Presentazione Morini I

Le pompe di calore:
tipologie e
caratterizzazione
G.L. Morini
Laboratorio di Termotecnica
Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del
Controllo Ambientale
Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna
DIN
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Analisi energetica
Vincoli termodinamici sui flussi di calore
DIN
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1
Analisi energetica
Macchina frigorifera
DIN
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Analisi energetica
Macchina frigorifera – Pompa di Calore
Pompa di
Calore
Macchina
frigorifera
DIN
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2
Analisi energetica
Reversibilità delle Pompe di Calore
DIN
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Analisi energetica
Reversibilità delle Pompe di Calore
DIN
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3
Classificazione Pompe di Calore
T1
1
Classificazione in relazione al serbatoio
freddo
UNI TS 11300-4:
serbatoio freddo
(W, A, B)
DIN
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1. Impianti con sorgente fredda
2. Impianti con sorgente fredda
recupero (A)
3. Impianti con sorgente fredda
superficie (W)
4. Impianti con sorgente fredda
5. Impianti con sorgente fredda
scambiatore orizzontale (B)
6. Impianti con sorgente fredda
scambiatore verticale (B)
2
T2
= aria esterna (A)
= aria interna o da
= acqua di
= acqua di falda (W)
= terreno, con
= terreno, con
Classificazione Pompe di Calore
Classificazione in relazione alla
serbatoio caldo (fluido termovettore
della rete di utilizzo)
serbatoio caldo
(W-A)
1. impianti con fluido termovettore
acqua (W)
2. impianti con fluido termovettore aria
(A)
T1
1
2
T2
DIN
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4
Classificazione Pompe di Calore
T1
Classificazione sulla base dei 2 serbatoi
di calore tra cui la macchina opera:
1
1. Pompa di calore ACQUA – ACQUA (W – W)
(in cui Q2 e Q1 sono scambiati con acqua)
2. Pompa di calore ACQUA – ARIA (W – A)
(in cui Q2 è scambiato con acqua e Q1 con aria)
3. Pompa di calore ARIA – ACQUA (A – W)
2
T2
(in cui Q2 è scambiato con aria e Q1 con acqua)
4. Pompa di calore ARIA – ARIA (A – A)
(in cui Q2 e Q1 sono scambiati con aria)
5. Pompa di calore TERRENO – ACQUA (B – W)
(in cui Q2 è scambiato con il suolo e Q1 con acqua)
DIN
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Sorgente: Acqua
PdC Acqua/Acqua
(W/W)
DIENCA
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5
Sorgente: Acqua
PdC Acqua/Aria (W/A)
DIN
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Sorgente: Aria
PdC Aria/Acqua (A/W)
DIENCA
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6
Sorgente: Aria
PdC Aria/Aria
(A/A)
DIENCA
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Sorgente: Terreno
PdC Terreno/Acqua
(B/W)
DIN
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7
Efficienza e Sorgenti termiche
DIN
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Classificazione Pompe di Calore
Classificazione in relazione al principio
di funzionamento:
EHP
GHP
AHP
DIENCA
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8
EHP
PdC reale: ciclo termodinamico (R407)
Taria=-10 °C
Tw=40°C
Lel
Q’
DIENCA
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Analisi energetica
Macchina operatrice Ideale
EERth
Q
Lel
Q
Q'Q
TL
Tamb TL
COPth
Q'
Lel
Q'
Q'Q
TH
TH Tamb
Esempio numerico:
Calcolo COPth per una pompa di calore ideale
Inverno TH
COPth
DIN
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40qC Tamb 0qC
40 273.15
(40 273.15) (0 273.15)
7.8
9
Analisi energetica
PdC vs Stufa Elettrica
Prelevo (6.8 Lel) dall’ambiente esterno gratis!
DIN
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Analisi energetica
PdC vs Stufa elettrica
La stufa elettrica ideale dissipa tutta l’energia elettrica
prelevata in calore (1 Lel)
DIN
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10
Analisi energetica
COPth
Q'
Lel
Q'
Q 'Q
TH
TH Text
Effetto della T esterna sul COP
25
COPth
TH=35°C
20
TH=75°C
15
10
5
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Text
DIN
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La PdC ha elevate prestazioni a Tamb elevate (quando
non serve il riscaldamento) e per bassa temperatura
di mandata dell’impianto
Analisi energetica
Accoppiamento con emettitori
TL=0°C
'T=TH-TL
Pann. Rad.
