Corso di Energetica degli Edifici
Docenti:
Prof. Ing. Marco Dell’Isola
Ing. Fernanda Fuoco
Facoltà di Ingegneria
Facoltà di Ingegneria
Università degli studi di Cassino
Università degli studi di Cassino
Fabbisogno di energia primaria per la
climatizzazione invernale
[email protected]
Fabbisogno di energia primaria per il
riscaldamento
Per fabbisogno di energia primaria utile si intende “la quantità di energia
primaria globalmente richiesta, nel corso dell’anno, per mantenere negli ambienti
riscaldati, la temperatura di progetto in regime di attivazione continua.
• Calcolo su base mensile
• Fabbisogno di energia primaria utile Qp,h = sommatoria dei fabbisogni di energia
primaria calcolati su base mensile e per tutto il periodo di riscaldamento.
• Metodo di calcolo: UNI TS 11300 Parte 2
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Rendimenti e perdite del sistema
impianto
Per facilitare il calcolo dei rendimenti/perdite del sistema, l’impianto di
riscaldamento per la climatizzazione invernale risulta suddiviso in sottosistemi:
– sottosistema di emissione/erogazione in ambiente interno;
– sottosistema di regolazione e controllo dell’emissione di calore in ambiente;
– sottosistema di distribuzione;
– sottosistema di accumulo (se esistente);
– sottosistema di generazione.
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Rendimenti e perdite del sistema
impianto
Per ciascun sottosistema è necessario calcolare
• le relative perdite totali e quelle recuperate,
• il fabbisogno di energia ausiliaria impiegato
• l’energia termica recuperata dagli ausiliaria stessi.
• Indichiamo:
– QEh,in : energia totale degli ausiliari in entrata al sistema-Impianto;
Qeh, in è espressa in energia elettrica. È utilizzata per l’avvio delle pompe, ventilatori, sistemi di
regolazione e controllo. Parte di questa energia può essere recuperata come energia termica utile.
– Qgh,in: energia termica totale in entrata al sistema-Impianto.
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Rendimenti e perdite del sistema
impianto
Fabbisogno di energia in ingresso a qualsiasi generico sottosistema:
Nota Bene: Esiste anche un metodo di calcolo delle perdite totali dei vari sottosistemi tramite dei
valori tabellari che tengono conto dei diversi tipi e caratteristiche del sistema-impianto di
riscaldamento utilizzato. Tali valori però, non tengono in alcun conto le perdite di calore/elettriche
recuperate, per cui risultano essere valori molto penalizzanti.
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Perdite del sistema impianto
Le perdite recuperate possono essere sottratte al Fabbisogno di energia termica secondo due modalità:
Sottraendo al fabbisogno di energia in uscita dal sottosistema di emissione (ovvero al fabbisogno di energia
per il riscaldamento), un valore pari alla somma delle perdite recuperate da tutti i sottosistemi;
Sottraendo al valore di energia termica in uscita da ciascun sottosistema il valore della perdita relativa al
sottosistema considerato , favorendo il sottosistema a valle;
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Sottosistema di emissione
•
sottosistema di emissione/erogazione in ambiente interno;
Le perdite del sottosistema di erogazione è fortemente influenzato
• dalle caratteristiche degli ambienti interni
•
dalla tipologia del sistema emettitore.
•
In caso di mancanza di dati di progetto, la norma UNI TS 11300 Parte 2, fornisce tabelle in cui viene valutato
il rendimento del sottosistema nei due casi: locali con altezze inferiori a 4 m e altezze maggiori comprese
entro i 14 m.
•
Perdite termiche del sottosistema di emissione:
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Sottosistema di emissione
UNI TS 11300 Parte 2
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Sottosistema di emissione
UNI TS 11300 Parte 2
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Sottosistema di controllo e
regolazione
I rendimenti del sottosistema di
regolazione
e
di
controllo
dipendono dal tipo di terminale
utilizzato e hanno valori definiti
nel prospetto 20 della norma UNI
TS 11300 Parte 2.
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Sottosistema di controllo e
regolazione
I sistemi di controllo differiscono a seconda della loro applicazione sui sistemi di
riscaldamento e si dividono in:
• Termostato di zona: regola la temperatura di un insieme di ambienti. La temperatura
del fluido termovettore è costante ed è la stessa di quella impostata sul generatore.
