Commissione Impianti ed Energia Ordine degli Ingegneri della Provincia di Bologna

Transcript

1 Commissione Impianti ed Energia Ordine degli Ingegneri della Provincia di Bologna Corso per Certificatori Energetici Regionali ER Estate 1 Docente e Relatore: Ing. Stefano Sarti - 1

2 Programma PARTE I Basics di termodinamica. Ciclo frigorifero e diagramma P-H dei refrigeranti. Le trasformazioni con trasferimenti di calore per il comfort estivo negli ambienti residenziali: il diagramma psicrometrico. La pompa di calore per il riscaldamento ed il raffreddamento di ambienti. Assorbitori. PARTE II - Risparmio energetico nella climatizzazione Quadro nazionale dei consumi e TEE. Normativa per la valutazione della efficienza energetica di macchine frigorifere e pompe di calore. PARTE III - Basics di progettazione. Valutazione dei carichi termici estivi. Applicazione della norma UNI/TS Il comfort negli ambienti residenziali. La ventilazione. Cenni di IAQ. PARTE IV - Soluzioni progettuali e costruttive per la ottimizzazione dell efficienza energetica degli impianti. Soluzioni innovative e di interazione edificio/impianto nel settore residenziale e terziario. Tipologie e caratteristiche di impianti di condizionamento e raffrescamento tradizionali e di ultima generazione. Esempi di soluzioni tecniche per il miglioramento della prestazione energetica di impianti esistenti, anche attraverso interventi di efficientamento e/o di integrazione. 2

3 Parte I BASICS DI TERMODINAMICA Introduzione alle trasformazioni del ciclo frigorifero Lo scambio termico refrigerante aria umida Ing. Stefano Sarti - Corso Certificatori Energetici RER 3

4 Il Diagramma p - h di Mollier dei refrigeranti 1. Il Dr. Mollier ideò il diagramma p - h nel Ne esiste uno diverso per ogni tipo di sostanza pura o di miscela di sostanze 3. In esso si trovano rappresentati tutti gli stati fisici del fluido refrigerante 4. Il ciclo frigorifero può essere quindi rappresentato con tutte le sue trasformazioni nel diagramma p h, che diviene così lo strumento di riferimento per individuarne lo stato fisico in ogni punto del circuito durante ogni trasformazione che il fluido subisce passando attraverso i diversi componenti frigoriferi del circuito. Att! Per le norma UNI/TS : Entalpia H [kj/kg] 4

5 L evaporazione di un liquido 5

6 La condensazione di un gas 6

7 (MPa) Liq. Sottoraffredd. condensatore Gas surriscaldato Pressione assoluta P3 P4 EEV 3 4 espansione liquido saturo Liquido saturo vapore saturo condensazione evaporazione vapore saturo 1 compressione 2 compressore evaporatore Gas surriscaldato h3 h4 h1 h2 entalpia (kj/kg) 7

8 Ciclo frigorifero sul diagramma p-h absolute pressure (Mpa) P 3 P 4 expansion valve Subcooling liquid 3 expansion stroke 4 h3 h4 condenser saturated saturation vapour liquid condensing stroke vaporization stroke 1 saturated vapour Saturation liquid evaporator FUNDAMENTALS h1 Superheated steam stroke 2 compression compressor Superheated steam h2 enthalpy (kj/kg) absolute pressure (Logarithm scale) p liquid isobaric line isothermal line saturation curve 4 critical point K condensation heat 3 2 quantity of cooling heat 1 compression work Enthalpy (real scale) h Iso-specific volume line superheated steam isentropic line Per capire il circuito frigo, bisogna sapere quando il refrigerante è liquido, quando è allo stato di gas nel circuito e quando è in una forma combinata di questi due stati (miscuglio). 1. EVAP: un (refrig) liquido evapora, cioè si trasforma in gas, se assorbe calore (es. da altro fluido). Più bassa è la temperatura di evaporazione (quindi anche la pressione di evaporazione) maggiore è l assorbimento di calore da un altro fluido (a causa del maggiore DT). 2. COND: un gas (refrig) torna a stato liquido, se la sua energia viene dissipata (es. da altro fluido) Quando la pressione (quindi la temp) di condensazione è alta, è più facile smaltire il calore su un fluido disp. 8

9 Il diagramma psicrometrico (diagramma di Mollier per l aria umida) 1. Serve ad individuare a colpo d occhio lo stato fisico dell aria durante le trsformazioni che subisce all attraversamento della batteria della UI. 2. Serve per calcolare non solo la capacità di raffreddamento o di riscaldamento (CALORE SENSIBILE) ma anche la capacità di deumidificazione (CALORE LATENTE) e la quantità di acqua condensabile in g w /Kg as è uno strumento molto preciso, ma ha bisogno per il suo utilizzo anche di misure di Temperatura di Bulbo Umido! Psychrometric Chart cooling cooling humidifying heating Absolute humidity dehumidifing heating Dry Bulb temperature ( C) Se il raffreddamento produce contemporaneamente RAFFREDD. + DEUMIFIC. dell aria ambiente, la temperatura scende verso il basso a sx. Se il riscaldamento produce il solo RISCALDAMENTO (sensibile) dell aria ambiente, la temperatura si sposta lungo l orizzontale verso dx. 9

