SEER e SCOP

15/05/2014
Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
CENTRALI FRIGORIFERE
NUOVE TECNOLOGIE E RISPARMIO ENERGETICO
Cagliari 8 maggio 2014
Prof. Ing. Carlo Bernardini
Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
SEER e SCOP
Metodi di prova, valutazione a carico parziale
e calcolo del rendimento stagionale
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
MACCHINE FRIGORIFERE
Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Il calore QH fluisce dal condensatore della macchina frigorifera ( fluido frigorigeno alla
temperatura T’H ) al serbatoio caldo ( temperatura TH < T’H )
W
Il calore QC fluisce dal serbatoio freddo ( temperatura TC ) all’evaporatore della macchina
frigorifera ( fluido frigorigeno alla temperatura T’C ) ( temperatura T’C < TC )
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
EER = rapporto tra la potenza frigorifera sottratta al serbatoio freddo e la potenza elettrica
o termica fornita alla macchina frigorifera
EER = QC / W
EER = QC / ( QH – QC )
COP =Rapporto tra la potenza termica ceduta al serbatoio caldo e la corrispondente
potenza elettrica o termica fornita alla pompa di calore
COP = QH / W
COP = (W + QC ) / W COP= 1+ QC / W
COP = 1 + EER
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
EERc = QC / ( QH – QC )
1/ EERc = (QH - QC)/QC = QH/QC –1 = =TH/TC –1=(TH –TC) / TC
EERc = TC /( TH – TC )
COPC = QH / W = QH/ ( QH - QC ) = TH / ( TH – TC )
COPC = TH / ( TH – TC )
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
QC = EERc x W = W x TC /( TH – TC )
QH = COPc x W = W x TH / ( TH – TC )
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
GUE( Gas Utilization Efficiency ) ( COP ) = 2 Q2 / Q1
EER = Q3 / Q1
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Nel punto A’ il fluido . allo stato di liquido sottoraffreddato e si trova in corrispondenza
dell ’uscita del condensatore. Il passaggio verso l ’ evaporatore è reso possibile per
effetto della diminuzione di pressione da A’ a B realizzata attraverso una valvola di
laminazione. Per effetto della differenza di pressione tra A’ e B una parte del liquido
evapora nel passaggio attraverso la valvola, sottraendo calore al liquido
Immediatamente a monte.
Nell ’ evaporatore, il miscuglio liquido-vapore inizia a sottrarre calore dall’aria da
raffreddare. Così facendo tutto il refrigerante allo stato liquido passa nella
condizione di vapore saturo (punto C).
Si verifica quindi una rimozione di calore latente. Dal punto C a C’ si effettua un
surriscaldamento del vapore, con lo scopo di far evaporare eventuali goccioline di
liquido rimaste, che altrimenti potrebbero danneggiare il compressore.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
L ’ effetto frigorifero è dato dalla differenza di entalpia rappresentata dal tratto C ’ B.
All ’ uscita dall’evaporatore il vapore viene aspirato dal compressore nel quale subisce un
aumento di pressione e temperatura (tratto C’D).
All ’ uscita dal compressore il gas ha un quantitativo di calore costituito dalla somma
di quello asportato nell ’evaporatore e di quello corrispondente al lavoro meccanico
del compressore. Il gas surriscaldato ed a pressione elevata, passa dal compressore
al condensatore dove inizia a cedere calore. Si verifica un abbassamento di
temperatura fino alla temperatura di saturazione sulla curva (tratto DE).
Successivamente il refrigerante condensa (tratto EA).
Infine si effettua un sottoraffreddamento del fluido allo scopo di ottenere un
maggior effetto frigorifero (tratto AA ’ )
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
COP MASSIMO TEORICO DI UNA POMPA DI CALORE
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Nella realtà il ciclo termodinamico seguito dalle macchine frigorifere non è un
ciclo di Carnot inverso ( ciclo ideale ) e pertanto il COP e EER si riducono
I motivi della riduzione del COP e del EER sono diversi, come ad esempio :
1- La trasmissione di calore tra un sistema e l’altro può avvenire soltanto se
esiste una differenza di temperatura fra i due sistemi.
La potenza termica scambiata Q è proporzionale alla differenza di
temperatura tra i due sistemi
Q = K S ΔT
Pertanto la temperatura del fluido frigorigeno a contatto con l’evaporatore
dovrà essere inferiore alla temperatura della sorgente fredda ( per poter
ricevere calore ) mentre la la temperatura del fluido frigorigeno a contatto
con il condensatore dovrà essere superiore a quella della sorgente calda ( per
poter cedere calore ).