• Termostato di ambiente: la temperatura è controllata in ogni ambiente attraverso
valvole termostatiche posizionate sui terminali.
• Solo Climatica: vi è una centralina che, rilevando la temperatura esterna, quindi
regolandosi sul clima, modifica i parametri della temperatura dei terminali interni.
È un sistema insufficiente in quanto non verifica le variazioni di temperatura interna
e le reali condizioni di benessere.
• Climatica + Ambiente con regolatore: due sistemi di controllo che lavorano in
sinergia. La centralina climatica rileva la temperatura esterna ed adatta la
temperatura del fluido termovettore alle condizioni esterne ed il termostato di
ambiente mantiene la temperatura degli ambienti entro i valori stabiliti.
• Climatica + Zona con regolatore: Stessa sinergia tra i due sistemi di controllo come
visto in precedenza, solo che la regolazione interna avviene attraverso un termostato
di zona (e non di ambiente).
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Sottosistema di controllo e
regolazione
I regolatori invece si dividono in:
• Controllore ON-OFF: il sistema è tutto accesso (100%) o spento. Solitamente per
evitare i continui spegnimenti si attiva una banda di tolleranza intorno al valore
stabilito;
•
Regolatore proporzionale (banda proporzionale x°C): il regolatore modula
l’intervento di variazione sulla temperatura in modo proporzionale allo
scostamento tra set point e valore rilevato;
• Regolatore PI o PID: oltre all’azione proporzionale sopra citata, si migliora la
velocita di risposta alla correzione tra oscillazioni e set point, attraverso
un’azione Integrale (I) o Derivata (D)
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Sottosistema di controllo e
regolazione
Il calcolo delle perdite termiche del sottosistema di regolazione si ottiene dalla
seguente equazione:
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Sottosistema di distribuzione
Il rendimento del sottosistema di distribuzione è funzione:
1. del tipo di distribuzione dell’impianto;
2. dell’altezza dell’edificio;
3. dello spessore dell’isolamento delle tubazioni.
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Sottosistema di distribuzione
1. del tipo di distribuzione dell’impianto;
La distribuzione dell’impianto può essere:
di tipo verticale cioè dal generatore partono tante tubazioni quanti sono i terminali
previsti per ogni piano;
di tipo orizzontale cioè dal generatore parte un unico montante che si dirama, ad
ogni piano, verso i terminali. Questo tipo di distribuzione permette di conoscere il
consumo di energia termica per ogni piano.
Qualora non si abbiano riferimenti di progetto relativi ad edifici esistenti, ci si può
riferire ai valori riportati nel prospetto 21 della norma UNI TS 11300-2, i quali
risultano penalizzanti in quanto non prevedono alcun recupero termico.
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• In mancanza di dati di progetto si possono utilizzare i rendimenti del prospetto 21 UNI
TS 11300/2. In questo caso, tutte le perdite recuperabili si devono considerare non
recuperate, ossia la quota di recupero viene posta uguale a zero.
Q hr : Fabbisogno energetico utile effettivo che tiene conto delle perdite di emissione e
di regolazione
N.B. Nel caso di impianti con fluido termovettore aria calda, il calcolo delle perdite deve
essere effettuato in ogni caso utilizzando metodi di calcolo analitici.
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Sottosistema di distribuzione
Prospetto 21Rendimenti di distribuzione
UNI TS 11300 Parte 2
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Sottosistema di distribuzione
Per edifici di nuova costruzione, invece, è richiesto il calcolo attraverso il metodo
descritto nell’appendice A della UNI TS 11300 o mediante metodi analitici descritti
nelle norme pertinenti attraverso la formula seguente:
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Sottosistema di accumulo
• sottosistema di accumulo (se esistente)
Le perdite del sottosistema di accumulo vengono calcolate:
= dispersione termica del sistema di accumulo Kboll, [W/K],
valore fornito dal costruttore
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Sottosistema di accumulo
• In caso di mancanza di dati di progetto, per gli edifici esistenti:
Si fa riferimento a dei valori tabellari che forniscono i coefficienti approssimativi
delle perdite in funzione delle dimensioni dell’accumulo.
