Energia da aria,
acqua, terra: il
ruolo delle pompe
di calore
Michele De Carli
Dipartimento di Fisica Tecnica
Università
di Padova
29 April 2011
©Uponor
1
POMPE DI CALORE A COMPRESSIONE
COP =
1
qc
qc
Tc
4
condensatore
L
L
2
evaporatore
q0
©Uponor
3
T0
2
ASSORBIMENTO
qc
condensatore
d
t
2
GUE =
qc
AP
qg
BP
1
GG
7
qg
qg
8
3
9
10
H2O + Li Br
NH3 + H2O
evaporatore
p
q0
AA
6
PL
5
4
Compressione equivalente
2 fl
fluidi:
idi
frigorigeno (a + alta tens. di vapore)
solvente
l
t (a
( + bassa
b
tens.
t
di vapore))
©Uponor
qa
3
Sorgenti di calore:
Tipologie:
•
•
•
•
Aria
Acqua
T
Terreno
Bacini superficiali
29 April 2011
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4
POMPE DI CALORE CHE SFRUTTANO IL
TERRENO COME SORGENTE TERMICA
1. impianti accoppiati con il terreno attraverso un
sistema di tubazioni a circuito chiuso al cui interno
scorre il fluido termovettore
2. impianti che utilizzano l’acqua di falda come fluido
termovettore con o senza reimmissione nella falda
termovettore,
stessa dopo l’uso
3. impianti che sfruttano l’acqua dei laghi e dei bacini
come sorgente termica attraverso un circuito che
può essere sia aperto che chiuso
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5
©Uponor
6
©Uponor
7
Confronto tra pompe di calore sul
mercato
Air-Water Heat Pumps
Water-Water Heat Pumps
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8
8
Tecnologia tradizionale
Fattore di riduzione (fossile)
10
3
5
1
2
1
1000
20% fossile
50% fossile
800
A Impianti
ottimizzati
700
Fa
attore di rid
duzione (to
otale)
Energia prima
aria [W/pers
sona]
900
oggi
B Legge 10
600
2
C Bassa energia
g
500
400
D Casa passiva
300
3
100% fossile
5
200
10
100
0
0
200
400
600
800
1000
Energia primaria fossile [W/persona]
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9
Tecnologie innovative
Fattore di riduzione (fossile)
10
3
5
1
2
1
Energ
gia primaria
a [W/person
na]
50% fossile
20% fossile
900
oggii
800
700
B
Biomassa
600
B
C
500
400
B
C
D
2
C
3
D
300
PDC
assorbimento
100% fossile
D
5
Geotermia
200
Fatttore di riduzione (totale)
1000
10
100
0
0
200
400
600
800
1000
Energia primaria fossile [W/persona]
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10
Ipotesi con elettricità al 50% non fossile
F tt
Fattore
di riduzione
id i
(fossile)
(f
il )
10
3
5
1
2
1
20% fossile
Ene
ergia prima
aria [W/pers
sona]
900
50% fossile
oggi
800
B Biomassa
700
600
B
C
500
PDC
assorbimento
2
B
D
400
300
D
C
D
C
3
100% fossile
G
Geotermia
i
200
Fattore di riiduzione (to
F
otale)
1000
5
10
100
0
0
200
400
600
800
1000
Energia primaria fossile [W/persona]
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11
Ipotesi
p
con elettricità al 90% non fossile
Fattore di riduzione (fossile)
10
3
5
1
2
1
20% fossile
Energ
gia primaria [W/perso
ona]
900
50% fossile
oggi
800
Biomassa
B
700
600
B
500
400
B
C
C
PDC
assorbimento
bi
t
C
3
D
D
D Geotermia
300
2
100% ffossile
il
5
200
Fatttore di ridu
uzione (tota
ale)
1000
10
100
0
0
200
400
600
800
1000
Energia primaria fossile [W/persona]
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Geotermia di superficie
Funzionamento
invernale
Funzionamento
estivo
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Tre parti principali di un impianto
geotermico
Impianti geotermici:
1.
Pompa di calore geotermica (reversibile)
2.