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
2- Nelle macchine frigorifere a compressione di vapore le prestazioni del
compressore sono caratterizzate dal suo rendimento isentropico, che è il
rapporto fra il lavoro ideale di compressione (processo isentropico) e
quello reale, rendimento che è sempre inferiore ad uno
3- L’energia di pressione posseduta dal fluido è degradata nel processo
irreversibile che avviene nella valvola di laminazione, con una perdita
netta di energia utilizzabile;
4- Si deve fornire il lavoro necessario a portare a contatto evaporatore e
condensatore con le sorgenti termiche. Ad esempio, in una pompa di
calore che lavora con l’aria esterna, l’aria viene fatta passare attraverso la
batteria dell’evaporatore con un ventilatore. Questo richiede un lavoro che
va a sommarsi a quello del compressore, riducendo COP e EER. Se invece
la sorgente fredda è acqua sotterranea, bisogna azionare una pompa di
circolazione;
5- L’efficienza del motore elettrico che aziona la pompa di calore non è
unitaria;
6- Si ha anche un rendimento volumetrico del compressore
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
VARIAZIONI DELLE PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE AL VARIARE DELLE
TEMPERATURE DI EVAPORAZIONE E CONDENSAZIONE
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
La quantità di calore trasferita è proporzionale alla massa di gas che viene fatta
evaporare, compressa e fatta evaporare :Le
Le variazioni stagionali delle temperature delle sorgenti si riperquotono sulle
prestazioni della macchina. Viene pertanto definito :
SCOP = SEASONAL COEFFICENT OF PERFORMENCE
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
GLI IMPIANTI ALIMENTATI A POMPA DI CALORE POSSONO ESSERE :
IMPIANTI MONOVALENTI
quando il fabbisogno termico stagionale coperto integralmente dalla pompa
di calore
IMPIANTI BIVALENTI E MONOENERGETICI
quando una quota del fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa
di calore e la quota di integrazione è fornita da un generatore ausiliario che
utilizza lo stesso vettore energetico della pompa di calore
IMPIANTI BIVALENTI E BIENERGETICI
quando una quota del fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa
di calore e la quota di integrazione è fornita da un generatore ausiliario che
utilizza un vettore energetico diverso da quello utilizzato dalla pompa di
calore
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE DELLE POMPE DI CALORE
COP per le macchine elettriche GUE per le macchine ad assorbimento a fuoco diretto
Rapporto tra la potenza termica fornita e la corrispondente potenza elettrica o termica assorbita
COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE TEORICO
COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE CALCOLATO IN BASE ALLE TEMPERATURE DELLA SORGENTE FREDDA E
DEL POZZO CALDO SECONDO IL CICLO TERMODINAMICO DI CARNOT
COEFFICIENTE CORRETTIVO DEL COP
COP AD UN DETERMINATO VALORE DEL FATTORE DI CARICOCR DIVISO PER IL COP DELLA POMPA DI
CALORE ALLA POTENZA TERMICA DICHIARATA, RIFERITI ALLE STESSE TEMPERATURE DI ESERCIZIO
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Coefficiente di prestazione energetica (Energy Efficiency Ratio - EER):
coefficiente di prestazione di una macchina frigorifera in condizioni di
riferimento.
Coefficiente di prestazione energetica stagionale (Seasonal - SEER):
coefficiente di prestazione medio stagionale determinato in condizioni di
riferimento, definite dal prEN 14825:2008.
Coefficiente di prestazione medio:
rapporto tra l’energia frigorifera fornita dalla macchina e l’energia necessaria
per il suo funzionamento, valutati nell’ambito di un determinato periodo di
tempo.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Relazione tra normativa e legislazione
DIRETTIVA EUROPEA
2010/31/EU OF THE
EUROPEAN PARLIAMENT AND
OF THE COUNCIL
of 19 May 2010 “on the
energy performance of
buildings” (recast)
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Schema Norme UNI e CEN
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Prestazione energetica globale dell’edificio
(UNI EN 15603:2008 “Prestazione energetica degli edifici – Consumo energetico globale e definizione dei
metodi di valutazione energetica”)
La valutazione della prestazione energetica globale annuale degli edifici deve
comprendere i seguenti usi finali:
Riscaldamento e umidificazione;
Raffrescamento e deumidificazione;
Ventilazione e umidificazione;
Acqua calda sanitaria;
Illuminazione (opzionale per gli edifici);
Altri servizi (opzionale).
