Monitoraggio energetico di un impianto geotermico

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1 RICERCA Monitoraggio energetico di un impianto geotermico 1 L edificio della società Sero Pumpe System presso la quale è stato installato e reso operativo l impianto testato dalla società MVV Energie nell ambito del programma Erdgas GWP. I risultati del programma intrapreso dell associazione tedesca dei distributori del gas naturale per la misura in campo delle prestazioni energetiche delle pompe di calore ad assorbimento geotermiche. Massimo Ghisleni Il test GWP 24, facente parte della campagna di prove organizzata dall associazione tedesca, Erdgas è stato effettuato presso un nuovo fabbricato destinato ad uso commerciale di proprietà della società Sero Pump Systems di Meckesheim (figura 1). La centrale termica è stata realizzata con una pompa di calore geotermica ad assorbimento con ciclo frigorifero acquaammoniaca da 37 kw (figura 2). La pompa di calore è stata scelta idonea a lavorare a temperature medio alte, in quanto il fluido termovettore doveva raggiungere temperature massime prossime ai 70 C, per alimentare un sistema di riscaldamento ad aria canalizzata per il magazzino. Per assicurare la corretta temperatura di mandata del fluido termovettore al sottosistema d immissione a irraggiamento, si è utilizzato un opportuno sistema di miscelazione gestito in curva climatica. Attraverso la pompa di calore vengono riscaldati 480 m 2 destinati ad uso ufficio mediante pavimenti radianti, mentre attraverso un sistema di diffusione dell aria calda canalizzato vengono riscaldati con il medesimo sottosistema di generazione anche i 770 m 2 dei magazzini. Un sistema di pannelli solari termici piani, aiuta la pompa di calore riscaldando il fluido termovettore freddo utilizzato nel circuito sonde geotermiche. Il preriscaldo del fluido termovettore freddo è attivo ed efficace in tutti i mesi della stagione invernale, ma ottiene i migliori risultati nella parte centrale della stagione, quando per un numero maggiore di ore smette di alimentare direttamente l impianto pannelli a pavimento. Nelle ore più calde e ad elevata radiazione, il sistema di captazione dell energia solare è invece posto a supporto diretto dell impianto di riscaldamento degli uffici. Tale servizio diretto s intensifica e massimizza nei mesi più miti (ottobre, novembre, marzo e aprile) quando l energia solare per un numero maggiore di ore, riesce ad alimentare il circuito con temperature sufficienti alle necessità (figura 3). I pannelli solari in estate sono anche utilizzati per effettuare la ricarica del terreno dopo lo sfruttamento inver- 78

2 nale dello stesso, allo scopo di mantenere neutro l impatto ambientale del sistema di climatizzazione. Una sonda di temperatura, posta in prossimità degli attacchi di uscita del fluido termovettore solare dai pannelli, permette al sistema di gestione (PLC SOL) di sapere se l energia solare è sfruttabile a temperature sufficienti all utilizzo nel sottosistema d immissione ad irraggiamento (SIBT) e, in tal caso, attivando opportunamente una valvola deviatrice (VD), fa in modo che la pompa a portata variabile del circuito pannelli solari (PC- SOL) prelevi il fluido termovettore dalla tubazione di ritorno dai pannelli radianti a pavimento, immettendolo riscaldato sulla stessa tubazione a monte della valvola miscelatrice a tre vie del sottosistema d immissione. Nel caso in cui la sonda di cui sopra rilevi temperature troppo basse per l utilizzo diretto, verrà azionata la valvola deviatrice (VD), facendo in modo che il fluido termovettore solare venga posto in comunicazione con il fluido termovettore geotermico uscente dall evaporatore della pompa di calore. Un apposito sistema di sonde e valvola miscelatrice a tre vie, assicura che la temperatura d invio del fluido termovettore agli scambiatori di calore geotermici, non superi mai determinati valori critici per il materiale plastico con cui sono realizzati. Una caldaia a condensazione da 40 kw (CGB nello schema di figura 3), inserita in impianto per aiutare la pompa di calore, è collegata in parallelo sull impianto secondario a valle del serbatoio inerziale. Il vaso inerziale a tre attacchi avente volume di 600 L, è stato previsto per immagazzinare l eventuale energia prodotta in più dalla pompa di calore e gestire al meglio le condizioni di carico parziale del sottosistema di generazione. La caldaia viene gestita da elettronica definita dalla società che 2 Immagine della pompa di calore geotermica ad assorbimento alimentata a gas, installata e testata da MVV Energie. 3 Schema di principio semplificato del sottosistema di generazione a pompa di calore geotermica ad assorbimento dell'impianto Sero Pump System. 79