In questo caso le perdite si possono calcolare con la seguente equazione:
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Sottosistema di accumulo
N.B.: Nel caso in cui la distanza tra serbatoio di accumulo e generatore sia
inferiore ai 5 m e le tubazioni di collegamento sono isolate, il valore delle perdite
di accumulo possono essere trascurate.
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Tipi di generatori
I generatori sono composti da:
il bruciatore che miscela l’aria con il combustibile e alimenta il focolare
dai tubi di fumo che scaldano il fluido termovettore
da un involucro esterno di materiale isolante protetto da una lamiera (mantello
isolante).
Ogni caldaia e caratterizzata da:
• una potenza termica al focolare, che indica la quantità di calore prodotta nel
focolare nell’arco di un’ora;
• una potenza termica utile, cioè la quantità di calore effettivamente trasferita, per
ogni ora, al fluido termovettore
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Tipi di generatori
I generatori possono essere divisi in 3 macroclassificazioni:
1. generatore monostadio (ON-OFF): (o di tipo tradizionale), oramai poco usati,
funzionano a sistema tutto acceso (100%) e non lavorano a temperature intermedie.
2. generatore modulante: possono lavorare con qualsiasi potenza intermedia
compresa tra il massimo ed il minimo consentito.
3. generatore a condensazione: sono ritenuti ad alto rendimento in quanto sfruttano il
calore latente di condensazione del vapor d’acqua prendendo cosi a riferimento il
potere calorifico superiore e non il PCI.
In queste caldaie la presenza del tiraggio forzato (di fatto obbligatorio) permette di
lavorare a temperature molto basse, gestendo il problema delle condense acide con
l’adozione di scambiatori .
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Tipi di generatori
I generatori di calore possono essere anche suddivisi a secondo del tipo di
bruciatore installato:
• a bruciatore atmosferico: generatori in cui il bruciatore è integrato nel
generatore.
La quasi totalità delle caldaie murarie a tiraggio naturale sono di questo tipo.
Hanno un rendimento modesto, ma sono di semplice costruzione, manutenzione e
ad alta affidabilità. Usate soprattutto negli impianti autonomi, possono essere di
Tipo B a tiraggio naturale che preleva aria dall’ambiente interno in cui è installata
(ormai poco utilizzata per ragioni di sicurezza), di Tipo C (o a camera stagna) a
tiraggio forzato, installata in ambiente interno ma che preleva aria dall’esterno o
di Tipo B-C a tiraggio naturale ed installata all’esterno;
• Tipi di
generatori
di calore e
rendimenti
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Tipi di generatori
• con bruciatore separato, di tipo pressurizzato:
sono le caldaie a tubi d’acqua (tipico dei generatori di vapore) e caldaie a tubi di
fumo (la quasi totalità della caldaie ad acqua calda oltre i 100 KWt).
Queste ultime si dividono a loro volta in:
caldaie a temperatura costante
caldaie a bassa temperatura o di tipo scorrevole, che vengono
utilizzate sempre più frequentemente nell’ammodernamento
dei vecchi impianti, in sostituzione delle caldaie tradizionali.
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Sottosistema di generazione
A seconda del tipo di perdite a cui si fa riferimento, e possibile calcolare 3 tipi di
rendimenti differenti del sistema-generatore:
• Rendimento di combustione che tiene conto delle perdite a bruciatore acceso;
• Rendimento utile (stelle) che tiene conto anche delle perdite al mantello;
•Rendimento di generazione che tiene conto, oltre alle due tipologie di perdite sopra
citate, anche delle perdite a vuoto (bruciatore spento).
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Sottosistema di generazione
Ai fini dei calcoli prestazionali si considera il Rendimento medio stagionale (RMS).
La UNI TS 11300 Parte 2 dispone di prospetti (23a-23b-23c-..) con valori pre-calcolati
in funzione delle tipologie più comuni di generatori, della loro dimensione e delle
condizioni d’installazione.
Legenda dei fattori di correzione:
F1 rapporto fra la potenza del generatore installato e la potenza di progetto richiesta.
