Le pompe di calore
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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”
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Lo schema di
funzionamento
Sorgente a
temperatura T1
q1
Pm
Macchina
a ciclo
inverso
q2
Sorgente a
temperatura T2< T1
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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
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L’utilizzazione dell’energia: il compressore
La funzione è quella di variare la pressione del fluido frigorigeno
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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
ridotta vibrazioni e manutenzione, efficienti a carico parziale
Potenze frigorifere da 500 kW a 5 MW
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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).
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Gli scambiatori di
calore: la funzione è di
consentire lo scambio
termico tra il fluido
frigorigeno (interno) e
l’esterno (aria o acqua)
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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
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Lo schema meccanico
Il ciclo termodinamico
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Il ciclo reale
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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
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Il valore massimo del coefficiente di prestazione:
COPfrigorifero ,reversibile =
T2
T1 − T2
COPpompa di calore,reversibile
T1
=
T1 − T 2
Minore è la differenza di temperatura delle due sorgenti,
maggiore è l’effetto utile ottenibile!!
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Il refrigeratore
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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.
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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:
COPpompa di calore =
q1
q
= 1
Pm
q1 − q2
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Legislazione
Decreto Ministero Sviluppo Economico 7 Aprile 2008
Finanziamento del 55%
sostituzione di impianti
impianti dotati di pompa
con impianti geotermici a
delle spese per gli interventi di
di climatizzazione invernale con
di calore ad alta efficienza ovvero
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
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DECRETO 28 dicembre 2012
Incentivazione della produzione di energia termica da
fonti rinnovabili ed interventi di efficienza energetica
di piccole dimensioni.
In attuazione dell’art. 28 del D.Lgs. n. 28/2011, il presente
decreto disciplina l’incentivazione di interventi di piccole
dimensioni per l’incremento dell’efficienza energetica e per la
produzione di energia termica da fonti rinnovabili, …,
realizzati a decorrere dall’entrata in vigore del presente
decreto, ai fini del raggiungimento degli obiettivi specifici
previsti dai Piani di azione per le energie rinnovabili e per
l’efficienza energetica di cui all’art. 3, comma 3, del D.Lgs. n.
28/2011.
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Art.4
2. Sono incentivabili, alle condizioni e secondo le modalità di
cui all’allegato II, ivi comprese le spese ammissibili di cui
all’art. 5, i seguenti interventi di piccole dimensioni di
produzione di energia termica da fonti rinnovabili e di sistemi
ad alta efficienza:
a) sostituzione di impianti di climatizzazione invernale esistenti
con impianti di climatizzazione invernale dotati di pompe di
calore, elettriche o a gas, utilizzanti energia aerotermica,
geotermica o idrotermica;
b) sostituzione di impianti di climatizzazione invernale o di
riscaldamento delle serre esistenti e dei fabbricati rurali
esistenti con impianti di climatizzazione invernale
dotati di generatore di calore alimentato da biomassa;
c) installazione di collettori solari termici, anche abbinati a
sistemi di solar cooling;
d) sostituzione di scaldacqua elettrici con scaldacqua a pompa
di calore.
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Allegato II
Pompe di calore (elettriche e a gas)
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DM 7 aprile 2008
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G.Uff. della CE del 20/11/2007
Legislazione
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
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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
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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
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Tipologie (pompe di calore)
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)
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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.
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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.
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Pompa di calore ad aria
riscaldamento
Pompa di calore ad aria
raffrescamento
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Le prestazioni di pompe di calore ad aria hanno prestazioni che
sono variabili con la temperatura dell’aria esterna.
Per
θext = 10°C, il COP è tipicamente pari a 3.
35
Pompe di calore ad
acqua
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IMPIANTI VRF
Fonte primaria: energia elettrica
Unità esterne
Distributore
Unità interne
Circuito Frigo
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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).
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I cicli ad assorbimento
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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
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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
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Il ciclo ad assorbimento a gas
Gas metano
42
I cicli ad assorbimento
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Macchina ad
assorbimento
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D.M. 7/04/2008
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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.
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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.
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La temperatura del terreno
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50
I vantaggi sono primariamente legati ai più elevati livelli
termici del terreno rispetto a sorgenti termiche quali l’aria
ambiente.
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Sistemi impiantistici: a terreno
Caratteristiche
Temperatura media del terreno (8-10°C)
Pompa di calore (COP ≈ 3 -4)
Sonda a terreno (anche oltre 100 m)
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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.
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Pompe di calore: scambio
con il terreno
La sede di TiFS Ingegneria
di Padova
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Impianto a
Lugano
(CH)
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Caratteristiche dell’impianto considerato
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