3 Tab. 1 - Dati della prima stagione di monitoraggio del sistema, relativi ai consumi di energia primaria non rinnovabile e alla quantità di energia termica prodotta dalla pompa di calore e dalla caldaia. ( C) Q h,gahp (kwh) Q h,cald (kwh) E p,gas (kwh) E el,sist (kwh) E p,el (kwh) E p,nren (kwh) 10/2010 8, ,94 0, ,50 242,76 606, ,40 11/2010 6,8 7016,79 1, ,14 334,40 836, ,14 12/2010-0, ,36 0, ,19 478, , ,99 01/2011 2, ,04 0, ,85 467, , ,60 02/2011 3, ,31 0, ,56 402, , ,11 03/2011 7,5 6561,89 0, ,41 337,84 844, ,01 04/ ,2 1271,86 0,56 971,33 175,10 437, ,08 Tab. 2 - Dati della seconda stagione di monitoraggio del sistema, relativi ai consumi di energia primaria non rinnovabile e alla quantità di energia termica prodotta dalla pompa di calore e dalla caldaia. ( C) Q h,gahp (kwh) Q h,cald (kwh) E p,gas (kwh) E el,sist (kwh) E p,el (kwh) E p,nren (kwh) 10/ , ,63 59, ,14 264,42 661, ,19 11/2011 5, ,73 87, ,46 366,76 916, ,36 12/2011 5, ,54 87, ,20 432, , ,55 01/2012 5, ,79 113, ,14 334,24 835, ,74 02/2012 0, ,48 133, ,91 359,06 897, ,56 03/2012 8, ,6 98, ,11 284,06 710, ,26 04/ , ,97 119, ,01 266,12 665, ,31 ha realizzato l impianto. Tale soluzione di regolazione non risulta essere comunque ottimale o quantomeno quella consigliata dal costruttore della pompa di calore, il quale generalmente offre anche le schede elettroniche per gestire razionalmente le caldaie di terze parti e, gradisce il collegamento sul circuito primario a monte del serbatoio inerziale. Quattro sistemi di misurazione dell energia termica utilizzata, consentono il monitoraggio delle prestazioni del sistema: il contatore Adresse 1 misura l energia termica erogata dalla caldaia a condensazione; il contatore Adresse 2 misura l energia termica erogata dalla pompa di calore; il contatore Adresse 3 misura l energia termica di origine solare captata dai pannelli ed inviata all impianto di riscaldamento; il contatore Adresse 4 misura l energia termica prelevata dal terreno. I consumi di energia elettrica e di gas sono stati contabilizzati nel loro complesso, senza differenziare i singoli generatori. Il sistema di scambio termico con il terreno è realizzato con quattro scambiatori di calore geotermici verticali aventi profondità di 80 m e sviluppo complessivo di 320 m. Gli scambiatori sono progettati per lavorare solo in funzione climatizzazione invernale, cioè senza ricarica termica estiva del terreno da parte della pompa di calore. Gli scambiatori di calore, posati in terreno sostanzialmente limoso e argilloso, sono realizzati in doppia U in polietilene alta densità PEX-A. Viste le temperature del suolo prossime ai 4 C 7 C, le temperature del fluido termovettore freddo si è ritenuto necessario mantenerle a valori prossimi a -3 C in ingresso e 0 C in uscita dalle sonde, additivando l acqua del circuito con glicole etilenico inibito. In queste condizioni, le prestazioni attese dalla pompa di calore sono pari al GUE = 1,493 alle condizioni B0/W50 (corrispondente ad un COP elettrico di 3,7) e al GUE = 1,080 alle condizioni B0/W70 (corrispondente ad un COP elettrico di 2,7). Si tenga conto che, a parità di prestazioni energetiche, ottenendo cioè il medesimo indice di prestazione energetica dell edificio, la pompa di calore ad assorbimento geotermica preleva meno energia dal terreno rispetto ad una paritetica pompa di calore a compressione di vapore, provocando un impatto ambientale termico nel sottosuolo nettamente inferiore. Inoltre, essendo minore la quantità di energia prelavata dal sottosuolo, si è potuto ridurre a metà le sonde geotermiche richieste per una normale pompa di calore geotermica elettrica, rendendo l investimento economico interessante e alla portata dell utente finale. E utile segnalare che nel caso specifico, volendo impiegare 80