Piping orizzontale di collegamento tra centrale e sonde
3.
Sonda geotermica
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14
CIRCUITI APERTI CON
O ACQUA
Q
DI FALDA
TECNOLOGIA ATES
(AQUIFER THERMAL ENERGY STORAGE)
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16
VANTAGGI
• Utilizza solo due pozzi ((uno di presa e uno di reiniezione))
• Ingombro limitato
• Minor
Mi
costo
t della
d ll ““sorgente
t ffredda”
dd ”
SVANTAGGI
• Problemi di natura normativa per la reiniezione dell’acqua
dell acqua
nel sottosuolo
• Variazione
V i i
d
dell’equilibrio
ll’
ilib i d
della
ll ffalda
ld con prelievo
li
eccessivo
i
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17
Un esempio di
analisi
carico estivo
(23,25x106 MJ)
-
carico invernale
(7,04x106 MJ)
=
carico termico
accumulato
(16,21x106 MJ)
Pozzi freddi
Pozzi caldi
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18
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19
Mese 12
Mese 9
M
Mese 6
M
Mes
se 3
Mes
se 1
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20
Mese 12
Mese
e9
Mese 6
Mese 3
BACINI SUPERFICIALI
GEOTERMIA DA ACQUA DI LAGO
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22
La profondità di installazione è di almeno 3 m rispetto al valore medio del livello
stagionale minimo
La potenza per unità di lunghezza della spirale varia da 45 W/m a 95 W/m in
funzione della voluta temperatura di esercizio
Come valori indicativi per un dimensionamento di massima si possono
prendere come riferimento 17,5 W/m2 in pianta qualora il sistema funzioni
prevalentemente in raffrescamento,
raffrescamento mentre si può considerare 8
8,5
5 W/m2 in
pianta per un sistema che lavori prevalentemente in pompa di calore
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23
Energia geotermica sfruttata in Svizzaera nel
1998 (600 GWh)
sonde terrestri
Registri nelle palificazioni
Registri terrestri
Acquq del sottosuolo
Geotermia idrotermale
Geotermia dell'acqua dei tunnel
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24
EDIFICIO A BREGENZ (AUSTRIA)
Parallelepipedo:
100 m di lunghezza, due
piani
Peso limitato, poggia su 115 pali di fondazione con tubi in plastica
a circolazione d’acqua.
q
Senza macchine, potenza frigorifera 62 kW
Il lago permette di avere una temperatura di mandata dalle
tubazioni in estate di 16°C
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25
Room 404
Windo
w
Skylight
Pipes
Hall
Room 304
Windo
w
Steel
support
©Uponor
26
©Uponor
27
©Uponor
28
CIRCUITI CHIUSI
CONFIGURAZIONI DEI SISTEMI GSHP
Diverse disposizioni possibili per le sonde
geotermiche:
• A sviluppo orizzontale
• A sviluppo verticale
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30
ILFLUIDO TERMOVETTORE
NELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
• Impianto ad acqua semplice: il fluido in uscita
dall’evaporatore
p
((in ingresso
g
alle sonde)) non deve
scendere al di sotto dei 4°C (per avere un margine
di sicurezza sul congelamento); il flusso termico
specifico
ifi estraibile
t ibil è li
limitato
it t
• Impianto a glicole etilenico: la pompa di calore può
mandare in sonda un fluido a temperatura
p
inferiore
a 0°C; il flusso termico specifico è più elevato
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31
Differenze tra le due tipologie
Glicole etilenico:
• corrosivo e inquinante, soluzioni
impiantistiche
p
più complesse
p
p
(maggiori
(
gg
costi
di impianto);
• li
limitato
i
scambio
bi termico
i convettivo
i
sia
i iin
sonda che nello scambiatore lato terreno
(velocità superiori rispetto al caso di acqua
semplice a parità di coefficiente di scambio
convettivo);
);
• maggior costo iniziale e costi di
manutenzione
t
i
più
iù alti;
lti
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32
EVENTUALI SISTEMI INTEGRATIVI
In relazione al rapporto tra carico massimo estivo e carico
massimo invernale e alle curve di carico dell’impianto può essere
necessario
i un sistema
i
integrativo
i
i
per la
l stagione
i
invernale
i
l
Il sistema integrativo può essere caratterizzato da rendimento
basso a vantaggio del costo ridotto, se il suo funzionamento è
limitato a brevi periodi
• Alimentazione del sistema integrativo
- resistenza (maggiore impegno di energia elettrica)
- caldaie a gas o gasolio
- caldaia a legna (impianti domestici, o legname di scarto)
• negli
li edifici
difi i già
ià esistenti
i t ti il sistema
i t
integrativo
i t
ti
non presenta
t
grossi problemi, in quanto solitamente si sfrutta l’alimentazione
del precedente impianto di riscaldamento
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33
E NELLA STAGIONE ESTIVA?
