(Microsoft PowerPoint - Impianti di riscaldamento e acqua calda
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IMPIANTI DI RISCALDAMENTO Ing. Guglielmo Magri Dipartimento di Energetica-Ancona [email protected] SISTEMI DI GENERAZIONE Tipologie più diffuse o in sviluppo • Generatori a combustione • Caldaie atmosferiche • Caldaie a condensazione • Pompe di calore ad assorbimento • Generatori elettrici • Pompe di calore aria-acqua • Pompe di calore acqua-acqua • Pompe di calore aria-aria • Sistemi solari GENERATORI A COMBUSTIONE Caldaie atmosferiche • Sono caldaie dotate di bruciatori alimentati da aria a pressione atmosferica • Parte dell’aria è convogliata in ugelli dove si miscela col gas prima della combustione (aria primaria) • Altra aria partecipa alla combustione a valle del fronte di fiamma (aria secondaria) GENERATORI A COMBUSTIONE Caldaie con bruciatore pressurizzato • Sono caldaie dotate di bruciatori a gas o a gasolio che possono essere scelti indipendentemente dalla caldaia • Il bruciatore miscela nelle giuste proporzioni aria e combustibile completamente a monte della combustione • La miscela è spinta in pressione dentro la camera di combustione anche per vincere le peridte di carico lungo il percorso fumi GENERATORI A COMBUSTIONE Temperature di ritorno • Le caldaie tradizonali non sono in grado di funzionare con basse temperature di ritorno a causa della possibile formazione di condensa • A causa di ciò si possono avere formazioni di condensa acida e schock termici • Per questo motivo devono essere adottati accorgimenti impiantistici adeguati • Esistono tuttavia caldaie tradizionali (dette a bassa temperatura) che adottano sistemi che impediscono il contatto diretto dell’acqua di ritorno con lo scambiatore di calore GENERATORI A COMBUSTIONE Caldaie a condensazione • Sono caldaie che sono in grado di recuperare il calore ottenuto dalla condensazione del vapore acqueo presente nei fumi • Differiscono dalle caldaie tradizionali per la forma e i materiali con cui sono costituiti il bruciatore e lo scambiatore di calore • Sono inoltre dotate di sistemi per la raccolta e lo smaltimento della condensa CALDAIE A CONDENSAZIONE Schemi funzionali CALDAIE A CONDENSAZIONE Generalità sulla condensazione CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE Diagramma di stato CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE Differenza temperatura fumi-acqua di ritorno CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE CALDAIE A CONDENSAZIONE GENERATORI ELETTRICI Pompe di calore Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot • Il ciclo di Carnot è il più semplice fra i motori termici • Si tratta di un ciclo ideale con ipotesi di gas perfetto e trasformazioni senza attrito e quasi statiche (reversibili) • Esso fornisce il limite teorico alle prestazioni di un qualunque ciclo reale Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot • Il rendimento del ciclo di Carnot dipende unicamente dalle temperature tra le quali avviene il ciclo • Non dipende quindi ne dal tipo di gas impiegato, ne dai volumi e pressioni considerati Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot • Il ciclo di Carnot è reversibile • Se viene percorso in senso inverso, le energie scambiate cambiano segno • Viene assorbito lavoro meccanico L • Viene assorbita dalla sorgente fredda una quantità di calore Qf • Viene ceduta alla sorgente calda una quantità di calore Qc • Il ciclo diventa un ciclo frigorigeno e il sistema viene detto Macchina Frigorifera o Pompa di Calore Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche • Il motore termico sfrutta il ciclo di Carnot per fornire lavoro utile, tramite scambi di calore con due sorgenti (calda e fredda) • La macchina frigorigena sfrutta il ciclo di Carnot inverso e assorbe calore da un ambiente per raffreddarlo e cedere calore a un pozzo esterno. • La pompa di calore sfrutta il ciclo di Carnot inverso e assorbe lavoro da un pozzo freddo esterno per riscaldare un ambiente • Il campo di temperature di impiego è ovviamente diverso fra le due macchine Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche • Un valore del COP pari a 4 significa che per ogni kWh di energia meccanica consumata la pompa di calore renderà 4 kWh di energia termica all’ambiente da riscaldare • Ciò non costituisce una violazione del principio di conservazione dell’energia perchè parte del calore viene solo spostata da T1 a T2 Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale • Nell’espansione 1-2 il lavoro di espansione non viene recuperato e viene dissipato in attrito Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale • Nella vaporizzazione 2-3 il fluido viene completamente evaporato Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale • La trasformazione 3-4 non avviene più in maniera isotermica ma all’inizio solo isobara e successivamente diventa una condensazione alla temperatura di 45°C Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale • Il lavoro di espansione non viene recuperato • Il lavoro di compressione è più grande rispetto a quello ideale • Le temperature di evaporazione e condensazione sono più bassa e più alta di quelle degli ambienti in cui si trovano. • La differenza di temperatura tra condensatore e evaporatore sarà sempre più alta di quella fra sorgente calda e sorgente fredda Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda ad aria • Vantaggi di installazione • Rumorosità per elevate quantità aria da trattare • Cali critici di rendimento sotto i 5-6 °C Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda ad acqua di superficie • Vantaggi di installazione • Poca rumorosità • Cali critici di rendimento sotto i 5-6 °C • Possibili problemi di ghiacciamento Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda ad acqua di falda • Poca rumorosità • Temperatura della sorgente fredda più costante • Necessità di richiesta di permessi Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda a collettori orizzontali • Temperatura della sorgente fredda più costante • Costo elevato della installazione • Necessità di spazio Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda a sonde geotermiche • Temperatura della sorgente costante • Sfruttamento del calore geotermico • Costo elevato della installazione Applicazioni delle pompe di calore Pompe di calore reversibili • Sono pompe in cui può essere invertito il senso di circolazione del fluido • In tale maniera possono produrre sia caldo che freddo all’interno di un ambiente Applicazioni delle pompe di calore Pompe di calore reversibili Componenti: • Valvola a 4 vie • Valvola a 3 vie • Seconda valvola di espansione Applicazioni delle pompe di calore Temperature ottenibili • Realizzabile con sorgenti esterne che d’estate sono a temperature basse Applicazioni delle pompe di calore Temperature di lavoro • La maggior parte delle pompe di calore arriva a una temperatura max di 55°C a causa dei fluidi utilizzati • Pompe di calore con temp. max di 65 °C sono realizzabili con dispositivi di reiniezione del fluido di lavoro (sistema EVI) • Tali macchine sono anche realizzabili utilizzando due cicli in cascata Applicazioni delle pompe di calore Temperature di lavoro Applicazioni delle pompe di calore Produzione di acqua calda sanitaria • L’ACS come per il solare non può essere prodotta in funz. Istantaneo per problemi di potenza e di salto termico • Vengono perciò utilizzati bollitori analoghi a quelli utilizzati per il solare Applicazioni delle pompe di calore Bollitori tampone per riscaldamento • Funzione di separazione idraulica • Funzione di volano termico • Impianti a pannelli radianti: 20/25 l ogni kW • Impianti a radiatori e ventilconvettori: 40/45 l ogni kW Generalità sulle pompe di calore Prestazioni • Il COP della pompa di calore varia con le temperature di condensazione e evaporazione • Lo stesso accade con la potenza resa (rispetto a quella nominale) • A carico parziale il valore del COP viene ulteriormente ridotto secondo un coefficiente (PLF) Generalità sulle pompe di calore Confronto con caldaie • Il confronto energetico va fatto considerando il consumo di energia primaria • Per ottenere questo consumo si utilizza il COP e il rendimento del sistema elettrico nazionale (in Italia circa 0,36) Caldaie normali Caldaie media eff. Caldaie alta efficienza Rendimento COP 0,75-0,88 0,9-0,93 0,93-1,06 2,08-2,44 2,5-2,58 2,58-2,94 Generalità sulle pompe di calore Confronto con caldaie • Il confronto economico va fatto considerando i costi di elettricità e gas • A seconda di questi costi si può ricavare il COP limite di convenienza • L’analisi economica completa va però effettuata tenendo conto degli investimenti e dei tassi di interesse e di inflazione col metodo del VAN Generalità sulle pompe di calore Confronto con caldaie Tipo di utenza Costo kWhe (eurocent/kWh) COP limite Te limite (°C) Usi domestici > 3kW 17,17 2,62 +3 Altri usi BT alta utilizzazione 10,15 1,87 -9 Altri usi MT alta utilizzazione 9,82 1,77 -11 Confronto per utilizzi residenziali o terziari con tariffa elettrica semplice Generalità sulle pompe di calore Confronto con caldaie Tipo di utenza Costo kWhe (eurocent/kWh) COP limite Te limite (°C) Media utilizzazione ore di punta 17,14 3,17 +10 Media utilizzazione ore di alto carico 11,3 2,09 -3 Media utilizzazione ore di medio carico 9,5 1,76 -10 Media utilizzazione ore vuote 7,37 1,36 -12 Confronto per utilizzo terziario con tariffa elettrica multioraria CONFRONTO CALDAIA-PdC Prestazioni stagionali Generalità sulle pompe di calore Fluidi refrigeranti • I primi fluidi refrigeranti sono stati ammoniaca e CO2 • Dal 1930 vengono introdotti I CFC (clorofluorocarburi o Freon), poco aggressivi, ma dannosi per l’ozono e l’effetto serra • Fluidi alternativi sono gli HCPC (idroclorofluorocarburi) con minore capacità di combinarsi con l’ozono • Fluidi inerti per l’ozono sono gli HFC (idrofluorocarburi) Generalità sulle pompe di calore Fluidi refrigeranti
