TECNOLOGIE PER LA
PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA
-
POMPE DI CALORE
L. Murgia - Dip.to Ingegneria del Territorio - Università degli Studi di Sassari
POMPA DI CALORE
Macchina termica che opera un trasferimento di calore da una temperatura più
bassa (T2) ad una più alta (T1)
La PdC consente di
utilizzare fonti di
energia gratuita (aria
esterna, terreno, acqua
di falda) o di scarto
(fluidi di scarico di
processi) e di
riqualificare tale calore
portandolo a
temperature superiori e
tali da renderlo
utilmente impiegabile.
Ciò avviene a spese di
un lavoro esterno.
TT11
T2
1
Pompe di calore a compressione
• azionate da motori elettrici o endotermici
• Circuito chiuso (circuito
circuito frigorifero)
frigorifero all'interno del quale un fluido frigorigeno
evapora e condensa sequenzialmente veicolando il calore da una sorgente fredda
ad una calda
A)
B)
C)
D)
EVAPORATORE
COMPRESSORE
CONDENSATORE
VALVOLA DI LAMINAZIONE
• Fluido frigorigeno:
frigorigeno:
evapora a bassa temperatura
e pressione
condensa a temperatura e
pressione più elevata
Se la funzione principale della macchina è
Generare calore
POMPA DI CALORE
Sottrarre calore
MACCHINA FRIGORIFERA
Le due funzioni possono coesistere
(recuperatori di calore)
oppure possono essere reversibili
(riscaldamento invernale/raffrescamento
estivo)
2
Un impianto a pompa di calore comprende:
1. organi di captazione che estraggono il calore dalla sorgente fredda
2. la pompa di calore propriamente detta
3. il circuito di distribuzione del calore ai punti di utenza (scambiatori,
pompe di circolazione, ventilatori, ecc.)
Il calore può essere ceduto all’utenza attraverso:
• Ventilconvettori, scambiatori con circolazione forzata di aria
• Canalizzazioni, per il trasferimento dell’aria calda prodotta dalla pompa
di calore
• Serpentine inserite nel pavimento, nelle quali circola acqua calda
Le pompe di calore si classificano in funzione del tipo di sorgente-utenza
ARIA-ARIA
ACQUA-ACQUA
ARIA-ACQUA
SUOLO-ARIA
ACQUA-ARIA
SUOLO-ACQUA
Utenze
Riscaldamento ambientale (locali abitativi, di allevamento, serre)
Riscaldamento aria di processo (essiccazione di prodotti)
Deumidificazione aria (stalle, essiccatoi)
Riscaldamento acqua di processo (abbeverata, lavaggio,
preparazione alimenti, usi igienici)
3
Sorgenti di calore
ARIA ESTERNA:
disponibile ovunque senza limitazioni
forte variabilità della temperatura
formazione di brina se la temperatura è vicina a 5-6°C
problemi di funzionamento in estate con °t elevate
basse prestazioni
ARIA DI RECUPERO:
livello termico superiore
problemi di disponibilità
caratteristiche chimiche (corrosività, sporcizia)
ACQUA (di pozzo, fiume, lago):
livello termico superiore
Temperatura più costante (a. sotterranee)
Problemi di disponibilità
Caratteristiche chimiche
Impianti più costosi e complessi
TERRENO:
livello termico discreto
temperatura costante (a 8-10 m di profondità)
impianto complesso (circuito con acqua glicolata)
Riscaldamento serre: da 200 a 400 tep/ha coltivato
PdC + caldaia
solo PdC
In serie:
PdC °Test>4 °C
Caldaia T<0 °C
In parallelo:
PdC riscald. localizzato
Caldaia aerotermi
Riscaldamento localizzato
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Pompe di calore geotermiche
La temperatura del terreno si mantiene pressochè costante tra
10-15 °C a 10 m di profondità (+2-3 °C/100 m)
Sistemi diretti
Fluido intermedio acqua+glicole
Tubi captatori in materiale sintetico o rame
verticali (sonde geotermiche)
• tubi a U o a doppio U
• profondità fino 100-200 m
•> costi impianto
orizzontali interrati a 0,5-1,5 m fino a 3 m
• superfice terreno 1,5-3 volte la superficie da riscaldare
• distanza: 2 m dagli alberi; 1,5 m reti interrate non idrauliche;
3 m da fondazioni, pozzi, fosse settiche
