SISTEMI ELETTRICI PER LA PRODUZIONE DI CALORE:

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1 SISTEMI ELETTRICI PER LA PRODUZIONE DI CALORE: VALUTAZIONI TECNICO-ECONOMICHE TRA POMPE DI CALORE E GENERATORI DI CALORE I CICLI Cicli diretti = cicli termodinamici che riguardano i motori forniscono lavoro netto Cicli inversi = cicli termodinamici delle macchine frigorifere realizzano la refrigerazionie CICLO IDEALE = ciclo costituito solamente da trasformazioni internamente reversibili Idealizzazione del ciclo reale (molto più complesso) 1

2 CICLO IDEALE vs CICLO REALE Un ciclo ideale è completamente reversibile: nessuna caduta di pressione per attrito; COP massimo il refrigerante fluisce a pressione costante attraverso il condensatore e l evaporatore; la compressione è isoentropica; l espansione è adiabatica. La differenza principale tra ciclo ideale e ciclo reale sta nel processo di compressione: nel ciclo reale la compressione è solo adiabatica e l entropia aumenta. LE FASI DEL CICLO Per rappresentare un ciclo si può usare un diagramma temperaturaentropia o pressione-entalpia. Evaporatore (da 4 a 1): il fluido frigorigeno assorbe calore dall esterno ed evapora completamente Compressore (da 1 a 2 o 2 ): il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, viene portato ad alta pressione e si riscalda Condensatore (da 2 o 2 a 3): il fluido frigorigeno cede calore all esterno e passa dallo stato gassoso allo stato liquido Valvola di espansione (da 3 a 4): il fluido frigorigeno liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda 2

3 MACCHINE FRIGORIFERE e POMPE DI CALORE Il calore si trasferisce in maniera spontanea nel senso in cui la temperatura diminuisce Ciclo inverso Scopo: mantenere un ambiente refrigerato ad una temperatura relativamente bassa sottraendo il calore ceduto poi ad un pozzo a temperatura maggiore COP F = Q in /P c Ciclo inverso Scopo: mantenere un ambiente riscaldato ad una temperatura relativamente elvata fornendogli il calore sottratto ad una sorgente a temperatura inferiore COP PdC = Q out /P c IL CICLO INVERSO DI CARNOT Nel ciclo di Carnot tutte le trasformazioni possono essere invertite anche gli scambi di calore e di lavoro avvengono nei versi opposti macchina frigorifera o pompa di calore di Carnot Il ciclo inverso di Carnot è il ciclo inverso di maggior efficienza ma è solo un modello!!! COP F,Carnot = T C /(T H -T C ) COP PdC,Carnot = T H /(T H -T C ) T C = temperatura di evaporazione e T H = temperatura di condensazione 3

4 CICLO FRIGORIFERO PER RAFFREDDAMENTO Liquido saturo o sottoraffreddato REGIONE CALDA Q out 3 2 Vapore surriscaldato valvola di espansione condensatore compressore P c evaporatore 4 1 Miscela bifase liquido-vapore Q in REGIONE FREDDA Vapore saturo o surriscaldato COP F = Q in /P COP F_MAX = T C /(T H -T C ) CICLO FRIGORIFERO PER RAFFRESCAMENTO Liquido saturo o sottoraffreddato ESTERNO Q out 3 2 T H = 34 C Vapore surriscaldato valvola di espansione condensatore compressore P c evaporatore Miscela bifase liquido-vapore 4 1 Q in Vapore saturo o surriscaldato INTERNO T C = 24 C COP F = Q in /P c COP F_MAX = T C /(T H -T C ) 4

5 CICLO FRIGORIFERO PER RISCALDAMENTO ESTERNO T C = 5 C Miscela bifase liquido-vapore Q in 4 1 Vapore saturo o surriscaldato valvola di espansione evaporatore compressore P c condensatore 3 2 Q out INTERNO Vapore surriscaldato T H = 20 C Q out = Q in + P c COP PdC = Q out /P c = Q in /P c + 1= COP F + 1 COP PdC_MAX = T H /(T H -T C ) OSSERVAZIONI SUL COP Dalle formule appena scritte, il COP della pompa di calore sembra maggiore del COP del condizionatore. In realtà, ciò che cambia nei due casi è la differenza (T H -T C ). Nell esempio considerato: (T H -T C ) = 10K per il raffrescamento; (T H -T C ) = 15K per il riscaldamento. Considerando il caso ideale, si avrebbe: Raffrescamento: T C = 24 C = 297 K COP = 297/10 = 29,7 Riscaldamento: T H = 20 C = 293 K COP = 293/15 = 19,5 Quindi, utilizzando la stessa macchina per il raffrescamento e per il riscaldamento, avrò un COP leggermente superiore nel funzionamento come condizionatore rispetto a quello come pompa di calore. 5

