POMPE DI CALORE KITA Approfondimento tecnico

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1 POMPE DI CALORE KITA Approfondimento tecnico Approfondimento tecnico sulle scelte progettuali Compressore singolo ermetico trascinato tramite motore BLDC inverter. Il compressore è il cuore della pompa di calore. I due modelli di pompa di calore disponibili montano compressori con caratteristiche tecniche differenti: sulla KITA M è di tipo Twin Rotary con alimentazione monofase, sulla KITA L/L42 è di tipo Scroll con iniezione di vapore ed alimentazione trifase. La gestione di entrambi avviene tramite inverter, che consente un funzionamento in modulazione. Twin Rotary Scroll Motore BLDC 1 Economia d acquisto Range di potenza da 2 kw a 16 kw Guscio esterno in alta pressione 2 Basso impatto acustico Minori vibrazioni e stress 3 Motore BLDC 1 Range di funzionamento esteso fino a -30 C di temperatura esterna Guscio esterno in alta pressione 2 Iniezione di vapore Smart Injection Elevate prestazioni anche a basso numero di giri 1 All interno della sigla BLDC, BL significa brushless, ossia senza spazzole. Un motore BLDC lavora senza trascinamento delle spazzole e presenta un assorbimento elettrico minore, con conseguente minore spesa elettrica e maggiori prestazioni della macchina. Oltre a questo, essendo un motore in corrente continua a magnete permanente, non vi sono correnti indotte per generare il moto del rotore quindi si evitano le perdite ad esse correlate. 2 Questa architettura del compressore fa passare il refrigerante ad alta pressione e ad alta temperatura verso il motore elettrico e gli organi meccanici a contatto con l olio. In questo modo

2 viene a contatto con il lubrificante solo refrigerante in fase gas, che rispetto al refrigerante in fase liquida trascina via dal compressore una quantità minore di olio, perché l olio non si diluisce in quest ultimo. Inoltre, essendo più caldo rispetto al flusso in aspirazione, non riduce le proprietà lubrificanti dell olio. Il guscio in alta pressione inoltre permette al compressore di tollerare una piccola quantità di liquido eventualmente ancora presente nel flusso evaporato senza danneggiare le parti meccaniche atte alla compressione del gas. E possibile quindi lavorare con una soglia di surriscaldamento minore rispetto ai compressori con guscio in bassa pressione, riducendo il consumo elettrico. 3 In un Twin Roraty la compressione avviene tramite due masse che ruotano all interno di due camere di compressione in parallelo. Prima dell ingresso al compressore avviene la divisione del refrigerante in due flussi che vengono aspirati da ogni singola camera di compressione. Le masse rotanti sono sfasate di 180 e questo permette di compensare le sollecitazioni sull albero e di ridurre così le vibrazioni durante il funzionamento e il rischio di rottura nel lungo termine. Tecnologia Smart Injection L iniezione di vapore è una tecnologia che consente di aumentare le prestazioni del compressore, sia durante il funzionamento invernale, sia durante il funzionamento estivo. Questo è reso possibile dall aggiunta di un secondo scambiatore a piastre, all interno del quale si raffredda ulteriormente il flusso principale di refrigerante liquido dopo la condensazione, permettendo così di migliorare la termodinamica del processo. Tramite un valvola di laminazione secondaria, il refrigerante viene deviato e laminato allo scambiatore secondario, dove scambia calore con il circuito primario: in questo modo il liquido condensato subisce un sottoraffreddamento e il fluido laminato evapora prima di essere nuovamente iniettato, ad una pressione e ad una temperatura intermedia, al compressore. L iniezione di vapore porta importanti vantaggi quali: Consente di ridurre la temperatura di scarico al compressore, operando un raffreddamento durante il processo di compressione e quindi previene zone di lavoro pericolose e poco favorevoli al compressore Riduce il lavoro di compressione, quindi la spesa di energia, tramite la parziale compressione posseduta già dal vapore di iniezione e l inter-refrigerazione che essa comporta Consente di aumentare l efficienza del processo di evaporazione tramite il sottoraffreddamento del liquido e di estrarre maggiore potenza dall aria, che sarà convertita quindi in effetto utile Estende il campo di lavoro del compressore, ossia si possono raggiungere temperature di evaporazione (e quindi dell aria esterna) molto basse, fino a -30 C di aria esterna Grazie a questi vantaggi si ha un booster, ossia un potenziamento, della pompa di calore, che presenta così maggiori COP e una maggiore potenza resa.