Captatori orizzontali collegati
in parallelo
Investimento 85-135 €/m2
Esercizio 2,50-3,50 €/m2
Captatori verticali collegati in serie
Investimento 145-185 €/m2
Esercizio 2,50-3,50 €/m2
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EFFICIENZA DELLE POMPE DI CALORE
Si misura attraverso il Coefficiente di Prestazione (COPc), dato dal rapporto fra energia
fornita al mezzo da riscaldare ed energia consumata
COPc
Eu Eto Em
Em
Em
Eu = Energia termica utile ceduta al condensatore
Em = Energia meccanica o elettrica assorbita e trasformata in calore
Eto = Energia termica assorbita dalla sorgente a bassa temperatura
In assenza di perdite, nelle
macchine a compressione
Eto
Em
Energia elettrica
/meccanica
Energia
termica utile
Em
efficienza
frigorifera
Eu
Eto
COP 1
Energia termica
gratuita
Eu = Eto + Em
Il valore max teorico del COP di una macchina reversibile che opera secondo un Ciclo di Carnot,
indicando con COPc e COPf i coefficienti di prestazione riferiti rispettivamente alla produzione di caldo
e di freddo, è
COPc
T1
T1 T2
COPf
T2
T1 T2
(T = °K)
Le prestazioni di una pompa di calore risultano tanto più elevate
quanto minore è la differenza fra la temperatura (T1) del pozzo caldo e
la temperatura (T2) della sorgente fredda (valore minimo 5-10°C)
ovvero, quanto minore è il livello termico del mezzo a cui va fornito calore
(al condensatore) e quanto più alto quello della sorgente da cui viene assorbito
calore (all'evaporatore)
Il COP reale è circa il 4040-70% di quello max teorico a causa della minor efficienza
termodinamica del ciclo reale, del rendimento meccanico ed elettrico della macchina,
delle variazioni dei valori di T2, del funzionamento a carichi parziali
PdC acqua/aria
COP = 3,5 ÷ 7
PdC aria/aria
COP = 1,5 ÷ 2,5
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UTENZA
EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA PRIMARIA (EP)
IN SISTEMI PER LA PRODUZIONE DI CALORE
CALDAIA
GASOLIO
c = EU/EP = 0,75
EU = Energia Utile
EP = Energia Primaria
Ed = Energia Dispersa
EU= 100
Ed= 33
EP= 133
7
EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA PRIMARIA (EP)
CON POMPA DI CALORE
Coefficiente conversione termoelettrica
EU = Energia Utile
el = Eel / EP = 0,37
EP = Energia Primaria
Eel = Energia elettrica
Coefficiente di prestazione
COP = EU / Eel
Eg = Energia gratuita
Efficienza conversione energia primaria
ep = EU/EP = COP * el
EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA PRIMARIA CON POMPA DI CALORE
EU= 100
EU= 100
COP = 2
Eel= 50
Eg= 50
Eg= 71
Ed= 85
Eel= 29
COP = 3,5
EP= 135
EP= 78
ep = 0,74
ep = 1,29
Ed= 49
Con rendimenti di caldaia c > 0,8 la pompa di calore è conveniente con COP ≥ 3
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VALUTARE IL CONSUMO MENSILE DI ENERGIA PRIMARIA PER IL
RISCALDAMENTO DI ACQUA CALDA SANITARIA CON LE SEGUENTI
TECNOLOGIE
SCALDA ACQUA ELETTRICO
CALDAIA AUTONOMA A GAS METANO
POMPA DI CALORE ARIA-ACQUA CON ALIMENTAZIONE ELETTRICA
Fabbisogni: 200 l/giorno di acqua da riscaldare da 10 a 45 °C
Energia termica richiesta mensilmente:
Qmese
=
Qg .Cs. T . n . 10-3
Qmese
=
200 . 4,186 . (45-10) . 30 . 10-3 = 879 MJ/mese
=
(l/g) (kJ/l °C) (°C) (g/mese) = MJ/mese
SCALDA ACQUA ELETTRICO
sa =
Efficienza di conversione termica
0,9
Consumo energia elettrica Eel = 879 / 0,9 = 976,7 MJ/mese
= 976,7/3,6 = 271 kWh/mese
Rendimento di conversione termoelettrica
el = 0,37
(energia primariae. elettrica)
Consumo Energia Primaria
EP = 976,7 / 0,37 = 2.639,7 MJ/mese
CALDAIA A METANO
Efficienza di conversione termica
c = 0,8
Consumo Energia Primaria = 879 / 0,8 = 1.098,7 MJ/mese
9
POMPA DI CALORE
Coefficiente di prestazione COPc = 3 (medio)
Consumo energia elettrica
Eel = 879 / 3 = 293 MJ/mese
