Pompe di calore e solare termico

Università degli Studi di Torino
Facoltà di Scienze MFN
Corso di Laurea in Fisica
Anno accademico 2008/2009
Relatore: Paolo Gambino
Candidato: Marco Pecoraro
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Sommario
 Introduzione



Obbiettivi
Impianto
Simulazione
 Pompa di Calore


Ciclo termodinamico
Prestazioni Energetiche
 Collettore Solare


Calcolo Irraggiamento Solare
Rendimento
 Fabbisogno Termico Abitazione
 Mathematica


Simulazione con 5 mq di Collettori solari
Simulazione con 10 mq di Collettori solari
 Conclusioni
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Pompa di Calore e Solare Termico
 La pompa di calore: trasferimento di calore da un corpo a temperatura più bassa
(sorgente fredda) ad un corpo a temperatura più alta (detto pozzo caldo).

Il principio di funzionamento è lo stesso principio di un normale frigorifero
 Combinazione con solare termico:
il sole riduce il conto energetico e la
dipendenza da fonti fossili.
 Problema: In inverno il sole è sufficiente?
 Pannelli radianti: temperature più
basse, ulteriore vantaggio
energetico e minori dispersioni
termiche
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Simulazione Scritta con Mathematica
Caratteristiche e Obbiettivi:
 Input:
 Coordinate
 Inclinazione
 Superficie
 Fabbisogno
 Simulazione con dati ambientali reali, istantanei (no medie)
 Andamento della temperatura del serbatoio in un dato periodo
 Dimensionamento dell’impianto
 Bilancio energetico
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Schema Impianto
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Pompa di Calore
 Pompa di Calore: Ciclo di Carnot in senso inverso
1.
2.
Compressione
Vapore bassa pressione
Vapore alta pressione
Condensazione
Vapore alta pressione
Liquido
3.
Valvola di Espansione (Laminazione):
Liquido
Liquido
4.
Evaporazione:
Liquido
Vapore bassa pressione
 Fornendo energia con il compressore al fluido
questo, nell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo
circostante e, tramite il condensatore, lo cede al
mezzo da riscaldare.
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Prestazioni Energetiche
 nel ciclo della pompa di calore il fluido compie un intero
ciclo termodinamico di Carnot
 Il calore fornito da una pompa di calore è idealmente la somma
del calore estratto dalla sorgente e l’energia necessaria a far
funzionare il ciclo.
Q2  Q1  L
 Si Definisce C.O.P. (dall’inglese Coefficient of Performance)
il rapporto tra l’energia utile e l’energia in ingresso
C.O.P (ideale ) 
Q2
Q1
Q2
Q2
T2


L Q2  Q 1 T2  T1
 COP ideale: determinato solo dalle
temperature di condensazione ed evaporazione:
Più queste temperature sono vicine, più alto è il COP
 Da qui nasce l’importanza di utilizzare una fonte gratuita, il solare, come preriscaldatore e
un sistema di riscaldamento a bassa temperatura
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Prestazioni Energetiche
 Il COP di una pompa di calore attuale
varia da 0.3 a 0.5 volte il COP ideale per
piccoli modelli e da 0.5 a 0.7 per sistemi
grandi e molto efficienti
 Al variare della temperatura di
condensazione, il rapporto tra il COP
ideale e quello reale rimane all’incirca
costante
 Nella simulazione, il COP è stato stimato
come 0.5 volte il COP di una pompa di
calore ideale
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Collettore Solare
 Il collettore solare cattura l'energia solare irradiata
per riscaldare direttamente l’acqua contenuta in un
serbatoio
 Il rendimento teorico è dato dall’equazione di Bliss:

Qu
(T  T )
 a b i a
S I
S I
 Curva di efficienza collettore in esame:
 Conoscendo il rendimento e l’irraggiamento
solare, si può calcolare il calore utile fornito dal
collettore all’acqua del serbatoio come: T  Qu
C
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Radiazione Diretta Incidente su una
Superficie Inclinata
 Radiazione diretta intercettata dalla superficie:
I  I 0 cos( )

I0 = radiazione diretta su superficie orizzontale
 θ= di incidenza che i raggi solari formano
con la normale alla superficie
 Cos(θ) dipende da molteplici fattori:

inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale σ

azimut γ (positivo verso est , negativo verso ovest, nullo per
orientazione a sud)

Angolo orario (nullo a mezzogiorno, positivo al mattino e negativo la sera, variando di 15° ogni ora)