F2 installazione all'esterno;
F3 camino di altezza maggiore di 10 m;
F4 temperatura media di caldaia maggiore di 65 °C in condizioni di progetto;
F5 generatore monostadio;
F6 camino di altezza maggiore di 10 m in assenza di chiusura dell'aria comburente all'arresto (non applicabile ai premiscelati);
F7 temperatura di ritorno in caldaia nel mese più freddo.
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Sottosistema di generazione
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Sottosistema di generazione
Qualora vengano utilizzati i valori del prospetto 23, le perdite di generazione si
calcolano con la formula seguente:
Nel caso in cui le condizioni presentate risultano differenti da quelle indicate nei
prospetti, si richiede il ricorso ai metodi indicati dall’appendice B della norma UNI TS
11300 Parte 2.
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Sottosistema di generazione
Il Rendimento di generazione considera tre fattori di perdita:
le perdite al camino a bruciatore acceso;
le perdite al camino a bruciatore spento;
le perdite al mantello.
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Sottosistema di generazione
le perdite al camino a bruciatore acceso (Qgn,ch,on)
Avvengono per l’elevata temperatura dei fumi. Una riduzione della temperatura di
lavoro diminuisce le perdite limitando tuttavia il funzionamento del tiraggio del
camino. Bisognerebbe proporzionare adeguatamente l’altezza del camino in rapporto
alla dimensione del generatore e della temperatura dei fumi al fine di ottimizzare il
rapporto perdite-lavoro. I valori delle perdite sono deducibili dalla prova fumi o dal
libretto della caldaia (nel caso in cui questa sia nuova e mai usata) o calcolabile
tramite metodo analitico.
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Sottosistema di generazione
le perdite al camino a bruciatore spento (Qgn,ch,off)
Avvengono quando, malgrado il bruciatore sia spento, il camino ha un effetto di tiraggio dovuto
alla differenza di temperatura, per cui continua ad aspirare l’aria calda verso l’alto (l’esterno).
L’eccessivo sovradimensionamento della caldaia provoca delle perdite notevoli a bruciatore
spento. È possibile ridurre l’effetto-tiraggio con dei bruciatori a serranda che impediscono la
fuoriuscita del calore o abbassando (anche qui) la temperatura dei fumi ed inserendo dei
regolatori di tiraggio (tipo prese d’aria sul camino stesso che bloccano il tiraggio). I valori delle
perdite sono deducibili dal libretto della caldaia (nel caso in cui questa sia nuova e mai usata),
calcolabile tramite metodo analitico o precalcolate .
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Sottosistema di generazione
le perdite per trasmissione dal mantello (Qgn,env)
Avvengono tramite irraggiamento e convezione a causa di un inadeguato isolamento
dell’involucro o dimensionamento del generatore.
Anche l’elevata temperatura dell’acqua all’interno del generatore e la sua posizione in
ambiente riparato (piuttosto che non climatizzato) condizionano questo tipo di perdite.
Valori delle perdite per trasmissione attraverso l’involucro o mantello
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Sottosistema di generazione
La perdita totale di energia del sistema di generazione può essere calcolata:
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Sottosistema di generazione
Le perdite del sistema di generazione possono essere calcolate tramite la seguente
equazione qualora fosse noto il rendimento del sottosistema di generazione:
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Sottosistema di generazione
Si rimanda alla lettura completa della norma UNI TS 11300 Parte 2, per il calcolo
puntuale dell’energia elettrica richiesta dagli ausiliari di ogni singolo sottosistema.
L’influenza del calcolo della potenza elettrica necessaria e recuperata nel sistema
impianto è di notevole importanza ai fini del calcolo del fabbisogno di energia
primaria.
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Fabbisogno di energia primaria per il
riscaldamento
Il fabbisogno complessivo di energia primaria per il solo riscaldamento è dato da:
I fattori di conversione sono i seguenti:
•Combustibili fossili
•Energia elettrica
fp,i = 1
(il valore di riferimento per la conversione tra kWh elettrici e MJ definito con
provvedimento dell’Autorità per l’energia elettrica e il gas, al fine di tener conto
dell’efficienza media di produzione del parco termoelettrico)
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Metodo di calcolo semplificato
Il metodo semplificato si applica per determinare il fabbisogno di energia primaria
per il riscaldamento su base stagionale (per il fabbisogno per l’acqua calda sanitaria
su base annua).