4 Tab. 3 - Dati della prima stagione di monitoraggio del sistema, relativi all utilizzo di energia primaria rinnovabile geotermica mediante il funzionamento della pompa di calore e, solare termica direttamente sull impianto di riscaldamento ad irraggiamento. ( C) E g,gahp (kwh) QR g (%) E sol (kwh) E ren,tot (kwh) QR tot (%) 10/2010 8,79 890,99 24,67 995, ,94 11/2010 6,8 1673,36 23, , ,43 12/2010-0,6 2914,23 22, , ,30 01/2011 2,0 3092,87 24, , ,42 02/2011 3,7 2625,58 25, , ,99 03/2011 7,5 1579,53 24, , ,43 04/ ,2 283,64 22,30 557, ,96 Tab. 4 - Dati della seconda stagione di monitoraggio del sistema, relativi all utilizzo di energia primaria rinnovabile geotermica mediante il funzionamento della pompa di calore e, solare termica direttamente sull impianto di riscaldamento ad irraggiamento. ( C) E g,gahp (kwh) QR g (%) E sol (kwh) E ren,tot (kwh) QR tot (%) 10/ ,51 618,50 27,29 180,76 799,26 35,26 11/2011 5, ,60 26, , ,29 42,98 12/2011 5, ,84 24, , ,47 41,09 01/2012 5, ,46 25, , ,80 42,31 02/2012 0, ,97 24, , ,83 41,12 03/2012 8, ,83 25,99 748, ,34 42,20 04/ ,74 940,53 26,16 594, ,41 42,71 generazione. Tra i due anni, nonostante le differenze climatiche vedano il secondo anno meno rigido del primo, esistono differenze in controtendenza nel regime di utilizzo della caldaia. Infatti si nota come, pur mantenendo saturato il funzionamento della pompa di calore, la caldaia durante il secondo anno di rilievi è stata maggiormente utilizzata. Si sono individuate in seguito alcune problematiche nel sistema di gestione della caldaia, che hanno richiesto la rivisitazione delle logiche di gestione del generatore tradizionale. Nelle tabelle citate le ultime quattro colonne riportano i consumi rispetto ai due vettori energetici utilizzati: il gas per la generazione termica e l energia elettrica utilizzata per alimentare gli ausiliari di impianto. Le ultime quattro colonne infatti riportano rispettivamente l energia primaria dovuta al consumo di gas naturale, l energia eletuna paritetica pompa di calore a compressione di vapore azionata elettricamente, si sarebbero dovuti installare circa 650 metri di scambiatori di calore geotermici verticali. Utilizzando la tecnologia ad assorbimento, si è potuto impiegare il gas naturale molto ben distribuito sul territorio, senza dover richiedere particolari allacciamenti e senza dover aumentare l impegno elettrico della struttura. I vantaggi della tecnologia GAHP descritti rispetto al caso analizzato, mettono in evidenza i principali punti d interesse delle pompe di calore a gas per i fornitori d energia ed i gestori calore come la società MVV Energie, la quale nel caso specifico ha eseguito l operazione d installazione e monitoraggio. I risultati delle misure effettuate Durante le stagioni invernali e , si è mantenuto monitora- to il sottosistema di generazione geotermico. Di seguito sono riportate le tabelle dati salienti delle due stagioni di verifica e i grafici con i bilanci energetici complessivi della struttura. Nelle tabelle 1 e 2 si riportano i bilanci tra energia termica ed energia primaria non rinnovabile del sistema monitorato. Nelle tabelle menzionate le prime quattro colonne riportano rispettivamente il mese di rilevamento, la temperatura media dell aria esterna rilevata presso l impianto, l energia termica consegnata dalla pompa di calore ad assorbimento e l energia termica consegnata dalla caldaia a condensazione. Dai dati mostrati si nota come la quasi totalità dell energia termica consegnata al sottosistema di distribuzione sia dovuta al funzionamento della pompa di calore, la quale correttamente viene utilizzata come generatore principale del sottosistema di 81

