le pompe di calore

Generatori di calore: le pompe di calore
Le macchine termiche
Una macchina termica utilizza un fluido in un circuito
chiuso per scambiare energia meccanica e termica con
l’ambiente esterno
Il secondo principio della termodinamica
Secondo Clausius
“E’ impossibile costruire una macchina operante secondo un
processo ciclico il cui unico risultato sia il trasferimento di calore
da un corpo a bassa temperatura ad un corpo a temperatura
superiore”
“E’ impossibile operare una qualsiasi trasformazione ciclica il cui
unico risultato sia il trasferimento di energia termica da un corpo
a temperatura inferiore ad un corpo a temperatura superiore”
Lo schema di
funzionamento
Sorgente a
temperatura T1
q1
Pm
Macchina
a ciclo
inverso
q2
Sorgente a
temperatura T2< T1
Se l’utilizzatore sfrutta l’effetto termico q2: la macchina è un
frigorifero (condizionatore)
Se l’utilizzatore sfrutta l’effetto termico q1: la macchina è una
pompa di calore
Per il corretto funzionamento della macchina a ciclo inverso è
necessario:
• disporre di potenza meccanica (compressore)
• disporre di condizioni adatte allo scambio termico
(scambiatori di calore)
• disporre di un fluido idoneo
L’utilizzazione dell’energia: il compressore
La funzione è quella di variare la pressione del fluido frigorigeno
I compressori
Compressori aperti, ermetici o semiermetici
Compressori alternativi
R134a
R22
55 – 1000 kW
oltre 2,2 MW
Compressori scroll
50 – 170 kW
Compressori a vite
elevate potenze frigorifere
Compressori centrifughi
ridotte vibrazioni e manutenzione, efficienti a carico parziale
Potenze frigorifere da 500 kW a 5 MW
Il compressore scroll
Vantaggi:
• elevato rendimento volumetrico ;
• bassa rumorosità;
• minime vibrazioni;
• ottima qualità del rumore
• buona resistenza al colpo di liquido
• elevata affidabilità
(tipica dei compressori rotativi).
Gli scambiatori di
calore: la funzione è di
consentire lo scambio
termico tra il fluido
frigorigeno (interno) e
l’esterno (aria o acqua)
Il fluido frigorigeno è il fluido che deve consentire lo scambio
termico a temperature idonee allo scopo.
Si sfrutta il calore di scambio durante i processi di evaporazione e
di condensazione del fluido, processi che avvengono a
temperatura e pressione costante.
Il derivati del metano e dell’etano e le loro miscele consentono di
operare a pressioni non troppo basse e non troppo elevate e di
avere evaporazione a bassa temperatura (alcune decine di °C) e
condensazione a temperature dell’ordine della decina di °C.
Possono essere usate miscele di fluidi diversi
Il ciclo termodinamico
Lo schema meccanico
Funzionamento in raffreddamento
Il ciclo termodinamico
= 35°C
T3 = 10°C
Lo schema meccanico
Funzionamento in riscaldamento
Il ciclo termodinamico
Lo schema meccanico
Evaporatore
3
2
= 5°C
T3 = 30°C
1
Condensatore
4
Dall’enunciato di Clausius, è possibile definire un indice di
prestazione del frigorifero come il rapporto tra l’effetto ottenuto (il
calore prelevato dalla sorgente a bassa temperatura, q2) e
l’energia spesa per ottenerlo (la potenza meccanica fornita alla
macchina, Pm).
Più precisamente si parla di coefficiente di prestazione (COP)
della macchina frigorifera il quale corrisponde al rapporto definito
dalla relazione:
COPfrigorifero =
q2
q
= 2
Pm
q1 − q2
Le macchine, funzionanti secondo un ciclo inverso,
possono essere fatte operare avendo come scopo primario
la cessione di energia termica alla sorgente a temperatura
più alta.
In questo caso esse sono denominate pompe di calore e,
dal momento che l’effetto utile è la fornitura di calore alla
sorgente ad elevata temperatura, il coefficiente di
prestazione viene definito dalla relazione:
q1
q1
COPpompa di calore =
=
Pm
q1 − q2
Nel caso di macchina reversibile, si definisce per il
funzionamento in raffrescamento il parametro: efficienza
energetica (EER) come rapporto q2/Pm
Pompa di calore ad aria
riscaldamento
Pompa di calore ad aria
raffrescamento
Il valore massimo del coefficiente di prestazione:
COPfrigorifero , Carnot
T2
=
T1 − T2
COPpompa di calore, Carnot
T1
=
T1 − T2
Minore è la differenza di temperatura delle due sorgenti,
maggiore è l’effetto utile ottenibile!!