L’energia fornita al sistema edificio-impianto può provenire da fonti diverse. I
metodi di calcolo per aggregare il contributo di più fonti devono essere basati su:
Energia Primaria;
Emissioni di CO2;
Parametri definiti a livello nazionale.
25
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
STRUTTURA DELLE UNI/TS 11300 “PRESTAZIONI ENERGETICHE DEGLI EDIFICI”
Parte 1:
Determinazione del fabbisogno di energia termica dell’edificio per la
climatizzazione estiva ed invernale. Pubblicata nel 2008, attualmente
in revisione, l’inchiesta pubblica è scaduta il 29 settembre 2013.
Parte 2:
Energia primaria e rendimenti per la climatizzazione invernale e per la
produzione di acqua calda per usi igienico-sanitari. Pubblicata nel
2008, l’ inchiesta pubblica è scaduta il 29 settembre 2013 con il titolo:
“Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 2: Determinazione del
fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione
invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria”.
Parte 3:
Energia primaria e rendimenti per la climatizzazione estiva. Pubblicata
nel 2010, attualmente in revisione.
Parte 4:
Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per
riscaldamento di ambienti e preparazione acqua calda sanitaria.
Pubblicata nel 2012.
Determinazione della prestazione enrgetica per la classificazione
dell’edificio. Attualmente in fase di realizzazione.
Parte 5:
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Struttura delle UNI/TS 11300 “Prestazioni energetiche degli edifici”
Scopo
La specifica tecnica fornisce precisazioni ai fini della determinazione della prestazione
energetica per la classificazione degli edifici e metodi di calcolo per
determinare:
•
il fabbisogno di energia primaria degli edifici in modo univoco e riproducibile
applicando la normativa tecnica citata nei riferimenti normativi;
•
la quota di energia da fonti rinnovabili.
Tali precisazioni e metodi di calcolo riguardano, in particolare:
1.
2.
3.
4.
le modalità di valutazione dell’apporto di energia rinnovabile nel bilancio
energetico;
la valutazione dell’energia elettrica esportata;
la definizione delle modalità di compensazione dei fabbisogni con energia
elettrica attraverso energia elettrica prodotta da rinnovabili;
la valutazione dell’energia elettrica prodotta da unità cogenerative.
27
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
La UNI/TS 11300-4 : Scopo e campo di applicazione
La 11300-4 fornisce gli strumenti per il calcolo del fabbisogno di energia
primaria per la climatizzazione invernale e la produzione di acqua calda
sanitaria in presenza di generatori termici non convenzionali, in particolare
quelli che utilizzano fonti rinnovabili di energia.
La TS considera le seguenti fonti rinnovabili di energia:
• per la produzione di energia termica utile:
• solare termico;
• biomasse;
• fonti aerauliche, geotermiche e idrauliche nel caso di pompe di
calore per la quota considerata rinnovabile;
• per la produzione di energia elettrica:
• solare fotovoltaico.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
La UNI/TS 11300-4 : Scopo e campo di applicazione
Per quanto riguarda la generazione con processi diversi dalla combustione a
fiamma la TS prende in considerazione:
sistemi che convertono l'energia chimica di combustibili fossili per
produzione combinata di energia elettrica ed energia termica
(cogenerazione);
sistemi che riqualificano energia termica a bassa temperatura in energia
termica a più elevata temperatura mediante cicli termodinamici
alimentati da energia elettrica o da combustibili fossili (pompe di calore);
sistemi che impiegano energia termica utile derivante da generazione
remota esterna al confine energetico dell'edificio (teleriscaldamento).
29
15
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Il confine dell’edificio
1 – Utenza
2 – Accumulo
3 – Generatore
9 – Energia termica utile da rete
10 – Energia termica utile asportata
11 – Sistema di dissipazione dell’energia termica
4 – Combustibile
5 – Energia elettrica
6 – Energia degli ausiliari
7 – Collettori solari termici
8 – Pannelli fotovoltaici
12 – Energia elettrica da cogenerazione
13 – Energia elettrica da fotovoltaico
14 – Rete elettrica
15 – Confine del sistema
30
Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Pompe di calore
La UNI/TS definisce i dati d'ingresso e le modalità di calcolo per la determinazione:
- del fabbisogno mensile dei vettori energetici dei sottosistemi di generazione
con pompe di calore per riscaldamento e/o produzione di acqua calda
sanitaria;
- della quota di fabbisogno di energia utile della distribuzione a carico di
sistemi di integrazione da calcolarsi con le pertinenti parti della UNI/TS.
