Come possono le pompe di calore ad aria far fronte ad ambienti con temperature estremamente basse?

Negli ultimi anni, le pompe di calore ad aria hanno ricevuto molta attenzione e popolarità sul mercato. Tuttavia, diversi fattori influenzano significativamente le prestazioni delle pompe di calore ad aria: in primo luogo, le prestazioni delle pompe di calore ad aria si riducono significativamente in condizioni di bassa temperatura ambiente; in secondo luogo, il problema della formazione di ghiaccio durante il processo di riscaldamento influisce seriamente sull'efficienza energetica e sull'affidabilità. Negli ultimi anni, molti ricercatori e ingegneri hanno investito molto nel miglioramento della tecnologia delle pompe di calore ad aria per risolvere i problemi sopra menzionati.

PARTE 01 Tecnologia di compressione multilivello

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

A seconda delle diverse fasi di compressione e della struttura del ciclo, le pompe di calore ad aria compressa multistadio possono essere suddivise in cicli a cascata e a compressione bistadio/multistadio. Per migliorare la capacità di riscaldamento di un sistema di compressione monostadio a basse temperature ambiente, il refrigerante può essere iniettato direttamente nella camera di compressione durante il processo di compressione, una procedura chiamata compressione quasi bistadio. Date le caratteristiche di un ciclo di compressione bistadio, questo articolo lo includerà nell'ambito di un ciclo di compressione bistadio.

1.1 Pompa di calore ad aria impilata

A causa della bassa temperatura ambiente, il rapporto di compressione del sistema è elevato, la potenza di compressione è elevata e le perdite di strozzamento sono elevate, il che si traduce in una bassa efficienza energetica della pompa di calore. Per ridurre le perdite e migliorare l'efficienza, il sistema di pompa di calore ad aria sovrapposta utilizza due cicli di compressione del vapore in serie anziché un singolo ciclo per ridurre il rapporto di compressione di un ciclo monostadio.

Il sistema a cascata è costituito da due cicli di compressione di vapore indipendenti, uno a bassa temperatura e l'altro ad alta temperatura. Questi due cicli sono collegati tramite uno scambiatore di calore intermedio condiviso, che funge sia da condensatore per il ciclo a bassa temperatura sia da evaporatore per il ciclo ad alta temperatura. In inverno, il ciclo a bassa temperatura assorbe calore dall'aria ambiente attraverso un evaporatore e lo porta a una temperatura più elevata, fornendolo come fonte di calore per il ciclo ad alta temperatura; nel ciclo ad alta temperatura, il calore viene nuovamente aumentato fino alla temperatura richiesta per il riscaldamento degli ambienti interni.

Utilizzando una pompa di calore aria-acqua sovrapposta, il rapporto di compressione del ciclo viene notevolmente ridotto, riducendo la perdita di compressione totale e la perdita di strozzamento, migliorando così l'efficienza energetica della pompa di calore aria-acqua; inoltre, a seconda delle diverse condizioni operative, è possibile utilizzare refrigeranti diversi per le fasi ad alta e bassa temperatura del ciclo a cascata. Poiché il sistema sovrapposto può essere implementato utilizzando due semplici sistemi monostadio, è stato utilizzato per applicazioni di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria per molti anni. Tuttavia, la differenza di temperatura di trasferimento del calore dello scambiatore di calore intermedio nel ciclo a cascata porta inevitabilmente a una certa perdita di efficienza; inoltre, il ciclo a cascata richiede l'utilizzo di due compressori e di uno scambiatore di calore aggiuntivo, il che è più costoso rispetto ai cicli monostadio.

1.2 Pompa di calore ad aria compressa a doppio stadio

Una pompa di calore ad aria compressa a due stadi collega due cicli di refrigerazione, il che può essere visto come una forma semplificata di un sistema a cascata. Come mostrato nella figura seguente, le pompe di calore ad aria compressa a due stadi possono essere suddivise in due categorie in base ai diversi economizzatori utilizzati: sistemi con serbatoio di flash (FT) e sistemi con scambiatore di calore intermedio (IHX).

Nel sistema con serbatoio di flash, il refrigerante liquido in uscita dal condensatore interno viene strozzato in due fasi ed entra nel serbatoio di flash. Il refrigerante bifase viene separato in gas saturo e liquido saturo nel serbatoio di flash; dopo essere stato miscelato con il refrigerante di scarico del compressore di bassa pressione, il refrigerante gassoso viene nuovamente compresso dal compressore di alta pressione. Il liquido saturo viene strozzato dalla seconda valvola di espansione ed entra nell'evaporatore esterno per evaporare in gas. Quindi entra nel compressore di bassa pressione e si miscela con il gas di media pressione nel serbatoio di flash.

