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