La climatizzazione ambientale

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1 POR FSE OBIETTIVO 2 FSE ASSE V TRANSNAZIONALITA INTERREGIONALITA Circondario Empolese Valdelsa con Provincia di Prato, Azienda USL 11-Empoli, Istituto Superiore Ferraris- Brunelleschi di Empoli, PIN Scrl, Unione Industriale Pratese Servizi, FIL SpA, SOPHIA, coordinato da Agenzia per lo Sviluppo Empolese Valdelsa La climatizzazione ambientale Ing. Andrea Chesi andrea.chesi@unifi.it

2 Sommario Il fabbisogno energetico e la climatizzazione Tecnologie tradizionali per la climatizzazione Richiami teorici Scambio termico Sistemi frigoriferi Pompe di calore Sistemi innovativi per l involucro Sistemi innovativi per l impiantistica 2

3 Climatizzazione e certificazione Fabbisogno energetico: energia annua per metro cubo per il mantenimento delle condizioni termoigrometriche (e ACS) Minimizzare le dispersioni Massimizzare il rendimento impianti Energia primaria Impianto climatizzazione Effetto utile Locale climatizzato Perdite di conversione Dispersioni Ambiente esterno 3

4 Fabbisogno energetico Il fabbisogno energetico di un locale dipende dal volume dello stesso (massa di aria, strutture ed oggetti da portare in temperatura) e dalle dispersioni verso l esterno. Al limite un locale perfettamente isolato una volta portato in temperatura non ha più fabbisogno energetico (salvo ricambi d aria!). L energia utile (effetto utile, caldo e freddo ) è frutto di una o più conversioni energetiche. Ogni processo di conversione comporta delle perdite sotto forma di calore disperso. L energia ottenuta è minore della spesa ed il rendimento (η) ne dà una quantificazione. Il fabbisogno energetico per il raffrescamento può poi essere influenzato dalla presenza di sorgenti termiche interne al locale (attività antropica, computer, elettrodomestici, illuminazione, ecc.) Isolare l involucro e minimizzare le sorgenti interne (estate) per abbattere la richiesta energetica Utilizzare sistemi efficienti di conversione energetica per minimizzare il consumo da fonte primaria; Integrare con fonti rinnovabili per limitare consumo di energia da fonte fossile 4 η = E ottenuta E spesa

5 La climatizzazione tradizionale Il concetto dell isolamento termico è noto ma nella pratica tradizionalmente poco perseguito In genere un impianto di climatizzazione è costituito da un sistema di generazione, centralizzato o delocalizzato (caldaia condominiale vs caldaietta murale da appartamento; chiller centralizzato vs condizionatore da appartamento), un sistema di distribuzione (ad acqua o ad aria) e degli utilizzatori (radiatori, fan-coil, UTA) Optare per sistemi di generazione centralizzati offre maggiori margini di incremento dei rendimenti (minori transitori, perdite non scalabili con la taglia) a scapito a volte della flessibilità Il ricambio dell aria (forzata o naturale) è alla base di una corretta climatizzazione ma rappresenta un significativo carico termico. Importante a tal proposito il concetto della rigenerazione (recuperatori preriscaldatori, o preraffreddatori, in controflusso) 5

6 Impiantistica tradizionale: Radiatori e Fan-coil; Caldaie e Refrigeratori 2 tubi, acqua calda (70 C) Generatore di acqua calda (salto C) Fino a 4 tubi, acqua calda (40-60 C) e acqua fredda (7 C) Generatore di acqua fredda (salto 12-7 C) e climatizzatori 6

7 Impiantistica tradizionale: Unità di Trattamento Aria Estrazione Immisione e trattamento Recuperatore Raffreddatore Umidificatore Riscaldatore Post-riscaldo 7

8 Scambio termico Le modalità di trasmissione del calore dipendono da parametri energetici (temperatura, velocità del fluido) e da parametri fisici dei corpi (densità, stato fisico). Le trasmissioni di energia avvengono in senso positivo da un elemento più caldo ad un elemento più freddo (la differenza di temperatura è condizione essenziale per avere scambio termico). La trasmissione del calore avviene per: CONDUZIONE: l energia è trasportata da molecola a molecola senza movimento di materia (il cucchiaino nella tazzina) CONVEZIONE: l energia è trasportata a mezzo di un flusso di materia (il phon) IRRAGGIAMENTO: l energia è trasportata a mezzo di onde elettromagnetiche che vengono emanate da un corpo caldo (il sole). 8

