Polivalenti idronici di nuova generazione a doppio ciclo: realizzazioni e risultati sul campo

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1 Polivalenti idronici di nuova generazione a doppio ciclo: realizzazioni e risultati sul campo Autore - Affiliazione Lucia Favuzzi Servizio Marketing Thermocold Costruzioni Srl

2 Sommario Contesto Generale Sistemi a ciclo annuale: PdC tradizionale VS Multifunzione Doppio ciclo in cascata Sistemi a ciclo annuale - I polivalenti idronici a doppio ciclo Efficienza stagionale EN Realizzazioni e risultati sul campo Conclusioni 2

3 Contesto Generale La scarsezza di combustibili fossili e gli effetti negativi che questi hanno sull ambiente stanno imponendo la ricerca di sistemi alternativi per la produzione di calore ad uso civile ed industriale. I nuovi sistemi devono rispettare determinati standard in termini di quota di energia rinnovabile utilizzata ed efficienza energetica al fine di ridurre i consumi ed essere ritenuti «efficienti» in base alle recenti normative. 3

4 Contesto Generale Le macchine a compressione di vapore alimentate ad energia elettrica presenti ormai da tempo sul mercato stanno suscitando interesse sempre maggiore grazie alla loro capacità di sfruttare l energia aerotermica o geotermica. 4

5 Contesto Generale Sfruttamento delle energie rinnovabili (aria, acqua, geotermia) Alta efficienza (C.O.P. sempre più interessanti) Aumento Classe Energetica delle abitazioni residenziali (A+) Riduzioni emissioni di CO2 (maggiore rendimento anche paragonato a generatori termici a condensazione). Minore utilizzo di energia primaria Versatilità di applicazione utilizzo stagionale estate/inverno Vantaggi economici - detrazione fiscale 65% 5

6 Contesto Generale Miglioramento continuo della tecnologia della pompa di calore volta ad aumentare la quota di energia rinnovabile utilizzata con il minimo impatto ambientale. La realizzazione di impianti a ciclo annuale basati su macchine a compressione di vapore azionate elettricamente rappresenta quindi una scelta lungimirante nel percorso verso la realizzazione di impianti ad impatto zero 6

7 Sistemi a pompa di calore tradizionali Pompa di calore tradizionale + valvola 3 vie Produzione di ACS: Sistema con valvola a 3 vie richiede un ulteriore scambio termico In estate la produzione di ACS avviene con inversione di ciclo T T M DEUMUDIFICATORE DEHUMIDIFIER T T M T M P1 EWR 7

8 Sistemi a pompa di calore tradizionali Pompa di calore tradizionale + valvola 3 vie Necessità di uno scambio termico in più per l ACS PERDITA DI EFFICIENZA Perdita di efficienza Condensazione più alta MAGGIORI COSTI PER L UTENTE FINALE Abbattimento delle resa di circa il 7% MAGGIORI CONSUMI 8

9 Sistemi a ciclo annuale - Concetto di multifunzione Cos'è una macchina multifunzione: Una macchina dotata di scambiatori dedicati per la produzione di acqua ad uso condizionamento e di acqua per usi sanitari, capace di recupero totale nella fase estiva. Si tratta perciò di una macchina "a 4 tubi" connessa idraulicamente a due impianti distinti: quello di condizionamento e quella dell ACS 1 solo sistema x 365 giorni l anno 9

10 Sistemi a ciclo annuale - Concetto di multifunzione Confronto con sistemi a pompe di calore tradizionali APPLICAZIONE CON MULTIFUNZIONE T M SCAMBIATORE DEDICATO PER L ACS Alta efficienza energetica eliminando lo scambiatore acqua-acqua P1 REC ACS GRATUITA DURANTE IL PERIODO ESTIVO Elimina la necessità di invertire il ciclo per la produzione di ACS durante il funzionamento estivo ottenendo ACS gratuita senza perdita di comfort negli ambienti ct M M M ct T T P1 EWR fan coil fan coil fan coil zona 1 zona 2 zona 3 ct 10

