Sbrinamento pompa di calore aria acqua - formazione ghiaccio unità esterna

Formazione ghiaccio unità esterna e sbrinamento pompa di calore

Formazione ghiaccio unità esterna e sbrinamento pompa di calore: il funzionamento del riscaldamento e’ assicurato senza problemi di comfort anche alle temperature esterne invernali minime (intorno agli 0 °C).

Esploriamo questi due punti di attenzione:

  • riduzione delle prestazioni della pompa di calore (il cosiddetto COP, coefficient of performance)
  • formazione ghiaccio unità esterna che richiede sbrinamento pompa di calore aria acqua

Formazione ghiaccio unità esterna

La formazione ghiaccio unità esterna e’ stata facilitata di molto dalle condizioni ambientali di questo “strano” inverno 2015-216, in particolare per chi, come me, abita in piena Pianura Padana.

La situazione tipica per molte settimana e’ stata questa (prego notare la formazione ghiaccio unità esterna della mia pompa di calore Rotex HPSU Compact della Daikin):

con umidità molto elevata (prossima al 100%) e temperatura relativamente bassa (nell’intorno dei 5 °C).

Un po’ di teoria

In modalità riscaldamento il radiatore esterno opera come evaporatore e quindi la sua superficie e’ sempre ad una temperatura inferiore rispetto a quella dell’aria anche quando questa sia già bassa come in inverno.

In presenza di umidità nell’aria esterna può dunque formarsi ghiaccio sul radiatore esterno con consequente ulteriore riduzione del rendimento dello scambio termico (il ghiaccio e’ isolante) rispetto alla “naturale” riduzione del COP con la temperatura esterna.

Pur essendo un tema particolarmente complesso e poco documentato, cerchiamo ora di capire concretamente le condizioni ambientali in cui l’umidità presente nell’aria esterna cominci a congelare sul radiatore esterno.

Punto di rugiada

Ci viene in aiuto il cosiddetto punto di rugiada (dew point), ovvero le condizioni dell’aria sotto le quali (temperatura inferiore e/o pressione maggiore) il vapore libero comincia a passare in fase liquida (potendosi congelare sul radiatore dell’unita’ esterna).

Volendo semplificare, assumendo pressione esterna invariante, l’unita’ esterna comincia a brinare quando accadono entrambe le condizioni:

  • temperatura fluido refrigerante < punto di rugiada aria
  • temperatura fluido refrigerante < 0 °C

Il punto di rugiada dell’aria può essere calcolato mediante l’approssimazione di Magnus-Tetens.

Molto più aleatorio, non ho trovato molto in letteratura, e’ stabilire la temperatura del fluido refrigerante. In linea generale possiamo assumere che, dato il funzionamento della pompa di calore per estrarre calore dall’aria, la temperatura del fluido refrigerante operi sempre tra i 5 °C ed i 10 °C inferiore alla temperatura dell’aria esterna.

Il risultato può essere rappresentato nel diagramma seguente che mostra, in funzione della temperatura dell’aria esterna, l’andamento di:

  • punto di rugiada dell’aria per differenti valori di umidità esterna (linee tratteggiate)
  • fascia di probabili valori per la temperatura del fluido refrigerante (bande verticali)

DEW_POINT

Possiamo quindi trarre diverse conclusioni sulla formazione ghiaccio unità esterna di una pompa di calore aria acqua:
  • dipende principalmente da temperatura ed umidità dell’aria esterna (e’ la fisica a dircelo ! Per cambiare si può solo traslocare in luoghi meno umidi)
  • dipende fortemente dalla temperatura del fluido refrigerante (e’ il costruttore della pompa di calore, entro certi limiti, a determinarlo)
  • il ghiaccio può cominciare a formarsi già con temperature esterne inferiori ai 5 °C ed umidità esterna superiore al 78%
  • in presenza di basse temperature ed aria secca non si forma brina

Sbrinamento pompa di calore aria acqua

Ci sono alcuni modelli di pompa di calore che lavorano proprio sul fluido refrigerante per limitare gli sbrinamenti come la Mitsubishi Zubadan che inietta gas caldo

La pompa di calore, per avviare lo sbrinamento, rileva automaticamente lo stato di congelamento dell’unita’ esterna mediante due possibili metodi:

  • con un sensore di temperatura esterno e un timer che inverte il ciclo ogni tot minuti
  • con un sistema di controllo più raffinato, che monitora il flusso d’aria, la pressione del refrigerante, la temperatura dell’aria

Ovviamente il secondo metodo e’ quello più efficiente (evita sbrinamenti inutili), ma probabilmente la maggior parte delle pompe di calore adotta il primo perché più semplice. Nessuna azienda produttrice documenta nulla.