9 Scambio Termico Esempio: elemento di caldaia (lamiera di spessore s e area A) T T 1 A s Trasmissione in tre fasi: 1) irraggiamento della fiamma e convezione dei fumi caldi 2) conduzione da una parte all altra della lamiera fumo fiamme T 2 T 3 T 4 acqua 3) convezione dalla lamiera all acqua irraggiamento convezione conduzione convezione 9

10 Conduzione Scambio Termico dove Q è l energia termica trasportata da una parete all altra della lamiera, λ è il coefficiente di trasmissione per conduzione, funzione della natura del corpo e della sua temperatura. λ diminuisce fortemente passando da solidi a liquidi a gas: ad esempio quello dell acqua è 100 volte inferiore a quello dell acciaio, quello di un gas è circa 10 volte inferiore a quello dell acqua. Irraggiamento Q (T 3 T 2) = Aλ s Q 1 = ε c s A T 1 4 dove Q è l energia termica emessa dalla corpo a temperatura T 1, ε è un coefficiente caratteristico del corpo dipendente dalla sua natura fisica, Cs è una costante di emissione, A è il fattore di vista del corpo. La geometria ed il materiale costituente il corpo influenzano molto l irraggiamento dello stesso. L energia emessa va con la potenza quarta della temperatura 10

11 Convezione Scambio termico Q Il coefficiente di convezione α dipende da molti fattori: λ coefficiente di conduzione del fluido che lambisce la parete l lunghezza caratteristica della parete ρ densità del fluido η viscosità dinamica del fluido ν viscosità cinematica del fluido w velocità del fluido rispetto alla parete c p calore specifico a pressione costante γ coefficiente di dilatazione volumetrica del fluido g accelerazione di gravità Molti di questi variano con la temperatura = A α ( T 2 T 1) Convezione naturale: il fluido è a pressione costante e il moto è provocato solo da differenze di densità. Un esempio può essere dato dal riscaldamento dell aria con un termosifone. Convezione forzata: il fluido si muove rispetto alla parete sotto l azione di una differenza di pressione. Per esempio la spinta di un phon 11

12 Soluzioni innovative per l involucro Isolanti termici Innovazione: Diminuzione delle trasmittanze Riduzione spessori Riduzione peso Semplicità di impiego Intonaci, premiscelati, prefabbricati Da materiali di riciclo Da materiali naturali Prefabbricato Multistrato sottile Granulato pomice Canapa Scarti polimerici 12

13 Soluzioni innovative per l involucro Tetti ventilati Limitazione dei fenomeni conduttivi sottotetto Asportazione di calore per moto convettivo (effetto camino) Ricambio di aria 13

14 Durante l'inverno: tetto non ventilato A causa delle temperature basse, nella struttura del tetto possono verificarsi fastidiosi fenomeni di condensa, causa di muffa, umidità e gocciolamenti. Nelle zone di montagna si creano facilmente, sullo sporto di gronda, pericolose barriere di ghiaccio, causa di infiltrazioni nella struttura del tetto. Durante l'inverno: tetto ventilato La circolazione dell'aria fa in modo che il materiale isolante rimanga asciutto evitando in questo modo la creazione di condense e garantendo la durata nel tempo degli elementi costruttivi del tetto. La ventilazione, in caso di nevicata, permette lo scioglimento uniforme della neve accumulata sul tetto evitando così la formazione delle barriere di ghiaccio. Durante l'estate: tetto non ventilato La copertura, riscaldata dall'irraggiamento solare, trasmette il calore al materiale coibente che può funzionare soltanto da ritardante termico. Il calore, successivamente, si trasferisce alle strutture portanti del tetto e all'interno della costruzione. Durante l'estate: tetto ventilato L'aria fresca, che penetra dalla linea di gronda, si riscalda nell'intercapedine per effetto dell'irraggiamento, diventa più leggera e fuoriesce dal colmo, sottraendo il calore accumulato dal materiale di copertura. 14