3 Sistema di modulazione ad inverter Maggiore efficienza Maggiore durata di vita della pompa di calore: riduce i cicli di accensione e spegnimento Minore spesa elettrica Minori dimensioni dell accumulo inerziale, quindi minori ingombri Maggiore silenziosità L inverter è un dispositivo elettronico che permette di variare la frequenza di alimentazione del compressore rispetto alla frequenza della rete elettrica nazionale. Al variare della frequenza di alimentazione il compressore varia il proprio numero di giri per rispondere a tutte le esigenze di regolazione e di sicurezza che un impianto richiede. In particolare l utilizzo dell inverter permette di migliorare l efficienza energetica della macchina poiché i componenti del ciclo frigo possono operare meglio, cioè risultano sovradimensionati, quando la macchina modula: possono così ridursi le differenze di temperatura tra refrigerante e fluido termovettore all interno degli scambiatori, riducendo il lavoro complessivo del compressore. Rispetto ad una macchina on-off, una macchina ad inverter è in grado, all interno del proprio campo di regolazione, di adattarsi alla richiesta energetica dell edificio. Questo permette, quando la richiesta non è massima, sia un risparmio economico dovuto alla minore energia elettrica spesa dalla macchina in parzializzazione, sia di ridurre i cicli di accensione e spegnimento della macchina, cosa che riduce gli stress subiti dal compressore, allungandone così la vita utile. Per ridurre il più possibile le accensioni e gli spegnimenti di una macchina on-off quando si riduce la richiesta dell impianto, è necessario utilizzare serbatoi di accumulo di grandi dimensioni volumetriche: questo porta ad elevati costi di impianto e a dispersioni termiche maggiori dovute alle grandi dimensioni dell accumulo; una macchina ad inverter invece, modulando la velocità del compressore e quindi la potenza resa, può essere accoppiata ad un serbatoio di dimensioni minori: la macchina segue il set di temperatura rallentando la velocità man mano che la temperatura effettiva si avvicina al set. Modulando la potenza e quindi anche la velocità del ventilatore si riduce la rumorosità complessiva della macchina. Una macchina ad inverter infine presenta la maggiore efficienza quando la modulazione del compressore si attesta a circa il 50% della capacità. Poiché si rileva che il carico termico effettivo di un impianto di climatizzazione è, nel 90% del tempo, inferiore al 60% del carico nominale, si capisce come l inverter sia di fondamentale importanza per raggiungere elevati livelli di efficienza.

4 Separatore dell olio in mandata Il corretto livello di olio lubrificante e una buona fluidità dello stesso sono essenziali per il corretto funzionamento e la longevità del compressore. Il separatore di olio è stato inserito proprio per garantire che sia sempre presente nel compressore un buon apporto di lubrificante. Infatti per natura stessa del processo di compressione, a causa degli attriti tra il gas e i componenti interni del compressore e a causa della velocità stessa di avanzamento del refrigerante, l olio viene man mano trascinato via insieme al refrigerante. Il separatore garantisce che quasi tutto l olio contenuto nel compressore non entri in circolo all interno del circuito. Il separatore dell olio, posto in serie al compressore nel tratto di mandata, ha la funzione di ripulire il refrigerante dal lubrificante. Questo è utile per 3 motivi principalmente: 1) L olio lubrificante è necessario per il funzionamento del compressore, quindi idealmente dovrebbe rimanere al 100% all interno dell organo in movimento. Il separatore dell olio, con un efficienza del 98-99% garantisce che solo una minima parte di olio fugga dal compressore. 2) L olio all interno del circuito frigo si deposita sulle superfici creando uno strato isolante che riduce lo scambio termico e quindi l efficienza della macchina, in quanto la sua presenza all interno del circuito non concorre all effetto utile. 3) Allo stesso modo il refrigerante contaminato con l olio ha proprietà di scambio termico diverse rispetto all R410A puro, quindi le prestazioni del refrigerante sporco risultano non più ottimizzate per la macchina in questione, andando a ridurre l efficienza generale di funzionamento. Assicura una corretto ritorno dell olio al compressore Migliora l efficienza della macchina in ogni condizione operativa Il separatore dell olio è costituito da un filtro attraverso il quale scorre il refrigerante, che si trova in stato gassoso. L olio contenuto nel refrigerante viene trattenuto da questo filtro e cade nella parte bassa del serbatoio, dove un capillare lo preleva per mandarlo al circuito di raffreddamento in batteria.