= 293/3,6 = 81,4 kWh/mese
Rendimento di conversione termoelettrica
el = 0,37 (energia primariae. elettrica)
Consumo Energia Primaria
EP = 293/ 0,37 = 791,9 MJ/mese
SA EL
2.639,7
MJ/mese
C GAS
1.098,7
MJ/mese
PdC El
791,9
MJ/mese
- 70 %
- 28 %
Vantaggi ambientali riduzione emissioni CO2
Coefficiente specifico di emissione energia elettrica 0,58 kg Co2/kWh elettrico
SCALDACQUA ELETTRICO 271 * 0,58 = 157 kg/Co2 mese
POMPA DI CALORE
87,2* 0,58 = 50,6
Coefficiente specifico di emissione gas
“
“
0,25 kg Co2/kWh termico
CALDAIA A GAS 305,2 * 0,25 = 76,3 kg/Co2 mese
10
approfondimenti
recuperatori di calore
RECUPERO DI CALORE DALLA REFRIGERAZIONE
Durante la refrigerazione si disperdono nell’aria esterna circa 200 kJ (48 kcal)
per ogni kg di latte raffreddato
Col recupero di calore è possibile riscaldare 1 litro di acqua calda
da 10 55 °C ogni 2 litri di latte refrigerato
11
INSTALLAZIONE DEL RECUPERATORE DI CALORE
IN SOSTITUZIONE DEL CONDENSATORE
totale recupero calore disponibile
necessita di un prelievo continuo acqua calda
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
gruppo frigorifero
circuito frigorifero
compressore
ricevitore liquido
ingresso acqua fredda
uscita acqua calda
resistenza elettrica ausiliaria
INSTALLAZIONE DEL RECUPERATORE DI CALORE TRA
COMPRESSORE E CONDENSATORE AD ARIA
soluzione più frequente
si recupera il 50% del calore
migliora le prestazioni del gruppo frigo
1. Tank refrigerante ad espansione diretta
2. Compressore
3. Valvola termostatica
4. Condensatore ad aria
5. Scambiatore di calore
6. Boiler dell’acqua calda
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STIMA DELL’ENERGIA RECUPERABILE
La quantità di calore teoricamente recuperabile da un litro di latte è data
dalla somma del calore sottratto al latte (Ql) e di quello prodotto dal
lavoro di compressione (Qc).
Ql = csl * (tlf - tli)
dove:
csl = calore specifico del latte (3,9 kJ/kg °C = 0,93 kcal/kg °C)
tlf = temperatura finale del latte, 4 °C
tli = temperatura iniziale del latte, 35 °C
Per ogni litro di latte refrigerato da 35 a 4°C si possono recuperare
Ql = 3,9 * 31 = 121 kJ/l
Considerando che la spesa di energia elettrica relativa alla
refrigerazione si può stimare mediamente in 20 Wh/l di latte,
cioé 72 kJ/l, e che circa il 13-15% del calore viene disperso in
fase di compressione, la quantità di energia teoricamente recuperabile
dal lavoro del compressore sarà pari a:
Qc = 72 * 0,85 = 61,2 kJ/l
L’energia totale disponibile sarà data da:
QT = (Ql + Qc) * s
s
rappresenta il rendimento del sistema di recupero, il cui
valore si aggira in media intorno ad un valore di 0,4- 0,5.
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Si può quindi stimare l’energia realmente utilizzabile, per ogni litro di
latte refrigerato, per il riscaldamento dell’acqua:
QT = (121 + 61,2) * 0,45 = 82 kJ/l
Dato QT, possiamo calcolare il volume di acqua riscaldabile (Va)
QT
2
- t1
(litri)
)
c sa
(
t
Va =
dove: csa = calore specifico dell'acqua, pari a 4,186 kJ/l (1 kcal/l)
t2 = temperatura finale dell'acqua (°C)
t1 = temperatura iniziale dell'acqua (°C)
Va varia in funzione della temperatura finale che vogliamo ottenere
Va varia in funzione della temperatura finale t2 che vogliamo ottenere
Se la temperatura iniziale dell’acqua è t1=10°C e dobbiamo refrigerare 500 l di
latte, possiamo disporre di 41.000 kJ di energia, sufficienti a riscaldare un
volume d‘acqua pari a:
se t2 = 40°C
Va = 41000 kJ/ (4,186 kJ/l °C . 30 °C) = 326 litri di acqua
se t2 = 50 °C
Va = 244 litri di acqua
Nel primo caso si riuscirà ad ottenere 1 litro di acqua a 40°C ogni 1,5 l di latte
refrigerato, nel secondo otterremo 1 litro di acqua a 50°C ogni 2 l di latte.
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