Pompe di calore - ENEA (Bologna)

Le POMPE di
CALORE
In natura il calore fluisce da un
corpo più caldo ad un corpo più
freddo
CORPO CALDO
CALORE
CORPO FREDDO
E’ possibile trasferire calore da
un corpo più freddo ad uno più
caldo solo cedendo lavoro al
sistema
CORPO CALDO
CALORE
CORPO FREDDO
Nei gruppi frigoriferi il lavoro
meccanico viene fornito dal
compressore
CALORE
CORPO CALDO
CONDENSATORE
LAVORO
ENERGIA
CALORE
EVAPORATORE
CORPO FREDDO
Non c’è alcuna differenza tra
una Pompa di Calore ed un
chiller:
dipende solo dal punto di
osservazione
CONDENSATORE
EVAPORATORE
CHILLER
POMPA
CONDENSATORE
di
CALORE
EVAPORATORE
SORGENTE CALDA TH
CALORE
POMPE
di
ENERGIA
TH
TH - TL
CALORE
COP CARNOT
LAVORO
CALORE
CONDENSATORE
EVAPORATORE
SORGENTE FREDDA TL
POMPE di CALORE e energia
rinnovabile
QC
Energia fornita
=
COP =
L Energia assorbita
QC = Qren + L
POMPE di CALORE e energia
rinnovabile
QC = Qren + L
Energia sottratta dalla
sorgente fredda
(rinnovabile)
Lavoro = Energia
elettrica spesa per il
compressore
POMPE di CALORE e energia
rinnovabile
QC = Qren + L
Rendimento
produzione = 0,46
Lavoro = Energia
elettrica spesa per il
compressore
POMPE di CALORE e energia
rinnovabile
ENERGIA RINNOVABLE ≈ QC − 2 L
Quota di energia
rinnovabile
POMPE di CALORE a motore
SORGENTI TERMICHE
Le sorgenti termiche di una pompa di
calore sono:
- ARIA
- ACQUA
di mare
di lago
di fiume
di falda
- SORGENTI GEOTERMICHE
DIFFERENZE
Le pompe di calore ad acqua hanno
prestazioni migliori per:
- scambiatori più efficienti
- sorgente fredda a temperatura costante
- non devono sbrinare
- nessun organo di inversione del ciclo
EVAPORAZIONE ACQUA
L’inversione è fatta sull’impianto
ESTATE
CONDENSATORE
EVAPORATORE
SORGENTE
ESTATE
IMPIANTO
EVAPORAZIONE ACQUA
L’inversione è fatta sull’impianto
INVERNO
CONDENSATORE
EVAPORATORE
INVERNO
SORGENTE
IMPIANTO
EFFICIENZA
EVAPORAZIONE ad ACQUA
8
temperatura uscita
condensatore = 30°C
7
6
COP
temperatura uscita
condensatore = 35°C
5
temperatura uscita
condensatore = 45°C
4
3
-5
0
5
10
TEMPERATURA USCITA EVAPORATORE
15
SCAMBIATORI A TERRENO
ORIZZONTALI
SCAMBIATORI A TERRENO
VERTICALI
EVAPORAZIONE ARIA
Si inverte il ciclo frigorifero
ESTATE
CONDENSATORE
EVAPORATORE
SORGENTE
ESTATE
IMPIANTO
EVAPORAZIONE ARIA
Si inverte il ciclo frigorifero
INVERNO
EVAPORATORE
CONDENSATORE
INVERNO
SORGENTE
IMPIANTO
EVAPORAZIONE ARIA
Per permettere l’inversione di ciclo
servono:
- valvola d’inversione a quattro vie
- ricevitori di liquido
- separatori dell’olio
AUMENTANO LE PERDITE DI CARICO
DIMINUISCE L’EFFICIENZA
EVAPORAZIONE ARIA
La temperatura di evaporazione dipende
dalla temperatura e dall’Umidità
Relativa dell’aria
A parità di temperatura dell’aria, la
temperatura di evaporazione è tanto
maggiore quanto più alta è l’umidità
relativa
EVAPORAZIONE ARIA
L’efficienza è tanto maggiore
quanto maggiore è l’umidità
relativa
Ciò è vero fino a quando non si
abbia formazione di ghiaccio
sulla batteria
FORMAZIONE DI BRINA
Perché si formi brina sulla batteria
evaporante si devono verificare due
condizioni:
• Temperatura superficiale della batteria
minore di 0°C
• Formazione di un gradiente di umidità
assoluta Δx
TEMPERATURA SUPERFICIALE
della BATTERIA
La temperatura superficiale della batteria
dipende da:
• Geometria e dimensioni della batteria
• Temperatura e umidità relativa dell’aria
• Carico del circuito frigorifero (se pieno o
parzializzato)
TEMPERATURA SUPERFICIALE
della BATTERIA
TEMP. SUPERFICIALE BATTERIA
[°C]
PIENO CARICO
CARICO 50%
10
10
5
5
UR<50%
UR=60%
UR=70%
UR=80%
UR=90%
UR=100%
0
-5
-10
0
-5
-10
-15
-15
-10 -5
0
5
10 15
TEMPERATURA ARIA [°C]
-10
-5
0