6 POMPA DI CALORE O CALDAIA? La convenienza di un impianto di riscaldamento a pompa di calore rispetto ad uno tradizionale (caldaia) dipende da diversi fattori: le condizioni climatiche esterne che si registrano durante le ore di funzionamento (sotto una certa temperatura il COP diminuisce); POMPA DI CALORE O CALDAIA? il tipo di condensazione (aria, acqua, terreno ); i costi dell energia elettrica; i costi dell energia termica; la possibilità di utilizzare l impianto a pompa di calore come impianto di condizionamento nella stagione calda grazie all inversione di una valvola. Bisogna però concepire bene l impianto per non avere: costi inutili un sistema sottosfruttato picchi di potenza inutilmente elevati consumi inutili 6

7 LA POMPA DI CALORE Sfruttamento dello stesso ciclo frigorifero dei refrigeratori L utilizzo dei refrigeratori per il condizionamento è molto frequente ed è raro trovare un sistema a pompa di calore che non permetta l inversione del funzionamento. Il dimensionamento dell impianto viene eseguito e ottimizzato per le condizioni di funzionamento estive. Essendo però solitamente più elevato il carico invernale (in particolare nelle regioni del Nord Italia), in tale periodo si deve ricorrere a un integrazione tramite caldaia tradizionale o, in mancanza di combustibile, tramite sistemi che impiegano resistenze elettriche. Al contrario, quando ci si trova in condizioni di carico invernale inferiore a quello estivo, non risulta necessaria la presenza di ulteriori sistemi di riscaldamento. LA POMPA DI CALORE FUNZIONAMENTO INVERNALE 7

8 LA POMPA DI CALORE FUNZIONAMENTO ESTIVO POMPA DI CALORE E CALDAIA Nel caso in cui l utente abbia sia esigenze di riscaldamento invernale, sia esigenze di raffrescamento estivo, può essere conveniente l acquisto di un refrigeratore funzionante anche a pompa di calore e di una caldaia da utilizzare in inverno in parallelo alla pompa di calore e quindi di potenza inferiore rispetto a una soluzione di riscaldamento esclusivamente mediante combustibile. In questo modo, inoltre, si può scegliere, a seconda delle tariffe e delle condizioni ambientali, se utilizzare solo la pompa di calore, solo la caldaia, o entrambe. 8

9 DIVERSE TIPOLOGIE REGIONE FREDDA: fonte esterna da cui si estrae calore REGIONE CALDA: aria o acqua da riscaldare ARIA-ACQUA: la sorgente fredda è l ARIA (disponibilità illimitata, costi bassi ma termodinamicamente meno adatta) ACQUA-ACQUA: la sorgente fredda è l ACQUA (ottime prestazioni ma necessita di almeno un pozzo tramite perforazione) TERRA ACQUA: la sorgente fredda è la TERRA (ottime prestazioni ma necessita di perforazioni con sonde geotermiche) ARIA-ARIA: la sorgente fredda è l ARIA come il fluido interno. Questo sistema è utilizzato per lo più nel residenziale. DIVERSE TIPOLOGIE ARIA-ACQUA Sfrutta l'aria dell'ambiente circostante quale fonte di calore; l'aria viene semplicemente aspirata. Funzionamento: L'aria aspirata dall'ambiente circostante viene fatta passare davanti ad uno scambiatore di calore. Questo trasforma il calore a bassa temperatura (anche in inverno, molto al di sotto di 0 C) in calore ad alta temperatura. Ciò avviene in un processo a circuito chiuso cambiando costantemente lo stato di aggregazione del mezzo di lavoro (evaporazione, compressione, liquefazione, espansione; il frigorifero funziona secondo lo stesso principio). Vantaggi: Tecnologia a pompa di calore di massima convenienza Spese di installazione contenute Impianto di dimensioni ridotte Ideale per una casa a risparmio energetico Svantaggi: La potenza resa diminuisce con la temperatura della sorgente Con aria a temperatura 0 C è necessario un sistema di sbrinamento 9

10 DIVERSE TIPOLOGIE ACQUA-ACQUA L'acqua come sorgente fredda garantisce le prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche esterne esterne; tuttavia richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione. Funzionamento: L acqua utilizzata può essere: di mare (T in 15 C); di fiume (T in 12 C); di falda (T in 10 C); L acqua in uscita raggiunge invece una temperatura massima di circa C. Per questo motivo questo sistema viene utilizzato per lo più nei casi di riscaldamento a pavimento. DIVERSE TIPOLOGIE TERRA-ACQUA Sfrutta il calore geotermico dello strato superficiale e degli strati più profondi del terreno. Funzionamento: La pompa di calore geotermica utilizza il sottosuolo, dove per tutto l'anno c'è una temperatura pressoché costante. Nella sonda circola un fluido glicolato in un circuito chiuso. L'emulsione assorbe il calore dal terreno tramite le tubazioni e lo porta alla pompa di calore. Tramite uno scambiatore termico, la pompa di calore sottrae calore all'emulsione. Il fluido "privato del calore" può, così, assorbire di nuovo calore dal terreno ed il processo si ripete all'infinito. I vantaggi: Riduzione delle spese di riscaldamento Utilizzo indipendente dalla stagione (sonde geot.) Riduzione attiva dell'emissione di CO 2 10

