Le pompe di calore…

Programma della giornata:mattina
Impianti di climatizzazione alimentati da Fonti energetiche rinnovabili
Le pompe di calore elettriche reversibili
•riscaldamento invernale
•condizionamento estivo
PDC: una soluzione consolidata in continua evoluzione
L’influenza della temperatura delle sorgenti sulle prestazioni della PDC
Le condizioni di progetto di un impianto di climatizzazione
Dimensionamento e criteri di progettazione degli impianti idronici:
•reti idroniche
•i terminali d’impianto
•Stima dei carichi totali di raffreddamento (esempi)
Dimensionamento e criteri di progettazione degli impianti aeraulici:
•reti di distribuzione dell’aria
•i terminali di immissione dell’aria
•Stima dei carichi totali di raffreddamento e delle portate d’aria (esempi)
STRATEGIA MIGLIORAMENTO PRESTAZIONI ENERGETICHE DEL SISTEMA EDIFICIO - IMPIANTO
FONTE: http://www.gruppopls.com/certificazione_energetica.htm
Sistemi di riscaldamento e raffrescamento basati su
fonti rinnovabili di energia
Ci sono tre sistemi di conversione che producono calore:
• Assorbimento dell’energia solare per produrre acqua calda – solare
termico;
• Concentrazione del calore presente nel suolo, nell’acqua, nell’aria –
pompe di calore;
• Combustione di biomasse, quali legna e pellets – biomassa.
Tutti questi sistemi possono essere incorporati nelle proprie abitazioni, e possono
soddisfare, in parte o totalmente, le esigenze di riscaldamento. La scelta del sistema
dipenderà dal tipo di abitazione, dal suo orientamento e dalla sua dislocazione. E’
sempre economicamente vantaggioso ridurre il consumo di calore prima di prendere in
considerazione la possibilità di installare nuovi sistemi di riscaldamento. Ciò ti
assicurerà del fatto che sia possibile installare il più piccolo sistema di riscaldamento
possibile, che avrà sia un costo iniziale minore che minori costi di gestione.
I generatori di calore assistiti da Fonti Energetiche
Rinnovabili (FER)
Di seguito i “generatori di calore” che utilizzano FER:
I Pannelli solari
termici
Le pompe di
calore
Le caldaie a
biomassa
TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORE:
• A COMPRESSIONE
- Elettriche in cui il compressore è azionato da motore elettrico
- A gas in cui il compressore è azionato da un motore a gas
• AD ASSORBIMENTO
- Le pompe di calore ad assorbimento, analogamente agli impianti
frigoriferi ad assorbimento, sfruttano la solubilità e l’elevata affinità
tra due sostanze, di cui una funziona da refrigerante e l’altra da
assorbente, per realizzare un ciclo dove l ’ energia introdotta è
prevalentemente termica. Il lavoro meccanico della pompa è infatti
pari a circa l’1% del calore introdotto nel generatore.
• AD ADSORBIMENTO
- Il funzionamento di questi sistemi è basato sulla capacità di alcuni
solidi porosi (es. zeoliti, gel di silice, ecc.) di assorbire reversibilmente
vapori non dannosi per l’ambiente (es. acqua).
Le pompe di calore…elettriche
La Fonte Energetica Rinnovabile (FER) è l’aria, l’acqua, il terreno!!
Le pompe di calore che sfruttano l’aria
come fonte di calore, possono essere
montate su un muro esterno di una casa o
in giardino. Le pompe di calore possono
essere reversibili, in grado di riscaldare gli
ambienti durante il periodo invernale e di
raffrescarli durante il periodo estivo.