Per il sistema di scambiatore di calore intermedio, il refrigerante liquido all'uscita del condensatore viene suddiviso direttamente in due flussi: il flusso principale e il flusso secondario. Il refrigerante secondario viene strozzato a media pressione ed entra nello scambiatore di calore intermedio. Il refrigerante a bassa temperatura raffredda il refrigerante principale fino a uno stato di sopraffreddamento. Il refrigerante secondario assorbe calore e diventa gas saturo o surriscaldato, mescolandosi con i gas di scarico del compressore dello stadio a bassa pressione prima di entrare nel compressore dello stadio ad alta pressione per un'ulteriore compressione. Il refrigerante sottoraffreddato all'uscita principale dello scambiatore di calore intermedio viene strozzato, passa attraverso l'evaporatore e infine ritorna al compressore dello stadio a bassa pressione, dove viene compresso a media pressione e miscelato con il refrigerante secondario.

1.3 Pompa di calore ad aria compressa quasi a doppio stadio

Una pompa di calore ad aria compressa a stadio quasi doppio (nota anche come sistema ad aria supplementare) è molto simile a un sistema di compressione a stadio doppio. La differenza è che nel sistema di compressione a stadio quasi doppio, viene utilizzato un compressore con una porta di alimentazione dell'aria intermedia invece di due compressori collegati in serie. Nella compressione a stadio quasi doppio, il refrigerante proveniente dal serbatoio di flash o dallo scambiatore di calore intermedio viene iniettato nella camera di compressione del compressore, anziché tra i due compressori.

Pertanto, una pompa di calore quasi a doppio stadio può essere considerata una versione semplificata di una pompa di calore a doppio stadio, che utilizza un compressore di mandata dell'aria appositamente progettato per sostituire i due compressori, evitando così il problema dell'equalizzazione dell'olio tra i due compressori e riducendo i costi di sistema. Ancora più importante, chiudendo la valvola sul ramo di mandata dell'aria, il sistema quasi a doppio stadio può passare in modo flessibile alla modalità di circolazione a stadio singolo, ottimizzando così le prestazioni della pompa di calore quasi a doppio stadio in inverno e in estate. Pertanto, negli ultimi anni, la tecnologia di compressione quasi a doppio stadio è stata ampiamente applicata alle pompe di calore a bassa temperatura.

PARTE 02 Sostituzione del refrigerante

Attualmente, R22 e R410A sono i refrigeranti più comunemente utilizzati nei sistemi a pompa di calore ad aria, mentre i loro principali sostituti sono R290, R32, R744, R161 e alcuni refrigeranti misti HFC. Tuttavia, ad eccezione di R744, tutti i refrigeranti a medio e basso GWP presentano un certo grado di infiammabilità e la loro applicazione deve essere conforme alle norme o ai regolamenti di sicurezza pertinenti, tenendo conto della quantità di carica e di altri requisiti speciali.

Per quanto riguarda i sostituti dei refrigeranti puri, l'R290 ha una pressione e una capacità di esercizio simili all'R22 e un indice di efficienza energetica superiore. Tuttavia, grazie alla sua infiammabilità, è adatto principalmente per sistemi a bassa carica. I produttori hanno esposto condizionatori split e pompe di calore ad aria che utilizzano l'R290. La pressione e la capacità di esercizio dell'R32 sono simili a quelle dell'R410A e anche l'efficienza energetica è paragonabile a quella dell'R410A, se non leggermente superiore.

Attualmente, l'R32 è adatto a diversi tipi di apparecchiature di condizionamento dell'aria presenti sul mercato e viene utilizzato per unità split in diversi paesi e regioni come Giappone, Cina, Corea del Sud ed Europa. Alcuni produttori utilizzano l'R32 anche per altri tipi di sistemi, come le unità multi-split. L'applicazione dell'R744 nei settori del riscaldamento e del raffreddamento è limitata a causa del suo indice di efficienza energetica in modalità raffreddamento, soprattutto quando la temperatura esterna è elevata. Tuttavia, il ciclo transcritico dell'R744 presenta vantaggi significativi nell'acqua calda ad alta temperatura.

Oltre ai refrigeranti puri, esistono anche molti refrigeranti misti specificamente progettati per le pompe di calore ad aria, composti principalmente da due o più refrigeranti puri come R32, R125, R134a, R152a, R161, R1234yf, R1234ze, R600a, R1270 e R290. Alcuni refrigeranti misti sono stati denominati con numeri proprietari, come R444B, R446A e R447A, mentre un gran numero di altri refrigeranti misti sono ancora in fase di sviluppo. Questi refrigeranti misti hanno spesso pressioni di esercizio e capacità simili a R22 o R410A, con GWP compresi tra 150 e 1000 e livelli di infiammabilità pari a 1 (refrigeranti ad alto GWP) o 2 litri (refrigeranti a medio GWP). Attualmente, la maggior parte dei fluidi di lavoro misti non è stata prodotta in serie e i relativi dati tecnici non sono ancora stati resi pubblici.