sistemi energetici integrati per l`edilizia residenziale

SISTEMI ENERGETICI
INTEGRATI PER L’EDILIZIA
RESIDENZIALE
Enrico Fabrizio,
Fabrizio Ph.D.
Ph D
Università di Torino
[email protected]
29 April 2011
Introduzione
• Radiante e sistemi energetici. La guida alla
Climatizzazione radiante UPONOR
ROME
Baseboard
Heater
Heating Energy
Radiant Heating Energy
Electricity for Water Loops
Radiant Heating
Radiant Cooling
Electricity for humidification
Radiant Flo
oor
Radiant ffloor
Fresh Air Heating
Fresh Air Cooling and dehumidification
Electricity for air and water loops
0
20
40
60
80
100
120
kWh/m 2
10
20
30
40
50
60
70
Fresh Air Heating
Radiant Heating
Fresh Air Cooling and dehumidification
Radiant Cooling
Electricity for air and water loops
Electricity for humidification
80
Radiant ce
eiling
0
0
10
20
30
40
50
60
70
[kWh/m2y]
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80
Le caratteristiche della domanda
energetica nel residenziale
• Le utenze
• I livelli termici
• I salti termici
• Le quantità in gioco
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Le caratteristiche della domanda
energetica nel residenziale
• Le utenze:
― riscaldamento radiante;
― riscaldamento ad alta temperatura;
― produzione acqua calda sanitaria;
― raffrescamento radiante;
dell’aria
aria di ventilazione meccanica (recupero di
― trattamento dell
calore, riscaldamento, raffrescamento e deumidificazione);
― illuminazione artificiale, apparecchiature elettriche
I fabbisogni si riassumono in energia termica,
termica energia frigorifera ed
energia elettrica.
elettrica
Se in un
n edificio te
terziario
ia io q
questi
esti bisogni ene
energetici
getici vengono
engono soddisfatti
separatamente, nel residenziale – per le potenze in gioco, le
separatamente
necessità di manutenzione, ecc. – si tende a preferire soluzioni
integrate.
integrate
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Le caratteristiche della domanda di
energia termica
• I livelli termici (produzione e/o utilizzazione)
―
―
―
―
―
Energia
Energia
Energia
Energia
Energia
termica per riscaldamento radiante a 35 °C – 45 °C
termica per riscaldamento ad alta temperatura a 55 °C - 80 °C
termica per produzione di acqua calda sanitaria a 45 °C - 70 °C
frigorifera per raffrescamento radiante a 7 °C – 21 °C
frigorifera per deumidificazione meccanica dell’aria a 7 °C
• I salti termici
― al condensatore/evaporatore di una pompa di calore/macchina frigorifera
― ai terminali di impianto in ambiente (necessità
à o meno di disgiunzione
idraulica)
• Le quantità
à in gioco: in un edificio
df
ZEB
― Drastica riduzione della richiesta per riscaldamento ambientale
― Necessità di effettuare il recupero del calore di ventilazione
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Le soluzioni integrate
• A) Produzione di
• B) Produzione di
Acqua calda (riscaldamento)
Acqua calda sanitaria
Acqua calda (riscaldamento)
Acqua calda sanitaria
Acqua refrigerata (raffrescamento)
• C) Produzione di
Acqua calda (riscaldamento)
Acqua calda sanitaria
Elettricità
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Soluzioni integrate di tipo A : la
caldaia a condensazione
Caldaia
C
ld i murale
l a condensazione
d
i
a gas
naturale, modulante tra il 25 (6,5 kW) e il 100%
(26 kW) della potenza nominale (T 30 °C – 50
°C)
C).