Durante lo sbrinamento la macchina inverte il ciclo mediante la valvola reversibile e ferma la ventola esterna per ridurre l’energia termica necessaria allo scioglimento del ghiaccio.

E’ chiaro che fare uno sbrinamento e’ oneroso perché lo scioglimento del ghiaccio richiede energia termica (da sottrarre al riscaldamento della casa).

Sbrinamento pompa di calore Rotex HPSU Compact

Nel caso della mia Rotex HPSU Compact il calore per lo sbrinamento viene prelevato dal bollitore dell’acqua calda e, se necessario, viene azionato anche il Backup-Heater (BUH). A seconda del fabbisogno di calore, il riscaldamento diretto può essere interrotto brevemente durante la procedura di sbrinamento. Entro 8 minuti il sistema torna al funzionamento normale.

Per verificare la teoria passiamo ora a qualche evidenza pratica nella mia casa elettrica.

Un ciclo di sbrinamento e’ facilmente riconoscibile sull’unita’ interna della Rotex HPSU Compact tramite:

  • comparsa della gocciolina sul display
  • rumore delle valvole a 3 vie che vengono azionate

Nel caso non lo abbiate mai osservato direttamente, questo e’ quanto accade invece all’esterno durante lo sbrinamento (filmato dell’inverno precedente):


E’ anche agevole, per chi disponga di un sistema di monitoraggio, riconoscere gli eventi di sbrinamento (in violetto) osservando l’andamento della potenza elettrica assorbita dalla HPSU:

CICLO_DEFROST

Chiaramente durante gli sbrinamenti la macchina non sta producendo calore per riscaldare (circa 8 minuti per ciclo).

Giornata tipo

Il 2 gennaio 2016 e’ una giornata esemplificativa del caso peggiore per gli sbrinamenti avendo umidità elevate e temperatura relativamente bassa:

UMIDITA_TEMPERATURA

[Fino alle 09:30 stavo sistemando il sensore umidità]

GIORNATA_DEFROST

In viola ho evidenziato i 4 cicli di produzione acqua calda necessari a re-integrare l’accumulo tecnico.

Considerazioni:

  • sono stati “buttati” circa 5,1 kWh elettrici per re-integrare l’energia termica usata in sbrinamento
  • durante i 4 cicli acqua calda addizionali la HPSU non sta riscaldando la casa (circa 3 ore in tutta la giornata)
  • durante i 26 sbrinamenti la HPSU non sta riscaldando la casa (circa 3,5 ore in tutta la giornata)

Sintesi

  • dei 20,3 Kwh elettrici consumati nella giornata dalla HPSU circa il 25% e’ stato “buttato” in sbrinamenti
  • ci sono state solo 9,5 ore effettive di riscaldamento attivo sulle 16 attese – il resto del tempo e’ stato speso in re-integro acqua calda e sbrinamenti veri e propri

Poiché non voglio fare terrorismo psicologico eccovi la giornata leggermente meno umida del 17 dicembre 2015 in cui tutto funziona decisamente meglio:

1712_TH

1712

Ci sono solo alcuni sbrinamenti la mattina.

Conclusioni su formazione ghiaccio unità esterna e sbrinamento pompa di calore

In conclusione occorre dunque tenere bene a mente la presenza, nella stagione invernale, di sbrinamento pompa di calore aria acqua sia in termini di comfort che di spesa poiché possono ridurre in modo significativo rendimento e tempi di funzionamento della pompa di calore soprattutto in condizioni di umidità esterna elevata.

In un altro articolo proverò a descrivere che margini abbiamo per influenzare gli sbrinamenti (pochi a parte la corretta pulizia dell’unita’ esterna) e come gestirne l’effetto in modo da minimizzare la spesa e massimizzare il comfort.

Per chi fosse interessato ho trovato questa tesi in lingua italiana sull’argomento:

MODELLO SEMPLIFICATO PER LA VALUTAZIONE DELLO SBRINAMENTO ALL EVAPORATORE DI POMPE DI CALORE

Formazione ghiaccio unità esterna e sbrinamento pompa di calore ultima modifica: 2016-01-03T17:06:36+00:00 da La mia Casa Elettrica
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Un pensiero su “Formazione ghiaccio unità esterna e sbrinamento pompa di calore

  1. parolin88

    Diminuire la temperatura di mandata e aumentare di qualche ora il funzionamento così da richiedere una quantità di energia termica più diluita nel tempo e limitando i carichi e i picchi può servire e/o aiutare a limitare i defrost?

    Rispondi

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