Generatori di calore: Pompe di Calore e Caldaie

Università IUAV di Venezia, Efficienza Energetica e Sostenibilità – Magistrale Architettura e Innovazione
Generatori di calore:
Pompe di Calore e Caldaie
Fabio Peron
Università IUAV - Venezia
Gli impianti di climatizzazione
I tre obiettivi di un impianto di climatizzazione sono:
• comfort termico:
• comfort igrometrico:
• qualità dell’aria:
ta tmr tale da garantire benessere
URa tale da garantire benessere
concentrazioni di inquinanti da assicurare condizioni di vivibilità
Le azioni dell’impianto corrispondenti sono:
• fornitura o sottrazione calore (controllo temperatura)
• fornitura o sottrazione vapore d’acqua (controllo umidità)
• fornitura di aria pulita e/o filtraggio (controllo IAQ)
Generatori di calore: la caldaia
Tipologie di caldaie
I generatori di calore possono essere classificati come:
• Atmosferiche
• Pressurizzati
• Stagni
• Non condensanti (acqua prodotta di solito a 70-80°C)
• A condensazione (acqua prodotta di solito a 40-50°C)
• A temperatura scorrevole
• A basamento
• Murale
• Gruppi termici
Generatori di calore: la caldaia
I generatori di calore più
usuali sono le caldaie. In
esse un combustibile
solido, liquido o gassoso
viene fatto reagire con
l’ossigeno contenuto
nell’aria atmosferica. Da
tale reazione chimica di
ossidazione viene prodotto
calore e prodotti gassosi di
combustione (fumi)
Generatori di calore: la caldaia
Si dice combustione qualunque reazione
chimica nella quale un combustibile (“sostanza
ossidabile” o riducente) reagisce con un
comburente (“sostanza ossidante”), liberando
energia. Si tratta di una reazione
esotermica, che libera calore perché i
reagenti possiedono più energia dei prodotti
di reazione.
riducente
ossidante
CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O + calore
combustibile
comburente
prodotti
Caldaia: rendimento
PN = Potenza utile no min ale della caldaia
Q& S = Potenza dispersa dal rivestimen to
Q& A = Potenza dispersa dai fumi
Q& = Potenza al focolare = P ⋅ B
N
c
B = portata oraria di combustibi le [ m 3 / h ][ kg / h ] [ l / h ]
Pc = potere calorifero del combustibi le [ kJ / m 3 ] [ kJ / kg ] [ kJ / l ]
Q& N
η = &
Q
Br
Caldaia: rendimento
Caldaia: rendimento
La caldaia: rendimento
Un combustibile è
caratterizzato da potere
calorifico inferiore e
superiore
Una parte dell’energia che si
sprigiona dalla reazione
chimica viene immagazzinata
nel vapore d’acqua
Generatori: caldaie a condensazione
Generatori: caldaie a condensazione
Università IUAV Environmental Building Physics – prof. Fabio Peron
Caldaia: rendimento
Generatori: caldaie a condensazione
Università IUAV Environmental Building Physics – prof. Fabio Peron
Caldaie a condensazione
Università IUAV Environmental Building Physics – prof. Fabio Peron
Generatori: caldaie a biomassa
Generatori: caldaie a biomassa
Università IUAV Environmental Building Physics – prof. Fabio Peron
La caldaia a biomassa
La caldaia a biomassa
Pompe di calore
Come generatori di calore si
possono utilizzare anche le pompe
di calore. Le quali operano secondo
un ciclo termodinamico inverso. Si
utilizza come sorgente fredda
l’atmosfera, l’acqua di un fiume o
di un lago o del mare, oppure il
terreno.