5 Tab. 5 - Dati della prima stagione di monitoraggio del sistema, le efficienze rilevate. Mese Ore θ w,gn ( C) θ w,in,gahp ( C) θ w,out,bhe ( C) GUE gahp (W/W) REP gahp (W/W) GUΕ sist (W/W) REP sist (W/W) 10/ , ,37 1,33 1,37 1,11 11/ , ,36 1,31 1,36 1,17 12/ , ,35 1,28 1,35 1,20 01/ , ,39 1,33 1,39 1,23 02/ , ,39 1,34 1,39 1,23 03/ , ,37 1,32 1,37 1,16 04/ , ,31 1,29 1,31 0,90 Tab. 6 - Dati della seconda stagione di monitoraggio del sistema, le efficienze rilevate. Mese Ore θ w,gn ( C) θ w,in,gahp ( C) θ w,out,bhe ( C) GUE gahp (W/W) REP gahp (W/W) GUΕ sist (W/W) REP sist (W/W) 10/ , ,42 1,38 1,40 1,00 11/ , ,42 1,36 1,41 1,21 12/ , ,39 1,33 1,38 1,20 01/ , ,41 1,35 1,39 1,22 02/ , ,39 1,33 1,38 1,22 03/ , ,40 1,35 1,39 1,15 04/ , ,39 1,35 1,37 1,10 trica consumata, l energia primaria dovuta al consumo elettrico ed infine l energia primaria non rinnovabile totale di tutto il sistema di climatizzazione. Nelle tabelle 3 e 4 si riportano i risultati del sottosistema di generazione multisorgente rinnovabile (geotermica e solare) nella gestione del sistema di climatizzazione complessivo. Nelle due tabelle menzionate la terza e la quinta colonna rispettivamente riportano l energia termica di origine rinnovabile geotermica e l energia termica di origine rinnovabile solare. La sesta colonna riporta invece l energia termica di origine rinnovabile totale, somma delle precedenti due. Visto e considerato che ciò che si voleva verificare era l effetto positivo del sottosistema multi-sorgente rispetto all energia termica utilizzata dagli utenti (unica cosa concreta che con spirito pragmatico si dovrebbe al limite verificare aldilà dei moderni virtuosismi normativi), si è calcolato il fattore di copertura con energia rinnovabile dei fabbisogni di energia termica del sistema di climatizzazione (QR).Il valore del coefficiente percentuale QR relativo allo sfruttamento della sorgente fredda terreno (energia rinnovabile geotermica) è evidenziato nella quarta colonna delle tabelle citate, mentre il valore del medesimo coefficiente misurato rispetto alla totalità dell energia termica rinnovabile (geotermica e solare) è evidenziato nella settima ed ultima colonna. Osservando i dati delle tabelle 3 e 4, si nota come nei mesi più freddi il coefficiente QR geotermico (quarta colonna) aumenti rispetto ai mesi più miti, in controtendenza rispetto a ciò che normalmente avviene negli impianti a sonde geotermiche per effetto della diminuzione della temperatura del terreno durante il suo sfruttamento. Ciò è dovuto all impiago di energia solare nel sistema di scambio termico a terreno, la quale consente temperature più alte del fluido termovettore geotermico e quindi una migliore efficienza di sfruttamento della sorgente (effetto positivo del sistema multi-sorgente). Nei medesimi mesi in cui ben si sfrutta l energia solare nel campo geotermico, si riduce contestualmente lo sfruttamento diretto dell energia solare nel sistema di immissione del calore. I valori del coefficiente QR totale (settima colonna) mostrano come la pompa di calore ad assorbimento da sola consenta di raddoppiare la capacità di sfruttamento di energie rinnovabili di un semplice sistema di captazione dell energia solare termica, caratteristica valida anche per le pompe di calore ad assorbimento aerotermiche. Quest ultimo concetto, verificato sul campo, è importantissimo: una pompa di calore ad assorbimento, occupando meno spazio tecnico, ottiene il medesimo risultato di un sistema di captazione solare e, se utilizzata in impianti integrati, ne raddoppia i risultati positivi. 82

6 4 Grafico del bilancio energetico ottenuto durante il primo anno di esercizio operativo dell impianto (inverno ): nei bilanci sono inseriti tutti i consumi di energia fossile per l utilizzo del gas e dell energia elettrica di tutto il sistema di climatizzazione (macchine e ausiliari di impianto). Nelle tabelle 5 e 6 si riportano i risultati del sottosistema di generazione in termini di efficienza di utilizzo del gas naturale GUE e di efficienza globale rispetto all utilizzo complessivo di energia primaria non rinnovabile. Nelle due tabelle menzionate le prime cinque colonne riportano rispettivamente: il mese di misura, le ore di funzionamento del sottosistema di generazione, la temperatura di mandata del fluido termovettore caldo, la temperatura d ingresso alla pompa di calore del fluido termovettore freddo uscente dalle sonde geotermiche (ottenuta grazie all intervento dell energia solare), la temperatura d ingresso alla pompa di calore del fluido termovettore freddo nel caso in cui non vi fosse l intervento dell energia solare. Le ultime quattro colonne riportano rispettivamente: l efficienza di utilizzo del gas (GUE) della sola pompa di calore ad assorbimento, il rapporto all energia primaria della sola pompa di calore ad assorbimento (REP), l efficienza di utilizzo del gas dell intero sottosistema