Si seguono i passi qui riportati:
1. si calcolano le perdite dei sottosistemi rifacendosi ai prospetti che riporta la norma
UNI TS 11300-2;
2. si trascurano i recuperi di energia termica dal sistema di produzione acqua calda,
dagli ausiliari elettrici del sottosistema di emissione, dagli ausiliari elettrici del
sottosistema distribuzione;
3. la potenza media stagionale è data dal rapporto tra il fabbisogno in uscita al
generatore e il periodo legale di riscaldamento;
4. la potenza nominale richiesta al generatore di calore è data dal rapporto tra il
fabbisogno in uscita al generatore e il fattore climatico di carico medio stagionale
della località considerata definito come rapporto la differenza di temperatura media
stagionale tra interno ed esterno e la differenza di temperatura tra interno ed esterno
di progetto;
5. il fattore di carico medio del generatore è dato dal rapporto tra la potenza media
stagionale e la potenza termica utile nominale del generatore installato;
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Metodo di calcolo semplificato
6. il fattore di dimensionamento del generatore f1 è dato dal rapporto tra la potenza
termica utile nominale del generatore installato e la potenza nominale richiesta al
generatore di calore;
7. le perdite di generazione si valutano dal prospetto 23;
8. il fabbisogno stagionale di energia del generatore di calore si ottiene sommando al
fabbisogno in uscita dal generatore le perdite di generazione;
9. la potenza elettrica degli ausiliari del generatore di calore si calcolano l’equazione
B.18 della UNI TS 11300-2, assumendo i valori del prospetto B.4 della UNI TS
11300-2;
10. la potenza elettrica di eventuale pompa primaria si assume pari a 100 W (si veda
prospetto B.18 della UNI TS 11300-2);
11. la potenza complessiva degli ausiliari elettrici è la somma di quelle del
sottosistema di generazione e dell’eventuale pompa primaria;
12. il fabbisogno di energia elettrica degli ausiliari è dato dal prodotto della potenza
complessiva degli ausiliari elettrici, per il fattore di carico medio del generatore e per
il periodo legale di riscaldamento;
13. il fabbisogno globale annuo di energia primaria per il riscaldamento sarà dato
dalla somma del fabbisogno stagionale di energia del generatore di calore e del
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fabbisogno di energia elettrica degli ausiliari, entrambi riportati in energia primaria.
Tipi di generatori
Generatori a bassa temperatura o di tipo scorrevole
Questo tipo di caldaia provvede a regolare la temperatura dell’acqua di mandata in
funzione del carico termico richiesto, utilizzando un bruciatore a temperatura
variabile (a stadi o meglio, a modulazione continua). In questo modo le perdite
passive si riducono proporzionalmente alla temperatura di mandata ed aumentano le
prestazioni ed il rendimento stagionale.
Lavorando inoltre a temperature più basse, diminuiscono le perdite attraverso il
mantello e a bruciatore spento. Questo tipo di caldaia trova ottimo impiego nella
sostituzione di vecchie caldaie tradizionali che, sovente sovradimensionate, lavorano
alla massima potenza indipendentemente dal carico climatico/ termico
effettivamente necessario.
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Tipi di generatori
Caldaie a condensazione
Le caldaie a condensazione possono ottenere prestazioni elevatissime e ridurre le
emissioni di ossidi di azoto (NOx) e monossido di carbonio (CO) fino al 70%
rispetto alle caldaie tradizionali. Queste infatti, riescono ad ottenere rendimenti
eccellenti grazie al recupero del calore latente di condensazione del vapore acqueo
contenuto nei fumi di scarico prodotti dalla combustione che eventualmente
andrebbero dispersi. Questi, tecnicamente, prima di essere espulsi all’esterno, sono
forzati ad attraversare uno scambiatore nel quale il vapore acqueo condensa, cedendo
parte del calore latente di condensazione all’acqua del circuito. le caratteristiche di
costruzione ed i materiali di quest’apparecchio sono tali da resistere ai danni e agli
acidi prodotti dall’acqua di condensa.