La pompa di calore
Le pompe di calore sono macchine termiche che operano
trasferendo calore da una sorgente fredda ad una calda.
Le macchine presenti sul mercato hanno comunemente campi
di azione tra gli 0 ed i 120 gradi e possono quindi essere
impiegate per il riscaldamento ambiente, per la produzione di
acqua calda sanitaria e per i processi industriali che necessitino
di calore a bassa temperatura.
Tipologia
Acqua – acqua: si riscalda acqua (condensatore) trasferendo
energia termica da altra acqua (evaporatore)
Aria – acqua: si riscalda acqua (condensatore) attingendo calore da
aria (evaporatore)
Acqua – aria: si riscalda aria (condensatore) attingendo calore da
acqua (evaporatore)
Aria – aria: si riscalda aria (condensatore) trasferendo energia
termica da altra aria (evaporatore)
Al posto dell’acqua può essere usata salamoia (brine)
Possono funzionare come macchine frigorifere (reversibilità)
Il 95% delle di pompe di calore installate in Italia utilizza
come sorgente fredda l’aria e in particolare l’84% dei pezzi
(il 58% in termini di fatturato) è costituito dalla tipologia
aria/aria.
All’interno di questa tipologia, lo schema più diffuso prevede
l’utilizzo di split.
Con tale denominazione vengono classificate
tutte le macchine ad espansione diretta di gas freon, costituite
da una unità motocondensante (o motoevaporante in pompa di
calore) e da una o più unità interne, anche variamente
configurate, collegate alla unità esterna medesima.
Le unità esterne, sia mono che multi, sono generalmente
raffreddate ad aria ed hanno la possibilità di essere variamente
collocate (a pavimento, a parete, a tetto, ecc.) direttamente
all’aperto. Anche i terminali interni sono ampiamente assortiti:
ne esistono per essere collocati a parete (sia in basso che in
alto), a soffitto da canalizzare, da incasso, ecc.
Applicazioni
Fonte: Mitsubishi Electric
Applicazioni
Fonte: Mitsubishi Electric
Applicazioni
Fonte: Mitsubishi Electric
Legislazione
Decreto Ministero Sviluppo Economico 7 Aprile 2008
Finanziamento del 55% delle spese per gli interventi di
sostituzione di impianti di climatizzazione invernale con
impianti dotati di pompa di calore ad alta efficienza ovvero
con impianti geotermici a bassa entalpia.
Per coefficiente di prestazione di una pompa di calore
(COP), si intende il rapporto tra il calore fornito e l’elettricità
o il gas consumati
Per indice di efficienza energetica di una pompa di calore
(EER), si intende il rapporto tra la produzione di freddo e
l’elettricità o il gas consumati
Il D.M. introduce limiti per i valori prestazionali
Legislazione
G.Uff. della CE del 20/11/2007
Articolo 2
Per ottenere l’assegnazione del marchio comunitario di qualità ecologica ai
sensi del regolamento (CE) n. 1980/2000, la pompa di calore deve rientrare
nel gruppo di prodotti «pompe di calore elettriche, a gas o ad assorbimento
funzionanti a gas» e soddisfare ciascun criterio ecologico indicato nell’allegato
della presente decisione.
L’indice di energia primaria (PER) corrisponde a: COP × 0,40
(o COP/2,5) per le pompe di calore elettriche e COP × 0,91 (o
COP/1,1) per le pompe di calore a gas o ad assorbimento
funzionanti a gas, in cui 0,40 è l’efficienza europea media
di produzione elettrica, tenuto conto delle perdite di rete, e
0,91 è l’efficienza europea media di gas, perdite di
distribuzione comprese, in base alla direttiva 2006/32/CE del
Parlamento europeo e del Consiglio, del 5 aprile 2006,
concernente l’efficienza degli usi finali dell’energia e i servizi
energetici e recante abrogazione della direttiva 93/76/CEE del
Consiglio
I carichi parziali
Una macchina funziona a pieno carico per meno del 5% delle
ore di funzionamento stagionali
SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) è l’indice di prestazione
energetica stagionale di una macchina frigorifera determinata in
condizioni standard di riferimento
SEER =
PE100% EER100% + PE75% EER75% + PE50% EER50% + PE25% EER25%
100
PE peso energetico: è un valore tabellato (vedi refrigeratori)
EER è calcolato nelle condizioni standard
Condizioni standard
Evaporatore
Temp. uscita
7°C
Salto termico ∆T
5K
0,018 m2K/kW
Fattore di
sporcamento
Condensatore
Salto termico ∆T
5K
0,043 m2K/kW
Fattore di
sporcamento
Condizioni in parzializzazione
Peso
energetico PE
Tingresso
Evaporatore
3%
12°C
35°C
30,0°C
Carico 75%
33%
12°C
31,3°C
26,0°C
Carico 50%
41%
12°C
27,5°C
22,0°C
Carico 25%
23%
12°C
23,8°C
18,0°C
Carico 100%
Aria ingresso
condensatore
Acqua
ingresso
Condensatore
Le pompe di calore di tipo aria-acqua totalizzano sul mercato
italiano solamente il 12% in termini di pezzi venduti, ma,
considerando il fatturato totale, realizzano una quota pari al
37%.