Declinazione (Il suo valore, positivo in estate e negativo in inverno, varia fra +23° 26' e -23° 26'.)
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Andamento Temperatura Tc
 Simulazione scritta con Mathematica: ciclo che ad ogni step calcola Tc (t  dt ) usando Tc (t )
 Come controllo si è calcolato l’andamento analitico di Tc (t ) del solo sistema
collettore-cisterna (Ta , I costanti)
(T (t  dt )  T (t ) ) 
dT(t )
dt
 A  B T(t )
1
1
  I  S  dt  [a  I  b  (T (t )  Ta )]  S  dt
C
C
T(t ) 
A Bt
 e C1
B
 Confronto con l’ andamento ottenuto dalla simulazione
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Fabbisogno Termico Abitazione

Classificazione energetica degli edifici: consente di
attribuire alle abitazioni una classe, dalla più virtuosa
energeticamente, e quindi economicamente, alla più
dispendiosa
 Nella simulazione si è considerata un abitazione media, di
100 m2 in classe D, con un fabbisogno annuo Fa di
85 kWh/m2
 Stima del fabbisogno energia istantaneo F:
F  c (Tapp  Tamb )
 con c costante di proporzionalità
stimata su temperatura media mesi invernali
c
Fa  S
n  h  (Tapp  T amb )
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Dicembre 2008 – Febbraio 2009
 Input:
Tc [C ]
 Pannelli: 5 mq
 Cisterna: 1500 l
 Inclinazione: 55°
 Step: 1 minuto
 Energia totale speso:
944.598 kWh
 Energia totale spesa
solo pompa di calore:
1051.99 kWh
 Irraggiamento medio:
252.051 W/mq
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Dicembre 2008
 Input:
Tc [C ]
 Pannelli: 10 mq
 Cisterna: 1000 l
 Inclinazione: 55°
 Step: 1 minuto
 Energia spesa:
220.791 kWh
 Energia spesa
solo pompa di calore:
297.486 kWh
 Irraggiamento medio:
223.2 W/mq
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Gennaio 2009
 Input:
Tc [C ]
 Pannelli: 10 mq
 Cisterna: 1000 l
 Inclinazione: 55°
 Step: 1 minuto
 Energia spesa:
302.648 kWh
 Energia spesa
solo pompa di calore:
403.739 kWh
 Irraggiamento medio:
265.3 W/mq
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Febbraio 2009
 Input:
Tc [C ]
 Pannelli: 10 mq
 Cisterna: 1000 l
 Inclinazione: 55°
 Step: 1 minuto
 Energia spesa:
178.065 kWh
 Energia spesa
solo pompa di calore:
300.307 kWh
 Irraggiamento medio:
275.01 W/mq
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Febbraio 2009
 Input:
Tc [C ]
 Pannelli: 10 mq
 Cisterna: 1000 l
 Inclinazione: 55°
 Step: 1 minuto
 Energia spesa:
178.065 kWh
 Energia spesa
solo pompa di calore:
300.307 kWh
 Totale 3 mesi:
 Irraggiamento medio:
275.01 W/mq
 Energia totale spesa:
701.504 kWh
 Solo pompa di calore: 1001.532 kWh
 Irraggiamento medio: 254.50 W/mq
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Confronto con altre Fonti di Energia
 Stima costi:
 Costo Elettricità: circa 0,135 € /kWh
 Energia Totale consumata : 701.504 kWh
 Solo pompa di calore:
 Fabbisogno 3 mesi:
4250 kWh
(normali termosifoni)
1001.532 kWh
~ 95 €
~ 135 €
Fonte di Energia
Prezzo per kWh Costo totale per
i 3 mesi
considerati
Gasolio
0,093 €
395 €
Gas metano
0,067 €
285 €
Elettricità
0,135 €
574 €
Teleriscaldamento
0,086 €
365€
Pellets
0,048 €
204€
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Conclusioni
 Impianto Pompa di calore + Pannelli Radianti
costo: ~ 280 € /anno
 Collettori da 10 mq
 Energeticamente efficiente: i collettori soddisfano ~ 1/3 dell’ energia richiesta dalla
pompa di calore
 Prezzo collettori: ~ 300 € /mq
 Risparmio annuale ~ 100 €/anno
 Limiti Programma :

Ipotesi semplificative



Irraggiamento diretto
Rendimento ideale
Fabbisogno
 Mancanza Metodo di Calcolo Dimensionamento Impianto
 Codice non ottimizzato: Alti tempi di Elaborazione
 Elaborazione su più inverni
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Bibliografia
 Heat pump performance
Ref: http://www.heatpumpcentre.org/About_heat_pumps/HP_performance.asp
 Confronto prezzi combustibili per riscaldamento
Ref: http://www.centroconsumatori.it/40v26395d28081.html
 Calcolo Irraggiamento solare, efficienza collettore
Ref: Dispense Prof. Ing. Bernardo Fortunato, Politecnico di Bari
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