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Soluzioni integrate di tipo A
• Sistemi con accumulo di calore ”multienergia”
g
p
per
lo sfruttamento ottimale delle fonti rinnovabili
• Accumulo di energia termica sotto forma
di acqua
• Circuiti idronici in ingresso (source side):
• Solare termico
• Caminetto/stufa
• Caldaia a gas
• Circuiti
C
idronici in uscita ((use side):
)
• Riscaldamento ad alta temperatura
• Riscaldamento a bassa/media
temperatura
• Acqua calda sanitaria
• Centralina di regolazione
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Soluzioni integrate di tipo A
• Sistemi con accumulo di calore ”multienergia”
• serpentini inseriti in alto collegati in parallelo per produzione ACS
• serpentini inseriti nelle posizioni intermedi ricevono energia da caldaie a comb. solido
• serpentini inseriti nelle posizioni basse ricevono energia da solare termico, pompe di
calore o recupero termico da gruppi frigoriferi
Diaframma interno
per accentuare la
stratificazione
t tifi
i
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Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi a pompa di calore reversibile (con
recupero di calore)
― Sulle piccole taglie
―Produzione di acqua calda, calda sanitaria e
refrigerata integrata; possibile integrazione di fonti
rinnovabili propriamente dette (Clivet GAIA)
― Sulle medie taglie
―Produzione dell’acqua
q
calda/refrigerata
/
g
attraverso
pompa di calore reversibile
―Produzione dell’acqua calda sanitaria attraverso
pompa di calore dedicata
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Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi a pompa di calore reversibile (Clivet GAIA)
Sezione frigorifera
Sezione idraulica
(accumulo e distribuzione)
Sezione di controllo
GAIA ARIA
Potenza termica nominale da 7,3kW a 16,3kW
Potenza termica (A-5°C, W35°C @100%): 6,8kW a 12,8kW
Potenza frigorifera nominale da 8,2kW a 17,7kW
GAIA ACQUA
Potenza termica nominale da 8,4 kW a 15,6 kW
Potenza frigorifera nominale da 9,3
9 3 kW a 17,2
17 2 kW
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Soluzioni integrate di tipo B
SCOP = 5,70 (Tw= 35°C)
SCOP = 4,72 (Tw= 45°C)
ESEER = 5,48
5 48 (Tw= 18
18°C)
C)
ESEER = 4,59 (Tw= 7°C)
• Clivet GAIA acqua, limiti di funzionamento
Raffreddamento
Riscaldamento
ACS
(3) Funzione “natural cooling”
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Soluzioni integrate di tipo B
SCOP = 3,76 (Tw= 35°C)
SCOP = 3,35 (Tw= 45°C)
ESEER = 5,23
5 23 (Tw= 18
18°C)
C)
ESEER = 4,02 (Tw= 7°C)
• Clivet GAIA aria, limiti di funzionamento
Raffreddamento
Riscaldamento
ACS
(5) + resistenza elettrica
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Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi a pompa di calore reversibile (Clivet GAIA)
― La parzializzazione dei carichi
T mandata fissa a 35 °C
C
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Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi a pompa di calore reversibile (Clivet GAIA)
― La parzializzazione dei carichi
T mandata fissa a 18 °C
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Soluzioni integrate di tipo B
• Pompe di calore reversibili a recupero totale
Operano durante tutto l´anno in
qualsiasi modalità operativa:
- a ciclo singolo (condizionamento,
riscaldamento, acqua sanitaria)
- a ciclo combinato (acqua sanitaria
insieme a condizionamento o
riscaldamento).
La produzione dell’acqua calda sanitaria
è garantita dallo scambiatore dedicato
per il recupero
p
p
totale o p
parziale del
calore, e accumulato in un serbatoio, di
capacità adeguata, per l’utilizzo
sanitario.
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Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi a pompa di calore reversibile sul
circuito
i
it ffrigorifero
i
if
Prestazioni in raffrescamento
T acqua condensatore 30 °C
T = 18 °C
C  P = 8,75
8 75 kWf EER = 7,48
7 48
T = 15 °C  P = 8,13 kWf EER = 7,01
T = 7 °C  P = 6,62 kWf EER = 5,86
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Prestazioni in riscaldamento
T acqua evaporatore 11 °C
T = 35 °C
C  P = 8 kWt COP = 6,30
6 30
T = 45 °C  P = 7,73 kWt COP = 5,11
T = 55 °C  P = 7,3 kWt COP = 3,82
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Soluzioni integrate di tipo B
• Produzione dell’acqua calda/refrigerata e ACS
attraverso sistemi VRV/VRF
Unità esterne
Circuito refrigerante
Unità ATW
Unità HWS
Circuito riscaldamento
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Circuito ACS
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Accumuli
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Soluzioni integrate di tipo B
• Produzione dell’acqua calda/refrigerata e ACS
attraverso sistemi VRV/VRF
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Soluzioni integrate di tipo B
• Impianti ibridi (idronici e ad espansione diretta)
Sc e a de
Schema
del ccircuito
cu o frigorifero
go e o de
del ssistema
s e a co
con modulo
odu o ATW pe
per la
ap
produzione
odu o e d
di
acqua calda a media/bassa temperatura ed acqua refrigerata
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Soluzioni integrate di tipo B
• Produzione dell’acqua calda/refrigerata e ACS attraverso sistemi
VRV/VRF
― Caratteristiche di funzionamento di un sistema formato da:
― Unità esterna condensata ad acqua
― Unità interna ATW (Air To Water)
Sys.