Pompa di calore
Pompe di calore
Pompa di calore
Pompa
di calore:
tipologia
di sorgente
Pompe di calore aria-aria
Pompa di calore aria-aria
Università IUAV Environmental Building Physics – prof. Fabio Peron
Pompe di calore aria-acqua
La pompa di calore geotermica
Pompa di calore: vantaggi
Pompa di calore: COP coefficente di performance
COPPdC
Q& C
= &
W
Pompa di calore: COP coefficente di performance
&
Q
C
condensatore
&
W
organo di
laminazione
evaporatore
&
Q
F
Potenza
COP
COPPdC
PdC ,Re v
Q& C
= &
W
Energia
SCOPPdC
QC
=
L
Q& C
Q& C
TC
1
=
=
=
=
T
W&
TC − TF
Q& C − Q& F
1− F
Tc
COP e temperatura di funzionamento
L’efficienza di una pompa di calore dipende
dalle temperature di funzionamento.
Il valore del COP riportato dai costruttori
viene definito in base alla norma EN 255,
secondo cui l’energia consumata da inserire
nel calcolo include l’energia elettrica
necessaria al funzionamento del ventilatore o
dei ventilatori e delle pompe per la
movimentazione dei fluidi attraverso gli
scambiatori di calore.
I valori indicativi del COP di pompe di calore
sono 3.0 per le pompe di calore aria-acqua
(presa d’aria a 2°C e fornitura di acqua a
35°C) 4.0 per pompe a sonda geotermica
(sonda a 0°C e fornitura di acqua a 35°C), e
4,5 per pompe acqua-acqua (acqua di
prelievo a 10°C e fornitura di acqua a 35°C).
Temperatura di
serbatoio caldo Th= 60°C
5
Piccole unità domestiche
Teorico massimo (Carnot)
10
Unità commerciali/residenziali ad alta efficienza
15
Grandi pompe di calore elettriche moderne
Coefficiente di prestazione COPh [-]
COP e temperatura di funzionamento
Valori di COPh
conseguibili nella pratica
0
20
30
40
50
60
Università IUAV di Venezia, Efficienza Energetica e Sostenibilità – Magistrale Architettura e Innovazione
Innalzamento di temperatura [°C]
(sorgente fredda
serbatoio caldo)
Produzione e distribuzione di freddo
Fabio Peron
Università IUAV - Venezia
Università IUAV Environmental Building Physics – prof. Fabio Peron
Sistemi di raffrescamento
Tipologie di sistemi
Sistemi di raffrescamento: espansione diretta
Sistemi split
Split significa dividere
ossia separare il
condensatore
dall’evaporatore
I generatori di freddo: cicli a compressione
Nella produzione di freddo si utilizzano impianti frigoriferi a compressione di
vapori oppure ad assorbimento. Molto più diffusi sono i cicli a compressione di
vapori. In genere i cicli frigo sono utilizzati per produrre acqua fredda – 5-8°C.
La macchina è costituita da:
•
•
I generatori di freddo:
il chiller
il chiller, ossia il produttore
di acqua refrigerata, è un
oggetto ingombrante e
rumoroso che l’architetto
non può piazzare a caso,
all’ultimo momento
evaporatore, compressore,
condensatore, espansore
Frigorifero: EER coefficente di performance
&
Q
C
condensatore
&
W
organo di
laminazione
evaporatore
&
Q
F
Q& F
EER = &
W
Potenza
EER
,Re v
Energia
SEER =
QF
L
Q& F
Q& F
TF
1
=
=
=
=
TC
W&
TC − TF
Q& C − Q& F
−1
TF
Pompa di calore:
SCOP, SEER
e classe energetica
Pompa di calore: COP
Pompa di calore: COP
Pompa di calore: COP
generatori di calore
e elettricità: cogenerazione
Fabio Peron
Università IUAV - Venezia
Produzione combinata di calore e elettricità
Nella produzione di energia elettrica con cicli diretti a vapore o gas in turbine o in motori
altenativi, si ha come sottoprodotto calore da smaltire a bassa temperatura. Questo
può essere utilizzato nel riscaldamento di processo nell’industria o nel riscaldamento
degli edifici. In questo modo si aumenta notevolmente l’efficienza globale e si parla di
cogenerazione. Si ha un risparmio dal 60% al 100% di combustibili fossili.