11 Polivalenti Titolo idronici di nuova generazione a doppio ciclo Sistemi a ciclo annuale - Concetto di multifunzione Produzione di acqua refrigerata Produzione contemporanea di acqua refrigerata e ACS sfruttando energia di recupero Scambiatore per ACS sorgente Scambiatore climatizzazione Scambiatore climatizzazione Produzione di acqua calda per condizionamento Produzione di acqua calda per uso sanitario sorgente sorgente Scambiatore per ACS Scambiatore climatizzazione Lucia - Thermocold AutoreFavuzzi - Affiliazione 11

12 Sistemi a ciclo annuale - Concetto di multifunzione I sistemi multifunzione operanti con software di gestione dedicati consentono notevoli vantaggi: SET POINT DIFFERENZIATI La gestione dei set point differenziati per le utenze di climatizzazione e sanitarie consente di lavorare sempre nella condizione più efficiente COP 4,5 4 3,5 3,31 3 2,87 2, Hot water temperature [ C] 12

13 Criticità Decadimento delle rese termiche al diminuire delle temperature dell aria esterna Necessità di sovradimensionamento progettuale Stress tecnici per il raggiungimento di alte temperature del fluido a basse temperature esterne (alti rapporti di compressione) Temperature di produzione di acqua calda non adeguate all utilizzo per usi sanitari (legionella 60 C) Necessità di prevedere sistemi integrativi (generatori termici) per sopperire ai limiti di temperature e potenzialità soprattutto per applicazioni in zone caratterizzate da climi rigidi Per ottenere acqua calda sanitaria è necessario utilizzare valvole deviatrici e serpentini all interno dei serbatoi di accumulo con forte perdita di efficienza Impossibilità di ottenimento temperature di acqua calda superiori a 60/65 C 13

14 Obiettivi strategici Eliminazione della valvola a tre vie per la produzione di acs Elevare l affidabilità e la durata delle macchine a compressione grazie all utilizzo di tecnologie di nuova generazione Mantenere la potenza termica fornita costante come per le caldaie tradizionali fino a temperature esterne di -20 C Ottenere temperature di acqua calda superiori a 60 C/ 65 C 14

15 Come raggiungere questi obiettivi? Doppio ciclo in cascata Multifunzione Tecnologia inverter 15

16 Doppio ciclo in cascata Decadimento delle rese alle basse temperature esterne per le macchine monociclo -70% DI POTENZA TERMICA Difficoltà nel produrre acqua ad elevate temperature 16

17 Doppio ciclo in cascata Elevate differenze tra le temperature estreme del ciclo (te e Tc) portano a elevate perdite exergetiche 17

18 Doppio ciclo in cascata Come ridurre le perdite exergetiche L exergia indica la massima quantità di energia convertibile in lavoro meccanico Analisi exergetica: individuazione dei processi che influenzano negativamente l efficienza del ciclo 18

19 Doppio ciclo in cascata Ripartendo il salto di temperatura tra i due stadi: perdita laminazione perdita desurriscaldamento Utilizzando refrigeranti diversi si ottimizzano le prestazioni dei singoli stadi Il salto di pressione è ripartito sui due cicli portandosi a valori prossimi a quelli di massimo rendimento Vantaggio solo se il numero di stadi è proporzionato sul salto termico globale 19

20 η [%] Titolo Doppio ciclo in cascata Come ridurre le perdite alla compressione rapporto di compressione 20

21 Doppio ciclo in cascata R134a +20% RENDIMENTO DI COMPRESSIONE Rendimento volumetrico Rendimento isoentropico Zona di massimo rendimento 21

22 Doppio ciclo in cascata +20% -30% rendimento della compressione stress meccanici Aumento della vita utile dei componenti < impatto ambientale 22