Model name
System PQHY1
P400YSHM-A
Product
image*1
Capacity(kW)
Qty
COP (kW/kW)*2
Power input (kW)
Rated
Corrected
Rated
Corrected
Rated
Corrected
Cooling
45.00
44.80
8.25
8.09
5.45
5.54
Heating
50.00
46.56
8.65
9.44
5.78
4.93
1
Conditions
Dimension(mm)
D.B.(deg
( g C)) W.B.(deg
( g C))
(deg C) Humidity(%)
u d y(%) Water inlet(deg
HXWXD
Cooling
35.0
-
-
30.0
Heating
7.0
6.0
87
13.0
1,160(1,100 without legs) x 880 x 550(P200)/1,160(1,100 without
legs) x 880 x 550(P200)
Produzione contemporanea di acqua calda e refrigerata con unità esterne a recupero
di calore
q
Unità esterne condensate ad aria o ad acqua
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Soluzioni integrate di tipo B
• Produzione dell’acqua calda/refrigerata e ACS
attraverso sistemi VRV/VRF
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Soluzioni integrate di tipo B
• Impianti ibridi (idronici e ad espansione diretta)
Sc e a de
Schema
del ccircuito
cu o frigorifero
go e o de
del ssistema
s e a co
con modulo
odu o HWS
S a due sstadi
ad pe
per la
a
produzione di acqua calda ad alta temperatura
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Soluzioni integrate di tipo B
• Produzione dell’acqua calda/refrigerata e ACS attraverso sistemi
VRV/VRF
― Caratteristiche di funzionamento di un sistema formato da:
― Unità esterna a recupero di calore condensata ad acqua
― Unità interne ATW (Air To Water) e HWS (Hot Water Supply)
HWS
Sys.
Model name
System PQRY1
P400YSHM-A
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Product
image 1
image*
Capacity(kW)
Qty
Power input (kW)
COP (kW/kW)*2
Rated
Corrected
Rated
Corrected
Rated
Cooling
45.00
44.80
8.25
4.3
5.45
Heating
50.00
46.56
8.65
9.44
5.78
1
Power input (kW)
Corrected
4.93
COP
Rated
Corrected
2.48
1,94
5,48
2.48
1,94
3,50
Conditions
Dimension(mm)
Net weight
D.B.(deg C) W.B.(deg C) Humidity(%) Water inlet(deg C)
HXWXD
(kg)
Cooling
35.0
-
-
30.0
Heating
7.0
6.0
87
13.0
1,160(1,100 without legs) x 880 x 550(P200)/1,160(1,100 without 195(P200)/195
legs) x 880 x 550(P200)
(P200)
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Soluzioni integrate di tipo B
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Soluzioni integrate di tipo B
Pt temperatura evaporatore 18 °C
Pt temperatura evaporatore 13 °C
COP temperatura
p
evaporatore
p
18 °C
COP temperatura
p
evaporatore
p
13 °C
50
8
45
7,5
40
7
35
6,5
30
6
25
5,5
20
5
15
4,5
10
4
5
3,5
0
3
20
25
30
35
40
45
50
55
CO
OP [-]
Pottenza termica erogata [kW]
• Produzione dell’acqua calda sanitaria attraverso
pompa di calore dedicata
― Utilizzo di un
refrigeratore di
liquido raffreddato
ad acqua,
q ,
funzionante
sempre in
modalità pompa
di calore; max
temperatura
acqua in uscita
condensatore 55
°C con R-410A)
60
Temperatura acqua in uscita condensatore [°C]
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Le peculiarità delle utenze di ACS
• Livelli termici (relativamente) elevati
• Ri
Richiesta
hi t ffortemente
t
t concentrata
t t nell tempo,
t
costante durante l’anno
• Problemi legati alla proliferazione della legionella
• Integrazione con una fonte rinnovabile termica
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Soluzioni integrate di tipo B
• La produzione dell
dell’acqua
acqua calda sanitaria
― In un edificio a bassissimo consumo la potenza
istantanea per produzione di ACS è molto maggiore
(> 2) della potenza termica di picco per
riscaldamento ambientale (ad es. 18 kW per 10 l/min
con T 15°-40°C)
15° 40°C)
― Nel caso di utilizzo di pompe di calore non è
pensabile una produzione istantanea, è
indispensabile disporre di un volume di accumulo
inerziale per attenuare i picchi di richiesta
― Il volume di accumulo consente anche di garantire
temperature adeguate lato utenza e lato pompa di
calore
29 April 2011
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28
Soluzioni integrate di tipo B
• La produzione dell’acqua calda sanitaria
― Accumulo di acqua di consumo e scambiatore
annegato
UTENZA
• Volume di accumulo dimensionato sulla
richiesta di ACS
• Un solo circolatore
circolatore, consumo elettrico
per ausiliari contenuto
POMPA
DI CALORE
• Il sistema scambiatore-bollitore deve
essere progettato per utilizzo con
pompa di calore