Questo perché si tratta di macchine mediograndi (20-30 kW
in media contro i 5-10 delle macchine aria-aria) che costano
mediamente 4-5 volte di più delle apparecchiature aria-aria.
Le prestazioni di pompe di calore ad aria sono variabili con la
temperatura dell’aria esterna.
Per θext = 10°C, il COP è tipicamente pari a 3.
Pompe di calore ad
acqua
Refrigerazione ad assorbimento
La macchina ad assorbimento basa il
suo funzionamento sulla capacità
igroscopica di soluzioni concentrate di
sali quali il bromuro di litio LiBr.
La macchina nella forma base è
costituita da:
•
•
•
•
•
evaporatore,
assorbitore,
condensatore,
generatore di calore,
alcune pompe.
Lo scambio di calore tra sorgente bassa
temperatura e sorgente ad alta temperatura
avviene senza apporto di lavoro, ma con
apporto di calore da una terza sorgente
(caldaia gas, acqua calda da sole).
I cicli ad assorbimento
In genere si utilizza una
soluzione di acqua (solventerefrigerante) e bromuro di litio
(soluto), oppure ammoniaca
(solvente-refrigerante) e acqua
(soluto).
Nell’evaporatore mantenuto a
bassa pressione il solvente
evapora assorbendo calore
dall’esterno, mentre la soluzione
si concentra. Il resto del ciclo ha
come scopo il recupero del
solvente che deve essere riusato.
L’igroscopicità del LiBr provoca
l’assorbimento di vapore d’acqua
da parte della soluzione
concentrata presente
nell’assorbitore e proveniente dal
generatore
Nel generatore la soluzione
diluita in arrivo dall’assorbitore
viene concentrata mediante
riscaldamento e vaporizzazione
del solvente. La soluzione
concentrata viene inviata
all’assorbitore.
Il vapore prodotto nel
generatore viene inviato al
condensatore. L’acqua liquida
ottenuta viene a sua volta
inviata nell’evaporatore dove
riprende il ciclo.
Per aumentare l’efficienza della
trasmissione di calore l’acqua
nell’evaporatore e la soluzione
concentrata nell’assorbitore
vengono spruzzate sui fasci
tubieri degli scambiatori
Il ciclo ad assorbimento a gas
Gas metano
I cicli ad assorbimento
Macchina ad
assorbimento
D.M. 7/04/2008
INTRODUZIONE AI SISTEMI GEOTERMICI
I sistemi geotermici sono tecnologie per il riscaldamento o il
raffrescamento che trasferiscono il calore dal terreno o da
acqua di falda per la climatizzazione ambientale e per la
produzione di acqua calda sanitaria.
La prima applicazione risale al 1912, anno del deposito di un
brevetto per un sistema geotermico in Svizzera.
La diffusione su larga scala risale tuttavia al 1970.
A partire dagli anni ’80 si hanno miglioramenti significativi delle
efficienze e dei campi operativi delle pompe di calore,
accompagnati da migliori materiali per i circuiti a terreno.
In Svizzera le installazioni di impianti a sonda geotermica
verticale sono attualmente circa 30.000 (2003), il 70% a
profondità comprese tra 80 e 120 m.
In Nord America si contano più di 40.000 unità vendute ogni
anno.
La più grande installazione commerciale al mondo impiega
acqua di falda ed ha una capacità frigorifera di circa 16 MW.
La temperatura del terreno
I vantaggi sono primariamente legati ai più elevati livelli
termici del terreno rispetto a sorgenti termiche quali l’aria
ambiente.