15 Soluzioni innovative per l involucro Pareti ventilate 15

16 Soluzioni innovative per l involucro Tetti e pareti ventilati Abbattimento della richiesta energetica Nelle istrutturazioni perdita di volumetria interna Da sconsigliare il rivestimento interno Maggiori ingombri esterni (passo lato strada) Spessore c.a. 25 cm! 16

17 Soluzioni innovative per l involucro Pareti Trombe Orientamento a sud Si sfrutta un effetto serra in una controparete vetrata per creare un moto di aria calda ascendente Le intercettazioni permettono l esclusione notturna Nel periodo estivo il tetto permette di limitare l impatto diretto 17

18 Soluzioni innovative per l utenza Pannelli radianti Il pannello radiante può lavorare a bassa temperatura vista la stratificazione termica favorevole ad un riscaldamento uniforme e ad altezza d uomo. L irraggiamento esteso (ampia area) consente un uniforme riscaldamento a bassa temperatura di oggetti e superfici esposte. Quindi necessita di acqua a 40 C e la restituisce a C. Può essere alimentato da pompe di calore e da caldaie a condensazione (vedi) Esistono pareti radianti (meno efficaci) e soffitti radianti (per raffrescamento, ma con problematiche di condensa) 18

19 Pannelli radianti: installazione 19

20 Come si fa il freddo? Il trasferimento di energia tra i corpi, inteso come scaldare o raffreddare, è legato ai principi della termodinamica (zero, 1 e 2 ) L esperienza ci dice che se un corpo caldo è messo a contatto con uno freddo il primo scalda spontaneamente il secondo e, viceversa, il secondo raffredda il primo, fino a raggiungere un equilibrio La temperatura è l indice di questo equilibrio. Un corpo a temperatura maggiore cede spontaneamente energia ad uno a temperatura minore finché entrambi non raggiungono la stessa temperatura (principio zero) + = Quasi 100 C Ambiente 20 C Brucia!!! (40 C)

21 Come si fa il freddo? Il trasferimento di energia (calore) da un corpo a temperatura minore ad uno a temperatura maggiore non può avvenire in maniera spontanea. Per ottenerlo è richiesto un apporto di lavoro dall esterno (2 principio) L esperienza ci dice che un frigorifero fa freddo in un vano (es. cella) cedendo calore all esterno (condensatore); quindi trasferisce energia da una zona a bassa temperatura ad una a temperatura maggiore. Per far questo però consuma energia elettrica per far funzionare il motore del compressore (lavoro) Cibo a temperatura ambiente viene portato a 4 C Serpentina calda che scalda l ambiente Il compressore consuma energia elettrica Non spontaneo!!!

22 La macchina frigorifera Quindi in teoria un sistema termodinamico (macchina a ciclo inverso) può assorbire una quantità di energia Q 2 da una sorgente S 2 a temperatura T 2 e trasferirla ad una sorgente S 1 a temperatura T 1 maggiore di T 2 mediante una spesa di lavoro esterno L. La quantità di energia Q 1 ceduta a S 1 è la somma di Q 2 e dell equivalente termico del lavoro L speso (1 principio) S 1 T1 Q = Q L Q1 M L Q2 COP = Q 2 L T 2 T 1 T 2 S 2 T2-22 -

23 Tipi di macchine frigorifere In base alle finalità applicative del sistema si fa distinzione tra: 1) Macchine Frigorifere, che sottraggono calore da una sorgente a temperatura inferiore a quella ambiente 2) Pompe di Calore, che cedono calore ad una sorgente a temperatura superiore a quella ambiente 3) Macchine Termo-Frigorifere, che agiscono contemporaneamente da frigorifero e pompa di calore T 1 = 20 C Aria esterna T 1 = 20 C T 1 = 35 C acqua calda Q 1 Q 1 Q 1 lavoro L MF lavoro L PC lavoro L MTF Q 2 Q 2 Q 2 T 2 = 5 C T 2 = 5 C Aria esterna T 2 = 7 C acqua fredda