23 Doppio ciclo in cascata - Tecnologia Ciclo di alta temperatura: GAS R134a per produzioni di acqua calda ad elevate temperature. Ciclo di bassa temperatura: GAS R410a per basse temperature di aria esterna 23

24 Doppio ciclo in cascata - Tecnologia Doppio ciclo con 2 refrigeranti diversi Accurata progettazione dei componenti Progettazione di software dedicato Climatizzazione invernale Configurazioni possibili: Produzione di acqua sanitaria ad alta temperatura (fino a 80 C) Climatizzazione invernale + Produzione di acqua sanitaria ad alta temperatura (fino a 80 C) Climatizzazione estiva Climatizzazione estiva + Produzione di acqua sanitaria ad alta temperatura (fino a 80 C) con recupero dell energia termica 24

25 Doppio ciclo in cascata - Tecnologia Potenza termica costante in tutto il range di funzionamento Non necessita di fonti di calore integrative 25

26 Doppio ciclo in cascata - Tecnologia Esteso campo di funzionamento DUO DUO & PdC tradizionale con resistenza elettrica integrativa DUO & PdC tradizionale 26

27 Doppio ciclo in cascata - Tecnologia Efficienze più elevate in un ampio campo di funzionamento COPDUO>COPPdC tradizionale -5 C COPDUO<COPPdC tradizionale 27

28 Prestazione Energetica Stagionale EN La EN14825 è una norma che definisce il metodo di calcolo dell efficienza per le pompe di calore su base stagionale e non solo in determinate condizioni di funzionamento dichiarate dal costruttore. Il coefficiente di prestazione stagionale SCOP per pompe di calore aria-acqua è calcolato sulla base delle seguenti variabili: Temperatura di progetto: la norma definisce 3 fasce climatiche in cui viene divisa l Europa, ognuna associata ad una temperatura di progetto. Fascia COLDER Tprogetto = -22 C Fascia AVERAGE Tprogetto = -10 C Fascia WARMER Tprogetto = 2 C Temperatura dell acqua lato utilizzo: la norma definisce 3 livelli di temperatura per l acqua in uscita riferiti ciascuno ad un diverso sistema di distribuzione: distribuzione con Pannello radiante Twater out = 35 C distribuzione con ventilconvettore Twater out = 45 C distribuzione con radiatore Twater out = 55 C Frequenza di accadimento della temperatura dell aria esterna: intesa come il numero di ore di accadimento di una temperatura dell aria esterna durante la stagione di riscaldamento. Tali valori sono definiti dalla normativa in relazione alle tre fasce climatiche. Per l efficienza in raffrescamento SEER viene considerata una sola fascia climatica con T progetto =35 C distribuzione con Pannello radiante Twater out = 18 C distribuzione con ventilconvettore Twater out = 7 C 28

29 Prestazione Energetica Stagionale EN Seasonal COP - produzione di acqua a 35 C potenza 8 kw Seasonal COP - produzione di acqua a 45 C potenza 8 kw 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 COLDER AVERAGE WARMER R410a R407c R134a doppio ciclo 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 COLDER AVERAGE WARMER R410a R407c R134a doppio ciclo Seasonal COP - produzione di acqua a 55 C potenza 8 kw 4,5 4 3,5 3 2,5 2 R410a R407c R134a doppio ciclo 1,5 1 COLDER AVERAGE WARMER 29

30 COP Titolo Dynamic Set Point Il controllo elettronico consente di adeguare la temperatura dell acqua prodotta alle reali condizioni di lavoro dell impianto ottenendo il miglior equilibrio tra l energia da fornire all impianto e il consumo di energia primaria up to 30% 3 with Dynamic Set Poin standard Set Point T aria esterna[ C] 30