La specifica tecnica si applica a pompe di calore a compressione di vapore azionate
da motore elettrico e a pompe di calore ad assorbimento.
31
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Tipo di servizio e di fluido termovettore lato utenza
Si considerano i seguenti tipi di servizio:
- riscaldamento;
- acqua calda sanitaria;
- combinato riscaldamento/acqua calda sanitaria.
Non viene trattato il raffrescamento.
Rispetto al fluido termovettore impiegato nel circuito di distribuzione
all’utenza, gli impianti a pompa di calore possono essere:
- ad aria;
- ad acqua;
- a condensazione diretta (il fluido termovettore è lo stesso fluido refrigerante).
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Tipo di fonte energetica sfruttata
Fonte di energia
Tipologia della fonte di energia
sfruttata
Modalità di estrazione
Aria esterna
Rinnovabile aerotermica
Aria interna
Roccia
Non rinnovabile se proveniente da
sistemi che impiegano combustibili
fossili, esclusa l’aria espulsa
Rinnovabile geotermica
Raffreddamento e
deumidificazione dell’aria
esterna
Raffreddamento e
deumidificazione dell’aria
espulsa in sistemi di recupero
Raffreddamento del sottosuolo
Terreno
Rinnovabile geotermica
Raffreddamento del sottosuolo
Acqua di falda
Rinnovabile geotermica
Raffreddamento del sottosuolo
Acqua di mare
Rinnovabile idrotermica
Raffreddamento acque superficiali
Acqua di lago
Rinnovabile idrotermica
Raffreddamento acque superficiali
Acqua di fiume
Rinnovabile idrotermica
Raffreddamento acque superficiali
Acqua di risulta e liquami di
processi tecnologici
Liquami urbani
Non rinnovabile
Raffreddamento acque e/o liquami
di processo
Raffreddamento liquami urbani
Assimilabile a rinnovabile
33
17
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Tipologia del sistema di generazione
Gli impianti alimentati da pompa di calore possono essere:
• monovalenti quando tutto il fabbisogno termico stagionale è coperto dalla
pompa di calore;
• bivalenti monoenergetici quando una quota del fabbisogno termico
stagionale è coperto dalla pompa di calore ed una quota di integrazione è
fornita da un generatore ausiliario che utilizza lo stesso vettore energetico
della pompa di calore;
• bivalenti e bienergetici quando il fabbisogno termico stagionale è coperto
dalla pompa di calore e da un generatore ausiliario che utilizza un vettore
energetico diverso da quello utilizzato dalla pompa di calore.
35
18
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Generalità sul metodo di calcolo
Il metodo di calcolo descritto nella UNI/TS 11300-4 si basa sui seguenti dati:
1- potenza termica utile erogata nominale e alle diverse possibili temperature
di esercizio;
2- il coefficiente di prestazione alla potenza nominale, COP o GUE o, in
alternativa, la potenza nominale richiesta, alle diverse possibili temperature
di esercizio;
3- coefficiente correttivo del COP e del GUE ai carichi parziali.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
PRESTAZIONI DELLE POMPE DI CALORE
CR (Fattore di Carico Macchina ) = P potenza termica richiesta / P pdc, out
PLR (Fattore di Carico Climatico ) = ( Testerna – 16 ) / ( Tprogetto – 16 )
Per il calcolo dell’energia riferita alle pompe di calore la UNI/TS 11300-4 richiede i
seguenti dati:
prestazioni a pieno carico (nominali, ossia a fattore di carico macchina, CR capacity
ratio, pari a 1) in funzione delle temperature di sorgente fredda e pozzo caldo;
prestazioni a carico parziale, cioè con Fattore di Carico Climatico PLR (Part Load
Ratio) PLR diverso da 1,
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Temperatura bivalente: sorgente aria
In un sistema bivalente a pompa di
calore, nel quale la richiesta termica
dell’utenza non viene esclusivamente
soddisfatta dalla pompa di calore ma
intervengono sistemi ausiliari di
generazione, la temperatura
bivalente qbival viene definita come la
temperatura della sorgente fredda
alla quale la pompa di calore
funziona con fattore di carico CR = 1,
cioè quando le condizioni termiche
della sorgente fredda consentono di
coprire la richiesta esclusivamente
con la pompa di calore.