LA POMPA DI CALORE A COMPRESSIONE elettrica:
•
•
-
È una macchina che consente di trasferire energia termica
Da un corpo a bassa temperatura (sorgente fredda)
Ad un corpo a temperatura maggiore (sorgente calda)
Per effettuare questo trasferimento è necessario spendere, in alternativa:
energia meccanica (elettrica), che viene trasformata in calore
POMPA DI CALORE E SORGENTI TERMICHE:
http://www.dimplex.de/it/addetti-ai-lavori/la-tecnica-alla-portata-di-tutti/pompe-di-calore/la-tecnica-alla-portata-di-tutti-pompa-di-calore.html
COP: COEFFICIENT OF PERFORMANCE della Pompa di calore
Se la macchina a ciclo diretto riceve la quantità di
calore Q1 dalla sorgente a temperatura T1 e cede la
quantità di calore Q0 alla sorgente a temperatura T0,
trasformando in lavoro la quantità L=Q1-Q0, la
macchina inversa riceve il lavoro L, sottrae la
quantità di calore Q0 dalla sorgente a temperatura
più bassa, trasferendo la quantità di calore Q1=L+Q0
alla sorgente a temperatura più alta. Nel caso della
pompa di calore, il risultato che interessa è la
quantità di calore ottenuta dalla sorgente a più alta
temperatura. Il comportamento della pompa di
calore è allora qualificato dal coefficiente di effetto
utile o COP:
Es. T0=0°C e T1=40°C
POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO INVERNALE
POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO ESTIVO
UNA SOLUZIONE CONSOLIDATA IN CONTINUA EVOLUZIONE
http://www.ntb.ch/ies/competences/heat-pump-test-center-wpz.html?L=1
Sono in corso attività di Ricerca e Sviluppo
(R&S) sulla tecnologia a pompa di calore?
Certamente si….ENEA è coinvolto in attività
di ricerca sia in ambito Nazionale che
Europeo!!
UNITÀ TECNICA TECNOLOGIE AVANZATE PER L'ENERGIA E
L'INDUSTRIA
GAS ABSORPTION HEAT PUMP SOLUTION
FOR EXISTING RESIDENTIAL BUILDINGS
http://www.heat4u.eu/it/
Coordinatore del Progetto HEAT4U:
NEXT GENERATION OF HEAT PUMPS
WORKING WITH NATURAL FLUIDS
http://www.nxthpg.eu/
Coordinatore del Progetto NxtHPG:
UTTEI-TERM
PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE
Da: Andrea Calabrese [mailto:[email protected]]
Inviato: martedì 12 febbraio 2013 15:25
A: ‘XXXXXXXXXX'
Oggetto: R: R: ENERGIA ED AMBIENTE
Gent.mo Dott. XXXXX,
vediamo un nuovo caso: stufa a gas.
Le allego la tabella dei fattori di conversione utilizzati per convertire i valori dei vari vettori energetici in ENERGIA
PRIMARIA (Energia che non ha subito alcun processo di trasformazione).
Nel caso di stufa a gas io ho un fattore di conversione in ENERGIA NON RINNOVABILE pari a 1.
Significa dire che:
a) pompa di calore con COP 4: per ottenere 4 kWh termici si ha un consumo di 1 kWh elettrico e quindi di 2,18 in termini
di energia primaria non rinnovabile;
b) resistenza elettrica (COP 1): per ottenere 4 kWh termici si ha un consumo di 4 kWh elettrici e quindi di 4*2,18= 8,72
in termini di energia primaria non rinnovabile;
c) stufa a gas (in allegato scheda tecnico con rendimento 92%): per ottenere 4 kWh termici si ha un consumo di 4,35
kWh di gas e quindi 4,34*1=4,35 in termini di energia primaria non rinnovabile.
Il caso c) è migliore del caso b) ma sempre di gran lunga inferiore rispetto al caso a).
Saluti,
Ing. Andrea Calabrese
ENEA Casaccia - Unità: UTTEI-TERM
Vi è una forte dipendenza del COP dalla temperatura della
sorgente fredda e da quella del calore utile prodotto:
COP di pompe di calore di diversa qualità confrontate con il valore teorico in funzione della differenza
fra le temperature di condensazione e di evaporazione (Temp. al condensatore = Temp. Utile = 60°C)
PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE
Fonte: http://www.atlantic-comfort.it/
PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE
COP massimo teorico di una pompa di calore
(macchina di Carnot a ciclo inverso):
Temperatura della sorgente
fredda: 5 [⁰C ]= 268 [K].
Temperatura della sorgente
calda: 55 [⁰C ]= 328 [K].
PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE
Prestazioni di una pompa di calore al variare delle temperature di
condensazione e di evaporazione
(generica sorgente fredda)
PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE AD ARIA
Curve di potenza termica,
frigorifera ed assorbita, di COP
invernale ed estivo e di
fabbisogno in funzione della
temperatura dell’
’aria esterna.