• Rischio di proliferazione della legionella
 resistenza elettrica programmabile
• Necessità di mantenere un salto termico
tra M e R del condensatore della PdC
sufficiente (8 °C)
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ACQUEDOTTO
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Soluzioni integrate di tipo B
• La produzione dell’acqua calda sanitaria
― Accumulo di acqua tecnica e scambiatore per
produzione istantanea di ACS
UTENZA
• Volume di accumulo maggiore
(accumulo scarico a 42 °C !), fino a
1000 litri per applicazioni particolari (es.
vasche idromassaggio) ma a costi
minori
• Due circolatori, aumento del consumo
elettrico per ausiliari
POMPA
DI CALORE
• Nessun rischio di proliferazione della
legionella possibilità di funzionamento
legionella,
della PdC a ”basse” temperature
ACQUEDOTTO
29 April 2011
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30
Soluzioni integrate di tipo B
• La produzione dell’acqua calda sanitaria
― Accumulo di acqua tecnica e scambiatore per
produzione istantanea di ACS
UTENZA
POMPA
DI CALORE
ACQUEDOTTO
29 April 2011
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31
Soluzioni integrate di tipo B
• La produzione dell’acqua calda sanitaria
― Accumulo di acqua di consumo e scambiatore esterno
UTENZA
per carica dell’accumulo
• Volume di accumulo dimensionato sulla
richiesta di ACS
• Due circolatori
circolatori, consumo elettrico per
ausiliari maggiore
POMPA
DI CALORE
• Effetto pistone dell’acqua fredda
all’interno dell’accumulo, che si scarica
in maniera efficiente
• Rischio di p
proliferazione della legionella
g
 resistenza elettrica programmabile
ACQUEDOTTO
29 April 2011
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32
Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi di ventilazione a recupero termodinamico
dell’energia
Filtro aria esterna
Scambiatore
DX aria
ingresso
Ventilatore di
ripresa
Ventilatore di
mandata
• Funzionamento in free cooling
g nelle
mezze stagioni
• Copertura del carico di ventilazione e di
parte del carico termico ambiente
29 April 2011
Scambiatore
DX aria
espulsione
Q d elettrico
Quadro
l tt i
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Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi di ventilazione a recupero termodinamico dell’energia
RAFFRESCAMENTO
Potenzialità frigorifera
kW
Potenza assorbita compressori
kW
Potenza assorbita totale
kW
EER
RISCALDAMENTO
Potenzialità termica
kW
Potenza assorbita compressori
kW
Potenza assorbita totale
kW
COP
Portata aria
Livello pressione sonora (1m)
l/s
dB(A)
Problema di bilanciamento delle portate d’aria !
(condizione per cui < - 5 °C; deumidificazione estiva)
29 April 2011
E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale
34
1,56
0 48
0,48
0,52
3,00
1.82
0,38
0 42
0,42
4,33
54
39
Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi di ventilazione a recupero termodinamico dell’energia
A COP/EER
B Temperatura di set point
Modulazione
della portata
29 April 2011
C Temperatura aria di mandata in ambiente
Free
cooling
E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale
Modulazione
della portata
35
Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi di ventilazione a recupero termodinamico
d ll’
dell’energia:
i l’Aggregato
l’A
t compatto
tt di una
Passivhaus
29 April 2011
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36
Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi di ventilazione a recupero termodinamico
d ll’
dell’energia:
i l’Aggregato
l’A
t compatto
tt di una
Passivhaus
scambiatore
geotermico
Recuperatore di
calore aria-aria
Aria di
rinnovo
ripresa aria
Aria
espulsa
mandata aria
micro-pompa
di calore
impianto solare
termico
(opzionale)
acqua fredda
29 April 2011
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37
Soluzioni integrate di tipo B
• Sistemi di ventilazione a recupero termodinamico
d ll’
dell’energia:
i l’Aggregato
l’A
t compatto
tt di una
Passivhaus
The “classical”
classical compact heat pump
unit combines heating,
ventilation and hot water generation
in one easy to handle
unit; everything revolves around air:
it acts as the transporting
medium for the heating and at the
same time serves as the
source of heat (on the exhaust air
side)) for the heat pump.
