms of flexibility of use (possibility of use for both heating and cooling, possibility to satisfy, even at the same time, several thermal users with different needs in terms of demand for heating / cooling power and / or operating temperatures, operating capacity at partial loads without decaying energy efficiency , etc.). The need for optimization is particularly felt for heat pump units with high cooling / thermal power (for example,> 100kW), typically intended for use in large buildings with centralized thermal utilities, such as condominiums, hotels, hospitals. , barracks, sports centers, swimming pools, etc.
Nel caso di pompe di calore a compressione di gas destinate al riscaldamento, una soluzione nota per migliorare l'efficienza energetica consiste nell'eseguire un sottoraffreddamento del fluido operativo dopo la sua condensazione e nello sfruttare la potenza termica di sottoraffreddamento così ottenuta per preriscaldare il fluido termovettore proveniente da un pozzo termico prima di inviarlo all'evaporatore per determinare l'evaporazione del fluido operativo. In the case of gas compression heat pumps intended for heating, a known solution to improve energy efficiency consists in performing a subcooling of the operating fluid after its condensation and in exploiting the subcooling thermal power thus obtained to preheat the heat transfer fluid coming from a thermal well before sending it to the evaporator to determine the evaporation of the operating fluid.
I documenti DE 3311505 A1 e WO 2011/045752 A1 descrivono l'impiego della soluzione suddetta in particolare in pompe di calore a due stadi destinate al riscaldamento, di tipo irreversibile. Documents DE 3311505 A1 and WO 2011/045752 A1 describe the use of the above solution in particular in two-stage heat pumps intended for heating, of the irreversible type.
Nelle pompe di calore a due stadi descritte in tali documenti à ̈ presente uno scambiatore di calore addizionale connesso a valle del condensatore e a monte dei mezzi di espansione nel circuito di ciascuno stadio. Gli scambiatori di calore addizionali sono inoltre connessi in una linea di mandata di un fluido termovettore di un pozzo termico, a monte dell'evaporatore dello stadio a temperatura inferiore. E' così possibile preriscaldare il fluido termovettore proveniente dal pozzo termico prima di inviarlo all'evaporatore del ciclo a pompa di calore a temperatura Inferiore tramite la potenza termica derivante dal sottoraffreddamento dei fluidi operativi che compiono i cicli a pompa di calore a temperatura superiore e inferiore. Con questa soluzione à ̈ possibile ottenere COP elevati, in particolare uguali o superiori a 3, anche in pompe di calore a due stadi. In the two-stage heat pumps described in these documents there is an additional heat exchanger connected downstream of the condenser and upstream of the expansion means in the circuit of each stage. The additional heat exchangers are also connected in a delivery line of a heat transfer fluid of a heat well, upstream of the evaporator of the lower temperature stage. It is thus possible to preheat the heat transfer fluid coming from the thermal well before sending it to the evaporator of the lower temperature heat pump cycle by means of the thermal power deriving from the subcooling of the operating fluids that perform the heat pump cycles at a higher temperature and inferior. With this solution it is possible to obtain high COPs, in particular equal to or greater than 3, even in two-stage heat pumps.
Sommario dell’invenzione Summary of the invention
II problema tecnico alla base della presente invenzione à ̈ il miglioramento dell'efficienza energetica di pompe di calore operanti per raffrescamento, siano esse pompe di calore irreversibili destinate esclusivamente al raffrescamento o pompe di calore reversibili in grado di operare sia per raffrescamento sia per riscaldamento. The technical problem underlying the present invention is the improvement of the energy efficiency of heat pumps operating for cooling, whether they are irreversible heat pumps intended exclusively for cooling or reversible heat pumps capable of operating for both cooling and heating.
In particolare, si desidera un'unità a pompa di calore in grado di garantire elevati valori di EER (Energy Efficiency Ratio), in particolare uguali o superiori a 3, in un ampio spettro di condizioni operative, anche in presenza di utenze termiche con esigenze differenti in termini di potenza frigorifera/termica e/o di temperature di esercizio richieste. In particular, we want a heat pump unit capable of guaranteeing high EER (Energy Efficiency Ratio) values, in particular equal to or greater than 3, in a wide range of operating conditions, even in the presence of thermal users with different in terms of cooling / heating capacity and / or required operating temperatures.
Le Richiedenti hanno percepito la possibilità di sfruttare un sottoraffreddamento successivo alla condensazione del fluido operativo in un ciclo a pompa di calore per ottenere un miglioramento del rendimento energetico anche nel caso di pompe di calore operanti per raffrescamento, irreversibili o reversibili. The Applicants have perceived the possibility of exploiting a sub-cooling subsequent to the condensation of the operating fluid in a heat pump cycle to obtain an improvement in energy efficiency also in the case of heat pumps operating for cooling, irreversible or reversible.
In un suo primo aspetto, l'invenzione riguarda pertanto un'unità a pompa di calore comprendente almeno un circuito atto a realizzare un ciclo a pompa di calore con un rispettivo fluido operativo, detto almeno un circuito comprendendo: In a first aspect thereof, the invention therefore relates to a heat pump unit comprising at least one circuit suitable for carrying out a heat pump cycle with a respective operating fluid, called at least one circuit comprising:
un evaporatore atto a realizzare l’evaporazione del fluido operativo ad una pressione inferiore di detto ciclo a pompa di calore e destinato ad essere connesso con un circuito esterno di un primo impianto utilizzatore termico in una modalità operativa per raffrescamento di detta unità a pompa di calore; an evaporator designed to evaporate the operating fluid at a lower pressure than said heat pump cycle and intended to be connected with an external circuit of a first thermal user system in an operating mode for cooling of said pump unit heat;
un condensatore atto a realizzare la condensazione del fluido operativo ad una pressione superiore di detto ciclo a pompa di calore e destinato ad essere connesso con un circuito esterno di un pozzo termico in una modalità operativa per raffrescamento di detta unità a pompa di calore, e a condenser adapted to carry out the condensation of the operating fluid at a higher pressure than said heat pump cycle and intended to be connected with an external circuit of a heat well in an operating mode for cooling of said heat pump unit, and
un primo scambiatore di calore atto a realizzare un sottoraffreddamento del fluido operativo alla pressione superiore di detto ciclo a pompa di calore dopo la condensazione del medesimo, a first heat exchanger adapted to provide subcooling of the operating fluid to the higher pressure of said heat pump cycle after its condensation,
caratterizzata dal fatto che detto primo scambiatore di calore à ̈ selettivamente collegabile con un circuito esterno dì un secondo impianto utilizzatore termico per trasferire ad esso potenza termica rilasciata da detto fluido operativo durante detto sottoraffreddamento. characterized in that said first heat exchanger can be selectively connected to an external circuit of a second thermal user system to transfer to it the thermal power released by said operating fluid during said subcooling.
Nell'ambito della presente descrizione e delle successive rivendicazioni Within the scope of the present description and the subsequent claims
con l'espressione "ciclo a pompa di calore" si intende indicare un generico ciclo termodinamico inverso, cioà ̈ un ciclo termodinamico atto a trasferire potenza termica da un mezzo o sistema a temperatura inferiore ad un mezzo o sistema a temperatura superiore, o allo scopo di aumentare o mantenere elevata la temperatura del mezzo o sistema a temperatura superiore (funzionamento per riscaldamento), o allo scopo di diminuire o mantenere bassa la temperatura del mezzo o sistema a temperatura inferiore (funzionamento per raffrescamento), e the term "heat pump cycle" means a generic inverse thermodynamic cycle, that is a thermodynamic cycle capable of transferring thermal power from a medium or system at a lower temperature to a medium or system at a higher temperature, or for the purpose to raise or maintain the temperature of the higher temperature medium or system (heating operation), or for the purpose of decreasing or maintaining low the temperature of the lower temperature medium or system (cooling operation), and
con l'espressione "pozzo termico" si intende indicare un mezzo o sistema in grado di cedere o assorbire potenza termica senza variazioni apprezzabili della sua temperatura media. with the expression "thermal well" it is intended to indicate a means or system capable of yielding or absorbing thermal power without appreciable variations in its average temperature.
Grazie alla predisposizione nell’unità a pompa di calore dell’invenzione di un primo scambiatore di calore con le caratteristiche strutturali e funzionali sopra menzionate, la potenza termica sottratta al fluido operativo durante il suo sottoraffreddamento può essere trasferita ad un secondo impianto utilizzatore termico, e dunque, in sostanza, smaltita all'esterno dell'unità a pompa di calore senza influenzare le condizioni del fluido termovettore nel circuito esterno che à ̈ connesso con l'evaporatore dell'unità a pompa di calore, in particolare in questo caso il circuito esterno di un impianto utilizzatore termico di raffrescamento. Thanks to the predisposition in the heat pump unit of the invention of a first heat exchanger with the structural and functional characteristics mentioned above, the thermal power subtracted from the operating fluid during its subcooling can be transferred to a second thermal user system. , and therefore, essentially, disposed of outside the heat pump unit without affecting the conditions of the heat transfer fluid in the external circuit which is connected to the evaporator of the heat pump unit, in particular in this case the external circuit of a cooling thermal user system.
Vantaggiosamente, il sottoraffreddamento del fluido operativo dei ciclo a pompa di calore si traduce in questo caso in un aumento del salto entalpico di evaporazione del fluido operativo nel ciclo a pompa di calore, ovvero dell'effetto utile nel caso di un unità a pompa di calore irreversibile destinata al raffrescamento o di un unità a pompa di calore reversibile operante in modalità di raffrescamento. Poiché ciò avviene senza alcun aumento di potenza elettrica spesa per la compressione del fluido operativo, si ha complessivamente un aumento dell'EER dell’unità a pompa di calore. Advantageously, the subcooling of the operating fluid of the heat pump cycle results in an increase in the enthalpy evaporation head of the operating fluid in the heat pump cycle, i.e. the useful effect in the case of a heat pump unit. irreversible intended for cooling or a reversible heat pump unit operating in cooling mode. Since this occurs without any increase in electrical power spent on compressing the operating fluid, there is an overall increase in the EER of the heat pump unit.