5
10
TEMPERATURA ARIA [°C]
15
IL SALTO ENTALPICO E’ MAGGIORE
CON UR PIU’ ALTA
9
7
8
7
6
CARICO 50%
6
5
5
4
4
Δx=2,5
3
2
3
2
Δx=0
1
1
0
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
TEMPERATURA- TEMPERATURE [°C]
8
10
12
UMIDITA' AS S O LUTA [g/k g]
MO IS TURE C O NTENT [g/k g]
8
SALTO ENTALPICO a
PIENO CARICO
AREE DI FORMAZIONE DELLA BRINA
7
8
7
6
6
5
5
4
50% del CARICO
4
3
3
A PIENO CARICO
2
2
1
1
0
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
TEMPERATURA- TEMPERATURE [°C]
8
10
12
UMIDITA' AS S O LUTA [g/k g]
MO IS TURE C O NTENT [g/k g]
8
9
PRESSIONE EVAPORAZIONE
CONSEGUENZE DELLA
FORMAZIONE DI BRINA
BATTERIA PULITA
BATTERIA BRINATA
TEMPO
BILANCIO ENERGETICO FASI DI
SBRINAMENTO
Energia ceduta all’impianto
TEMPO
Energia sottratta all’impianto nelle fasi di
sbrinamento
Conseguenze dello
sbrinamento
• Perdita energia 10% per ogni ciclo
• Abbassamento temperatura acqua
impianto
• Usura compressori
EFFICIENZA
U.R. = 90%
4,0
COP
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
-10
-5
0
5
10
TEMPERATURA ARIA [°C]
SistemaTradizionale
Sistema Dinamico
15
EFFICIENZA
U.R. = 70%
4,0
COP
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
-10
-5
0
5
10
TEMPERATURA ARIA [°C]
SistemaTradizionale
Sistema Dinamico
15
EFFICIENZA
U.R. < = 50%
4,0
COP
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
-10
-5
0
5
10
TEMPERATURA ARIA [°C]
SistemaTradizionale
Sistema Dinamico
15
IMPATTO AMBIENTALE
2 PROBLEMI
BUCO OZONO
EFFETTO SERRA
BUCO NELL’OZONO
Per la CLIMATIZZAZIONE
è un problema SUPERATO
I nuovi refrigeranti, R134a, R407c
R410a hanno un ODP (Ozone
Depletion Potential) nullo
EFFETTO SERRA
La Conferenza di Kyoto ha dimostrato
che la vera emergenza è l’
EFFETTO SERRA
Misurabile tramite una quantità
equivalente di CO2 emessa in atmosfera
EFFETTO SERRA
Per un impianto di climatizzazione
l’indice che misura le emissioni di CO2
in atmosfera è il
T otal
E quivalent
W arming
I ndex
TEWI = D G W + I G W
DGW = Direct Global Warming
Misura le emissioni dirette di CO2 per
fuoriuscita di gas serra (perdite di
refrigerante dal circuito)
IGW = Indirect Global Warming
Misura le emissioni di CO2 dovute alla
produzione di energia (consumo di
energia elettrica o metano)
DGW
Dipende dal tipo di refrigerante e
dalla quantità dispersa in ambiente
annualmente
Disperdere 1 kg di refrigerante
equivale ad emettere 1300 kg di CO2
La perdita si può limitare al 5% della
carica (ordine di grandezza di qualche
kg)
IGW
Dipende dall’efficienza del gruppo
frigorifero e delle centrali di
produzione dell’energia elettrica
Per una caldaia dipende dal
rendimento e dal combustibile
bruciato
IGW
0,12
Pompa di Calore - COP = 5
0,15
Pompa di Calore - COP = 4
0,2
Pompa di Calore - COP = 3
0,24
Pompa di Calore - COP = 2,5
0,23
Caldaia metano - ren = 90%
0,26
Caldaia metano - ren = 80%
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
IGW specifico [kG CO2/ kWh termico]
0,3
CALCOLO TEWI 15 ANNI
Palazzo per uffici a Milano
Potenza termica: 200 kW
Potenza frigorifera : 200 kW
Ore funzionamento inverno: 1200
Ore funzionamento estate: 1000
Energia termica fornita: 120000 kWh
Energia frig. fornita: 100000 kWh
922
CALCOLO TEWI 15 ANNI
Ass. Ammoniaca
Assorbitore LiBr
787
699
PdC gas
779
Chiller + Caldaia
PdC aria
685
476
PdC acqua
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
TEWI [ton CO2]
DWG
IWG
CALCOLO TEWI 15 ANNI18%
Ass. Ammoniaca
1%
Assorbitore LiBr
PdC gas
-10%
PdC aria
-12%
PdC acqua
-39%
Chiller + Caldaia
-50%
0%
-40%
-30%
-20%
-10%
TEWI
0%
10%
20%
Pompe di calore e energia solare
Pompe di calore e energia solare
Pompe di calore e energia solare