p p
An Energy balance can show
whether such a compact unit is
adequate for heating a building.
29 April 2011
E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale
38
Soluzioni integrate di tipo B
• Produzione dell
dell’acqua
acqua calda sanitaria attraverso
recupero termodinamico sull’aria espulsa
Bilanciamento delle portate !
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39
Soluzioni integrate di tipo C : la
microcogenerazione (MCHP)
Acqua calda (riscaldamento)
• C) Produzione di
Acqua calda sanitaria
Elett icità
Elettricità
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40
Soluzioni integrate di tipo C : la
microcogenerazione (MCHP)
• Generazione elettrica
elettrica-termica
termica domestica basata
su motore Stirling
― Motore a combustione esterna
― Motore a ciclo chiuso con fluido operante
aria/azoto/elio/idrogeno
― La differenza di temperatura tra sorgente e pozzo
termico innesca una pulsazione ciclica trasformata in
moto alternato
― Alto rendimento termodinamico
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41
Soluzioni integrate di tipo C : la
microcogenerazione (MCHP)
80
Cicli ibridi con FC + turbina a
gas (Cap. 5.6)
Celle a combustibile
(Cap.5)
60
50
SO F
40
PEM
Mot.
Stirling
(Cap. 3)
30
C
F
PA
C
MCF
C
20
Micro-turbine a gas
(Cap. 4)
10
TPV
(Cap. 6)
0
1
10
90
100
1000
Celle a combustibile MCFC e
SOFC
80
Celle a combustibile ad acido
fosforico e PEM
70
60
Motori a combustione
interna
50
40
Micro-turbine a
gas
30
Motori Stirling
Sistemi TPV
20
10
0
0
Cicli ibridi con celle a combustibile +
turbina a gas
100
Ren
ndimento e
elettrico, %
Rendim
mento eletttrico, %
70
0
10
20
30
40
50
60
80
Rendimento termico, %
Taglia impianto [kW]
29 April 2011
70
E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale
42
90 100
Soluzioni integrate di tipo C : la
microcogenerazione (MCHP)
• Generazione elettrica
elettrica-termica
termica domestica basata
su motore Stirling
• silenziosità
• combustione esterna continua
(minori emissioni) ed a pressione
ambiente
bi
• possibilità di utilizzo di calore di
sca to
scarto
• e max 24 %
• tot max 92%
• modulazione fino al 20% della
potenza max
29 April 2011
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Soluzioni integrate di tipo C : la
microcogenerazione (MCHP)
• Dispositivi di MCHP riducono sicuramente il consumo
di energia primaria; la riduzione è meno sensibile per
i motori Stirling per un basso rapporto
elettrico/termico;
• I risparmi economici sono legati al tempo di
funzionamento annuale;
• Il PBP dell’investimento dipende dalla tariffa di feed-in
( l
(almeno
parii a 0
0,12
12 €/kWh)
• In edifici molto isolati è necessario utilizzare MCHP
con più
iù elevato
l
t rapporto
t elettrico/termico
l tt i /t
i
29 April 2011
E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale
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Conclusioni
• I sistemi di climatizzazione radiante consentono di sfruttare
una vasta gamma di sistemi energetici integrati.
• Non vi sono sistemi integrati preferibili ad altri....
• ...l’adozione
l’ d i
di uno di essii deve
d
esser basata
b
sulla
ll
valutazione:
― delle fonti di energia presenti nel sito (sorgenti/pozzi
termici che è possibile utilizzare)
― dei livelli termici delle utenze
― delle caratteristiche delle utenze (stima dei consumi)
• Rispetto ai generatori di calore a combustione le pompe di
calore sono molto sensibili ai livelli termici (non solo in
funzionamento invernale, anche in funzionamento estivo).
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E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale
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