BALANCE POINT: punto di
intersezione tra la curva di
carico e la curva della potenza
della macchina.
(Pompa di calore ad aria)
PERCHE’ IL COP SI RIDUCE:
1) Le prestazioni del compressore sono caratterizzate dal suo rendimento isentropico, che è il rapporto
fra il lavoro ideale di compressione (processo isentropico) e quello reale:
PERCHE’ IL COP SI RIDUCE:
2) La trasmissione del calore da un sistema ad un altro può avvenire soltanto se esiste una differenza di
temperatura fra i due sistemi. La potenza termica scambiata Q è proporzionale alla differenza di
temperatura T ed all’area di scambio S:
Nella pompa di calore si avrà
quindi che la sorgente fredda
deve trovarsi a temperatura
superiore
a
quella
dell’evaporatore , perché possa
cedere calore ad esso e la
sorgente calda deve trovarsi a
temperatura inferiore a quella
del condensatore per ricevere
calore. Si avrà quindi un
maggior lavoro del compressore
ed una minore quantità di
calore sottratta alla sorgente
fredda.
sorgente calda
sorgente fredda
PERCHE’ IL COP SI RIDUCE:
3) L’energia di pressione posseduta dal fluido è degradata nel processo irreversibile che avviene nella
valvola di laminazione, con una perdita netta di energia utilizzabile;
4) Si ha un lavoro necessario a portare a contatto evaporatore e condensatore con le sorgenti termiche.
Ad esempio, in una pompa di calore che lavora con l’aria esterna, l’aria viene fatta passare attraverso la
batteria dell’evaporatore con un ventilatore. Questo richiede un lavoro che va a sommarsi a quello del
compressore, riducendo il COP. Se invece la sorgente fredda è acqua sotterranea, bisogna azionare una
pompa;
5) L’efficienza del motore elettrico che aziona la pompa di calore non è unitaria;
6) Si ha anche un rendimento volumetrico del compressore. Viene definito come il rapporto fra volume
aspirato Va e volume generato Vg:
Per un basso rendimento volumetrico un compressore di data cilindrata dovrà compiere più corse per
comprimere un certo volume di gas. Ne derivano maggiori perdite per attrito ed una maggiore
dimensione della macchina per una data potenza.
All’aumentare del rapporto delle pressioni (Mandata-Aspirazione) si riduce sempre di più il volume
aspirato fino a portarsi a valori davvero molto bassi che suggeriscono in quel caso di attuare la
compressione almeno in due stadi.
POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO INVERNALE
RAPPORTO DI COMPRESSIONE
POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO INVERNALE
POTENZA IN CICLO INVERNALE
COP: EFFICIENZA ENERGETICA
INVERNALE
IL LAVORO DEL COMPRESSORE CONCORRE ALL’EFFETTO UTILE
PERCHE’ ALL’AUMENTARE DELLA TEMPERATURA DI
PRODUZIONE DELL’ACQUA CALDA DIMINUISCE LA
POTENZA E SI RIDUCE IL COP?
L’aumento della temperatura di condensazione aumenta RC:
L’aumento della temperatura di condensazione aumenta Lc:
La diminuzione della temperatura di evaporazione aumenta RC
La diminuzione della temperatura di evaporazione aumenta Lc
PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE
La quantità di calore trasferita è proporzionale alla massa di gas che viene fatta evaporare,
compressa e fatta condensare
1. All’
’aumentare del salto di temperatura, aumenta il salto di pressione
→ il lavoro di compressione aumenta,
→ il COP diminuisce.
2. Il compressore è una macchina volumetrica: al diminuire della temperatura di evaporazione
diminuisce la densità del gas
→ diminuisce la massa di gas trasferito,
→ diminuisce la potenza utile.
3. Il compressore è una macchina volumetrica: all ’ aumentare della temperatura di
condensazione aumenta la pressione finale
→ aumenta il lavoro di compressione sull’
’unità di massa di gas trasferito,
→ aumenta la potenza assorbita dal compressore.
4. Le variazioni stagionali di temperatura delle sorgenti si ripercuotono sulle prestazioni della
macchina:
→ SCOP, Seasonal Coefficient Of Performance.