Si fa notare che, grazie alle caratteristiche sopra menzionate del primo scambiatore di calore, nell’unità a pompa di calore dell’invenzione à ̈ possibile trattare la potenza termica derivante da un sottoraffreddamento del fluido operativo in modo totalmente differente rispetto a quanto avviene nelle unità a pompa di calore della tecnica nota sopra citata, dove l’aumento dell’effetto utile si ottiene recuperando la potenza termica di sottoraffreddamento all’interno dell’unità a pompa di calore e sfruttandola per preriscaldare il fluido termovettore di un pozzo termico a temperatura inferiore, prima di inviarlo all’evaporatore. Questa soluzione non à ̈ adatta a unità a pompa di calore destinate al raffrescamento, in quanto in questo caso l’evaporatore à ̈ destinato ad essere connesso con il circuito esterno di un impianto utilizzatore termico di raffrescamento, e il preriscaldamento del fluido termovettore di tale impianto agirebbe proprio contro l’effetto utile (potenza frigorifera) che si desidera incrementare. It should be noted that, thanks to the aforementioned characteristics of the first heat exchanger, in the heat pump unit of the invention it is possible to treat the thermal power deriving from a subcooling of the operating fluid in a totally different way compared to what happens in the heat pump units of the aforementioned prior art, where the increase in the useful effect is obtained by recovering the subcooling thermal power inside the heat pump unit and exploiting it to preheat the heat transfer fluid a thermal well at a lower temperature, before sending it to the evaporator. This solution is not suitable for heat pump units intended for cooling, as in this case the evaporator is intended to be connected to the external circuit of a cooling thermal user system, and the preheating of the heat transfer fluid. this system would act precisely against the useful effect (cooling capacity) that you want to increase.
Si à ̈ trovato che con una opportuna scelta del fluido operativo e dei parametri di funzionamento, l’unità a pompa di calore dell’invenzione permette di raggiungere valori di EER pari a 3.5-4.0, con miglioramenti in taluni casi anche superiori al 100% rispetto alle prestazioni di pompe di calore convenzionali di pari tipologia e potenza. It has been found that with an appropriate choice of the operating fluid and the operating parameters, the heat pump unit of the invention allows to reach EER values equal to 3.5-4.0, with improvements in some cases even higher than 100% compared to the performance of conventional heat pumps of the same type and power.
Qualora la potenza termica di sottoraffreddamento venga trasferita ad un secondo impianto utilizzatore termico, ad esempio un impianto per produzione di acqua calda sanitaria a media/bassa temperatura, l'unità a pompa di calore dell’invenzione à ̈ in grado di fornire un ulteriore effetto utile, sempre senza alcun aumento di potenza elettrica di compressione, con un ulteriore beneficio per l’efficienza energetica complessiva dell’unità a pompa di calore. If the subcooling thermal power is transferred to a second thermal user system, for example a system for the production of domestic hot water at medium / low temperature, the heat pump unit of the invention is able to provide a further useful effect, again without any increase in electrical compression power, with a further benefit for the overall energy efficiency of the heat pump unit.
Inoltre, le caratteristiche tecniche dell'unità a pompa di calore dell'invenzione tramite le quali à ̈ possibile conseguire i risultati vantaggiosi sopradescritti sono compatibili e facilmente integrabili con altre soluzioni tecniche volte a sfruttare la potenza termica di sottoraffreddamento del fluido operativo, in particolare al fine di aumentare l’efficienza energetica anche in una modalità operativa di riscaldamento, quando prevista, a tutto vantaggio della flessibilità di impiego dell’unità a pompa di calore dell’invenzione Furthermore, the technical characteristics of the heat pump unit of the invention through which it is possible to achieve the advantageous results described above are compatible and easily integrated with other technical solutions aimed at exploiting the subcooling thermal power of the operating fluid, in particular at the in order to increase energy efficiency also in a heating operating mode, when foreseen, to the full advantage of the flexibility of use of the heat pump unit of the invention
In una forma di realizzazione preferita dell’unità a pompa di calore dell’invenzione, il circuito dell'unita a pompa di calore comprende un primo sotto-circuito atto a realizzare un ciclo a pompa di calore a temperatura superiore con un rispettivo fluido operativo e un secondo sotto-circuito atto a realizzare un ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore con un rispettivo fluido operativo, il primo e secondo sotto-circuito sono tra loro in relazione di scambio termico in cascata in modo da realizzare complessivamente un ciclo a pompa di calore a due stadi, e detto condensatore à ̈ connesso in detto primo sotto-circuito e detto evaporatore e detto primo scambiatore di calore sono connessi in detto secondo sotto-circuito. In a preferred embodiment of the heat pump unit of the invention, the circuit of the heat pump unit comprises a first sub-circuit adapted to carry out a heat pump cycle at a higher temperature with a respective fluid operating system and a second sub-circuit suitable for realizing a heat pump cycle at a lower temperature with a respective operating fluid, the first and second sub-circuits are in a cascade heat exchange relationship with each other so as to make a total cycle at two-stage heat pump, and said condenser is connected in said first sub-circuit and said evaporator and said first heat exchanger are connected in said second sub-circuit.
Tale configurazione permette di realizzare un ciclo a pompa di calore a due stadi, particolarmente vantaggioso quando l’unità a pompa di calore dell’invenzione debba essere utilizzata per raffrescamento in climi molto caldi o torridi. This configuration allows to realize a two-stage heat pump cycle, particularly advantageous when the heat pump unit of the invention is to be used for cooling in very hot or torrid climates.
Infatti, con un ciclo a pompa di calore a due stadi à ̈ possibile raggiungere temperature di condensazione del fluido operativo nel ciclo a pompa di calore superiore attorno a 80°C, senza necessità di aumentare la temperatura di evaporazione del fluido operativo nel ciclo a pompa di calore inferiore, e quindi senza ripercussioni negative sulle prestazioni dì raffrescamento. In fact, with a two-stage heat pump cycle it is possible to reach condensation temperatures of the operating fluid in the higher heat pump cycle of around 80 ° C, without the need to increase the evaporation temperature of the operating fluid in the pump cycle. of lower heat, and therefore without negative repercussions on cooling performance.
Temperature di condensazione attorno ad 80°C consentono un agevole smaltimento della potenza termica rilasciata in corrispondenza del condensatore nel ciclo a pompa di calore a temperatura superiore anche nel caso di temperature dell’ambiente esterno di 50-60°C, tipiche dei climi torridi senza dover ricorrere all'uso di torri di raffreddamento o sistemi di smaltimento di calore analoghi. Condensing temperatures around 80 ° C allow easy disposal of the thermal power released at the condenser in the heat pump cycle at a higher temperature even in the case of external ambient temperatures of 50-60 ° C, typical of hot climates without having to resort to the use of cooling towers or similar heat dissipation systems.
Preferibilmente, il primo sotto-circuito comprende un secondo scambiatore di calore atto a realizzare un sottoraffreddamento del fluido operativo alla pressione superiore di detto ciclo a pompa di calore a temperatura superiore dopo la condensazione del medesimo e selettivamente collegabile con il circuito esterno di detto secondo impianto utilizzatore termico per trasferire ad esso potenza termica rilasciata durante detto sottoraffreddamento dal fluido operativo di detto ciclo a pompa di calore a temperatura superiore. Preferably, the first sub-circuit comprises a second heat exchanger adapted to provide a sub-cooling of the operating fluid at the higher pressure of said heat pump cycle at a higher temperature after its condensation and which can be selectively connected to the external circuit of said second system. thermal user for transferring thereto thermal power released during said subcooling by the operating fluid of said higher temperature heat pump cycle.
L’impiego di un secondo scambiatore di calore con le caratteristiche suddette consente di realizzare un sottoraffreddamento del fluido operativo del ciclo a pompa di calore a temperatura superiore in modo analogo a quanto già descritto con riferimento al primo scambiatore di calore. The use of a second heat exchanger with the aforesaid characteristics allows to realize a subcooling of the operating fluid of the heat pump cycle at a higher temperature in a similar way to what has already been described with reference to the first heat exchanger.
Ciò si ripercuote sul ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore eseguito nel secondo sotto-circuito in due modi. Innanzitutto, fino a che la condensazione in corrispondenza del condensatore del secondo sotto-circuito non à ̈ completa, il sottoraffreddamento nel ciclo a pompa di calore a temperatura superiore induce un ulteriore aumento del salto entalpico di evaporazione in corrispondenza dell’evaporatore del secondo sotto-circuito. Quando la condensazione in corrispondenza del condensatore del secondo sotto-circuito à ̈ completa, il suddetto sottoraffreddamento richiede un aumento di portata massica nel secondo sottocircuito al fine di mantenere il bilancio di potenza termica scambiata tra il condensatore del secondo sotto-circuito e l’evaporatore del primo sotto-circuito. L’ulteriore aumento di salto entalpico di evaporazione nel secondo sotto-circuito avviene senza un corrispondente aumento di potenza elettrica spesa per la compressione dei fluidi operativi nei cicli a pompa di calore a temperatura superiore e inferiore. L’aumento di portata massica nel secondo sotto-circuito comporta un proporzionale aumento di potenza elettrica spesa per la compressione del fluido operativo nel ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore, ma nessun aumento di potenza elettrica spesa per la compressione del fluido operativo nel ciclo a pompa di calore a temperatura superiore. Globalmente si ottiene un sensibile aumento dell’EER complessivo dell’unità a pompa di calore. Inoltre, tramite il suddetto secondo scambiatore di calore viene messa a disposizione potenza termica ulteriore, e a temperatura più elevata rispetto a quella della potenza termica rilasciata in corrispondenza del primo scambiatore di calore, per servire il secondo impianto utilizzatore termico, quando presente. This affects the lower temperature heat pump cycle performed in the second sub-circuit in two ways. First of all, until the condensation at the condenser of the second sub-circuit is complete, the subcooling in the heat pump cycle at a higher temperature induces a further increase in the enthalpy evaporation jump at the evaporator of the second below. -circuit. When the condensation at the condenser of the second sub-circuit is complete, the aforementioned sub-cooling requires an increase in mass flow in the second sub-circuit in order to maintain the balance of thermal power exchanged between the condenser of the second sub-circuit and the evaporator of the first sub-circuit. The further increase in the enthalpy evaporation head in the second sub-circuit takes place without a corresponding increase in electrical power spent on compressing the operating fluids in the heat pump cycles at higher and lower temperatures. The increase in mass flow rate in the second sub-circuit involves a proportional increase in electrical power spent on compressing the operating fluid in the heat pump cycle at a lower temperature, but no increase in electrical power spent on compressing the operating fluid in the heat pump cycle at higher temperature. Overall, a significant increase in the overall EER of the heat pump unit is obtained. Furthermore, by means of the aforementioned second heat exchanger, additional thermal power is made available, and at a temperature higher than that of the thermal power released at the first heat exchanger, to serve the second thermal user system, when present.