Impianto a pompa di calore (riscaldamento di ambienti)
1 Carico termico dell’impianto
2 Potenza termica pompa di calore ( aria )
3 Potenza termica della pompa di calore ( acqua )
Temperatura bivalente  CR = 1
CR = 1  QPdC,out= Qrichiesto
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
CONDIZIONI CLIMATICHE DI RIFERIMENTO
La UNI EN 14825 definisce
3 condizioni climatiche di riferimento: Average (A) Warmer (W) Colder (C)
cui corrispondono 3 coppie di temperature, di progetto, qdes, e interna:
“Average”: condizioni di temperatura a bulbo secco -10 °C temperatura esterna e 20 °C
interna;
“Colder”: condizioni di temperatura a bulbo secco -22 °C temperatura esterna e 20 °C
interna;
“Warmer”: condizioni di temperatura a bulbo secco +2 °C temperatura esterna e 20 °C
interna.
3 temperatura bivalenti, qbival:
per la stagione di riscaldamento in condizioni “A” la temperatura a bulbo secco
bivalente è pari a +2 °C o minore;
per la stagione di riscaldamento in condizioni “C” la temperatura a bulbo secco
bivalente è pari a -7 °C o minore;
per la stagione di riscaldamento in condizioni “W” la temperatura a bulbo secco
bivalente è pari a +7 °C o minore.
39
20
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Condizioni climatiche di riferimento
Condizioni di riferimento fornite dalla UNI/TS per i dati prestazionali forniti dal
costruttore. Pompe di calore per solo riscaldamento o funzionamento
combinato.
Sorgente
fredda
Temperatura
della
sorgente fredda
Aria
Acqua
Terreno/roccia
-7 2
7
12
Temperatura del
pozzo caldo1
(riscaldamento ad
aria)
20
Temperatura del
Temperatura del
pozzo caldo3
pozzo caldo2
(riscaldamento
(produzione ACS)
idronico)
35 45
55 45
55
5
10
15
20
35
45
55
45
55
-5 0
5
10
20
35
45
55
45
55
1
Temperatura di ripresa.
Per almeno una delle temperature indicate. Altri dati suggeriti: 25 °C, 65 °C.
3 Per almeno una delle temperature indicate.
2
40
Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Condizioni climatiche di riferimento
Condizioni di riferimento previste dalla UNI/TS per i dati prestazionali forniti
dal costruttore. Pompe di calore per sola produzione di ACS
Temperatura della
sorgente fredda (aria)
Sola produzione ACS
1
7
15
20
Temperatura del
pozzo caldo1
(produzione ACS)
35
55
Per almeno una delle temperature indicate. Altri dati suggeriti: 45 °C, 65 °C.
41
21
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Prestazioni a pieno carico a condizioni diverse dalle nominali
Nel caso di pompe di calore a compressione di vapore ad azionamento
elettrico e di pompe di calore ad assorbimento, la determinazione delle
prestazioni a pieno carico in condizioni diverse da quelle dichiarate si effettua
con interpolazione lineare tra i dati dichiarati o con ricorso al rendimento di
secondo principio.
Per le pompe di calore a compressione di vapore azionate con motore
endotermico, il calcolo del GUE a pieno carico per valori di temperature di
sorgente fredda e di pozzo caldo diverse da quelle cui fanno riferimento i dati
diciarati dal costruttore si effettua per interpolazione lineare fra i valori
forniti.
42
Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Rendimento di secondo principio
Per le pompe di calore elettriche, il COP massimo teorico è dato dalla relazione:
COP max 
qc  273 ,2
qc  q f 
dove:
qf = temperatura della sorgente fredda;
qc = temperatura del pozzo caldo (mandata della pompa di calore).