10 IL TRASFERIMENTO DI CALORE TRA REFRIGERANTE ED ARIA UMIDA - Raffreddamento + Deumidificazione + Post Riscaldamento (Evaporation finishing point) <Super heat gas zone> <Single phase zone> (Inlet) (OUTLET) <Dual phase zone> Room temp. 27 (19 CWB) Outlet temp Pressure p (MPa abs) h (Specific enthalpy) Psychrometric h-x chart Heat-exchanger temp.11.5 Evaporating temp Surface fin temp 13.6 Relative humidity (%RH) Absolute humidity (kg/kgd.a.) Post heating Dry bulb temperature( ) 10

11 ECONOMIZZATORE (modo( RAFFREDDAMENTO) Questa funzione è importante per il risparmio energetico della macchina, migliorando l efficienza attraverso un aumento di prestazione all evaporatore, dove la portata di refrigerante è regolata attraverso una valvola di espansione Effetto ECON sul diagramma p-h 11

12 Parte I BASICS DI TERMODINAMICA Il ciclo frigorifero reversibile: la pompa di calore Cenni sugli assorbitori Ing. Stefano Sarti - Corso Certificatori Energetici RER 12

13 Il ciclo frigorifero reversibile: la pompa di calore 13

14 Il ciclo frigorifero reversibile: la pompa di calore Nel ciclo frigorifero, reversibile o meno, le trasformazioni coinvolte sono 4: oltre alla laminazione (H=cost in caso ideale). L efficienza del ciclo frigorifero (raffreddamento) è definita come : L efficienza del ciclo frigorifero aumenta se le pressioni di lavoro si avvicinano: Lc diminuisce e aumenta il calore scambiato per unità di massa in condensazione e in evaporazione! 14

15 Il ciclo frigorifero reversibile: la pompa di calore UTILIZZI DEL CICLO FRIGORIFERO PER LA CLIMATIZZAZIONE 1. Produzione di acqua refrigerata per unità di trattamento aria estivo (chillers aria-acqua o acqua-acqua con Tw out = 5-19 C) 2. Raffreddamento diretto di aria DX (condizionatori autonomi UTA o ROOF TOP aria-aria o acqua-aria, split con una o più unità interne, ISO 5151-T1) 3. Produzione di acqua calda (pompe di calore aria-acqua o acqua-acqua con range Tw out = C, assorbitori in pompa di calore) 4. Riscaldamento diretto di aria (pompe di calore autonome o split con una o più unità interne) Le unità ai punti 3 e 4 sono in grado di fare il lavoro delle unità ai punti 1 e 2 rispettivamente (gli assorbitori con un rendimento molto basso però). 15

16 Il ciclo frigorifero reversibile: la pompa di calore I parametri di progetto ambientale di riferimento per le unità HVAC in pompa di calore elettrica o GHP per ambienti residenziali sono riferiti a condizioni di progetto definite dalla Norma ISO 5151-T1, riprese anche da altre normative europee e nazionali per normalizzare le prestazioni delle pompe di calore elettriche: 1. Estate Temperatura esterna = 35 ºCBS (24 ºCBU) Temperatura interna = 27 ºCBS (19 ºCBU) Es FAN COILS: Acqua in/out = 12/7 C 27 ºCBS (19 ºCBU) 2. Inverno Temperatura esterna = 7 ºCBS (6 ºCBU) Temperatura interna = 20 ºCBS Acqua in = 50 C (stessa V del raffr.) 20 ºCBS Così i dati tecnici di resa ed assorbimento NOMINALI delle unità di condizionamento split in pompa di calore elettrica interne ed esterne sono riferiti con impianti funzionanti in queste condizioni. 16

17 Il ciclo frigorifero reversibile: la pompa di calore Nel ciclo frigorifero per unità di climatizzazione dell aria, ciò che lo rende reversibile si può realizzare in due modi: 1. Valvola a 4 vie, caso di INVERSIONE SUL CIRCUITO FRIGORIFERO, dove il refrigerante percorre gli scambiatori in senso inverso nei due modi di lavoro caso di sistemi ad espansione diretta di refrigerante su aria (split, VRF) e delle pompe di calore aria-acqua o acqua-acqua 2. Valvole a 2 o 3 vie nel caso in cui si esegua la INVERSIONE SUL CIRCUITO ACQUA per unità ad espansione diretta di refrigerante su acqua e condensati ad acqua (pompe di calore acqua-acqua), normalmente di scarso utilizzo sul campo per la maggiore complessità delle operazioni di esecuzioni dell inversione rispetto alla valvola 4 vie. 17

