Ciclo termodinamico del VRF: tecnologia EVI, economizzatore e valvole EEV

L'analisi del ciclo termodinamico e dell'architettura circuitale permette di comprendere perché i sistemi VRF rappresentino un'evoluzione rispetto alle pompe di calore (PdC) split e multi-split tradizionali, nonostante ne condividano il medesimo principio fisico di base: il ciclo a compressione di vapore.

Le PdC sono macchine termodinamiche reversibili che sfruttando un ciclo a compressione di gas refrigerante (ciclo Rankine Inverso), capace di spostare l'energia termica da una sorgente a bassa temperatura (pozzo freddo) a un pozzo ad alta temperatura (pozzo caldo); agendo in senso “inverso” rispetto al flusso naturale del calore. In riscaldamento il sistema preleva calore dall'esterno per portarlo in casa (modalità pompa di calore), mentre in raffrescamento inverte il ciclo, assorbendo il calore interno per disperderlo all'esterno (modalità macchina frigorifera). Per completare questo ciclo, il sistema necessita di quattro componenti essenziali collegati in un circuito chiuso e di una valvola di inversione (o valvola a 4 vie) per effettuare l’inversione del fluido e passare dal funzionamento estivo all’invernale e viceversa:

1. Compressore: Il "motore" del sistema che compie il lavoro termodinamico e necessita di maggiore energia. Aspira il refrigerante allo stato gassoso a bassa pressione e lo comprime, aumentandone significativamente pressione e temperatura.
2. Condensatore: Uno scambiatore di calore dove il gas ad alta pressione cede calore all'ambiente (o all'acqua), passando dallo stato gassoso a quello liquido (sottoraffreddato).
3. Valvola di Espansione (o laminazione): Un dispositivo che riduce drasticamente la pressione del liquido. Questa caduta di pressione provoca un abbassamento della temperatura, preparando il fluido per la fase successiva.
4. Evaporatore: Uno scambiatore dove il fluido, ora a bassa pressione e temperatura, assorbe calore dalla sorgente esterna, evaporando e tornando allo stato gassoso (surriscaldato) per ricominciare il ciclo.

Ciclo in Riscaldamento (Inverno)

Nel funzionamento da pompa di calore (invernale), il fluido refrigerante circola nel circuito assorbendo calore dall'ambiente esterno (aria, acqua o terra) e cedendolo all'ambiente interno tramite l'impianto di riscaldamento costituito dai suoi sottosistemi di distribuzione, regolazione ed emissione (es. radiatori, ventilconvettori o pannelli radianti).
In questo caso (figura 4) l’evaporazione è esterna, la condensazione interna, il fluido refrigerante evapora sottraendo calore all’aria esterna, la quale, movimentata da un ventilatore viene spinta all’interno dell’evaporatore, cede calore, si raffredda e passa da circa 2°C a -3°C. Successivamente il fluido refrigerante condensando cede il calore all’aria all’interno del locale che passa da circa 20°C a 28°C. In altre parole, nella modalità PdC, le fasi del ciclo sono articolate come segue: 

1. Evaporazione (esterna): Il fluido refrigerante (a bassa temperatura e pressione) assorbe calore dalla fonte esterna e passa dallo stato liquido a gassoso.
2. Compressione: Il compressore comprime il gas, aumentandone ulteriormente la pressione e la temperatura.
3. Condensazione: Il gas caldo passa attraverso uno scambiatore (condensatore) e cede calore all'impianto di riscaldamento di casa, tornando liquido.
4. Espansione: Il liquido attraversa la valvola di espansione, riducendo bruscamente pressione e temperatura, pronto per un nuovo ciclo.

Figura 4 - schema di una Pompa di Calore

Ciclo in Raffrescamento (Estate)

Nel funzionamento da macchina frigorifera, il flusso del refrigerante viene invertito rispetto alla modalità invernale, la macchina, quindi, lavora come un comune frigorifero assorbendo il calore dagli ambienti interni e lo espellendo all'esterno.
In questo caso il ciclo esegue l’evaporazione all’interno e la condensazione all’esterno: il fluido refrigerante evapora sottraendo calore all’aria del locale (26°C), la quale, movimentata da un ventilatore viene spinta all’interno dell’evaporatore, cede calore, si raffredda (14°C) e viene immessa nel locale da raffrescare. Analogamente, al condensatore il fluido refrigerante condensa cedendo calore all’aria esterna che passa da 32°C a 37°C. In altre parole, nella modalità macchina frigorifera, le fasi del ciclo sono articolate come segue: 

1. Evaporazione (in casa): Il refrigerante liquido a bassa temperatura circola negli scambiatori interni (fan coil o superfici radianti) assorbendo il calore dell'abitazione.
2. Compressione: Il gas assorbito dal calore domestico viene compresso, aumentando di temperatura e pressione.
3. Condensazione (all'esterno): Il gas ad alta pressione cede il calore prelevato da casa all'aria esterna tramite l'unità esterna, liquefacendosi.
4. Espansione: Il refrigerante liquido passa attraverso la valvola di espansione, si raffredda ed è pronto ad assorbire nuovo calore dall'ambiente domestico. 

Figura 5 - schema di una macchina frigorifera

Il ciclo dell’Enhanced Vapor Injection (EVI) e l’economizzatore

La tecnologia Enhanced Vapor Injection (EVI) è un'innovazione applicata ai compressori che permette di superare i limiti fisici dei cicli frigoriferi standard, specialmente in condizioni climatiche rigide coinvolgendo uno scambiatore supplementare chiamato "economizzatore" e le valvole EEV per il controllo fine dei flussi. 
In un ciclo standard, il refrigerante viene compresso in un unico stadio, mentre in un sistema EVI, il processo di compressione viene diviso in due fasi virtuali perché una parte del refrigerante allo stato gassoso viene prima sottoraffreddato e poi iniettato direttamente nella camera di compressione a una pressione intermedia. Questa iniezione di vapore a pressione intermedia e bassa temperatura ha l’effetto di aumentare la portata massica, ovvero Il compressore riesce a spostare più refrigerante nonostante la bassa temperatura esterna, mantenendo alta la potenza termica. Inoltre, abbassa la temperatura di scarico del compressore, e raffredda il motore prevenendo il surriscaldamento meccanico (stress termico). 

L’economizzatore è un piccolo scambiatore a piastre o a tubi inserito nel circuito frigorifero. Una parte del refrigerante liquido in uscita dal condensatore viene deviata attraverso una EEV dedicata, espansa per abbassarne la temperatura e fatta passare nello scambiatore per "sottoraffreddare" il resto del liquido che sta andando verso le unità interne. Sotto raffreddando il liquido prima che arrivi all'evaporatore, si ottiene un vantaggio termodinamico (ovvero la capacità di assorbire calore dell'ambiente). In parole semplici: il refrigerante arriva più "freddo" (in modalità raffreddamento) o più "caldo" (in modalità riscaldamento) all'utenza, aumentando la capacità frigorifera/termica dell'intero sistema a parità di energia elettrica consumata.

Il grande vantaggio di questo ciclo è che mentre un sistema ordinario perde drasticamente efficienza col diminuire della temperatura esterna a causa del compressore che deve lavorare ai limiti delle sue capacità operative per sollevare la pressione del refrigerante disponibile, il sistema EVI utilizza l'iniezione di vapore per garantire rendimenti stabili in modalità riscaldamento fino a 20 C° ed oltre.