31 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 Titolo Prestazione Energetica Stagionale EN efficienza in riscaldamento Sistema doppio ciclo in cascata R410a-R134a Parzializzazione con inverter Modulazione continua della ventilazione Potenza 40 kw 3,97 3,68 SCOP T produzione acqua 35 C 4,33 3,94 5,11 4,76 COLDER AVERAGE WARMER Dynamic Set Point Standard Set Point I sistemi a doppio ciclo consentono di operare in un più esteso range di temperature 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 3,50 3,00 3,39 3,07 SCOP T produzione acqua 45 C 4,70 3,90 3,55 4,36 COLDER AVERAGE WARMER SCOP T produzione acqua 55 C 3,74 3,54 3,31 3,09 2,94 2,97 Dynamic Set Point Standard Set Point La tecnologia FULL INVERTER consente di ottenere migliori prestazioni ai carichi parziali 2,50 2,00 1,50 Dynamic Set Point Standard Set Point 1,00 COLDER AVERAGE WARMER 31

32 Prestazione Energetica Stagionale EN efficienza in raffrescamento Confronto tra i valori di SEER calcolati per macchine aria/acqua operanti con R410a. L unità standard prevede una parzializzazione a 3 gradini ed è dotata di controllo continuo della velocità dei ventilatori. 7,00 SEER 6,00 5,89 5,00 4,89 5,03 4,00 3,00 4,18 Standard Unit Full Inverter Unit 2,00 1,00 0,00 fancoil radiant panels 32

33 Controllo elettronico dello sbrinamento La formazione di brina sulle batterie comporta la riduzione della resa delle pompe di calore. La serie è divisa in due parti: la prima è relativa allo sbrinamento e l altra all energia persa per restituire l energia sottratta al sistema durante l inversione di ciclo Inversione di ciclo per lo sbrinamento Restituzione energia sottratta 33

34 Controllo elettronico dello sbrinamento Perdite di potenza per sbrinamento Ridotte perdite di potenza dovute agli sbrinamenti Con un sistema elettronico capace di intervenire tempestivamente al manifestarsi delle condizioni favorevoli alla formazione della brina, è possibile contenere le perdite derivate dai cicli di sbrinamento 34

35 Confronto con altri sistemi a doppio ciclo A differenza di altri sistemi che sfruttano la tecnologia dei cicli in cascata il sistema DUO è progettato per mantenere la indipendentemente dalle condizioni esterne. DUO altri sistemi a doppio ciclo resistenza elettrica integrativa 35

36 Realizzazioni e Risultati sul Campo 36

37 CONDOMINIO Complesso costituito da 12 unità residenziali 3 livelli Superfice 1060mq IMPIANTO DI RISCALDAMENTO PRODUZIONE ACQUA CALDA SANITARIA Pompa di calore THERMOCOLD DUO Light 145 Z PR 37

38 CONDOMINIO Sostituzione del generatore di calore a gasolio I terminali d impianto sono costituiti da radiatori Per acs era utilizzato un bollitore da 500 lt alimentato con acqua calda proveniente dalla caldaia per acs 38

39 CONDOMINIO sostituzione del generatore di calore con 2 unità DUO 145 Z PR i terminali d impianto costituiti da radiatori, temperatura di mandata di 65 C, con salto termico di 10 C. 39

40 CONDOMINIO Ante intervento l edificio risultava in classe G con indice di prestazione energetica per il riscaldamento pari a 269,3 kwh/m2 anno, ed indice di prestazione energetica per la produzione di acqua calda sanitaria pari a 19,0 kwh/m2 anno EPgl 287,3 kwh/m2 anno 40

41 CONDOMINIO 117,2 A seguito dell intervento l edificio risulta in classe F, guadagnando ben 2 classi energetiche con la sola sostituzione della caldaia a gasolio. L indice di prestazione energetica per il riscaldamento pari a 117,2 kwh/m2 anno, ed indice di prestazione energetica per la produzione di acqua calda sanitaria pari a 10,7 kwh/m2 anno EPgl 127,9 kwh/m2 anno 41