18 Schema impianto frigo a ciclo reversibile (split EHP) Source: MHI - Termal Group (BO) 18

19 Il ciclo frigorifero reversibile: la pompa di calore Oil separator MODO RAFFREDDAMENTO: : FLUSSO DEL REFRIGERANTE & OLIO LUBRIFICANTE Source: MHI - Termal Group (BO) 19

20 Il ciclo frigorifero reversibile: la pompa di calore Oil separator MODO RISCALDAMENTO: : FLUSSO DEL REFRIGERANTE & OLIO LUBRIFICANTE Source: MHI - Termal Group (BO) 20

21 Gli assorbitori per solo raffreddamento Macchine di grossa taglia di potenza frigorifera La fonte di calore per il generatore è acqua calda di processo Esistono altri due circuiti acqua: uno per raffreddare la macchina e l altro vero e proprio per l utilizzo di acqua refrigerata. 21

22 Gli assorbitori in pompa di calore 22

23 Gli assorbitori in pompa di calore 23

24 Pompe di calore a motore endotermico - GHP Heating 24

25 Pompe di calore a motore endotermico - GHP Cooling 25

26 Pompe di calore a motore endotermico - GHP Sono concepite per ottimizzare il consumo di gas, con un vantaggio: in una centrale termoelettrica, bruciando 100 unità di gas ne otteniamo solo 35 di energia elettrica che poi, tramite pompa di calore elettrica con rendimento medio-alto (COP medio pari a 3,5), forniscono 122 unità di energia termica (rispetto alla energia primaria fornita). La GHP può arrivare a un Coefficiente di Utilizzo del Combustibile (energia primaria fornita) fino a 1,9 (se si considera anche il recupero del kit sanitario) trasformando direttamente 100 unità di energia primaria in 190 di energia termica (dati del costruttore) 26

27 GHP REVERSIBILI 27

28 Pompe di calore a motore endotermico - GHP 28

29 Alcuni conteggi: GUE nominale: Pot. Termica nominale / Potenza termica al bruciatore GUE n = 37,5 kw / 25,7 kw = 1,46 Portata gas metano G20: 25,2 kw / 9,45 KWh/m3 = 2,72 M3/h G20 29

30 EFFICIENZA GHP GUE 30

33 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 ALCUNI SPUNTI DI PARAGONE TRA MACCHINE AD ASSORB. ED A COMPR. DI GAS Il fluido refrigerante di un assorbitore è l acqua in soluzione con Ammoniaca o LiBr (assorbente), il fluido refrigerato è sempre acqua o acqua con glicole. I refrigeranti tradizionali HFC, utilizzati di norma nel ciclo a compressione di gas, sono meno tossici dell ammoniaca ma presentano valori di effetto serra (GWP, TEWI) superiori. La capacità di raffreddamento di un assorbitore (def. come caldaia refrigeratore ad assorbimento) è circa la metà della sua capacità di riscaldamento, mentre per una pompa di calore EHP o GHP è una percentuale sempre superiore al 70%. Durante lo sbrinamento un assorbitore perde all incirca la metà di capacità di riscaldamento, mentre in una pompa di calore tradizionale con sbrinamento ad inversione di ciclo (ma non a gas caldo) si annulla. Gli assorbitori sono macchine ad energia primaria con GUE 1,4/0,7 in risc./raffr. (definiti nella norma EN come rapporto tra en.termica utile ed energia al bruciatore). Le pompe di calore EHP vanno invece ad energia elettrica quindi la valutazione comparativa dei rendimenti va fatta riportando i consumi elettrici all energia primaria consumata tramite i coefficienti forniti annualmente dall AEEG. Le pompe di calore GHP con motore endotermico a GPL hanno GUE 1,5/1,4 in risc/raffr. Se il circuito frigo di un assorbitore si dovesse danneggiare, la macchina non è riparabile (a causa della cristallizzazione del fluido assorbente), al contrario di una pompa di calore EHP o GHP. 38

39 Come scegliere le unità per il raffreddamento? Potenza frigorifera (termica) di progetto alle condizioni di lavoro previste Efficienza nominale (EER,COP) e media stagionale (SEER,SCOP) Fluido refrigerante ASHRAE, sue caratteristiche ambientali Livello di emissione sonora in relazione alla zona ed al tipo di applicazione Costi di acquisto e di esercizio con ipotesi di durata del ciclo di vita Spazio occupato in pianta (considerando anche gli spazi di funzionamento e di servizio per la manutenzione) Eventuali problemi di trasporto e sollevamento della macchina 39

40 ENERGY TECH SYSTEMS Studio Professionale Ing. Stefano Sarti Ord. Ing. Prov. BO n.4358 CERTIFICAZIONE PRODOTTO CE / PED CONSULENZE AZIENDALI ED IMPIANTISTICHE DIAGNOSI & CERTIFICAZIONE ENERGETICA EDIFICI FORMAZIONE TECNICA Via Selleri,42 - S.Lazzaro di Savena I BOLOGNA ITALY mobile: tel / fax: skype: steve