Requisiti tecnici per accedere all’
’incentivo (Allegato II del D.M. 28/12/12)
Requisiti tecnici per accedere all’
’incentivo (Allegato II del D.M. 28/12/12)
ESEMPIO 1
Le condizioni di progetto di un impianto di climatizzazione
Di seguito la temperatura interna di progetto [°C] da UNI EN 15251, che tiene conto delle differenti
percentuali di insoddisfatti (PPD):
Fonte: Manuale d’ausilio alla progettazione termotecnica. Miniguida AiCARR
Reti idroniche
Impianti a colonne montanti
- Impianti a colonne montanti
Reti idroniche
Impianti a collettori, a zone
- Impianti a collettori, a zone
I terminali d’
’impianto
Reti idroniche
Sistemi di diffusione del caldo/freddo negli ambienti climatizzati
Radiatori
Aerotermi a proiezione orizzontale
Termoconvettori
Termostrisce
Reti idroniche
I terminali d’
’impianto
Sistemi di diffusione del caldo/freddo negli ambienti climatizzati
Tubi alettati disposti a serpentina
Ventilconvettori
Ventilconvettore del Tipo a Cassetta
Valori di resa
termica di un
impianto a
pannelli
radianti a
pavimento
calcolati sui
valori indicati
nella tabella
dei dati
generali
(Fonte: Valsir)
Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi
estivi
1
Impianti idronici: stima dei carichi totali di raffreddamento
Dati approssimati per i carichi di
illuminazione qi [W/m2] ed i
carichi totali di raffreddamento Qt
[W/m2] in vari tipi di edificio:
ASHRAE,
Pocket
Guide
for
Air
Conditioning,
Heating,
Ventilation, Refrigeration.
Fonte (rielaborata) da:
Mini Guida AiCARR
II edizione
Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi
estivi
1
Impianti idronici: stima dei carichi totali di raffreddamento
Di seguito un esempio di utilizzo della tabella per il calcolo semplificato dei carichi estivi:
Esempio 1: Ristorante. L’edificio ha le seguenti caratteristiche:
superficie totale utile: 120 m2;
ubicazione: Milano (45° lat. nord) – Esposizione ad Est
condizioni termoigrometriche esterne estive: 32 °C con i1 50% UR;
condizioni termoigrometriche interne estive: 25 °C con i 50% UR;
Carico dovuto all’illuminazione, dipendente dai corpi illuminanti installati: 20 W/m2;
Dalla tabella si ricava:
Potenzialità frigorifera totale: 385 W/ m2;
Con il metodo rapido si ricava:
potenzialità frigorifera: 46,2 kW.
Impianti a tutt’
’aria
Esempio Impianto a tutt’
’aria
- Diffusori aria
I terminali d’
’impianto
Sistemi aeraulici
Terminali di immissione dell’
’aria negli
ambienti
I terminali d’
’impianto
Sistemi aeraulici
Terminali di immissione dell’
’aria negli
ambienti
1) TERMINALI DI DISTRIBUZIONE A FLUSSO
TURBOLENTO
Flusso d ’ aria generato da un diffusore a
soffitto
I terminali d’
’impianto
Sistemi aeraulici
Terminali di immissione dell’
’aria negli
ambienti
2) TERMINALI PER LA DISTRIBUZIONE A DISLOCAMENTO
- Bassa velocità di introduzione dell’aria (0,2 ÷ 0,4
m/s)
- Differenza di temperatura modesta (massimo 6 ÷
7°C) rispetto alle condizioni richieste nella zona
occupata.
- La zona di influenza di un terminale può avere un
raggio da 2 ÷ 3 m fino a 7 ÷ 8 m.
I terminali d’
’impianto
Sistemi aeraulici
Terminali di immissione dell’
’aria negli
ambienti
3) TERMINALI DI DISTRIBUZIONE A FLUSSO LAMINARE ORIZZONTALE O VERTICALE
Travi fredde attive
Canali in tessuto, permeabili o forellati
I terminali d’
’impianto
Sistemi aeraulici
Applicazioni dei terminali di immissione dell’
’aria
Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi
estivi
2
Impianti a tutt’
’aria: stima dei carichi totali di raffreddamento e della portata d’
’aria
E’ inoltre possibile stimare rapidamente e con buona approssimazione il carico di raffreddamento (cooling load), le
portate d'aria, la potenzialità dei gruppi refrigeratori ecc., nel caso di impianti a tutta aria e con portate d'aria esterna
secondo le norme per una buona ventilazione.