Rendimento di secondo principio:
II 
COP
COP
q q

 COP  c f

273
,
2
q
c
COP max
qc  273 ,2

qc q f
43
22
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Esempio
Pompa di calore Aria-Acqua di cui vengono fornite le seguenti condizioni:
qf
qc 35 °C COP1
qc
-7
2
7
12
3,6 4,5 5,4 6,5
DC1 [kW] 8,8 10,2 12,0 13,6
45 °C COP2
3 3,6 4,1 4,8
DC2 [kW] 7,8 9,3 11,2 13,2
-7
2
7
12
qf
II,@35 0,49 0,48 0,49 0,49
II,@45 0,49 0,49 0,50 0,50
Dati forniti dal
costruttore
Rendimento di secondo principio
calcolato partendo dai dati del
costruttore
DC = potenza termica dichiarata (potenza termica massima della pompa di calore nelle condizioni di funzionamento
specificate dal costruttore)
44
Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Correzione in base alla temperatura della
sorgente fredda/pozzo caldo
l valori del COP e quelli del GUE per temperature della sorgente fredda/ pozzo
caldo diverse da quelle per le quali sono stati forniti i dati dal costruttore (a
parità di temperatura del pozzo caldo) si calcolano come segue:
all'interno del campo di dati fornito dal costruttore: per interpolazione
lineare tra i valori del rendimento di secondo principio calcolati a partire
dai dati forniti, in funzione della temperatura della sorgente fredda/ pozzo
caldo;
al di fuori del campo di dati fornito dal costruttore, con scostamento
massimo di 5 K: a partire dal valore del rendimento di secondo principio
calcolato con i dati forniti dal costruttore più vicini al caso reale.
45
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Esempio: variazione della temperatura del
pozzo caldo
Per interpolazione si calcolano DC e COP in condizioni di pieno carico, DC’ e
COP’, per una temperatura del pozzo caldo (di mandata) di 38, 40 e 42 °C:
qf
qc 38 °C COP’
DC’ [kW]
qf
qc 40 °C COP’
DC’ [kW]
qf
qc 42 °C COP’
DC’ [kW]
-7
2
7
12
3,4 4,2 4,9 5,9
8,5 9,9 11,8 13,5
-7
2
7
12
3,3 4,05 4,75 5,65
8,3 9,75 11,6 13,4
-7
2
7
12
3,2 3,87 4,49 5,31
8,1 9,57 11,5 13,3
DC’ = potenza termica utile a pieno carico, cui corrisponde COP’
46
Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto
CR < 1
La condizione a carico ridotto si ha quando CR risulta minore di 1, ossia
quando il carico applicato è minore della potenza massima che la pompa di
calore può fornire. In questo caso il COP e il GUE variano e per determinare le
prestazioni della pompa di calore deve essere usato un fattore correttivo, il
cui valore può essere stabilito:
1- in base ad una elaborazione di dati forniti dal costruttore;
2- in base a modelli di calcolo di default quando tali dati non siano forniti.
47
24
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Il potere calorifero inferiore (p.c.i.) di 1 m3 di gas metano è di circa 9,5 kwh
η caldaia a condensazione = 1,05
Energia resa all’acqua = p.c.i. x η caldaia a condensazione = 9,5 x 1,05 = 9,97 kwh
Fattore di Conversione ( produzione e trasmissione ) da energia termica a elettrica
η fattore di conversione = 0,36
Energia elettrica = p.c.i. x η fattore di conversione = 9,5 x 0,36 = 3,42 kwh
L’equivalenza energetica si ottiene per un certo valore del COP limite
p.c.i. x η caldaia a condensazione = p.c.i. x η fattore di conversione x COP limite
COP limite = η caldaia a condensazione / η fattore di conversione = 1,05 / 0,36 = 2,91
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto
Procedura di calcolo
Il fattore di correzione del COP determinato in funzione del fattore di carico
CR con il metodo qui descritto è indipendente dalla temperatura di
annullamento del carico, in quanto dipende solo dal fattore di carico CR e
quindi può essere applicato in tutte le condizioni di funzionamento nel calcolo
secondo UNI/TS 11300.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto
Calcolo di CR a carico ridotto (CR < 1) a partire dai dati forniti dal costruttore
Per il calcolo sono richiesti (UNI EN 14825, condizioni climatiche A ”Average”) i
seguenti dati:
- temperatura di progetto: - 10 °C
- PLR per le temperature di riferimento -7 (A), 2 (B), +7(C), +12 (D)
- temperatura bivalente considerata e potenza a pieno carico alla
temperatura bivalente
- DC ( Potenza a pieno carico ) e COP alle 4 temperature (A), (B), (C), (D).
