Analisi tecnico-economica per l utilizzo delle pompe di calore geotermiche a Paolo Conti Unione Geotermica Italiana & Università di Pisa - DESTEC

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1 Analisi tecnic-ecnmica per l utilizz delle pmpe di calre getermiche a Pal Cnti Unine Getermica Italiana & Università di Pisa - DESTEC pal.cnti@uninegetermica.it GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottbre 2014.

2 Impiant di climatizzazine 2 Fluss energia termica Impiant di generazine? Impiant utilizzatre EMISSIONE REGOLAZIONE DISTRIBUZIONE ACCUMULO Fabbisgn termic edifici RISCALDAMENTO RAFFRESCAMENTO ACQUA CALDA SANITARIA HVAC Systems (Heating, Ventilatin and Air Cnditining)

3 Quale tecnlgia di generazine? 3 Pmpa di calre Caldaia a bimassa Caldaia a cmbustibili fssili Slare termic

4 Pmpe di calre: fndamenti 4 Srgente calda Definizine Energia mtre (calre lavr) W Q T Q F Gradiente di temperatura Dispsitiv capace di trasferire calre da una srgente «fredda» a una «calda», in direzine ppsta al naturale fluss termic. Per fare quest, è richiesta una quantità aggiuntiva di energia (calre lavr) Cefficient f perfrmance Riscaldament & ACS COP = Q T = Q T Q T Q F W Srgente fredda Raffrescament EER = Q F = Q F Q T Q F W

5 Pmpe di calre: fndamenti 5 Cicl termdinamic di riferiment Cmpnenti PdC T Temperature [K] Saturated liquid Saturatin curve D A B C Vapr D Valvla di espansine Cndensatre C Cmpressre O Assrbitre Liquid + Vapr A Evapratre B s Entrpy [J/kg] Cnti & Grassi: Hw heat pumps wrk: criteria fr heat surces evaluatin. XIV Int. Cnference n Science, Arts and Culture. Veli Lšinj, 2014.

6 Pmpe di calre: tecnlgia 6 Caldaia En Primaria η gen En utile 100

7 Pmpe di calre: tecnlgia 7 Pmpa di calre elettrica RISC & ACS Parc prduzine energia elettrica nazinale En Elettrica 25 COP En utile 100 En Primaria 54 En da srgente fredda 75

8 Pmpe di calre: tecnlgia 8 Pmpa di calre elettrica RAFF Parc prduzine energia elettrica nazinale En Elettrica 33 EER En utile 100 En Primaria 72 En a srgente calda 133

9 Pmpe di calre: tecnlgia 9 Pmpa di calre ad assrbiment RISC & ACS En Primaria 54 GUE En utile 100 En da srgente fredda 46

10 Quale srgente utilizzare? 10 Terren Acqua Aria

11 Terminlgia 11 Grund Surce Heat pump systems - GSHPs Air Surce Heat pump systems - ASHPs Surface-water HPs - SWHP Grundwater HPs - GWHPs Grund-cupled HPs - GCHPs Hrizntal CGHPs Vertical GCHPs (ASHRAE 2011)

12 12 Quale parametr indica un bun funzinament del sistema? Prestazini energetiche perative Csti installazine e O&M Cnsum glbale di energia primaria (GSHP + back-up) Risparmi rispett a tecnlgie di back-up Quta di caric sddisfatta cn SCOP/SEER maggiri delle tecnlgie di back-up Cndizini perative Temperature EVA/COND Capacity rati Csti installazine GHP + Back-up + Snde Tariffe energia (elettrica, gas naturale ) Scenari incentivi Capacity rati

13 Qual è l biettiv? 13 Qual è l biettiv finale? Minimizzare il rapprt csti-benefici (enegia/ecnmia) del sistema glbale (GSHP & Integrazine) in termini di prestazini perative Determinare la frazine ttimale del caric termic (energia!) da sddisfare cn il sistema GSHP Individuare le taglie ttimali dei cmpnenti del sistema (inclusa la PdC). Quali sn le principali variabili di dimensinament? Taglia e tiplgia della PdC Dimensini e caratteristiche snde (lunghezza, numer, dispsizine ) Strategia di cntrll durante il perid perativ Csa dvrebbe essere evitat? Un dimensinament apprssimat e frettls Nn analizzare la gestine del sistema durante il funzinament

14 Layut impiantistic 14 Gethermal lp HP BHEs Grund Surce Back-up generatrs End-user lp (thermal lad) Terren - Acqua (Srgente/accumul) Snde - Pzzi Circuit Getermic GHP Sistema di integrazine Impiant utilizzatre Prprietà term-fisiche Mt di falda Clima Tiplgia Numer Materiali Cnfigurazine Temperature Prtata Perdite caric Tecnlgia Prestazini Dimensinament Cntrll Tecnlgia Prestazini Dimensinament Cntrll Temperatura richiesta Caratteristiche caric (Ptenza + Energia) GSHP Systems HVAC Systems

15 Indici di prestazine 15 Table 1. Energetic indexes fr electrically-driven heat pumps. NAME DEFINITION TIPICAL VALUES COP/EER Useful thermal pwer divided by pwer input / Useful thermal energy divided <COP> / <EER> by ttal energy input. The Average COP/EER cefficient refers t a specified 3 4 / time interval. SCOP / SEER Seasnal COP/EER PER Primary Energy Rati Useful thermal energy divided by energy input. The cefficient refers t the entire heating/cling seasn. Useful thermal energy during a seasn divided by primary energy input 3 4 / /

16 Prestazini perative vs. nminali 16 Prestazini dell unità pmpa di calre Variazine prestazini in funzine delle temperature perative Variazine prestazine in funzine del capacity rati Sstenibilità della srgente termica Qual è il grad ttimale di sfruttament della srgente? Quant vengn alterate le caratteristiche della srgente dall esercizi dell impiant?