In una forma di realizzazione preferita, l’unità a pompa dì calore dell’invenzione comprende mezzi di commutazione atti a consentire uno scambio delle connessioni dei circuiti esterni di detto primo impianto utilizzatore termico e di detto pozzo termico rispettivamente con detto evaporatore e con detto condensatore. In a preferred embodiment, the heat pump unit of the invention comprises switching means suitable for allowing an exchange of the connections of the external circuits of said first thermal user plant and of said heat sink, respectively, with said evaporator and with said capacitor.
Ciò permette di ottenere un’unità a pompa di calore reversibile, in grado di funzionare sia per raffrescamento sia per riscaldamento. Vantaggiosamente, la scelta di realizzare l’inversione di ciclo scambiando tra loro i circuiti esterni rispettivamente della/e utenza/e termica/che e del pozzo termico svincola la commutazione tra le due modalità di funzionamento dalla specifica configurazione dell’unità a pompa di calore. This makes it possible to obtain a reversible heat pump unit, capable of operating for both cooling and heating. Advantageously, the choice of carrying out the cycle inversion by exchanging the external circuits respectively of the thermal user (s) and of the thermal well releases the switching between the two operating modes from the specific configuration of the pump unit heat.
Preferibilmente, nella suddetta forma di realizzazione di tipo reversibile, in una modalità operativa per riscaldamento dell’unità a pompa di calore almeno uno tra detto primo scambiatore di calore e detto secondo scambiatore di calore, à ̈ inoltre selettivamente collegabile con il circuito esterno di detto pozzo termico in modo tale da realizzare un preriscaldamento di un fluido termovettore proveniente da detto pozzo termico per mezzo di potenza termica rilasciata dal fluido operativo di almeno uno tra detto ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore e detto ciclo a pompa di calore a temperatura superiore durante il rispettivo sottoraffreddamento. Preferibilmente, sia il primo scambiatore di calore sia il secondo scambiatore di calore sono selettivamente collegabili con il circuito esterno del pozzo termico. Preferibilmente, in questo caso il collegamento selettivo à ̈ tale per cui tali scambiatori di calore possano realizzare i rispettivi preriscaldamenti in modo indipendente l’uno dall’altro. Preferably, in the aforementioned embodiment of the reversible type, in an operating mode for heating the heat pump unit, at least one of said first heat exchanger and said second heat exchanger, can also be selectively connected to the external circuit said heat well in such a way as to carry out a preheating of a heat transfer fluid coming from said heat well by means of thermal power released by the operating fluid of at least one of said heat pump cycle at lower temperature and said heat pump cycle at temperature higher during the respective subcooling. Preferably, both the first heat exchanger and the second heat exchanger are selectively connectable with the external circuit of the heat sink. Preferably, in this case the selective connection is such that these heat exchangers can carry out their respective preheating independently of each other.
Il recupero di potenza termica derivante dal sottoraffreddamento del fluido operativo del ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore e/o superiore per preriscaldare il fluido termovettore del pozzo termico permette di aumentare il COP dell’unità a pompa di calore dell’invenzione quando funzionante per riscaldamento. The recovery of thermal power deriving from the subcooling of the operating fluid of the heat pump cycle at a lower and / or higher temperature to preheat the thermal carrier fluid of the thermal well allows to increase the COP of the heat pump unit of the invention when working for heating.
Preferibilmente, il fluido operativo di detto ciclo a pompa di calore, ovvero i fluidi operativi rispettivamente di detto ciclo a pompa di calore a temperatura superiore e detto ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore, sono scelti dal gruppo costituito da: (E)-2-butene, (Z)-2-butene, 1-butiliene, dimetilchetone, metilacetilene, metil alcol, metilpentano, metilpropene, n-esano, R1270, R290, R600, R600a, R601 , R601a, RE-170, tetrametilmetano o RC-270. Preferably, the operating fluid of said heat pump cycle, i.e. the operating fluids respectively of said higher temperature heat pump cycle and said lower temperature heat pump cycle, are selected from the group consisting of: (E) - 2-butene, (Z) -2-butene, 1-butylene, dimethylketone, methylacetylene, methyl alcohol, methylpentane, methylpropene, n-hexane, R1270, R290, R600, R600a, R601, R601a, RE-170, tetramethylmethane or RC -270.
I fluidi refrigeranti suddetti sono caratterizzati da curve limite nel diagramma h - p (entalpia specifica - pressione) fortemente inclinate verso le entalpie crescenti, con inclinazione crescente al crescere della pressione. Ciò permette vantaggiosamente di realizzare sottoraffreddamenti anche molto spinti, i quali, come già spiegato, permettono di esaltare tutti gli effetti benefici sull’EER o COP complessivo dell’unità a pompa di calore ottenibili tramite le forme di realizzazione più sopra descritte. The above mentioned refrigerant fluids are characterized by limit curves in the h - p diagram (specific enthalpy - pressure) strongly inclined towards increasing enthalpies, with increasing inclination as pressure increases. This advantageously allows to realize even very high subcooling, which, as already explained, allow to enhance all the beneficial effects on the overall EER or COP of the heat pump unit obtainable through the embodiments described above.
In un suo secondo aspetto, l'invenzione riguarda un sistema per il raffrescamento/riscaldamento di ambienti e/o per la produzione di acqua calda sanitaria comprendente un'unità a pompa di calore avente le caratteristiche precedentemente descritte. In a second aspect thereof, the invention relates to a system for the cooling / heating of rooms and / or for the production of domestic hot water comprising a heat pump unit having the previously described characteristics.
In un suo terzo aspetto, l’invenzione riguarda un procedimento per raffrescare e/o riscaldare per mezzo di un’unità a pompa di calore atta a realizzare almeno un ciclo a pompa di calore con un rispettivo fluido operativo, detto procedimento comprendendo, in una modalità operativa per raffrescamento di detta unità a pompa di calore, le seguenti fasi: In a third aspect, the invention relates to a process for cooling and / or heating by means of a heat pump unit capable of carrying out at least one heat pump cycle with a respective operating fluid, said process comprising, in an operating mode for cooling of said heat pump unit, the following phases:
evaporare detto fluido operativo ad una pressione inferiore di detto ciclo a pompa di calore sottraendo potenza termica ad un primo impianto utilizzatore termico; evaporating said operating fluid at a lower pressure than said heat pump cycle by subtracting thermal power from a first thermal user system;
condensare detto fluido operativo ad una pressione superiore di detto ciclo a pompa di calore cedendo potenza termica ad un pozzo termico; sottoraffreddare detto fluido operativo alla pressione superiore di detto ciclo a pompa di calore dopo detta fase di condensazione; condensing said operating fluid at a higher pressure than said heat pump cycle by yielding thermal power to a heat well; subcooling said operating fluid to the higher pressure of said heat pump cycle after said condensation step;
trasferire potenza termica rilasciata da detto fluido operativo durante detta fase di sottoraffreddamento ad un secondo impianto utilizzatore termico. transferring the thermal power released by said operating fluid during said subcooling step to a second thermal user plant.
In modo analogo a quanto già menzionato con riferimento al primo aspetto dell'invenzione, grazie al sottoraffreddamento del fluido operativo alla pressione superiore del ciclo a pompa di calore dopo la fase di condensazione, e al trasferimento della potenza termica di sottoraffreddamento rilasciata ad un secondo impianto utilizzatore termico à ̈ possibile aumentare il salto entalpico che il fluido operativo può realizzare nella fase di evaporazione, con un corrispondente incremento della potenza termica che à ̈ possibile sottrarre al primo impianto utilizzatore termico senza alcun corrispondente incremento di potenza elettrica in fase di compressione. Similarly to what has already been mentioned with reference to the first aspect of the invention, thanks to the subcooling of the operating fluid at the higher pressure of the heat pump cycle after the condensation phase, and to the transfer of the subcooling thermal power released to a second system thermal user it is possible to increase the enthalpy jump that the operating fluid can achieve in the evaporation phase, with a corresponding increase in the thermal power that can be subtracted from the first thermal user system without any corresponding increase in electrical power in the compression phase.
II procedimento dell'invenzione permette pertanto di aumentare l’effetto utile in un'unità a pompa di calore irreversibile destinata al raffrescamento o di un'unità a pompa di calore reversibile operante in modalità di raffrescamento. Poiché tale risultato à ̈ ottenuto senza alcuna spesa aggiuntiva di potenza elettrica per realizzare la fase di compressione del fluido operativo, ne risulta complessivamente un miglioramento dell’EER dell’unità a pompa di calore. The process of the invention therefore allows to increase the useful effect in an irreversible heat pump unit intended for cooling or in a reversible heat pump unit operating in cooling mode. Since this result is obtained without any additional expenditure of electrical power to carry out the compression phase of the operating fluid, the result is an overall improvement in the EER of the heat pump unit.
Breve descrizione delle figure Brief description of the figures
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno meglio dalla seguente descrizione di alcune sue forme di realizzazione preferite, fatta qui di seguito, a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui: Further characteristics and advantages of the present invention will become clearer from the following description of some of its preferred embodiments, made hereinafter, by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
la Fig. 1 mostra un diagramma circuitale di una prima forma di realizzazione preferita dell'unità a pompa di calore dell'invenzione; Fig. 1 shows a circuit diagram of a first preferred embodiment of the heat pump unit of the invention;
la Fig. 1A mostra schematicamente in un diagramma h - p il ciclo a pompa di calore realizzato nell’unità a pompa di calore dell’invenzione nella forma di realizzazione di Fig. 1; Fig. 1A schematically shows in a diagram h - p the heat pump cycle realized in the heat pump unit of the invention in the embodiment of Fig. 1;
la Fig. 2 mostra un diagramma circuitale di una seconda forma di realizzazione preferita dell'unità a pompa di calore dell'invenzione; Fig. 2 shows a circuit diagram of a second preferred embodiment of the heat pump unit of the invention;
la Fig. 2A mostra schematicamente in un diagramma h - p i cicli a pompa di calore realizzati nell’unità a pompa di calore dell’invenzione nella forma di realizzazione di Fig. 2; Fig. 2A schematically shows in a diagram h - p the heat pump cycles carried out in the heat pump unit of the invention in the embodiment of Fig. 2;
le Figg. 3A e 3B mostrano diagrammi circuitali di due configurazioni operative di una terza forma di realizzazione preferita dell'unità a pompa di calore dell'invenzione; Figs. 3A and 3B show circuit diagrams of two operating configurations of a third preferred embodiment of the heat pump unit of the invention;
le Figg. 4A e 4B mostrano diagrammi circuitali di due configurazioni operative di una quarta forma di realizzazione preferita dell'unità a pompa di calore dell'invenzione; Figs. 4A and 4B show circuit diagrams of two operating configurations of a fourth preferred embodiment of the heat pump unit of the invention;
le Figg. 5A e 5B mostrano diagrammi circuitali di due configurazioni operative di una quinta forma di realizzazione preferita dell'unità a pompa di calore dell'invenzione, e Figs. 5A and 5B show circuit diagrams of two operating configurations of a fifth preferred embodiment of the heat pump unit of the invention, and
la Fig. 6 mostra un diagramma circuitale di una sesta forma di realizzazione preferita dell'unità a pompa di calore dell’invenzione. Fig. 6 shows a circuit diagram of a sixth preferred embodiment of the heat pump unit of the invention.
Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite dell’invenzione Detailed description of preferred embodiments of the invention
Nelle figure un’unità a pompa di calore in accordo con l’invenzione viene complessivamente indicata con il riferimento numerico 1. In the figures, a heat pump unit in accordance with the invention is indicated as a whole with the numerical reference 1.
In tali figure l’unità a pompa di calore 1 à ̈ rappresentata come parte di un sistema 100 per il raffrescamento/riscaldamento di ambienti e/o per la produzione di acqua calda sanitaria, comprendente un circuito esterno di un primo impianto utilizzatore termico 10, un circuito esterno di un pozzo termico 20 e un circuito esterno di un secondo impianto utilizzatore termico 12, i quali sono solo schematicamente rappresentati. In these figures the heat pump unit 1 is represented as part of a system 100 for the cooling / heating of rooms and / or for the production of domestic hot water, comprising an external circuit of a first thermal user system 10 , an external circuit of a thermal well 20 and an external circuit of a second thermal user system 12, which are only schematically represented.
Nel caso di un’unità a pompa di calore 1 funzionante per raffrescamento (Figg. 1 , 2, 3A, 4A, 5A) il primo impianto utilizzatore termico 10 può essere un impianto per il raffrescamento di ambienti, e il secondo impianto utilizzatore termico 12 può essere un impianto per la produzione di acqua calda sanitaria a media/bassa temperatura. In the case of a heat pump unit 1 operating for cooling (Figs. 1, 2, 3A, 4A, 5A) the first thermal user system 10 can be a room cooling system, and the second thermal user system 12 can be a system for the production of domestic hot water at medium / low temperature.
Nel caso di un’unità a pompa di calore 1 funzionante per riscaldamento (Figg. 3B, 4B, 5B) il primo impianto utilizzatore termico 10 può essere un primo impianto per il riscaldamento di ambienti, ad esempio un impianto di riscaldamento ad alta temperatura, e il secondo impianto utilizzatore termico 12 può ancora essere un impianto per la produzione di acqua calda sanitaria a media/bassa temperatura, oppure anche un secondo impianto di riscaldamento, ad esempio un impianto di riscaldamento a bassa temperatura. In the case of a heat pump unit 1 operating for heating (Figs. 3B, 4B, 5B) the first thermal user system 10 can be a first system for space heating, for example a high temperature heating system , and the second thermal user system 12 can still be a system for the production of domestic hot water at medium / low temperature, or also a second heating system, for example a low temperature heating system.
In entrambi i casi, in situazioni di impiego dell’unità a pompa di calore 1 nelle quali non vi à ̈ un secondo impianto utilizzatore termico 12 da servire, la funzione di tale impianto deve essere assolta da un opportuno pozzo termico in grado di smaltire la potenza termica altrimenti utilizzata dal secondo impianto utilizzatore termico. Analogamente, in situazioni di impiego dell’unità a pompa di calore 1 nelle quali sia richiesta contemporaneamente sia produzione di caldo sia produzione di freddo, il pozzo termico 20 può essere sostituito da un ulteriore impianto utilizzatore termico in grado di utilizzare la potenza termica o frigorifera altrimenti smaltita tramite tale pozzo termico. In both cases, in situations of use of the heat pump unit 1 in which there is no second thermal user system 12 to be served, the function of this system must be performed by a suitable thermal well capable of disposing of the thermal power otherwise used by the second thermal user system. Similarly, in situations of use of the heat pump unit 1 in which both heat and cold production are required at the same time, the heat well 20 can be replaced by an additional thermal user system capable of using the thermal power or refrigerator otherwise disposed of through this thermal well.
La Fig. 1, mostra una prima forma di realizzazione preferita dell’unità a pompa di calore 1 in particolare in una configurazione per raffrescamento, comprendente un circuito 2 per la realizzazione di un ciclo a pompa di calore HPCM con un rispettivo fluido operativo. Fig. 1 shows a first preferred embodiment of the heat pump unit 1 in particular in a configuration for cooling, comprising a circuit 2 for carrying out an HPCM heat pump cycle with a respective operating fluid.
Il circuito 2 comprende: un evaporatore S8 atto a realizzare l’evaporazione del fluido operativo ad una pressione inferiore del ciclo a pompa di calore HPCM e destinato ad essere connesso, tramite una linea FL2, con il circuito esterno del primo impianto utilizzatore termico 10 in una modalità operativa per raffrescamento dell’unità a pompa di calore 1; un condensatore S4 atto a realizzare la condensazione del fluido operativo ad una pressione superiore del ciclo a pompa di calore HPCM e destinato ad essere connesso, tramite una linea FL1, con il circuito esterno del pozzo termico 20 in una modalità operativa per raffrescamento di detta unità a pompa di calore 1; un compressore C1 atto a portare il fluido operativo evaporato dalla pressione inferiore alla pressione superiore del ciclo a pompa di calore HPCM, e mezzi di espansione L1 - ad esempio, una valvola di laminazione o un altro dispositivo noto funzionalmente equivalente - atti a realizzare l’espansione del fluido operativo dalla pressione superiore alla pressione inferiore del ciclo a pompa di calore HPCM. Circuit 2 includes: an evaporator S8 suitable for evaporating the operating fluid at a lower pressure than the HPCM heat pump cycle and intended to be connected, via a FL2 line, with the external circuit of the first thermal user system 10 in an operating mode for cooling the heat pump unit 1; a condenser S4 suitable for carrying out the condensation of the operating fluid at a higher pressure than the HPCM heat pump cycle and intended to be connected, via a line FL1, with the external circuit of the heat well 20 in an operating mode for cooling said unit with heat pump 1; a compressor C1 suitable for bringing the operating fluid evaporated from the lower pressure to the upper pressure of the HPCM heat pump cycle, and expansion means L1 - for example, a lamination valve or other functionally equivalent known device - suitable for realizing the ™ expansion of the operating fluid from the upper pressure to the lower pressure of the HPCM heat pump cycle.
Il circuito 2 comprende inoltre uno scambiatore di calore S6, connesso a valle del condensatore S4 e a monte dei mezzi di espansione L1, atto a realizzare un sottoraffreddamento del fluido operativo alla pressione superiore del ciclo a pompa di calore dopo la condensazione del medesimo nel condensatore S4. The circuit 2 also comprises a heat exchanger S6, connected downstream of the condenser S4 and upstream of the expansion means L1, able to provide a subcooling of the operating fluid at the higher pressure of the heat pump cycle after its condensation in the condenser S4 .
NeH’ambito della presente descrizione e delle successive rivendicazioni, le espressioni “a valle†e “a monte†vanno intese con riferimento ai versi di circolazione di fluido indicati nelle figure tramite frecce e determinati in generale rispettivamente dai compressori nel caso dei circuiti per la realizzazione dei cicli a pompa di calore, e dalle pompe di circolazione nel caso dei circuiti esterni degli impianti utilizzatori termici e dei pozzi termici. Within the scope of this description and the subsequent claims, the expressions `` downstream '' and `` upstream '' must be understood with reference to the fluid circulation directions indicated in the figures by arrows and determined in general respectively by the compressors in the case of circuits for the realization of heat pump cycles, and from circulation pumps in the case of external circuits of thermal user plants and thermal wells.
Lo scambiatore di calore S6 à ̈ inoltre selettivamente collegabile con il circuito esterno del secondo impianto utilizzatore termico 12 per trasferire ad esso potenza termica rilasciata dal fluido operativo durante detto sottoraffreddamento. Ciò à ̈ ottenuto preferibilmente per mezzo di una valvola V9, preferibilmente una elettrovalvola modulante, predisposta in una linea FL3 per la connessione con il circuito esterno del secondo impianto utilizzatore termico 12. The heat exchanger S6 can also be selectively connected to the external circuit of the second thermal user system 12 to transfer thereto the thermal power released by the operating fluid during said subcooling. This is preferably obtained by means of a valve V9, preferably a modulating solenoid valve, arranged in a line FL3 for connection with the external circuit of the second thermal user system 12.
Tramite lo scambiatore di calore S6 la potenza termica sottratta al fluido operativo durante il suo sottoraffreddamento può essere così smaltita all’esterno dell’unità a pompa di calore 1 senza influenzare le condizioni operative del primo impianto utilizzatore termico 10, ottenendo un sensibile aumento dell’efficienza energetica dell'unità a pompa di calore 1 , in particolare del suo EER. Come già spiegato sopra, tale aumento à ̈ dovuto ad un aumento di effetto frigorifero utile, determinato da un aumento del salto entalpico di evaporazione che il fluido operativo può realizzare in corrispondenza dell'evaporatore S8, ottenibile senza aumento di potenza elettrica di compressione e/o effetti collaterali che contrastano tale effetto utile. Through the heat exchanger S6, the thermal power subtracted from the operating fluid during its subcooling can thus be disposed of outside the heat pump unit 1 without affecting the operating conditions of the first thermal user system 10, obtaining a sensitive increase of the energy efficiency of the heat pump unit 1, in particular of its EER. As already explained above, this increase is due to an increase in the useful refrigeration effect, determined by an increase in the enthalpy evaporation head that the operating fluid can achieve at the evaporator S8, obtainable without increasing the electrical power of compression and / or side effects that counteract that useful effect.