Radiatori
DIN
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11
GHP
DIN
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Schema di funzionamento estivo
gas di scarico
acqua-glicole
fluido frigorifero
DIN
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12
Schema di funzionamento invernale
Recupero diretto
gas di scarico
acqua-glicole
fluido frigorifero
DIN
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Recupero indiretto
Analisi energetica
Rendimento meccanico
KM
L
E p. pdc
Perdite termiche
SP
gas di scarico
Ed
E p , pdc
acqua-glicole
fluido frigorifero
Rendimento termico
KT
1 S P K M
PER
Definizione di Primary Energy ratio (PER)
CUC
Etot , pdc
ET E pdc
E p , pdc
E p , pdc
KT K M COP
Es. numerico:
Motore con rend. Termico (KT) pari a 35% e rend. Meccanico (KM)
30% accoppiato ad una macchina a compressione con COP=3
DIN
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PER=0.35+0.3*3=1.25 (125%)
13
EHP vs GHP: flussi energetici
138
105
COP=3
COP=3
SePER=105/100=1.05
uso tutto il calore
prodotto dal
motore:
PER=(35+105)/100=1.4
60
PER=138/100=1.38
92
35
46
47.4
DIN
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• EHP
35
6.6
• GHP
Dati tecnici GHP
PER
PER
DIN
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14
Valutazioni energetiche
Dati tecnici di GHP in commercio
1,8
CUCraf
PER
raf
CUC
PER
ris
ris
1,6
PER max (=1.11)
caldaie a condensazione
1,4
1,2
1
THERMO K.15 RT
13 RT
GHP
CLIMA V.GHP 10
AISIN 5.0* RT
AISIN 5.0 RT
CLIMA V. GHP 5
YANMAR 4.0 RT
4.0 RT
GHP
YORK 3.0 RT
YAMAHA 2.5 RT
YANMAR
DIN
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SANYO-HONDA
YAMAHA 1.3 RT
0,6
GHP-FORD VSG 413
0,8
AHP
Generatore
condensatore
Qgen
Qcd
Refrigerante ad
alta temperatura
Scambiatore
intermedio
Refrigerante a
bassa temperatura
Soluzione debole
Soluzione
concentrata
assorbitore
DIN
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Qass
evaporatore
Qe
15
AHP
Acqua calda/reflui
alimentazione generatore
Acqua fredda (ritorno impianto)
Qgen
pressione
condensatore
generatore
7
3
8
4
Qcd
scambiatore
2
9
5
1
6
evaporatore
assorbitore
10
Qass
Qe
Acqua fredda
(pozzo geotermico/falda)
temperatura
Acqua calda (mandata impianto)
DIN
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AHP: parametri energetici
Generatore
condensatore
Qgen
Qcd
Refrigerante ad
alta temperatura
Scambiatore
intermedio
Refrigerante a
bassa temperatura
Soluzione debole
Soluzione
concentrata
assorbitore
evaporatore
Qass
GUE
DIN
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Qt ,tot
Q gen
Qcd Qass
Q gen
Qe
COPt
Qt ,tot
Q gen
Qcd Qass
Q gen
GUE=COPt=PER
16
Assorbimento (AHP): doppio stadio
• Lay-out macchina doppio stadio: doppio generatore (in
serie) e doppio scambiatore di recupero
DIN
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AHP: H2O-BrLi
Macchine a bassa temperatura acqua-BrLi
Acqua
(W-W) monostadio Acqua
serbatoio calda
freddo
DIN
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Tgen (°C)
Tev (°C)
Tmax (°C)
GUE/COPW
80
8
36.7
1.47
9
37.9
1.53
10
38.6
1.58
11
38.6
1.60
12
39.0
1.60
Tgen (°C)
Tev (°C)
Tmax (°C)
GUE/COPW
75
8
34.7
1.55
9
35.9
1.58
10
36.6
1.60
11
36.6
1.62
12
36.6
1.62
17
AHP: NaCl-H2O
Macchine a fiamma diretta A-W
DIN
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Pompa di calore a CO2
Uso della CO2 (R744) come fluido
refrigerante
CO2 sostanza naturale con basso
GWP (GWP=1)
Non infiammabile
Non tossica
Chimicamente
stabile
DIN
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18
Pompa di calore a CO2
Uso della CO2 (R744) come fluido
refrigerante
Parametri termodinamici critici
Pcr=7.38 MPa=73.8 bar
Tcr=30.98°C
Ciclo di lavoro trans-critico
DIN
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Pompa di calore a CO2
Ciclo di lavoro
SCOP
P condensazione =[100-150 bar]
T2=[80-130°C]
3
4
2
1
P evaporazione =[20-30 bar]
DIN
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19
Pompa di calore a CO2
Uso della CO2 (R744) come fluido
refrigerante
Tacqua
ritorno=40°C
Taria ext=-7°C
COP=23.9/11.171=2.14
DIN
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Pompa di calore a CO2
SCOP
3
4
2
1
Se la temperatura dell’acqua in ingresso anziché essere pari a 40°C fosse
pari a 15°C (come nel caso dell’ACS) il COP aumenterebbe!!!
DIN
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20
Pompa di calore a CO2
Abbassamento temperatura acqua di ritorno
Tacqua
ritorno=15°C
Taria ext=-7°C
COP=35/11.171=3.13 (+46%)
DIN
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Pompa di calore a CO2
Andamento temperatura lungo
scambiatore di produzione ACS
T
R134a
ACS
Ingresso
ACS
Uscita
ACS
Lunghezza
scambiatore
DIN
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21
Pompa di calore a CO2
Andamento temperatura lungo
scambiatore di produzione ACS
T
CO2
R134a
ACS
ACS
Ingresso
ACS
Uscita
ACS
Lunghezza
scambiatore
DIN
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Pompa di calore a CO2
Aumento della temperatura dell’aria esterna
Tacqua
ritorno=15°C
Taria ext=12°C
DIN
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COP=52.5/11.178=4.7
22
Pompa di calore a CO2
Come mantenere bassa la temperatura dell’acqua in
ingresso nella PdC: sola produzione ACS
DIN
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Pompa di calore a CO2
Come mantenere bassa la temperatura dell’acqua in
ingresso nella PdC: produzione ACS + radiatori
Tacqua
ritorno=15°C
Taria ext=12°C
DIN
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COP=52.5/11.178=4.7
23