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto
Calcolo di CR a CARICO RIDOTTO in base a modelli di calcolo di default quando non
si dispone dei dati forniti dal costruttore
In questo caso si procede nel modo seguente:
1. Per le pompe di calore a potenza fissa con funzionamento on/off si
utilizzano le equazioni previste dalla UNI EN 14825:
Pompe di calore aria/aria, antigelo/aria, acqua/aria
COP A ,B ,C ,D  COP DC  1  C d 
dove:
COPA,B,C,D = COP nelle condizioni (A), (B), (C) e (D);
COPDC
= COP a pieno carico dichiarato nelle condizioni di temperatura a cui
sono riferite le prestazioni a carico parziale;
Cd
= fattore di correzione dichiarato. Se non noto, si assume pari a 0,25.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto
Calcolo di CR a carico ridotto in base a modelli di calcolo di default quando non si
dispone dei dati forniti dal costruttore
Pompe di calore aria/acqua, antigelo/acqua, acqua/acqua
COP A ,B ,C ,D 
COP DC  CR
1  C c   CR  C c 

dove:
COPA,B,C,D = COP nelle condizioni (A), (B), (C) e (D);
COPDC = COP a pieno carico dichiarato nelle condizioni di temperatura a cui sono
riferite le prestazioni a carico parziale;
Cc
= fattore di correzione dichiarato. Se non noto, si assume pari a 0,9;
CR
= fattore di carico macchina (capacity ratio).
Nota AiCARR: L’equazione contiene un palese errore al denominatore, dove C c rappresenta un coefficiente di
peso. L’equazione corretta è:
COP A ,B ,C ,D 
COPDC  CR
1  C c   CR  C c
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto
Calcolo di CR a carico ridotto in base a modelli di calcolo di default quando non si
dispone dei dati forniti dal costruttore
2. Per le pompe di calore con parzializzazione a gradini come definite dalla
UNI EN 14825 si utilizzano le stesse equazioni viste in precedenza e con le
modalità specificate nella UNI EN 14825.
3. Per le pompe di calore a potenza variabile in mancanza dei dati previsti
dalla UNI EN 14825 si assume un coefficiente correttivo pari a 1 sino al
fattore di carico CR = 0,5 (o sino al valore minimo di modulazione se questo
è diverso da 0,5). Al di sotto di tale valore di CR si procede come al punto 1.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Dati per il calcolo
La procedura di calcolo del fabbisogno dei vettori energetici dei sottosistemi
di generazione con pompe di calore per riscaldamento e/o produzione di
acqua calda sanitaria richiede la definizione dei seguenti dati:
intervallo di calcolo;
temperatura della sorgente fredda nell'intervallo di calcolo;
temperatura del pozzo caldo nell'intervallo di calcolo;
fabbisogno di energia termica utile nell'intervallo di calcolo;
potenza termica utile massima della pompa di calore nell'intervallo di
calcolo;
fattore di carico della pompa di calore;
ausiliari elettrici.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Intervallo di calcolo
L’intervallo di calcolo assunto dalla UNI/TS 11300-4 è il mese.
Nei casi in cui un'unica coppia di temperature della sorgente fredda e del
pozzo caldo medie sull'intero intervallo di calcolo non sia adeguata per
effettuare una valutazione sufficientemente corretta, il periodo di calcolo
viene suddiviso in intervalli di durata minore, definiti bin.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Intervallo di calcolo
Sorgente fredda
Pozzo caldo
Aria1
Acqua a
temperatura
costante2
Bin mensili
Acqua a
temperatura
variabile2
Bin mensili
Bin mensili
Bin mensili
Mese
Mese
Mese
Mese
Mese
Terreno/roccia climaticamente non perturbato
Mese
Mese
Mese
Acqua di mare, fiume, lago
Mese
Mese
Mese
Acqua di risulta e liquami dei processi
tecnologici
Liquami urbani
Mese
Mese
Mese
Mese
Mese
Mese
Aria esterna
Aria interna (recupero) a temperatura
dipendente dalle condizioni climatiche
Aria interna (recupero) a temperatura
indipendente dalle condizioni climatiche
Terreno/roccia climaticamente perturbato
1
2
3
Bin
mensili3
Bin
mensili
Mese
Si assume che la temperatura sia costante e pari a quella ambiente di set point
La temperatura costante o variabile è riferita alla temperatura del fluido termovettore nel generatore
di calore durante l'intervallo di calcolo considerato. Per esempio, la temperatura è costante nel caso di
generatore di calore che alimenta la rete a temperatura variabile con una valvola miscelatrice, mentre
è variabile nel caso in cui il generatore alimenti direttamente la rete a temperatura scorrevole.
Generalmente la temperatura variabile si ha solo nel caso di riscaldamento.
l bin mensili sono riferiti alle temperature dell'aria esterna.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Intervallo di calcolo: il metodo bin
Il metodo bin, utilizzato per tener conto della variabilità della temperatura
esterna, consente di calcolare il fabbisogno di energia tenendo conto della
distribuzione oraria di tale temperatura.