Uno dei limiti di questo tipo di produzione di energia è la necessità di un consumo
contemporaneo di calore e energia elettrica. E’ necessario avere nello stesso edificio o
a breve distanza sia l’utilizzatore di calore che quello di elettricità. L’industria (carta,
acciaio, alimentare), gli alberghi, gli ospedali o l’aggregazione di un produttore di
elettricità e un quartiere residenziale sono dei possibili esempi di applicazione.
Un ulteriore problema è legato al fatto che l’utilizzo di calore deve essere presente
durante tutto il corso dell’anno. Negli ultimi anni si sono messi a punti sistemi che nel
periodo estivo utilizzano il calore per far funzionari gruppi di refrigerazione ad
assorbimento. Realizzando la cosiddetta trigenerazione.
La cogenerazione
Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica
con ingombri limitati
La cogenerazione
Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica
porta a minori perdite
Un esempio storico: il TOTEM (Total Energy Module)
Nell’ambito delle piccole taglie una delle
primissime realizzazioni di piccoli sistemi di
cogenerazione si deve alla FIAT alla fine
degli anni ’70. Si tratta del TOTEM (TOTal
Energy Module).
Basato sul diffusissimo motore 903 4 cilindri
ad aste e bilancieri che equipaggiava una
serie di vetture dalla 127 all’A112.
Il sistema viene fatto lavorare al regime di
rotazione di 3000 rpm con produzione di una
potenza elettrica di 15 kW.
Cogenerazione di grossa taglia a scala industriale
Si hanno a disposizione diversi tipi di
motori alternativi dual fuel (gas e
gasolio)
La microcogenerazione: un esempio dall’Inghilterra
Microcogenerazione a scala di edificio
Microcogenerazione a scala di edificio
Combustibile:
gas metano o idrogeno con reforming
motori Stirling, microturbine, celle a combustibile
Teleriscaldamento e
teleraffreddamento
Fabio Peron
Università IUAV - Venezia
Il teleriscaldamento
Si ha una produzione
centralizzata di energia. E
una rete di tubazioni in cui
scorre acqua calda
portandola alle utenze.
Non si ha bisogno di avere
caldaie, bruciatori, serbatoi
per il combustibile e canne
fumarie. Minor rischio di
incendio e esplosioni
Si può avere una
produzione centralizzata
anche di „freddo“ La rete
di tubazioni in cui scorre
acqua refrigerata arriva
alle utenze senza bisogno
di avere split e chiller sul
posto.
Il teleriscaldamento:
Minore impatto grazie a minori emissioni
per unità di energia prodotta
Maggiore efficienza nell‘utilizzo delle
fonti fossili
Maggiore sicurezza degli impianti
Possibilità di utilizzo di fonti rinnovabili
Viene fornito al cittadino un servizio e
non una materia prima da trasformare
Cogenerazione di energia termica e
energia elettrica
Il teleriscaldamento in Italia
Direttiva 2012/27/UE: Teleriscaldamento alta efficienza
• 50% energia rinnovabile
• 50% calore di recupero
• 75% calore cogenerato
• almeno 50% combinazione di queste forme di energia
Emerge la necessità di pensare a sistemi integrati in rete
Il teleriscaldamento: la rete
Gruppo pompe centrale teleriscaldamento Ferrara.
Il teleriscaldamento: la rete
Il teleriscaldamento: sottocentrali e scambiatori
Nella centrale termica dell‘utenza si ha uno scambiatore
di calore compatto, quasi sempre del tipo a piastre.
Il teleriscaldamento: scambiatori
Nella centrale termica dell‘utenza si ha
uno scambiatore di calore. Quasi sempre
a piastre in quanto molto compatto.
Centrale Teleriscaldamento
particolare di collegamento dell’impianto solare allo scambiatore
sanitario dell’azienda AGSM di Verona Spa
La sottocentrale: scambiatore; filtro; valvola di regolazione;
valvola di intercettazione; sfiati; pozzetti di ispezione; scarichi