La Fig. 1A mostra schematicamente in un diagramma h - p (entalpia specifica -pressione) come un ciclo a pompa di calore di un’unita a pompa di calore convenzionale (linea continua), priva dello scambiatore di calore S6 con le caratteristiche sopra menzionate, viene modificato (linea tratteggiata) nel caso dell’unità a pompa di calore 1 dell’invenzione. Fig. 1A schematically shows in a diagram h - p (specific enthalpy - pressure) as a heat pump cycle of a conventional heat pump unit (solid line), without the heat exchanger S6 with the above characteristics mentioned, is changed (dashed line) in the case of the heat pump unit 1 of the invention.
In particolare, nel ciclo a pompa di calore HPCM realizzato nell’unità a pompa di calore 1 il fluido operativo subisce, dopo la condensazione C-D in corrispondenza del condensatore S4, un sottoraffreddamento D-E, realizzato nello scambiatore di calore S6. Tale sottoraffreddamento si ripercuote positivamente sulla fase di evaporazione F-B realizzata nell’evaporatore S8. Infatti, per via dell'entalpia di ingresso più bassa del fluido operativo nell’evaporatore S8, il salto entalpico di evaporazione aumenta rispetto al ciclo convenzionale di una quantità (hA-hF), corrispondente al salto entalpico realizzato durante il sottoraffreddamento D-E. Per mezzo dell’unità a pompa di calore 1 mostrata in Fig. 1 atta a realizzare il ciclo a pompa di calore HPCM mostrato in Fig. 1A con un rispettivo fluido operativo à ̈ possibile attuare un procedimento per raffrescare e/o riscaldare, il quale in una modalità operativa per raffrescamento dell’unità a pompa di calore 1 comprende le fasi di seguito descritte. In particular, in the HPCM heat pump cycle realized in the heat pump unit 1 the operating fluid undergoes, after condensation C-D at the condenser S4, a subcooling D-E, carried out in the heat exchanger S6. This subcooling has a positive effect on the evaporation phase F-B carried out in evaporator S8. In fact, due to the lower inlet enthalpy of the operating fluid in evaporator S8, the enthalpy evaporation jump increases with respect to the conventional cycle by an amount (hA-hF), corresponding to the enthalpy jump achieved during the subcooling D-E. By means of the heat pump unit 1 shown in Fig. 1 suitable for carrying out the HPCM heat pump cycle shown in Fig. 1A with a respective operating fluid, it is possible to carry out a procedure for cooling and / or heating, the which in an operating mode for cooling the heat pump unit 1 comprises the phases described below.
In una prima fase, che ha luogo nell’evaporatore S8, il fluido operativo viene evaporato ad una pressione inferiore dei ciclo a pompa di calore HPCM, ponendolo in relazione di scambio termico con il primo impianto utilizzatore termico 10, in particolare un impianto di raffrescamento, dal quale viene così sottratta potenza termica. In a first phase, which takes place in evaporator S8, the operating fluid is evaporated at a lower pressure than the HPCM heat pump cycle, placing it in a heat exchange relationship with the first thermal user system 10, in particular a cooling, from which thermal power is thus subtracted.
In una fase successiva, che ha luogo nel condensatore S4, il fluido operativo viene condensato ad una pressione superiore del ciclo a pompa di calore HPCM ponendolo in relazione di scambio termico con il pozzo termico 20, al quale viene ceduta la potenza termica di condensazione. In a subsequent step, which takes place in the condenser S4, the operating fluid is condensed at a higher pressure than the HPCM heat pump cycle, placing it in a heat exchange relationship with the heat sink 20, to which the condensing thermal power is transferred.
In una fase successiva, che ha luogo nello scambiatore di calore S6, il fluido operativo viene sottoposto ad un sottoraffreddamento, preferibilmente isobaro. In una fase ulteriore, tramite lo scambiatore S6 la potenza termica rilasciata dal fluido operativo durante la fase di sottoraffreddamento viene trasferita al secondo impianto utilizzatore termico 12. In a subsequent step, which takes place in the heat exchanger S6, the operating fluid is subjected to a subcooling, preferably isobaric. In a further phase, through the exchanger S6 the thermal power released by the operating fluid during the subcooling phase is transferred to the second thermal user system 12.
La Fig. 2 mostra una seconda forma di realizzazione preferita dell’unità a pompa di calore 1 , che si differenzia da quella di Fig. 1 per il tipo di circuito 2. In questo caso, tale circuito comprende un primo sotto-circuito 2a atto a realizzare un ciclo a pompa di calore a temperatura superiore HPCM_HT con un rispettivo fluido operativo e un secondo sotto-circuito 2b atto a realizzare un ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore HPCM_LT con un rispettivo fluido operativo. Il primo e il secondo sotto-circuito 2a, 2b sono tra loro in relazione di scambio termico in cascata in modo da realizzare complessivamente un ciclo a pompa di calore HPCM a due stadi. Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the heat pump unit 1, which differs from that of Fig. 1 for the type of circuit 2. In this case, this circuit comprises a first sub-circuit 2a suitable for realizing a heat pump cycle at a higher temperature HPCM_HT with a respective operating fluid and a second sub-circuit 2b suitable for realizing a heat pump cycle at a lower temperature HPCM_LT with a respective operating fluid. The first and second sub-circuits 2a, 2b are in a cascade heat exchange relationship with each other so as to provide a two-stage HPCM heat pump cycle overall.
In questo caso, il primo sotto-circuito 2a comprende il condensatore S4 sopra descritto con riferimento alla forma di realizzazione di Fig. 1, mezzi di espansione L2, un compressore C2 e un evaporatore. Il secondo sotto-circuito 2b comprende l’evaporatore S8, lo scambiatore di calore S6, il compressore C1 e i mezzi di espansione L1 sopra descritti con riferimento alla forma di realizzazione di Fig. 1, e un condensatore in relazione di scambio termico con l’evaporatore del primo sotto-circuito 2a. In this case, the first sub-circuit 2a comprises the condenser S4 described above with reference to the embodiment of Fig. 1, expansion means L2, a compressor C2 and an evaporator. The second sub-circuit 2b comprises the evaporator S8, the heat exchanger S6, the compressor C1 and the expansion means L1 described above with reference to the embodiment of Fig. 1, and a condenser in heat exchange relationship with the € ™ evaporator of the first sub-circuit 2a.
Il condensatore del secondo sotto-circuito 2b e l’evaporatore del primo sottocircuito 2a sono preferibilmente integrati in un singolo dispositivo di scambio termico S7, allo scopo di una maggiore compattezza costruttiva ed una migliore efficienza di scambio termico. Non si escludono comunque forme di realizzazione in cui tali componenti sono separati e posti in relazione di scambio termico tramite un circuito intermedio per la circolazione di un opportuno fluido termovettore. The condenser of the second sub-circuit 2b and the evaporator of the first sub-circuit 2a are preferably integrated in a single heat exchange device S7, in order to achieve greater constructive compactness and better heat exchange efficiency. However, embodiments in which these components are separated and placed in a heat exchange relationship by means of an intermediate circuit for the circulation of a suitable heat-carrying fluid are not excluded.
Una configurazione a due stadi dell’unita a pompa di calore 1 à ̈ particolarmente vantaggiosa nel caso di impiego per raffrescamento in regioni con climi molto caldi o torridi. Infatti, le elevate temperature di condensazione ottenibili in questo caso in corrispondenza del condensatore S4 consentono comunque un agevole smaltimento della potenza termica di condensazione nell’ambiente esterno, senza necessità di aumentare la temperatura di evaporazione nell’evaporatore S8 e quindi di limitare le prestazioni di raffrescamento. A two-stage configuration of the heat pump unit 1 is particularly advantageous when used for cooling in regions with very hot or torrid climates. In fact, the high condensing temperatures that can be obtained in this case in correspondence with the condenser S4 still allow an easy disposal of the condensing thermal power in the external environment, without the need to increase the evaporation temperature in the evaporator S8 and therefore to limit the cooling performance.
Come mostrato in Fig. 2, quando la pompa dì calore 1 dell’invenzione presenta una configurazione a due stadi, preferibilmente anche nel primo sotto-circuito 2a à ̈ presente uno scambiatore di calore S5 connesso a valle del condensatore S4 e a monte dei mezzi di espansione L2, con funzione analoga a quella dello scambiatore di calore S6 nel secondo sotto-circuito 2b. As shown in Fig. 2, when the heat pump 1 of the invention has a two-stage configuration, preferably also in the first sub-circuit 2a there is a heat exchanger S5 connected downstream of the condenser S4 and upstream of the expansion means L2, with a function similar to that of the heat exchanger S6 in the second sub-circuit 2b.
In particolare, lo scambiatore di calore S5 à ̈ atto a realizzare un sottoraffreddamento del fluido operativo del ciclo a pompa di calore a temperatura superiore HPCM_HT dopo la condensazione del medesimo ed à ̈ selettivamente collegabile con il circuito esterno del secondo impianto utilizzatore termico 12 per trasferire ad esso potenza termica rilasciata dal fluido operativo durante detto sottoraffreddamento. In particular, the heat exchanger S5 is suitable for sub-cooling the operating fluid of the heat pump cycle at a higher temperature HPCM_HT after its condensation and can be selectively connected to the external circuit of the second thermal user system 12 to transfer thereto thermal power released by the operating fluid during said subcooling.
Il collegamento selettivo dello scambiatore di calore S5 con il circuito esterno del secondo impianto utilizzatore termico 12 Ã ̈ realizzato per mezzo di una valvola V12, preferibilmente una elettrovalvola modulante. The selective connection of the heat exchanger S5 with the external circuit of the second thermal user system 12 is made by means of a valve V12, preferably a modulating solenoid valve.
Il sottoraffreddamento del fluido operativo nel primo sotto-circuito 2a tramite lo scambiatore di calore S5 contribuisce vantaggiosamente ad un ulteriore aumento del salto entalpico realizzabile in corrispondenza dell’evaporatore S8 e quindi al miglioramento dell’EER dell’unità a pompa di calore 1. The subcooling of the operating fluid in the first sub-circuit 2a by means of the heat exchanger S5 advantageously contributes to a further increase in the enthalpy jump achievable at the evaporator S8 and therefore to the improvement of the EER of the heat pump unit 1.
La Fig. 2A mostra schematicamente in un diagramma h - p (entalpia specifica -pressione) come un ciclo a pompa di calore di un’unita a pompa di calore a due stadi convenzionale (linea continua), priva degli scambiatori di calore S6 ed S5 con le caratteristiche sopra menzionate, viene modificato (linea tratteggiata) nel caso della forma di realizzazione mostrata in Fig. 2 dell’unità a pompa di calore 1 dell’invenzione. Fig. 2A schematically shows in a diagram h - p (specific enthalpy-pressure) as a heat pump cycle of a conventional two-stage heat pump unit (solid line), without the heat exchangers S6 and S5 with the above mentioned characteristics, is modified (dashed line) in the case of the embodiment shown in Fig. 2 of the heat pump unit 1 of the invention.