42 CENTRO BENESSERE CENTRO BENESSERE Superfice mq IMPIANTO DI CLIMATIZZAZIONE PRODUZIONE ACQUA CALDA SANITARIA INTEGRAZIONE SOLARE Pompa di calore THERMOCOLD DUO HEAVY 190 ULTIMAZIONE LAVORI Giugno

43 CENTRO BENESSERE Piano Interrato 43

44 CENTRO BENESSERE Piano Terra 44

45 CENTRO BENESSERE Sono state redatte le certificazioni energetiche dell edificio con generatore termico a condensazione e con pompa di calore Duo I risultati sono stati i seguenti: utilizzando un generatore termico a condensazione avremmo un edificio in classe B con indice di prestazione energetica per il riscaldamento pari a 23,26 kwh/m2 anno, prestazione energetica per la produzione di acqua calda sanitaria pari a 5,15 kwh/m2 anno ed indice di prestazione per raffrescamento 3,14 kwh/m2 anno EPgl 28,41 kwh/m2 anno 45

46 CENTRO BENESSERE Utilizzando pompa di calore Duo l edificio risulta in classe A con indice di prestazione energetica per il riscaldamento pari a 15,24 kwh/m2 anno, di prestazione energetica per la produzione di acqua calda sanitaria pari a 4,44 kwh/m2 anno ed indice prestazione raffrescamento 3,14 kwh/m2 anno EPgl 19,68 kwh/m2 anno 46

47 CENTRO BENESSERE RAFFRONTO ECONOMICO Nella tabella di raffronto economico è stato riportato il costo effettivo delle apparecchiature così come da progetto iniziale di riferimento, con costi di riferimento normalmente utilizzati in progetti privati e pubblici. 47

48 CENTRO BENESSERE RAFFRONTO ECONOMICO Risparmi annui ottenibili con fluido a 55 C e temperature esterne 0 C o 7 C utilizzando l unità Thermocold Duo

49 Visita Guidata - BASSANO DEL GRAPPA Multifunzione DUO LIGHT 125 SM Ristrutturazione ed ampliamento condominio Unità interna Unità esterna Viale Venezia, Bassano Del Grappa Superficie 520mq 7 unità abitative IMPIANTO DI CLIMATIZZAZIONE ESTIVA ED INVERNALE E PRODUZIONE ACQUA CALDA SANITARIA 49

50 Conclusioni 1/2 Al fine di rappresentare una valida alternativa ai sistemi a combustione in ogni applicazione, le pompe di calore devono superare limiti attuali per le temperature di produzione ed efficienza Con l applicazione della tecnologia del doppio ciclo in cascata a macchine polivalenti è possibile superare tali limiti risultando una soluzione competitiva anche in condizioni particolarmente gravose (temperature esterne rigide, necessità di acqua prodotta a elevate temperature) L utilizzo di componenti all avanguardia e logiche di controllo evolute permettono l applicazione di questa tecnologia alla climatizzazione con notevoli vantaggi in termini di prestazioni, affidabilità e durata delle macchine 50

51 Conclusioni 2/2 In definitiva la costanza delle rese termiche, la libera scelta progettuale della temperatura di mandata, anche a bassissime temperature esterne, unita all affidabilità dei componenti non soggetti ad elevati stress meccanici, delle pompe di calore DUO, permettono finalmente di superare il pregiudizio che ha sinora accompagnato l utilizzo di pompe di calore come unico elemento di produzione di acqua calda o refrigerata. La soluzione con doppio ciclo in cascata permette di superare tali limiti delle pompe di calore rendendole competitive anche in condizioni particolarmente gravose (temperature esterne rigide, necessità di acqua prodotta a elevate temperature). I dati ottenuti dai primi monitoraggi di impianti realizzati con questi sistemi hanno confermato le aspettative in termini di prestazione, efficienza e risparmio.. 51

52 GRAZIE PER L ATTENZIONE Autore - Affiliazione Le opinioni espresse dagli associati non riflettono necessariamente il parere dell AiCARR