Se in relazione al rapporto
pp
tra carico massimo estivo e carico
massimo invernale e alle curve di carico dell’impianto risulta
necessario un sistema integrativo per la stagione estiva la
soluzione può essere accoppiare una torre evaporativa
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34
DIMENSIONAMENTO
COMPORTAMENTO INVERNALE ED ESTIVO
Q edificio = L comp.
+ Q terreno
Lavoro di
compressione
p
L comp.
Q edificio
Lavoro di
L
compressione
L comp.
PDC
PDC
Q terreno
Q terreno
Q terreno = L comp.
+ Q edificio
©Uponor
36
MODELLIZZAZIONE DELLE SONDE
Ipotesi del terreno
Analisi dell’energia
Termica
Analisi dell’energia per
raffrescamento
Ipotesi di temperatura
del fluido caldo
Ipotesi di temperatura
del fluido freddo
COP/GUE medio caldo
EER/GUE medio freddo
Calore dal terreno
Calore al terreno
Lunghezza inv.
Lunghezza est.
Lunghezza scelta
©Uponor
37
Sonde verticali:
• Soluzione analitica
― Metodo ASHRAE
― Implementato in appendice (con esempio di calcolo)
• Soluzione
S l i
mediante
di
funzioni
f
i i di trasferimento
f i
• Soluzione numerica
Sonde orizzontali:
• Soluzione numerica
• Soluzione analitica
– Implementata in appendice (IGSHPA)
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38
Dimensionamento:
• La norma UNI TS 11300-4 prevede 2 metodologie
di calcolo:
― Valutazione preliminare (per una verifica del
dimensionamento)
― Valutazione energetica (per la certificazione)
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39
PDC
Scambiatore
di calore
a terreno
Edificio + impianto + ACS
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40
ACS secondo
UNI TS 11300-2
PDC
Edificio
Edifi
i
+
impianto
Rendimenti
R
di
ti secondo
d
UNI TS 11300-2
e 11300-3
Soluzione analitica,
numerica o con funzioni
di ttrasferimento
f i
t
Prestazioni secondo
UNI EN 14825
UNI TS 11300
11300-3
3
UNI TS 11300-4
Scambiatore
di calore
a terreno
t
R id
Residenziale
i l
Terziario
Calcolo dinamico per il
picco di potenza frigorifera
< 20 kW
Energie mensili invernali ed estive
secondo UNI TS 11300-1
> 20 kW
Per la parte invernale le energie
mensili con UNI TS 11300-1
Simulazione
dinamica.
©Uponor
Simulazione dinamica per le
energie mensili estive e per il picco
di potenza frigorifera
41
Relazione con UNI TS 11300-3 e
11300 4:
11300-4:
• La presente norma fornisce alle normative 113003 e 11300-4 la temperatura media mensile del
fluido termovettore per i calcoli di certificazione
energetica
• La presente norma fornisce inoltre la potenza
elettrica della pompa lato terreno
©Uponor
42
Aspetto relativo all’asset rating
(edifici ed impianti esistenti):
• In presenza di documentazione di progetto si applica il calcolo
secondo norma
• In assenza di documentazione di progetto il progettista deve
effettuare i calcoli con la temperatura di utilizzo lato edificio
pa i a 35°C (per
pari
(pe pavimento
pa imento radiante),
adiante) 45°C (per
(pe
ventilconvettori), 55°C (per radiatori). Inoltre deve essere
valutata la percentuale e la natura di miscela anticongelante,
in modo da determinare la temperatura di cambiamento di
fase per la miscela stessa. In questo caso viene presa una
temperatura
p
costante p
pari al limite della temperatura
p
di
congelamento + 2°C per le condizioni invernali e una
temperatura costante di 35°C di mandata al terreno durante
il periodo di raffrescamento.