17 17 Unità pmpa di calre: prestazini perative vs. nminali Temperatura di evaprazine e cndensazine I dati nminali si riferiscn a cndizini standard delle srgenti (e.g. UNI EN :2013) Prestazini nminali Heating capacity kw 15.1 Ttal pwer input kw 3.6 COP (nly cmpressr) 4.2 Secndary fluid (Evapratr): Inlet 10 C / Outlet 7 C Secndary fluid (Cndenser): Inlet 30 C / Outlet 35 C

18 18 Unità pmpa di calre: prestazini perative vs. nminali Q T / T f ~0.25 [kw/ C] Thermal capacity - kw T fh 35 C T fh 45 C 8 6 COP/ T f ~0.1 [1/ C] COP T fh 35 C 4 2 T fh 45 C T fc [ C]

19 19 Unità pmpa di calre: prestazini perative vs. nminali Capacity rati CR = Q u Q DC Dve: - - Q u è la ptenza termica utile frnita; Q DC è la massima ptenza termica ergabile dall unità alle medesime cndizini perative delle srgenti.

20 20 Unità pmpa di calre: prestazini perative vs. nminali P th,ut CR<1 (UNI EN 14825:2012)

21 21 Unità pmpa di calre: prestazini perative vs. nminali Fattre di penalizzazine del COP (UNI EN 14825:2012) 1 COP/COP DC 0,8 0,6 0,4 0,2 Unità ON/OF Unità mdulanti 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 CR

22 22 Srgente termica: prestazini perative vs. iniziali Valutazine della risrsa iniziale - Aria (ASHPs): clima del lug - Acqua (GWHPs and SWHPs): livell falda, temperatura, test pmpaggi (determinazine prtata) - Terren (GCHPs): temperatura, prprietà termfisiche, Termal Respnse Test (TRT) Valutazine della «rispsta» della srgente all esercizi dell impiant - Es. in cas di impianti a circuit chius, la temperatura del terren è frtemente influenzata dalle sue prprietà termiche e dalla «stria» degli scambi termici tra terren e impiant (imprtanza della strategia di cntrll)

23 23 Sstenibilità della srgente: cas studi semplificat Impiant di riscaldament cstituit da una GCHP e da una ASHP (back-up). En IN/ En IN-AIR 1,1 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Lad share at the grund surce BHEs depth 0 (AHP nly) 2x100 4x100 6 x x x x x 100

24 Design case: descrizine 24 Prfil di caric Data di targa delle PdC analizzate Fabbisgn mensile di RISC e 8,1 RAFF [MWh] 6,9 5,8 3,5 0,7-3,8-7,2-8,6-8,6 Ptenza picc RISC: 30 kw Ptenza picc RAFF: 40 kw -3,5 0,7 4,2 Heating DC (EN 14511:2008) Cling DC (EN 14511:2008) HP1 PdC riferita al caric di picc HP2 PdC riferita alla ptenza media richiesta nel mese più gravs HP3 HP1 HP2 HP PdC riferita alla ptenza media staginale

25 Design case: descrizine 25 Obiettivi Determinazine della taglia ttimale della GHP, del sistema di back-up e del numer di BHE Determinazine strategia di cntrll ttimale References 1. Prpsal f a Nvel Design Prcedure fr GSHP Systems W. Grassi, P. Cnti, D. Testi EGC2013 prceedings. 2. A Design Methd fr Grund Surce Heat Pump Systems Based n Optimal Year-Rund Perfrmance Part 1: Mdel Definitin and Discussin, submitted t Applied Energy.

26 Design case: risultati Cnf. 1 Cnf. 2 Cnf. 3 Cnf E p tt [MWh] N GSHP BHEs number

27 Design case: risultati 27 HP2 3 BHEs HP3 3 BHEs Ttal length f BHEs [m] 100 x x 3 Ttal flw rate [kg/s] f H - % cpertura caric INV 93 % 86 % f C - % cpertura caric EST 78 % HP2 38 % 3 BHEs HP3 3 BHEs <COP> η (biler) <EER> <EER> (air unit) CR (winter/summer) 0.38 / / 0.50 Heat flw per unit length (winter/summer) [W/m] Primary energy cnsumptin (after 20 years) [MWh] 19.4 / / (-9.4 %) (-15.1%)

28 Design case: risultati 28 Indici di prestazine per la GHP (cnf #3, 3 BHEs) 4 3,8 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 COP EER Year

29 Design case: risultati 29 Suddivisine del caric tra GSHP e Back-up (Cnf #3, 3 BHEs) [MWh] GSHP Back-up generatrs Year

30 Design case: cnclusini La ptenzialità degli impianti di tip GSHP in termini di risparmi energetici è stata cnfermata; 2. Il cnsum minim di energia primaria si ttiene individuand il punt di ttim in termini di sinergia tra GSHP e back-up; 3. Il numer e le dimensini dei BHEs devn essere scelti in funzine del miglir cmprmess tra csti di installazine e risparmi cnseguibili; 4. Una prgettazine attenta, ad-hc basata sulla valutazine delle prestazini perative sembra essere un requisit fndamentale per evitare svradimensinamenti e malfunzinamenti del futur impiant; 5. I sistemi GSHP cstituiscn una tecnlgia efficace per il raggiungiment degli biettivi impsti dalle recenti Direttive Eurpee e leggi neazinali (e.g. EPBD e decreti attuativi) 6. I sistemi GSHP rappresentan una tecnlgia strategica in previsine di futuri aumenti delle tariffe di energia (elettrica e gas).

31 31 Grazie per l attenzine