11 DIVERSE TIPOLOGIE TERRA-ACQUA SISTEMI A CIRCUITO APERTO Si richiedono la presenza di una falda acquifera sfruttabile e di un terreno permeabile (per permettere l accumulo di acqua) con una buona composizione chimica (per evitare la corrosione). SISTEMI A CIRCUITO CHIUSO Si distinguono in sistemi a sonde verticali o a sonde orizzontali a seconda della direzione nella quale si estende la sonda. DIVERSE TIPOLOGIE TERRA-ACQUA SONDE ORIZZONTALI Richiedono l utilizzo di spazi liberi (non edificabili) e gli scambiatori sono posizionati in scavi (profondità di 0,5 1,5 m). 11

12 DIVERSE TIPOLOGIE TERRA-ACQUA SONDE VERTICALI Richiedono perforazioni verticali e massimizzano lo scambio termico con l utilizzo di sonde geotermiche. DIVERSE TIPOLOGIE TERRA-ACQUA SONDE COMPATTE Non richiedono costose perforazioni né spazi di grandi dimensioni 12

13 DIVERSI COP RAFFRESCAMENTO C.O.P. 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2, Potenza assorbita Aria-Acqua Acqua-Acqua Terra-Acqua DIVERSI COP RISCALDAMENTO 5,00 4,50 C.O.P. 4,00 3,50 3,00 Aria-Acqua Acqua-Acqua Terra-Acqua 2,50 2, Potenza assorbita 13

14 DIVERSE POTENZE CONSUMI Potenza resa in riscaldamento Potenza resa in raffrescamento Potenza assorbita Aria-Acqua risc. Acqua-Acqua risc. Terra-Acqua risc. Aria-Acqua raff. Acqua-Acqua raff. Terra-Acqua raff. CONVENIENZA DELLA POMPA DI CALORE Per fare un confronto equo usiamo il rapporto tra energie della stessa qualità: REP = calore fornito/en. termica equivalente all en. elettrica spesa Per le caldaie REP = RENDIMENTO Per le pompe di calore REP = Q/(L/η e ) = COPx0,4 dove 0,4 è il coefficiente indicativo del rendimento elettrico nazionale: per produrre 1 kwh e occorre un consumo che corrisponde ad un efficienza del 40%. 14

15 CONVENIENZA DELLA POMPA DI CALORE Ponendo: C_kWh pdc = costo di 1 kwh th prodotto dalla pompa di calore C_kWh c = costo di 1 kwh th prodotto dalla caldaia η = rendimento della caldaia = 0,7-0,9 C_kWh e = costo di 1 kwh elettrico 1 Sm 3 gas naturale = 0,3 0,5 e 1 kwh e = 0,08-0,19 C_kWh pdc = C_kWh e /COP C_kWh pdc ad acqua = 0,195/5 = 0,039 /kwh C_kWh pdc geotermica = 0,195/4,5 = 0,04 /kwh C_kWh pdc aria (t e = 7 C) = 0,195/3,5 = 0,056 /kwh C_kWh pdc aria (t e = 5 C) = 0,195/2,2 = 0,089 /kwh C_kWh c = costo del combustibile x 3600/(PCIxη)= =0,7x3600/(34.300x0,9) = 0,08 /kwh CONVENIENZA DELLA POMPA DI CALORE Rendimento caldaia REP caldaia REP PdC COP PdC 2,2 3,5 4,5 5 0,7 1,43 0,88 1,4 1,8 2 0,8 1,25 0,88 1,4 1,8 2 0,9 1,11 0,88 1,4 1,8 2 15

16 EDIFICI COMMERCIALI E INDUSTRIALI Lione, Francia: uffici (1997) Pompa di calore acqua-acqua per il riscaldamento e il raffrescamento COP: 4,75 riscaldamento 3,75 raffrescamento Risparmio del 28% sul consumo totale rispetto ad altri edifici per uffici Diminuzione della produzione di CO 2 EDIFICI COMMERCIALI E INDUSTRIALI Trondheim, Norvegia: centro commerciale (2000) Pompa di calore acqua-acqua per il riscaldamento e il raffrescamento COP: 3,5 riscaldamento 2,5 raffrescamento In inverno il sistema usa come sorgente l impianto per il raffrescamento dell edificio ICT accanto. In estate il calore prodotto in eccesso pre-riscalda l acqua sanitaria dell hotel accanto. INV. EST. Fonte calda per il riscaldamento CC H ICT Fonte calda per l acqua sanitaria CC Raffreddam. CED Raffreddam. CC 16