Si osserva in particolare che i sottoraffreddamenti D’-E’ e E-H, rispettivamente realizzati nel ciclo a pompa di calore a temperatura superiore HPCM_HT tramite lo scambiatore di calore S5 e nel ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore HPCM_LT tramite lo scambiatore di calore S6, determinano un incremento del salto entalpico di evaporazione realizzabile in corrispondenza dell’evaporatore S8 (trasformazione G-B) complessivamente pari (hA-hG) > (hA-hF), dove (hA-hF) à ̈ l’incremento di salto entalpico di evaporazione che si otterrebbe effettuando un sottoraffreddamento solo nel ciclo a pompa di calore a temperatura superiore HPCM_HT. In particular, it is observed that the subcoolings Dâ € ™ -Eâ € ™ and E-H, respectively realized in the higher temperature heat pump cycle HPCM_HT through the heat exchanger S5 and in the lower temperature heat pump cycle HPCM_LT through the heat exchanger heat S6, determine an increase in the enthalpy evaporation jump achievable in correspondence with evaporator S8 (G-B transformation) overall equal to (hA-hG)> (hA-hF), where (hA-hF) is the increase of enthalpy evaporation jump that would be obtained by carrying out a sub-cooling only in the heat pump cycle at a higher temperature HPCM_HT.
Nelle forme di realizzazione dell’unità a pompa di calore 1 che prevedono due stadi ed entrambi gli scambiatori di calore S6 ed S5 sopra descritti, come mostrato in Fig. 2, tali scambiatori di calore sono preferibilmente predisposti in modo tale da trasferire le rispettive potenze termiche di sottoraffreddamento al secondo impianto utilizzatore termico 12 in modo indipendente l’uno dall’altro, ovvero operando in parallelo su due distinti flussi di un fluido termovettore del secondo impianto utilizzatore termico 12. In the embodiments of the heat pump unit 1 which provide two stages and both the heat exchangers S6 and S5 described above, as shown in Fig. 2, these heat exchangers are preferably arranged in such a way as to transfer the respective subcooling thermal powers to the second thermal user system 12 independently of each other, or by operating in parallel on two distinct flows of a heat transfer fluid of the second thermal user system 12.
Preferibilmente, inoltre, in tali forme di realizzazione i compressori C1 e C2 sono compressori a portata variabile, ad esempio compressori a gradini di parzializzazione o con inverter. Ciò garantisce una maggior adattabilità dell'unità a pompa di calore 1 ai possibili sbilanciamenti nello scambio di potenza termica tra ciclo a pompa di calore a temperatura superiore HPCM_HT e ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore HPCM_LT che possono verificarsi a causa dei sottoraffreddamenti. Tale maggiore adattabilità ha, a parità di tutte le altre condizioni, un'influenza positiva sull'efficienza energetica complessiva dell'unità a pompa di calore 1. Preferably, moreover, in these embodiments the compressors C1 and C2 are compressors with variable flow rates, for example compressors with capacity steps or with inverters. This guarantees a greater adaptability of the heat pump unit 1 to the possible imbalances in the exchange of thermal power between the HPCM_HT higher temperature heat pump cycle and the HPCM_LT lower temperature heat pump cycle that can occur due to subcooling. This greater adaptability has, all other conditions being equal, a positive influence on the overall energy efficiency of the heat pump unit 1.
Le Figg. 3A e 3B mostrano una terza forma di realizzazione preferita dell'unità a pompa di calore 1 atta al funzionamento sia per raffrescamento sia per riscaldamento, ovvero di tipo reversibile. Figs. 3A and 3B show a third preferred embodiment of the heat pump unit 1 suitable for operation for both cooling and heating, ie of the reversible type.
A tal fine, in questa forma di realizzazione sono previsti mezzi di commutazione atti a consentire uno scambio delle connessioni dei circuiti esterni del primo impianto utilizzatore termico 10 e del pozzo termico 20 rispettivamente con l’evaporatore S8 e con il condensatore S4. Preferibilmente, tali mezzi di commutazione comprendono due valvole a quattro vie V1 e V2, preferibilmente elettrovalvole, opportunamente predisposte nelle linee per la connessione dei suddetti circuiti esterni con l’evaporatore S8 e il condensatore S4. To this end, in this embodiment switching means are provided which are suitable to allow an exchange of the connections of the external circuits of the first thermal user system 10 and of the thermal well 20 with the evaporator S8 and with the condenser S4, respectively. Preferably, these switching means comprise two four-way valves V1 and V2, preferably solenoid valves, suitably arranged in the lines for the connection of the aforementioned external circuits with the evaporator S8 and the condenser S4.
In particolare, nella configurazione operativa mostrata in Fig. 3A, corrispondente ad un funzionamento per raffrescamento, il circuito esterno del primo impianto utilizzatore termico 10 viene connesso all’evaporatore S8, mentre il circuito esterno del pozzo termico 20 viene connesso al condensatore S4, in modo del tutto analogo alle forme di realizzazione precedentemente descritte. In particular, in the operating configuration shown in Fig. 3A, corresponding to a cooling operation, the external circuit of the first thermal user system 10 is connected to the evaporator S8, while the external circuit of the thermal well 20 is connected to the condenser S4, in a completely analogous way to the previously described embodiments.
Nella configurazione operativa mostrata in Fig. 3B, corrispondente ad un funzionamento per riscaldamento, il circuito esterno del primo impianto utilizzatore termico 10 viene connesso al condensatore S4, così da fornire a tale impianto la potenza termica richiesta, mentre il circuito esterno del pozzo termico 20 viene connesso all’evaporatore S8. In the operating configuration shown in Fig.3B, corresponding to operation by heating, the external circuit of the first thermal user system 10 is connected to the condenser S4, so as to supply this system with the required thermal power, while the external circuit of the thermal well 20 is connected to evaporator S8.
Preferibilmente, nella forma di realizzazione delle Figg. 3A e 3B e in generale in tutte le forme di realizzazione in cui si prevede un funzionamento dell’unità a pompa di calore 1 anche per riscaldamento, lo scambiatore di calore S6 e/o lo scambiatore di calore S5 sono inoltre selettivamente collegabili con il circuito esterno del pozzo termico 20 in modo tale da realizzare, nella modalità operativa per riscaldamento dell’unità a pompa di calore 1 , un preriscaldamento di un fluido termovettore proveniente da detto pozzo termico 20 per mezzo della potenza termica rilasciata dal fluido operativo del ciclo a pompa di calore a temperatura inferiore HPCM_LT e/o del ciclo a pompa di calore a temperatura superiore HPCM_HT durante i rispettivi sottoraffreddamenti. Preferably, in the embodiment of Figs. 3A and 3B and in general in all the embodiments in which an operation of the heat pump unit 1 is foreseen also for heating, the heat exchanger S6 and / or the heat exchanger S5 are also selectively connectable with the external circuit of the heat well 20 in such a way as to achieve, in the operating mode for heating the heat pump unit 1, a preheating of a heat transfer fluid coming from said heat well 20 by means of the thermal power released by the operating fluid of the cycle HPCM_LT lower temperature heat pump and / or HPCM_HT higher temperature heat pump cycle during the respective subcooling.
Vantaggiosamente, in questo modo à ̈ possibile sfruttare la potenza termica di sottoraffreddamento rilasciata in corrispondenza degli scambiatori di calore S5 ed S6 per migliorare l’efficienza energetica (COP) dell’unità a pompa di calore 1 anche nel caso di funzionamento per riscaldamento. Advantageously, in this way it is possible to exploit the subcooling thermal power released at the heat exchangers S5 and S6 to improve the energy efficiency (COP) of the heat pump unit 1 even in the case of heating operation. .
Per permettere la connessione degli scambiatori di calore S5 e/o S6 alternativamente o con il circuito esterno del secondo impianto utilizzatore termico 12 (nella configurazione operativa per raffrescamento, Fig. 3A), oppure con il circuito esterno del pozzo termico 20 (nella configurazione operativa per riscaldamento, Fig. 3B), evitando un mescolamento dei rispettivi fluidi termovettori, sono preferibilmente previsti mezzi di commutazione, in particolare una valvola a tre vie V8, preferibilmente una elettrovalvola, atti a connettere i suddetti scambiatori di calore alternativamente o nella linea FL3 oppure nella linea FL2. Preferibilmente, quando entrambi gli scambiatori di calore S6 ed S5 sono selettivamente collegabili con il circuito esterno del pozzo termico 20, la connessioni sono predisposte in modo tale che tali scambiatori di calore possano effettuare il preriscaldamento del fluido termovettore del pozzo termico 20 in modo indipendente l’uno dall’altro, ovvero operando in parallelo su due distinti flussi di un fluido termovettore del pozzo termico 20 To allow the connection of the heat exchangers S5 and / or S6 alternatively or with the external circuit of the second thermal user system 12 (in the operating configuration for cooling, Fig. 3A), or with the external circuit of the thermal well 20 (in the operating configuration for heating, Fig.3B), avoiding mixing of the respective heat transfer fluids, switching means are preferably provided, in particular a three-way valve V8, preferably a solenoid valve, suitable for connecting the aforementioned heat exchangers alternatively either in the FL3 line or in the FL2 line. Preferably, when both the heat exchangers S6 and S5 are selectively connectable with the external circuit of the heat well 20, the connections are arranged in such a way that these heat exchangers can carry out the preheating of the heat transfer fluid of the heat well 20 independently of the One from the other, i.e. operating in parallel on two distinct flows of a heat carrier fluid of the heat well 20
In particolare, come mostrato nelle Figg. 3A e 3B, lo scambiatore di calore S5 à ̈ connesso in un primo ramo FL2’ della linea FL2 per la connessione con il circuito esterno del pozzo termico 20. Nel primo ramo FL2’ à ̈ anche presente una valvola V7, preferibilmente una elettrovalvola modulante. Lo scambiatore di calore S6 à ̈ invece connesso in un secondo ramo FL2†, in parallelo con il primo ramo FL2’, della linea FL2. Nel secondo ramo FL2" à ̈ anche presente una valvola V6, preferibilmente una elettrovalvola modulante. In particular, as shown in Figs. 3A and 3B, the heat exchanger S5 is connected in a first branch FL2â € ™ of line FL2 for connection with the external circuit of the heat well 20. In the first branch FL2â € ™ there is also a valve V7, preferably a modulating solenoid valve. The heat exchanger S6 is instead connected in a second branch FL2â €, in parallel with the first branch FL2â € ™, of the FL2 line. In the second branch FL2 "there is also a valve V6, preferably a modulating solenoid valve.
