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] 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 2 80 Le caratteristiche della domanda energetica nel residenziale • Le utenze • I livelli termici • I salti termici • Le quantità in gioco 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 3 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 4 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 5 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 6 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). 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 7 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 8 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 9 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 10 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 11 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” 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 12 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 13 Soluzioni integrate di tipo B • Sistemi a pompa di calore reversibile (Clivet GAIA) ― La parzializzazione dei carichi T mandata fissa a 35 °C C 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 14 Soluzioni integrate di tipo B • Sistemi a pompa di calore reversibile (Clivet GAIA) ― La parzializzazione dei carichi T mandata fissa a 18 °C 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 15 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. 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 16 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 29 April 2011 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 17 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 29 April 2011 Circuito ACS E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale Accumuli 18 Soluzioni integrate di tipo B • Produzione dell’acqua calda/refrigerata e ACS attraverso sistemi VRV/VRF 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 19 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 20 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 21 Soluzioni integrate di tipo B • Produzione dell’acqua calda/refrigerata e ACS attraverso sistemi VRV/VRF 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 22 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 23 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 29 April 2011 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) E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 24 Soluzioni integrate di tipo B 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 25 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] 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 26 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 27 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 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) 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale ACQUEDOTTO 29 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 33 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 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 ! 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 39 Soluzioni integrate di tipo C : la microcogenerazione (MCHP) Acqua calda (riscaldamento) • C) Produzione di Acqua calda sanitaria Elett icità Elettricità 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 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 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 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 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 43 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 44 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). 29 April 2011 E. Fabrizio, Sistemi energetici integrati per l’edilizia residenziale 45