Sistemi impiantistici: a terreno
Caratteristiche
Temperatura media del terreno (8-10°C)
Pompa di calore (COP ≈ 3 -4)
Sonda a terreno (anche 100 m)
Le sonde geotermiche
Lo scambio di calore con il terreno avviene tramite
la sonda di captazione, installata con una
perforazione del diametro di pochi centimetri, in un
foro scavato accanto all'edificio, invisibile dopo la
costruzione.
Il numero delle sonde geotermiche e la profondità
d'installazione (da 50 a 150 metri) variano in
funzione dell'energia termica richiesta.
Ogni sonda è formata da due moduli ciascuno dei
quali costituito da una coppia di tubi in polietilene
uniti a formare un circuito chiuso (un tubo di
"andata" e uno di "ritorno") all'interno dei quali
circola un fluido glicolato (miscela di acqua e
anticongelante non tossico).
I tubi delle sonde sono collegati in superficie ad un
apposito collettore connesso alla pompa di calore.
Pompe di calore: scambio
con il terreno
La sede di TiFS Ingegneria
di Padova
Impianto a
Lugano
(CH)
Caratteristiche dell’impianto considerato
La cogenerazione di calore e
energia elettrica
Nella produzione di energia elettrica con cicli diretti a vapore o gas in
turbine o in motori alternativi, si ha come sottoprodotto calore da
smaltire a bassa temperatura. Questo può essere utilizzato nel
riscaldamento di processo nell’industria o nel riscaldamento degli
edifici. In questo modo si aumenta notevolmente l’efficienza globale
e si parla di cogenerazione. Si ha un risparmio dal 60% al 100% di
combustibili fossili.
Uno dei limiti di questo tipo di produzione di energia è la
necessità di un consumo contemporaneo di calore e energia
elettrica.
E’ necessario avere nello stesso edificio o a breve distanza sia
l’utilizzatore di calore che quello di elettricità.
L’industria (carta, acciaio, alimentare), gli alberghi, gli ospedali o
l’aggregazione di un produttore di elettricità e un quartiere
residenziale sono dei possibili esempi di applicazione.
Un ulteriore problema è legato al fatto che l’utilizzo di calore deve
essere presente durante tutto il corso dell’anno. Negli ultimi anni
si sono messi a punto sistemi che nel periodo estivo utilizzano il
calore per far funzionari gruppi di refrigerazione ad assorbimento.
Realizzando la cosiddetta trigenerazione.
Un esempio storico: il TOTEM
Nell’ambito delle piccole taglie una delle
primissime realizzazioni di piccoli sistemi di
cogenerazione si deve alla FIAT alla fine degli
anni ’70. Si tratta del TOTEM (TOTal Energy
Module).
Basato sul diffusissimo motore 903, 4 cilindri ad
aste e bilancieri che equipaggiava una serie di
vetture dalla 127 all’A112.
Il sistema viene fatto lavorare al regime di
rotazione di 3000 rpm con produzione di una
potenza elettrica di 15 kW.
Il TOTEM può lavorare con metano, GPL, biogas.
Il rendimento elettrico è del 27% e quello termico del 70%.
La micro-cogenerazione
Negli ultimi 5 anni si sono messi a punto cogeneratori
di piccolissime dimensioni 1-5 kWelettrici, da installare in
singole abitazioni e di piccole dimensioni per condomini
50-100 kWe. Si tratta di turbine, motori alternativi e
celle a combustibile.
Stirling WhisperGen 5 kWe.
Microturbina Capstone 30 kWe.
celle a combustibile 1,5 kWe.
Il motore Stirling
La microgenerazione
Abbinare alla produzione di calore la produzione
di energia elettrica con ingombri limitati
Utilizzo: gas metano o idrogeno con reforming
Ciclo Stirling
Microgeneratori
La pila a combustibile e' un generatore
elettrochimico in cui, in linea di
principio, entrano un combustibile
(tipicamente idrogeno) e un ossidante
(ossigeno o aria) e da cui si ricavano
corrente elettrica continua, acqua e
calore .
Il combustibile (idrogeno) e i gas
ossidanti
(ossigeno
dato
semplicemente dall'aria) lambiscono
rispettivamente l'anodo e il catodo
(sulle facce opposte a quelle in
contatto con l'elettrolito).
I rendimenti delle celle a combustibile vanno dal 40 - 48% per gli
impianti con celle a bassa temperatura, fino al 60% per quelli con celle
ad alta temperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizza
anche il calore da esse prodotto.
Emissioni
Il contenuto di CO2 di 1kWh (termico) di metano è circa 200g.