24 Il ciclo frigorifero a compressione Le macchine frigorifere qui considerate sono quelle cicliche a fluido, cioè in cui un fluido frigorigeno subisce una serie di trasformazioni all interno di un circuito chiuso che lavora tra due livelli di pressione Partendo dal fatto che comprimendo un fluido (aumento di pressione) se ne aumenta la temperatura (ex: pneumatico appena gonfiato) e che viceversa espandendolo (diminuzione di pressione) ne diminuisce la temperatura (ex: gas che fuoriesce da una bombola) è possibile architettare il seguente ciclo (frigorifero): Compressione: il fluido viene portato dalla bassa pressione alla alta pressione con un conseguente incremento di temperatura. Questo richiede un consumo di energia meccanica nel compressore Raffreddamento (condensazione): il fluido caldo e compresso viene raffreddato a pressione costante fino alla temperatura della sorgente calda (quella ambiente nei frigoriferi, quella del sistema da scaldare nelle pompe di calore) cedendogli calore Espansione (laminazione): il fluido viene fatto espandere riportandosi a bassa pressione con un conseguente abbassamento di temperatura Riscaldamento (evaporazione): il fluido freddo viene riscaldato a pressione costante fino alla temperatura della sorgente fredda (quella ambiente nelle pompe di calore, quella del sistema da raffreddare nei sistemi frigoriferi) sottraendogli calore 24

25 Il ciclo frigorifero a compressione Rappresentazione semplificata delle trasformazioni di un ciclo frigorifero a gas Raffreddamento P Pmax Espansione Compressione 4 1 Pmin 4 1 Riscaldamento TS2 TS1 T 25

26 Climatizzatore domestico - Raffrescamento Funzionamento Estivo UNITA INTERNA Condensatore Ingresso aria da raffrescare U.E. Compressore UNITA ESTERNA Ingresso aria ambiente Termostatica Splitter Ingresso refrigerante Evaporatore Uscita aria riscaldata Uscita refrigerante

27 Climatizzatore domestico - Pompa di calore Funzionamento Invernale UNITA INTERNA Condensatore Splitter Compressore Termostatica UNITA ESTERNA Ingresso aria ambiente U.E. Ingresso refrigerante proveniente dalla termostatica Evaporatore Uscita aria raffreddata Uscita refrigerante

28 η = 0,85 Pompe di calore vs Caldaia 1,2 kwh combustibile 1 kwh termico COP = 3 η = 0,4 0,83 kwh combustibile 28 0,33 kwh elettrici - 30 %

29 PdC e temperatura ambiente (T-T0) cond Le prestazioni di un sistema frigorifero decadono al crescere della temperatura ambiente Viceversa quelle della pompa di calore decadono al suo diminuire (T-Tref) evap 29

30 PdC e temperatura ambiente Le oscillazioni di temperatura diurne ed annuali del suolo sono praticamente nulle al di sotto dei 10 metri In inverno sotto 20 m, ogni 30m di profondità la temperatura aumenta di 1 C Opportunità di sfruttare il suolo come sorgente di pozzo nelle macchine frigorifere e nelle pompe di calore

31 Sonde geotermiche Possono essere realizzati - Scambiatori orizzontali di più semplice installazione ma a temperature più prossime all ambiente - Scambiatori verticali più complessi nell installazione ma a temperature più stabili e lontane da quella ambiente

32 Sonde geotermiche 32 -

33 Combustione e condensazione CH 4 + 2O 2 + 7,52N 2 CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 La combustione di idrocarburi implica la formazione di acqua sotto forma di vapore nei gas combusti Raffreddare i fumi di scarico fino a portare il vapore a condensazione consente di recuperarne il relativo calore latente Il potere calorifico superiore tiene conto della condensazione di tale vapore nel raffreddamento dei fumi Per ottenere la condensazione è necessario disporre di fluido a bassa temperatura (<40 C) Nelle caldaie a condensazione è possibile ottenere rendimenti maggiori di 1 grazie al recupero del calore di condensazione in questione L impiego di tali caldaie è particolarmente indicato con impianti a pannelli radianti (basse temperature di ritorno) 33

34 Caldaia a condensazione 34

35 Centrali efficienti e Teleriscaldamento Centralizzare la produzione di caldo e di freddo, magari anche con sistemi di cogenerazione per incrementare le efficienze di conversione Le efficienze di conversione sono generalmente crescenti con la taglia Problematiche di dispersione termica 35