Preferibilmente, la linea FL2 comprende in questo caso anche un primo collettore M1 connesso a monte degli scambiatori di calore S6 ed S5 ed un secondo collettore M2 connesso a monte dell’evaporatore S8 e a valle delle valvole V6 e V7. I collettori M1 ed M2 sono preferibilmente collegati tramite una linea di by-pass BPL per by-passare i rami FL2’ ed FL2", dotata di una valvola V5, anch’essa preferibilmente una elettrovalvola modulante. Preferably, the line FL2 in this case also includes a first manifold M1 connected upstream of the heat exchangers S6 and S5 and a second manifold M2 connected upstream of the evaporator S8 and downstream of the valves V6 and V7. The M1 and M2 manifolds are preferably connected via a BPL by-pass line to by-pass branches FL2â € ™ and FL2 ", equipped with a V5 valve, also preferably a modulating solenoid valve.
Preferibilmente, al fine di mantenere una portata di fluido termovettore del pozzo termico 20 costante nell’evaporatore S8, una modulazione o chiusura della valvola V6 e/o della valvola V7 viene compensata tramite una corrispondente modulazione o apertura della valvola V5. Preferably, in order to maintain a constant flow rate of heat transfer fluid of the thermal well 20 in the evaporator S8, a modulation or closure of the valve V6 and / or of the valve V7 is compensated by means of a corresponding modulation or opening of the valve V5.
Quando la potenza termica rilasciata in corrispondenza degli scambiatori di calore S5 ed S6 deve essere trasferita al secondo impianto utilizzatore termico 12 (configurazione operativa per raffrescamento, Fig. 3A), la valvola a tre vie V8 à ̈ in deviazione verso la linea FL3, le valvole V6 e V7 sono completamente chiuse e le valvole V9 e V12 sono completamente o parzialmente aperte. Una regolazione del grado di apertura delle valvole V9 e V12 consente di regolare la potenza termica trasferita al fluido termovettore del secondo impianto utilizzatore termico 12, e conseguentemente l’entità del sottoraffreddamento eseguito negli scambiatori di calore S6 ed S5. When the thermal power released at the heat exchangers S5 and S6 must be transferred to the second thermal user system 12 (operating configuration for cooling, Fig. 3A), the three-way valve V8 is in deviation towards line FL3, the valves V6 and V7 are fully closed and valves V9 and V12 are fully or partially open. An adjustment of the degree of opening of the valves V9 and V12 allows to regulate the thermal power transferred to the heat transfer fluid of the second thermal user system 12, and consequently the amount of subcooling performed in the heat exchangers S6 and S5.
Quando invece la potenza termica rilasciata in corrispondenza degli scambiatori di calore S5 ed S6 deve essere utilizzata per preriscaldare il fluido termovettore del pozzo termico 20 (nella configurazione operativa per riscaldamento, Fig. 3B), la valvola a tre vie V8 à ̈ in deviazione verso la linea FL2, le valvole V9 e V12 sono completamente chiuse e le valvole V6 e V7 sono completamente o parzialmente aperte. Una regolazione del grado di apertura delle valvole V6 e V7 consente di regolare la potenza termica trasferita al fluido operativo del pozzo termico 20 prima che esso raggiunga l’evaporatore S8, e conseguentemente l’entità del sottoraffreddamento eseguito negli scambiatori di calore S6 ed S5. On the other hand, when the thermal power released at the heat exchangers S5 and S6 must be used to preheat the heat carrier fluid of the thermal well 20 (in the operating configuration for heating, Fig. 3B), the three-way valve V8 is deflected towards line FL2, valves V9 and V12 are fully closed and valves V6 and V7 are fully or partially open. An adjustment of the degree of opening of the valves V6 and V7 allows to regulate the thermal power transferred to the operating fluid of the heat well 20 before it reaches the evaporator S8, and consequently the amount of subcooling performed in the heat exchangers S6 and S5.
In tutte le forme di realizzazione in cui sono presenti le coppie di valvole a due vie V6 V9 e V7 V12, ciascuna di tali coppie può essere sostituita da una valvola a tre vie predisposta in modo tale da espletare le funzioni sopra descritte delle corrispondenti valvole a due vie. In all the embodiments in which the pairs of two-way valves V6 V9 and V7 V12 are present, each of these pairs can be replaced by a three-way valve arranged in such a way as to perform the functions described above of the corresponding valves two ways.
Le Figg. 4A e 4B mostrano una quarta forma di realizzazione preferita dell’unità a pompa di calore 1 che si differenzia da quella delle Figg. 3A e 3B per il fatto di poter servire in modo dedicato, sia in una configurazione operativa per raffrescamento (Fig. 4A) sia in una configurazione operativa per riscaldamento (Fig. 4B), anche un ulteriore impianto utilizzatore termico 13 per produzione di acqua calda sanitaria, in aggiunta agli impianti utilizzatori termici 10 e 12. Questa forma di realizzazione permette in particolare di servire un impianto utilizzatore termico per la produzione di acqua calda sanitaria ad alta temperatura. La produzione di acqua calda ad alta temperatura, in particolare superiore a 60°C, à ̈ richiesta in tutti quei contesti nei quali à ̈ necessario prevenire il possibile manifestarsi della legionella (ospedali, piscine e centri sportivi, caserme, ecc.) La forma di realizzazione mostrata nelle Figg. 4A e 4B prevede, a titolo di esempio, che lo scambio termico con l'impianto utilizzatore termico 13 avvenga indirettamente in corrispondenza di un accumulatore termico (bollitore) 13a, ma sono possibili anche altre soluzioni, note al tecnico del settore, per connettere l'unità a pompa di calore 1 con il circuito esterno di tale impianto utilizzatore termico. Figs. 4A and 4B show a fourth preferred embodiment of the heat pump unit 1 which differs from that of Figs. 3A and 3B due to the fact of being able to serve in a dedicated way, both in an operating configuration for cooling (Fig. 4A) and in an operating configuration for heating (Fig. 4B), also a further thermal user system 13 for the production of hot water sanitary, in addition to the thermal user systems 10 and 12. This embodiment allows in particular to serve a thermal user system for the production of high temperature sanitary hot water. The production of hot water at high temperatures, in particular above 60 ° C, is required in all those contexts in which it is necessary to prevent the possible occurrence of legionella (hospitals, swimming pools and sports centers, barracks, etc.). embodiment shown in Figs. 4A and 4B provides, by way of example, that the heat exchange with the heat user system 13 takes place indirectly in correspondence with a thermal accumulator (boiler) 13a, but other solutions, known to the skilled in the art, are also possible to connect the 'heat pump unit 1 with the external circuit of this thermal user system.
Rispetto alla forma di realizzazione delle Figg. 3A e 3B, sono in questo caso ulteriormente previste connessioni per un circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 13 e due valvole a tre vie V11 e V3, preferibilmente elettrovalvole. With respect to the embodiment of Figs. 3A and 3B, in this case further connections are provided for an external circuit of the thermal user system 13 and two three-way valves V11 and V3, preferably solenoid valves.
La valvola a tre vie V11 à ̈ predisposta in modo tale da consentire, nella configurazione operativa per raffrescamento (Fig. 4A), di connettere la linea FL1 con il circuito esterno dell’impianto utilizzatore termico 13. In questo modo à ̈ possibile sfruttare la potenza termica rilasciata dal condensatore S4 per produrre acqua calda sanitaria ad alta temperatura, invece che disperdere tale potenza in corrispondenza del pozzo termico 20. The three-way valve V11 is arranged in such a way as to allow, in the operating configuration for cooling (Fig. 4A), to connect the FL1 line with the external circuit of the thermal user system 13. In this way it is possible to exploit the thermal power released by the condenser S4 to produce high temperature domestic hot water, instead of dispersing this power in correspondence with the thermal well 20.
La valvola a tre vie V3 à ̈ predisposta in modo tale da consentire, nella configurazione operativa per riscaldamento (Fig. 4B), di connettere la linea FL1 alternativamente con il circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 10 oppure con il circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 13. In questo modo à ̈ possibile utilizzare la potenza termica rilasciata in corrispondenza del condensatore S4 alternativamente per riscaldamento o produzione di acqua calda sanitaria ad alta temperatura. The three-way valve V3 is arranged in such a way as to allow, in the operating configuration for heating (Fig. 4B), to connect the FL1 line alternatively with the external circuit of the thermal user system 10 or with the external circuit of the system thermal user 13. In this way it is possible to use the thermal power released at the condenser S4 alternatively for heating or for the production of high temperature domestic hot water.
Le Figg. 5A e 5B mostrano una quinta forma di realizzazione preferita dell’unità a pompa di calore 1 , la quale, rispetto alla forma di realizzazione delle Figg. 4A e 4B permette in aggiunta di soddisfare, tramite l'impianto utilizzatore termico 13 per la produzione di acqua calda sanitaria già menzionato, anche fabbisogni di acqua calda sanitaria a bassa temperatura. La forma di realizzazione delle Figg. 5A e 5B si differenzia da quella delle Figg. 4A e 4B in particolare per la presenza di una ulteriore valvola a tre vie V4, preferibilmente una elettrovalvola. Figs. 5A and 5B show a fifth preferred embodiment of the heat pump unit 1, which, with respect to the embodiment of Figs. 4A and 4B also allows to satisfy, through the thermal user system 13 for the production of domestic hot water already mentioned, also the needs of domestic hot water at low temperature. The embodiment of Figs. 5A and 5B differs from that of Figs. 4A and 4B in particular due to the presence of a further three-way valve V4, preferably a solenoid valve.