• La caldaia a condensazione, in generale, è ideale se accoppiata con sistemi radianti
a basse temperature, che le permettono di lavorare a temperature ideali di mandata e
ritorno, intorno ai 40/30°C. Lavorando a temperature a basse e producendo fumi non
sufficientemente caldi a garantire un efficace tiraggio naturale, questo tipo di caldaie
ha richiesto l’obbligo del tiraggio forzato.
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Tipi di generatori
Caldaie a condensazione
• La caldaia a condensazione, può essere anche impiegata con un impianto ad alte
temperature come i termosifoni tradizionali ma, per ottenere rendimenti interessanti, è
necessario che la temperatura di ritorno sia più bassa rispetto ai valori convenzionali
(quindi lavorando con un Δt di mandata/ritorno maggiore). Questo è possibile
riducendo la portata del fluido termovettore.
E’ stato stimato che l’investimento relativo all’installazione di
una caldaia a condensazione possa essere recuperato nel giro di 7 anni. calcolando la
detrazione fiscale del 55% il rientro dell’investimento si ha in soli 3 anni.
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Tipi di generatori
• Pompe di calore a compressione
• Sono macchine che trasferiscono calore da una sorgente più fredda ad una più
calda utilizzando energia elettrica (sistema a compressione).
• Sistema “reversibile”, cioè può cambiare la sua funzione da elemento riscaldante
(pompa di calore regime invernale) a raffrescante (pompa di calore regime estivo –
macchina frigorifera). Si realizza cosi la possibilità di “climatizzare” un ambiente
per un intero anno (con un unico impianto.
• La prestazione di una pompa di calore, COP (coefficient of Performance), è il
rapporto tra la quantità di calore fornita all’ambiente da riscaldare e il lavoro
speso.
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Tipi di generatori
In commercio ne esistono 4 tipologie:
• aria-acqua: la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita dall’aria
esterna al locale da riscaldare, generalmente l’ambiente esterno, e la cede a temperatura
maggiore al pozzo caldo costituito da un circuito d’acqua (di riscaldamento degli
ambienti);
• aria-aria: preleva calore dall’aria esterna per cederla a temperatura maggiore al pozzo
caldo costituito ancora da aria (generalmente quella dell’ambiente riscaldato);
• acqua-acqua: le pompe di calore acqua/acqua ricavano il calore utile dall’acqua di
falda che, anche in pieno inverno, mantiene una temperatura tra i + 7°C e i + 12°C e
quindi non risente delle condizioni climatiche esterne. costi di funzionamento,
pertanto, sono inferiori anche se richiede un costo addizionale dovuto al sistema di
adduzione dell’acqua e al suo trattamento/depurazione;
• acqua-aria: la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita da acqua
(di lago, fiume o falda) e la cede a temperatura maggiore al pozzo caldo costituito da
aria (quella dell’ambiente riscaldato).
• Altra alternativa interessante e la pompa di calore che sfrutta come sorgente fredda il
terreno (pompe di calore geotermiche).
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Tipi di generatori
Macchina ad assorbimento
Questo tipo di macchina ha la caratteristica di fare a meno del compressore che
solitamente viene alimentato da energia elettrica.
• L’assenza di compressore è possibile mediante l’impiego di due fluidi frigorigeni –
uno solvente e uno soluto – che si combinano tra loro formando una soluzione che
circola all’interno della macchina.
•Questa viene poi separata nuovamente riattivando il ciclo. Combinazione e
scomposizione alternata dei due fluidi comporta l’innalzamento della pressione,
assolvendo la funzione di un normale compressore. L
•L’assorbitore è la componente impiantistica all’interno della quale avviene la
combinazione dei due fluidi;
•Il generatore è la componente nel quale avviene la dissociazione dei fluidi, rendendo
gassoso il soluto con il conseguente innalzamento della temperatura e della pressione.
•Il movimento del fluido avviene tramite una piccola pompa di circolazione.
• Questa macchina necessita di un input di calore, proveniente da un bruciatore a gas
(metano/gPl).
Le coppie di fluidi generalmente utilizzati sono:
– Acqua-solvente / Ammoniaca-soluto;
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– Bromuro di litio-solvente / Acqua-soluto.
Tipi di generatori
Macchina ad assorbimento
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