Cogenerazione di grossa taglia
Si hanno a disposizione
diversi tipi di motori
alternativi dual fuel (gas e
gasolio)
Cogenerazione di grossa taglia
Si hanno a disposizione diversi
tipi di turbine a gas o vapore
Il teleriscaldamento
Il calore viene prodotto in un impianto centrale, ad esempio una
centrale termica a legna o un impianto di incenerimento dei rifiuti o
dei trucioli di legna, e successivamente distribuito agli utenti
attraverso una rete di condutture sotto forma di acqua calda destinata
al riscaldamento degli edifici e alla produzione di acqua calda.
Con la cogenerazione è possibile produrre contemporaneamente
energia elettrica e termica.
⇒ un solo camino di emissione controllato in centrale
⇒ caldaia dell’impianto alimentata da rifiuti o biomasse
Il teleriscaldamento
Il
teleriscaldamento
porta
direttamente nelle case il calore per
il riscaldamento e l'acqua calda
sanitaria senza bisogno di avere
caldaie, bruciatori, serbatoi per il
combustibile e canne fumarie.
Il teleriscaldamento da biomasse
La cogenerazione è possibile con combustibili rinnovabili quali il biogas o
biomasse in genere.
Un esempio di centrale per cogenerazione a biomasse è a Tirano, in
Valtellina, trattasi di un impianto tra i migliori 5 in Europa, caratterizzato da
un elevato
rendimento
(80%) grazie
alla
contemporanea
d’elettricità e calore, totalmente da fonti rinnovabili.
produzione
Il teleriscaldamento da fonti geotermiche
Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi
geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C).
Si utilizzano scambiatori di calore che permettono di riscaldare l'acqua circolante nei corpi
scaldanti (radiatori, termoconvettori o pannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle
abitazioni.
Un impianto del genere è quello di Ferrara nel quale si utilizza un pozzo geotermico situato
a 2000 metri di profondità, sviluppa una potenza di 14 MW con i quali vengono riscaldati
circa 500.000 m3 di alloggi collegati alla rete.
Il teleriscaldamento
Ferrara
Geotermico
Portata complessiva: 400m3/h
Temperatura fluido geotermico: 100-105°C
Temperatura fluido teleriscaldamento in mandata: 90-95°C
Temperatura fluido teleriscaldamento in ritorno: 60-65°C
Potenza termica nominale: 14 MWt
Disponibilità di utilizzazione: continua
Energia termica fornita:
77.490 MWt/anno (il dato è relativo all'anno 2003)
Tubazioni acqua calda
Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%
Gas di scarico
Efficienza totale ((30+55)/100) = 85,0%
15 unità
Calore
55 unità
Caldaia
Carichi
Recupero
Termici
Calore + gas di scarico
70 unità
Energia elett.
Combustibile
30 unità
100 unità
Macchina produzione energia
Generatore
Carichi
Elettrici
La rete
Tubazioni
DN = 50
DN = 350
Lunghezza 22 km
La sottocentrale:
scambiatore;
filtro;
valvola di regolazione;
valvola di intercettazione;
sfiati;
pozzetti di ispezione;
scarichi
Uso di RSU (Ferrara)
Capacità nominale dell'impianto di smaltimento: 50.000 t/anno
Carico termico nominale della linea di incenerimento: 15,6 Gcal/h
(forno a "griglia")
Produzione nominale di vapore: 18t/h
Sistema depurazione fumi: a semisecco
Potenza nominale turboalternatore: 3,3 MWe
Potenza termica in assetto cogenerativo massimizzato: 6,4 MWt
Potenza elettrica in assetto cogenerativo massimizzato: 1,5 MWe
Potenza elettrica in assetto a tutta condensazione: 2,7 MWe
L'impianto, fin dalla sua realizzazione, è stato dotato di uno
scambiatore avente una potenzialità di 8,4 MWt che, nel 1999,
venne posto in parallelo al turboalternatore.
Dati principali d'esercizio dell'impianto (anno 2003)
Giorni d'esercizio: 290
Rifiuti termovalorizzati: 36.128 tonnellate
Potere calorifero medio dei rifiuti: 2.497 kcal/Kg
Energia elettrica netta: 6.445,2 MWhe
Energia termica prodotta: circa 21.467 MWht
Scorie avviate allo smaltimento:
10.278 tonnellate (circa il 28,5% su RSU)
Polveri avviate allo smaltimento:
1.408,7 tonnellate (circa il 3,9% su RSU)