(Microsoft PowerPoint - Impianti di riscaldamento e acqua calda

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