©Uponor
43
SOTTOSISTEMI ALL'INTERNO DELLE
POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
•Centrale termica (UNI EN 15450)
― Contabilizzatore di calore per valutare il COP
•Collegamento orizzontale
― Profondità di posa
― Inclinazione
― Eventuale isolamento termico dei tubi
•Scambiatore di calore al terreno
― Pressione all’interno dei tubi e temperature raggiungibili
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44
IMPATTO TERMICO
•Metodologia di impatto termico in
assenza di acqua di falda in
movimento
•Metodologia
M t d l i di iimpatto
tt ttermico
i iin
presenza di acqua di falda in
movimento
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45
Thermal Response Test
Permette di:
Ricavare la temperatura indisturbata del terreno
Ricavare le caratteristiche termofisiche medie del terreno
Verificare
V ifi
un modello
d ll
Avere informazioni utili sulla stratigrafia del terreno
Avere informazioni utili sulla perforazione
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46
Misure
Determinazione
della conducibilità
termica
equivalente del
terreno
logaritmo naturale del tempo
©Uponor
adimensionale
)
47
DUE ESEMPI DI DIMENSIONAMENTO
In relazione al rapporto tra carico massimo estivo e carico
massimo invernale e alle curve di carico dell’impianto può essere
necessario
i un sistema
i
integrativo
i
i
per la
l stagione
i
invernale
i
l
©Uponor
48
Energia mensile termica e frigorifera dell'edificio
en. termica
en. frigorifera
160
140
Energia [MWh
h]
120
100
80
60
40
20
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49
em
br
e
di
c
e
no
ve
m
br
e
ot
to
br
m
br
e
se
tte
ag
os
to
lu
gl
io
ug
no
gi
ag
gi
o
m
e
ap
ril
m
ar
zo
io
fe
bb
ra
ge
nn
ai
o
0
MODELLO “CARM”
(CApacity Resistance Model)
“CARM”
(CApacity
Resistance
M d l)
Model)
HEAT
EXCHANGER
©Uponor
50
Temperatura dell'acqua all'ingresso e all'uscita dal campo di pali energetici
Twin
Twout
Tg_1m
40
35
Temperratura [°C]
30
25
20
15
10
5
0
0
744
1488
2232
2976
3720
4464
5208
5952
6696
Ora [h]
29 April 2011
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51
7440
8184
Flusso termico lato terreno
Potenza scambiata con il terreno
700
600
500
400
Flus
sso Termico [kW]
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
-600
-700
0
744
1488
2232
2976
3720
4464
5208
5952
6696
Ora [h]
29 April 2011
©Uponor
52
7440
8184
Potenza resa dalla pompa di calore e fabbisogno dell'edificio
Potenza richiesta alla PDC
Potenza mancante
Potenza resa dalla PDC
700
600
500
Flu
usso Termico
o [kW]
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
-600
-700
00
0
744
1488
2232
2976
3720
4464
5208
5952
6696
Ora [h]
29 April 2011
©Uponor
53
7440
8184
Borehole field
Double U pipe PE100 Ø32x2.9
mm with
ith spacer
125 m depth
Thermal conductivity of the
ground:
2.03 W/(m
/( K)) first 120 m
1.2 W/(m K) for the last 5 m
(clay)
Average: 1.86 W/(m K)
T
Tground=
d 13
13.9°C
9°C
Year loads
2500
2000
Energy load
E
ds [kWh]
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
-2000
-2500
31/12 25/1
19/2 16/3 10/4
5/5
30/5
24/6 19/7 13/8
©Uponor
7/9
2/10 27/10 21/11 16/12
55
Peak power
Energy demand