5 Ventilatore BLDC modulante e silenzioso dotato di boccaglio aria e griglia, controllato tramite MODBUS RS485 dalla scheda elettronica programmabile Motore BLDC inverter: permette un campo di regolazione più preciso e flessibile Silenzioso: è possibile scegliere tra 5 modalità di funzionamento a crescente livello di silenziosità Silenzioso: diametro più grande per garantire la stessa portata con un numero di giri inferiore Modulazione della velocità in funzione della richiesta dell impianto Modulazione della velocità per allargare la zona operativa Bassi consumi elettrici: assorbimento massimo di 375 W Il ventilatore movimenta l aria attraverso la batteria alettata. La scelta progettuale attuata prevede l utilizzo di un singolo ventilatore di diametro 800 mm dimensionato per ottimizzare il flusso d aria. Il dimensionamento del ventilatore è un nodo particolarmente importante in quanto deve garantire un corretto apporto d aria alla batteria senza essere troppo rumoroso, ossia contenere il numero di giri. Questo è possibile grazie al diametro elevato della ventola che realizza una superficie aspirante che va ad essere molto simile a quella della batteria. Il motore del ventilatore è comandato dalla scheda elettronica principale tramite rete RS-485 che modula la sua velocità di rotazione in funzione della richiesta. A differenza dei ventilatori on-off, con motore AC o con taglio di fase, un motore BLDC comandato via rete RS-485 presenta un campo di modulazione molto esteso, una maggiore efficienza e una potenza richiesta minore. Il ventilatore viene fornito con il proprio boccaglio, aerodinamicamente ottimizzato per aumentarne l efficienza e ridurre la rumorosità A queste caratteristiche tecniche all avanguardia si affianca una gestione del ventilatore tramite scheda elettronica molto particolare che aumenta ulteriormente l efficienza e il campo di lavoro della macchina. Tale gestione consiste nel controllo delle temperature di evaporazione/condensazione alla batteria alettata: quando la temperatura della sorgente termica esterna è tale da rendere la temperatura di evaporazione/condensazione prossima al limite di lavoro del compressore, il ventilatore interviene modulando la propria velocità per favorire l allontanamento da questa condizione critica di lavoro. Questo permette quindi, anche con condizioni più spinte, un funzionamento stabile e costante della macchina. Un esempio: se la macchina è chiamata a lavorare in pompa di calore con temperature esterne elevate, ad esempio per la produzione dell acqua sanitaria, è possibile che la temperatura di evaporazione tenda a salire

6 sopra il suo limite massimo. In questo caso il ventilatore rallenterà per favorire un abbassamento della temperatura di evaporazione. L utente può inoltre scegliere tra 5 diversi regimi di velocità, che portano ad altrettanti livelli di silenziosità. E quindi possibile, ad esempio, impostare un funzionamento notturno con un regime di rotazione ad un più basso numero di giri, e un funzionamento giornaliero a velocità più spinta. Batteria alettata con rivestimento idrofilico, alette corrugate con passo di 2,5mm, tubo corrugato interno e telaio in alluminio per evitare formazione ruggine. La batteria di scambio termico rappresenta un organo chiave per garantire efficienza della macchina, prestazioni ottimizzate e un funzionamento affidabile della pompa di calore. Alla base della progettazione della nostra pompa di calore si pone il dimensionamento della batteria: è stato scelto di utilizzare una batteria sovradimensionata per garantire un migliore scambio termico e conseguentemente maggiore efficienza. La potenza scambiata infatti è direttamente proporzionale alla superficie di scambio e alla differenza di temperatura tra l aria e il refrigerante. Quindi, a parità di potenza termica scambiata con l aria, una maggiore superficie di scambio consente di mantenere una minore differenza di temperatura tra l aria esterna e il refrigerante in evaporazione. Ciò inoltre consente di aumentare il campo di lavoro della macchina: infatti, dato il limite inferiore di temperatura di evaporazione che il compressore può sopportare, minore è la differenza di temperatura tra l aria e il flusso in evaporazione tanto più bassa sarà la temperatura dell aria esterna alla quale la macchina riesce a lavorare. La nostra pompa di calore lavora infatti fino a -30 C di temperatura dell aria esterna. Rivestimento idrofilico Passo alette 2,5 mm Spessore aletta 0,15 mm Batteria sovradimensionata per una maggiore efficienza energetica Circuiti di raffreddamento olio e di sottoraffreddamento del refrigerante condensato Se una macchina è stata progettata come pompa di calore lo si vede anche dalla configurazione della batteria. La batteria ha un rivestimento idrofilico, un processo produttivo che consiste in un trattamento esterno particolare nelle fasi di produzione, che consente alla goccia di condensa che si deposita sulle alette, di scivolare via ed evita che questa, e così anche le gocce successive, si ghiaccino sull aletta andando ad ostruire il passaggio dell aria. Il rivestimento idrofilico si nota dalla caratteristica colorazione azzurrina delle lamelle della batteria. Una colorazione delle lamelle grigia, solitamente utilizzata sulle pompe di calore derivate dai chiller, denota l assenza del trattamento idrofilico. Le alette hanno uno spessore di 0,15