36 MCI e Cogenerazione Combustibile Ciclo Otto Metano Ciclo Diesel Gasolio Generatore Compressore Gas combusti Intercooler Olio Acqua di raffreddamento E possibile generare energia meccanica e quindi elettrica tramite alternatore E possibile recuperare il calore da dissipare e quello esausto

37 MCI e Cogenerazione Flussi termici per un MCI in termini di recupero energetico e perdite RECUPERI % WT 1 Intercooler 6.5 WT 2 Olio 7.5 WT 3 Acqua di raffreddamento 11 WT 4 Gas di scarico 25 PERDITE % Al camino 6 Irraggiamento 2 Alternatore 2 Altro 1

38 Ciclo ad assorbimento Soluzione ricca Soluzione povera Refrigerante Può essere alimentato con calore di recupero di cascami termici Adatto ad essere alimentato da pannelli solari (solar cooling) Bassi COP (0,7-1,5) 38

39 La trigenerazione flussi energetici Energia Primaria Perdite Sistema di Raffreddamento acqua - olio 25 Acqua calda 45 ASSORBITORE Calore dissipato a temperatura ambiente Perdite 2 Energia frigorifera MOTORE PRIMO (MCI) Energia elettrica Fumi (500 C) 8 Calore esausto Fumi 120 C SCAMBIATORE Rendimento globale 85% inverno ed estate

40 Solar cooling L idea è sfruttare la disponibilità solare per generare acqua calda ed alimentare un sistema frigorifero ad assorbimento Bassi rendimenti complessivi elevate superfici di captazione Problematica della effettiva disponibilità solare 40

41 Integrazione solare per sistemi frigo Durante il periodo estivo le prestazioni dei sistemi frigo sono più scadenti per le alte temperature ambiente. L idea è sfruttare la disponibilità solare per alimentare un ciclo frigorifero sovrapposto (ad eiezione) che gratuitamente consenta di abbassare le temperature di condensazione con benefici su COP ejector compressor COP 17 generator condenser Internal heat exchanger evaporator Numer of collectors COP 11 COP 8 COP 6 pump pump expansion valve expansion valve condensing temperature / ºC 41

42 La CO 2 come refrigerante alternativo Refrigerante R12 R22 R134a R290 NH 3 CO 2 Fluido naturale no no no si si si ODP (Ozone Depleting Potential) GWP (Global Warming Potential) <1 1 Infiammabile no no no si si no Tossico no no no no si no Prezzo relativo Temperatura critica [ C] Pressione critica [bar] Effetto frigorifero volumetrico

43 Pompe di calore a CO 2 15 C 4 80 C pressure R134a CO 100 C 2 60 C 12 bar pressure 31 C 100 C 120 bar 7C GAS COOLER EVAPORATOR 3 12 C 1 enthalpy enthalpy Pro: Possibilità di produrre acqua calda a 80 C Possibilità di sostituire una caldaia Possibilità di generare caldo e freddo da un unica centrale termica Contro: Elevate pressioni di esercizio Necessità di acqua di ritorno fredda per garantire buone prestazioni 43

44 Esempio centrale a CO 2 climatizzazione impianto di filtrazione e trattamento chimico SC2 UNITA' TERMODINAMICHE BIO-ECOLOGICHE P2.1 P1.1 U1 rete acqua 2 1 SC1 PSAN 2 VD1 VD3 Ss 1 1 VD2 P2 P2.2 U2 P1.2 P1 2 serbatoio acqua calda sanitaria pubblica fognatura VMF PF PC VMC SF SC serbatoio freddo serbatoio caldo impianti esistenti espulsione aria ambiente M M aria trattata aria esterna V2 V1 ripresa aria ambiente M POZZO 44

45 POR FSE OBIETTIVO 2 FSE ASSE V TRANSNAZIONALITA INTERREGIONALITA Circondario Empolese Valdelsa con Provincia di Prato, Azienda USL 11-Empoli, Istituto Superiore Ferraris- Brunelleschi di Empoli, PIN Scrl, Unione Industriale Pratese Servizi, FIL SpA, SOPHIA, coordinato da Agenzia per lo Sviluppo Empolese Valdelsa La climatizzazione ambientale Ing. Andrea Chesi andrea.chesi@unifi.it