Ciascun bin rappresenta un intervallo di temperatura di ampiezza Δθbin pari a
1 K ed è centrato sul valore di temperatura media nell’intervallo, considerato
intero. I valori estremi dell’intervallo sono dati dalle relazioni:
θbin,min= θbin - Δθbin/2 = θbin – 0,5
θbin,max= θbin + Δθbin/2= θbin + 0,5
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Intervallo di calcolo: il metodo bin
La ripartizione in bin si può applicare:
all'intervallo di calcolo stagionale (solo per valutazioni su base annua
generalmente finalizzate per determinare le prestazioni di una determinata
pompa di calore in particolari condizioni di esercizio, per esempio come
nella UNI EN 14825 per il calcolo del coefficiente di prestazione medio
stagionale SCOP);
all'intervallo di calcolo mensile (il COP medio stagionale può essere
calcolato in base ai COP medi mensili come specificato nella UNI EN
14825).
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Intervallo di calcolo: il metodo bin
Si ricorre ai bin mensili:
per la determinazione delle temperature di alcune sorgenti fredde;
per la determinazione della temperatura del pozzo caldo se questa è
variabile anche quando la temperatura della sorgente fredda sia assunta
costante nel mese.
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Valutazioni di calcolo
fabbisogno di energia termica utile nell’intervallo di calcolo
Nel caso in cui la sorgente fredda sia aria, va applicato il bin method. La
procedura è la seguente:
si definiscono i Gradi/Ora, GHbin,mese, in riferimento alla durata totale di
attivazione dell’impianto, scartando i bin a temperatura maggiore di qH,off.
GHbin ,mese  t bin ,mese ,ON  q H ,off  q bin 
si calcola l’energia richiesta per il riscaldamento all’uscita della pompa di
calore per ciascun bin:
GHbin ,mese
QH ,hp ,out ,bin  QH ,hp ,out 
 GHbin ,mese
si calcola la potenza richiesta per il riscaldamento all’uscita della pompa di
calore per ciascun bin:
QH ,hp ,out ,bin
 H ,hp ,out ,bin 
t bin ,mese ,H
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Valutazioni di calcolo
fattore di carico
Il fattore di carico è dato dal rapporto tra la potenza termica richiesta per il
riscaldamento nel bin e la potenza massima della pompa di calore per le
temperature dell’intervallo di calcolo:
FC H ,hp ,th 
 H ,hp ,out ,bin
 bin ,max,H
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Pompe di calore: esempio
Si supponga di trovarsi a Milano con le seguenti ipotesi progettuali
qbival
qH,off
Pprog,h
QH,hp,out
-5
16
8,69
15962
°C
°C
kW
kWh
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Le prestazioni delle pompe di calore: aspetti normativi e legislativi
Pompe di calore
Calcoli:
Andamento di tipo lineare tra le temperature di 16 e -5 °C
interpolazione
θbin
bin, giorno
GHbin, mese
-5
0
-4
1,5
-3
19
-2
34,5
-1
46
0
58
1
81
2
135
da 3 … a 14
……
15
139,5
16
149
0
30
361
621
782
928
1215
1890
……
139,5
0
Pedificio
DC'
CR
COP'
Fp
COP
8,69
8,69
1,00
3,50
1,00
3,50
8,28
8,95
0,92
3,63
0,98
3,56
7,86
9,22
0,85
3,76
0,96
3,62
7,45
9,48
0,79
3,89
0,95
3,68
7,04
9,74
0,72
4,01
0,93
3,73
6,62
10,00
0,66
4,14
0,92
3,79
6,21
10,26
0,60
4,27
0,90
3,85
5,79
10,52
0,55
4,39
0,89
3,90
……
……
……
……
……
……
0,41
13,93
0,03
6,05
0,76
4,58
0
14,19
0,00
6,18
0,75
4,63
QH,hp,out,bin
0,00
24,32
292,69
503,49
634,02
752,39
985,08
1532,35
……
113,10
0,00
ΦH,hpout,bin
0,00
16,22
15,40
14,59
13,78
12,97
12,16
11,35
……
0,81
0,00
0
6,83
80,85
136,91
169,78
198,50
256,14
392,82
……
24,68
0,00
QH,hp,el,bin
SPF
19688
15962
3943
4,05
68
35