La valvola a tre vie V4 à ̈ predisposta in modo tale da consentire di connettere selettivamente le linee FL2’ ed FL2", nelle quali sono connessi gli scambiatori di calore S5 ed S6, anche con il circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 13 per la produzione di acqua calda sanitaria, in modo da creare con esso un circuito chiuso. In questo modo à ̈ possibile utilizzare la potenza termica rilasciata in corrispondenza dei due scambiatori di calore S5 ed S6 alternativamente per produrre acqua calda sanitaria, sia nella configurazione operativa per raffrescamento (Fig. 5A) sia nella configurazione operativa per riscaldamento (Fig. 5B), oppure per preriscaldare il fluido termovettore del pozzo termico 20 nella configurazione operativa per riscaldamento. The three-way valve V4 is arranged in such a way as to selectively connect the FL2â € ™ and FL2 "lines, in which the heat exchangers S5 and S6 are connected, also with the external circuit of the thermal user system 13 for the production of domestic hot water, in order to create a closed circuit with it. In this way it is possible to use the thermal power released at the two heat exchangers S5 and S6 alternatively to produce domestic hot water, both in the operating configuration for cooling (Fig. 5A) either in the operating configuration for heating (Fig. 5B), or for preheating the heat carrier fluid of the thermal well 20 in the operating configuration for heating.
Per un funzionamento ottimale di questa forma di realizzazione nella configurazione operativa per raffrescamento (Fig. 5A) à ̈ inoltre opportuno prevedere esternamente all’unità a pompa di calore 1 mezzi per il by-pass del circuito esterno dell’impianto utilizzatore termico 10, destinato al raffrescamento in questa configurazione operativa. Tali mezzi comprendono preferibilmente una valvola a tre vie V13, preferibilmente una elettrovalvola, predisposta tra il circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 10 e il circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 13. La valvola a tre vie V13 esterna, insieme alla già descritta valvola a tre vie V11 dell’unità a pompa di calore 1 , permette di connettere la linea FL1 con il circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 13 by-passando il circuito esterno dell’impianto utilizzatore termico 10. For an optimal operation of this embodiment in the operating configuration for cooling (Fig. 5A) it is also advisable to provide externally to the heat pump unit 1 means for the by-pass of the external circuit of the thermal user system 10 , intended for cooling in this operating configuration. These means preferably comprise a three-way valve V13, preferably a solenoid valve, arranged between the external circuit of the thermal user system 10 and the external circuit of the thermal user system 13. The external three-way valve V13, together with the already described valve three-way V11 of the heat pump unit 1, allows the FL1 line to be connected to the external circuit of the thermal user system 13 by-passing the external circuit of the thermal user system 10.
In particolare, nella configurazione operativa per raffrescamento la valvola a tre vie V11 connette la linea FL1 al circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 13, mentre la valvola a tre vie esterna V13 consente di by-passare il circuito esterno dell'impianto utilizzatore termico 10. In questo modo à ̈ possibile sfruttare la potenza termica rilasciata dal condensatore principale S4 per produrre acqua calda sanitaria ad alta temperatura, invece che disperdere tale potenza in corrispondenza del pozzo termico 20. Questa modalità di funzionamento necessita che il circuito FL1 sia un circuito chiuso. In particular, in the operating configuration for cooling, the three-way valve V11 connects the FL1 line to the external circuit of the thermal user system 13, while the external three-way valve V13 allows the external circuit of the thermal user system 10 to be by-passed. . In this way it is possible to exploit the thermal power released by the main condenser S4 to produce high temperature domestic hot water, instead of dispersing this power in correspondence with the thermal well 20. This operating mode requires that the FL1 circuit be a closed circuit. .
In tutte le forme di realizzazione descritte, l'unità a pompa di calore 1 comprende preferibilmente anche un'unità di controllo programmabile, non mostrata nelle figure. In particolare, tale unità di controllo può essere opportunamente programmata per controllare l'apertura/chiusura, la modulazione o la deviazione delle valvole nonché l'accensione/spegnimento, il grado di parzializzazione o il numero di giri dei compressori presenti in ciascuna forma di realizzazione dell'unità a pompa di calore 1 . In all the embodiments described, the heat pump unit 1 preferably also comprises a programmable control unit, not shown in the figures. In particular, this control unit can be suitably programmed to control the opening / closing, the modulation or the deviation of the valves as well as the switching on / off, the degree of capacity control or the number of revolutions of the compressors present in each form of construction of the heat pump unit 1.
I fluidi operativi impiegati nei cicli a pompa di calore realizzati nell’unità a pompa di calore 1 possono essere uguali o differenti tra loro. The operating fluids used in the heat pump cycles made in the heat pump unit 1 can be the same or different from each other.
Vengono preferibilmente scelti fluidi operativi che permettano di combinare le seguenti caratteristiche, vantaggiose al fine del funzionamento dell’unità a pompa di calore 1 : Operating fluids are preferably chosen which allow to combine the following characteristics, which are advantageous for the operation of the heat pump unit 1:
- curve limite, e in particolare curva limite inferiore, in diagrammi h - p molto inclinate nella direzione delle entalpie crescenti; - limit curves, and in particular lower limit curve, in h - p diagrams very inclined in the direction of increasing enthalpies;
- elevato calore specifico del fluido operativo allo stato liquido rispetto al calore latente di condensazione/evaporazione; - high specific heat of the operating fluid in the liquid state compared to the latent heat of condensation / evaporation;
- elevato calore specifico del fluido operativo allo stato vapore rispetto al calore latente di condensazione/evaporazione. - high specific heat of the operating fluid in the vapor state compared to the latent heat of condensation / evaporation.
Le prime due caratteristiche menzionate sono particolarmente rilevanti per forme di realizzazione o condizioni operative che utilizzano sottoraffreddamenti spinti, mentre la terza à ̈ particolarmente rilevante per tutte le forme di realizzazione o condizioni operative che utilizzano surriscaldamenti spinti. The first two features mentioned are particularly relevant for embodiments or operating conditions which use high supercooling, while the third is particularly relevant for all embodiments or operating conditions which use high superheating.
In particolare, per l'ottenimento delle migliori prestazioni dell’unità a pompa di calore 1 si sono dimostrati particolarmente vantaggiosi i seguenti fluidi operativi: (E)-2-butene, (Z)-2-butene, 1 -butiliene, dimetilchetone, metilacetilene, metil alcol, metilpentano, metilpropene, n-esano, R1270, R290, R600, R600a, R601 , R601a, RE-1 70, tetrametilmetano o RC-270. In particular, for obtaining the best performance of the heat pump unit 1, the following operating fluids have proved to be particularly advantageous: (E) -2-butene, (Z) -2-butene, 1 -butylene, dimethylketone , methylacetylene, methyl alcohol, methylpentane, methylpropene, n-hexane, R1270, R290, R600, R600a, R601, R601a, RE-1 70, tetramethylmethane or RC-270.
Oltre a presentare almeno una o più delle caratteristiche desiderate sopraelencate, questi fluidi operativi hanno il vantaggio di essere fluidi refrigeranti cosiddetti “naturali†, cioà ̈ non dannosi per l’ambiente né dal punto di vista di effetti negativi sull’ozono atmosferico, né dal punto di vista dell’effetto serra. In addition to presenting at least one or more of the desired characteristics listed above, these operating fluids have the advantage of being so-called â € œnaturalâ € refrigerants, that is, not harmful to the environment or from the point of view of negative effects on ozone. atmospheric, nor from the point of view of the greenhouse effect.
Se la tipologia di fluido operativo scelta, in particolare per la sua natura idrocarburica, pone problemi di sicurezza (pericolo di incendio) nei casi in cui l’unità a pompa di calore 1 deve venire installata in locali interrati o seminterrati, quest'ultima viene preferibilmente dotata anche di mezzi per la rilevazione e l’evacuazione di fughe di gas. If the type of operating fluid chosen, in particular due to its hydrocarbon nature, poses safety problems (fire hazard) in cases where the heat pump unit 1 must be installed in underground or basement rooms, the latter it is preferably also equipped with means for detecting and evacuating gas leaks.
La Fig. 6 mostra un forma di realizzazione dell’unità a pompa di calore 1 comprendente un sistema per la rilevazione e l’evacuazione di fughe di gas. A titolo di esempio, la configurazione dell’unità a pompa di calore 1 rappresentata corrisponde alla seconda forma di realizzazione sopra descritta con riferimento alla Fig. 2. Fig. 6 shows an embodiment of the heat pump unit 1 comprising a system for detecting and evacuating gas leaks. By way of example, the configuration of the heat pump unit 1 shown corresponds to the second embodiment described above with reference to Fig. 2.
Il sistema per la rilevazione e l’evacuazione di fughe di gas comprende almeno un rivelatore di gas 31 , posizionato il più possibile in prossimità del fondo dell’unità a pompa di calore 1 e mezzi di ventilazione 32, attivabili dal rilevatore di gas 31 e predisposti in modo tale che la loro aspirazione si trovi anch’essa in prossimità del fondo dell’unità a pompa di calore 1 , mentre la loro mandata sia connessa ad un condotto di evacuazione di gas in comunicazione con l’ambiente esterno. Opzionalmente, può essere previsto un apposito dispositivo di controllo 34 atto a ricevere segnali dal rilevatore di gas 31 e a comandare conseguentemente i mezzi di ventilazione 32. Il dispositivo di controllo 34 può anche comandare mezzi avvisatori acustici e/o luminosi 35, se previsti, e/o essere configurato per inviare segnali di allarme ad un eventuale sistema di monitoraggio/supervisione esterno (non mostrato). Le funzioni del dispositivo di controllo 34 potrebbero anche essere svolte dall’unità di controllo programmabile dell’unità a pompa di calore 1. The system for detecting and evacuating gas leaks includes at least one gas detector 31, positioned as close as possible to the bottom of the heat pump unit 1 and ventilation means 32, which can be activated by the gas detector 31 and arranged in such a way that their intake is also located near the bottom of the heat pump unit 1, while their delivery is connected to a gas evacuation duct in communication with the environment external. Optionally, a special control device 34 can be provided, adapted to receive signals from the gas detector 31 and consequently to control the ventilation means 32. The control device 34 can also control acoustic and / or luminous warning means 35, if provided, and / or be configured to send alarm signals to any external monitoring / supervision system (not shown). The functions of the control device 34 could also be performed by the programmable control unit of the heat pump unit 1.
Naturalmente, il tecnico del settore potrà sfruttare le caratteristiche tecniche dell'unità a pompa di calore 1 dell'invenzione presentate con riferimento alle forme di realizzazione preferite sopra descritte anche in combinazioni differenti, al fine di soddisfare specifiche e contingenti esigenze applicative. Naturally, the skilled in the art will be able to exploit the technical characteristics of the heat pump unit 1 of the invention presented with reference to the preferred embodiments described above also in different combinations, in order to satisfy specific and contingent application needs.
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