I dati pubblicati sono stati testati, comunque, da esperti per renderli adatti alla situazione italiana.
L'ASHRAE, nella sua Pocket Guide, ha pubblicato una tabella nella quale sono riportati dati unitari per poter effettuare
stime per ambienti ed edifici più comuni.
Per ognuno di questi sono definiti l'affollamento, il carico per illuminazione e vengono forniti i valori di portata aria (per
le diverse possibili esposizioni) e la potenzialità frigorifera.
Questi dati sono riferiti a tre condizioni possibili: basso, medio e alto carico.
Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi
estivi
2
Impianti a tutt’
’aria: stima dei carichi totali di raffreddamento e della portata d’
’aria
(segue)
Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi
estivi
Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi
estivi
2
Impianti a tutt’
’aria: stima dei carichi totali di raffreddamento e della portata d’
’aria
Di seguito alcuni esempi di utilizzo delle tabelle per il calcolo semplificato dei carichi estivi:
Esempio 1: Palazzo per uffici di alto carico. L’edificio ha le seguenti caratteristiche:
zone esterne: 3.298 m2;
zone interne: 1.662 m2;
ubicazione: Milano (45° lat. nord) – Esposizione ad Est
condizioni termoigrometriche esterne estive: 32 °C con i1 50% UR;
condizioni termoigrometriche interne estive: 25 °C con i 50% UR;
N° persone: 620
Dalle tabelle si ricavano i seguenti dati:
affollamento: 8 m2/persona;
illuminazione: 97 W/ m2 (comprende anche tutti gli altri carichi termici);
potenzialità frigorifera totale: 200 W/ m2;
portata aria per le zone esposte a est, sud-ovest: 11 L/(s m2);
portata d'aria per le zone interne: 6 L/(s m2).
Con il metodo rapido si ricava:
portata d'aria zone esterne:130.600 m3/h;
portata d'aria zone interne: 35.900 m3/h;
portata d'aria totale: 166.500 m3/h;
potenzialità frigorifera: 992 kW.
Con il calcolo secondo il metodo Carrier si ottengono i seguenti risultati:
portata d'aria zone esterne 125.400 m3/h;
portatad'aria zone interne: 34.000 m3/h;
portata d'aria totale: 159.400 m3/h;
potenzialità frigorifera: 950 kW.
Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi
estivi
2
Impianti a tutt’
’aria: stima dei carichi totali di raffreddamento e della portata d’
’aria
Esempio 2: Sala ristorante di medio carico. Il ristorante ha le seguenti caratteristiche:
ubicazione: Milano (45° lat. nord); – Esposizione ad Est
superficie: 500 m2;
condizioni termoigrometriche esterne estive: 32°C con il 50% UR;
condizioni termoigrometriche interne estive: 25 °C con i1 50% UR;
N° persone: 500
Dalle tabelle si ricavano i seguenti dati:
affollamento: 1 m2/persona;
illuminazione: 18 W/ m2 (comprende anche tutti gli altri carichi termici);
potenzialità frigorifera totale: 313 W/ m2.
portata aria zone esposte a est, sud-ovest: 10 L/(s m2);
Con il metodo rapido si ricava:
portata aria totale: 18.000 m3/h;
potenzialità frigorifera: 155 kW.
Con il calcolo secondo il metodo Carrier si ottengono i seguenti risultati:
portata d' aria totale: 17.000 m3/h;
potenzialità frigorifera: 145 kW.
Si ha, quindi, una conferma della buona attendibilità del metodo pratico, che, ovviamente, deve essere utilizzato con
intelligenza, visto the i valori tabellati sono validi per il mercato americano, e comunque NON SOSTITUISCE IL CALCOLO
ANALITICO CHE COMUNQUE VA AFFIDATO AD UN PROGETTISTA ABILITATO.
RIFERIMENTI:
- Incentivazione della produzione di energia termica da impianti a fonti rinnovabili ed
interventi di efficienza energetica di piccole dimensioni: Regole applicative D.M.
28/12/12 Edizione 09/04/2013
GSE
- Pompe di calore
Prof. Renato Lazzarin
- Gli impianti a pompa di calore: cosa cambia alla luce del D.Lgs. 28/11
Ing. Michele Vio