7 mm, anziché i classici 0,11 mm, cosa che contribuisce a migliorare lo scambio termico. Inoltre la distanza tra ogni aletta è pari a 2,5 mm, soluzione che rallenta l ostruzione dell area di passaggio dell aria per opera della brina. Questo permette di allungare i tempi di lavoro posticipando e limitando i cicli di defrost. Le alette sono inoltre corrugate, per consentire una migliore canalizzazione del flusso d aria e aumentare lo scambio termico. I tubi di passaggio del refrigerante sono in rame e corrugati internamente, per consentire un migliore scambio termico con l aria esterna. I tubi sono disposti su tre ranghi, e raggruppati in vari circuiti, il cui numero è ottimizzato per il funzionamento in pompa di calore; in questa modalità il refrigerante fluisce all interno della batteria in direzione inversa rispetto al flusso dell aria, secondo una configurazione detta in controcorrente, che migliora lo scambio termico. In ingresso alla batteria di evaporazione è presente un distributore, che consente la distribuzione omogenea del refrigerante. Rispetto agli standard progettuali, la sezione dei capillari in partenza dal distributore è maggiore, e ciò consente una maggiore silenziosità e minori perdite di carico del refrigerante. Particolare importanza è data al tratto rettilineo di arrivo al distributore: questo tratto è stato allungato e rivolto verso l alto per consentire una migliore miscelazione delle fasi liquida e gassosa del refrigerante in ingresso alla batteria. Altresì un tratto corto in seguito ad una curva causa una disomogenea miscelazione con conseguente maldistribuzione alla batteria. Innovazioni tecniche di rilievo sulla batteria alettata La batteria alettata presenta due principali innovazioni rispetto alle altre pompe di calore presenti sul mercato. Sono infatti state implementate due importanti modifiche dei circuiti nella parte inferiore della batteria: per prima cosa, è stato progettato un metodo aggiuntivo di sottoraffreddamento del refrigerante liquido prima della laminazione. In questo modo si attua, tramite il passaggio dell aria, un ulteriore sottoraffreddamento che aumenta l efficienza della macchina. La seconda modifica riguarda il circuito di raffreddamento dell olio: l olio, proveniente dal separatore, viene raffreddato ancora una volta tramite il passaggio dell aria. L olio viene poi iniettato in aspirazione al compressore. Raffreddare l olio ha permesso di ridurre la temperatura di scarico al compressore, aumentando l efficienza della macchina e il campo di lavoro. Queste modifiche hanno inoltre permesso di rendere la parte inferiore della batteria una zona più calda dove non si ha la formazione di ghiaccio. Ciò impedisce alle gocce, che scivolano dalle alette, di depositarsi e formare uno zoccolo spesso di ghiaccio durante il funzionamento in pompa di calore.

8 COMPONENTI IN DOTAZIONE COMPONENTE Separatore dell olio Separatore del liquido Ricevitore di liquido Valvola principale e valvola d iniezione elettroniche Pannello di controllo remoto Antivibranti in gomma Vaschetta raccogli condensa Isolamento termoacustico del vano frigo Refrigerante R410A

9 FUNZIONALITA DISPONIBILI FUNZIONALITA Defrost intelligiente Gestione del ventilatore 5 set di velocità del ventilatore Protezione antigelo invernale ed estiva Gestione integrata della caldaia Ritorno olio Possibilità di limitare il consumo di potenza elettrica Curva climatica Gestione di diverse fasce orarie Tempi e modalità di defrost gestiti direttamente dalla scheda elettronica, in modo da realizzare uno sbrinamento solo quando c è un effettivo bisogno Gestione del ventilatore tramite scheda elettronica per garantire un ampio range di funzionamento in funzione delle temperature esterne (funzionamento in pompa di calore fino a +35 C esterni) Possibilità di impostare 5 set diversi di velocità del ventilatore a crescente livello di silenziosità. Protezione antigelo invernale contro il rischio di ghiaccio per le tubazioni idrauliche situate all esterno. Protezione antigelo estiva che limita la temperatura di mandata a minimo 3 C. Possibilità di gestire la caldaia direttamente attraverso la scheda elettronica, secondo una logica di funzionamento già implementata e testata. Procedura di ritorno olio gestita dalla scheda elettronica per garantire una corretta lubrificazione del compressore anche a basso numero di giri E presente all interno del software una funzione che limita la potenza assorbita dalla macchina quando richiesto, ad esempio in presenza di un contatore elettrico a limitata potenza. Variazione del setpoint dell impianto in funzione della temperatura esterna, per aumentare risparmio ed efficienza energetica. La macchina può funzionare secondo diverse fasce orarie preimpostate dall utente.