di generazione (GAHP e caldaia insieme), il rapporto all energia primaria (REP) di tutto il sottosistema di generazione includendo i consumi elettrici delle macchine e di tutti gli ausiliari di impianto. Soprattutto i valori del REP di sistema sono importantissimi in un impianto mediamente complesso come quello analizzato. Gli impegni elettrici e le logiche di gestione delle apparecchiature, possono fare la differenza tra un caso di successo e un completo fallimento dell operazione se il sistema è progettato o realizzato senza considerare il REP complessivo. I dati rilevati offrono un comportamento della pompa di calore geotermica ad assorbimento sostanzialmente rispondente ai dati di targa comunicati dal costruttore e valori complessivi di efficienza molto soddisfacenti. Per la verifica del risultato complessivo si è reso necessario l utilizzo di un valore di riferimento, il quale andasse a delimitare il valore minimo di REP di sistema. Per valori del REP misurato inferiori a tale livello minimo, dal punto di vista energetico l operazione è da ritenersi svantaggiosa. La formula 1 di seguito riportata, ideata per confrontare le pompe di calore elettriche con le caldaie tradizionali, consente di calcolare un REP* limite oltre il quale non si deve scendere con le prestazioni del sistema di climatizzazione misurato. Essendo il confronto svolto sulla base del rapporto all energia primaria, tale valore limite è assolutamente accettabile anche per le pompe di calore ad assorbimento. (l + πr)c s ηcc REP* = η cl 860 (1) Nell equazione 1 π r rappresenta le perdite della rete elettrica nazionale (dichiarate per l Italia dalla società Terna ), C s è il 83

7 5 Grafico del bilancio energetico ottenuto durante il secondo anno di esercizio operativo dell impianto (inverno ): nei bilanci sono inseriti tutti i consumi di energia fossile per l utilizzo del gas e dell energia elettrica di tutto il sistema di climatizzazione (macchine e ausiliari di impianto). consumo specifico della generazione termoelettrica nazionale ( in Italia secondo delibera AEEG) espresso in kcal/kwh e, η cc è il rendimento del generatore di calore a combustione considerato a confronto. Se si considera un valore di π r = 0,064 (ovvero perdite di rete pari a 6,4% secondo dati Terna del 2008), un valore di C s = 1870 kcal/kwhe (in Italia secondo delibera AEEG 3/08) e un rendimento termico medio stagionale riferito al potere calorifico inferiore di una caldaia a condensazione pari a η cc = 1, il rapporto di energia primaria limite assume valore REP* =1,06. Per calare nel contesto italiano l esempio qui proposto e per una migliore comprensione nel nostro paese dei risultati ottenuti con la prova in Germania, si è deciso di utilizzare in questo contributo valori di riferimento italiani. Come si può notare le medie del REP di sistema presenti nei prospetti presentati, superano di molto il valore limite calcolato per il REP* di riferimento e, quindi l operazione, può dirsi SIMBOLOGIA θ a,avg Temperatura media mensile dell aria esterna presso la località considerata espressa in C; θ w,gn Temperatura media mensile di mandata del fluido termovettore caldo espressa in C; θ w,in,gahp Temperatura di ingresso all evaporatore della pompa di calore espressa in C; Q h,gahp Energia termica generata dalla pompa di calore e consegnata al sottosistema di distribuzione espressa in kwh; Q h,cald Energia termica generata dalla caldaia e consegnata al sottosistema di distribuzione espressa in kwh; E p,gas Energia primaria consumata dal sottosistema di generazione per il consumo di gas dovuto al funzionamento della pompa di calore e della caldaia, espressa in kwh; E el,sist Energia elettrica consumata dal sottosistema di generazione per alimentare la pompa di calore, la caldaia e tutti gli ausiliari di impianto, espressa in kwh; E p,el Energia primaria consumata dal sottosistema di generazione a causa del consumo di energia elettrica, espressa in kwh; E p,nren Energia primaria totale consumata dal sottosistema di generazione, espressa in kwh; E g,gahp Energia termica rinnovabile di origine geotermica prelevata dalla sorgente fredda terreno mediante il funzionamento della pompa di calore geotermica ad assorbimento, espressa in kwh; E sol Energia termica rinnovabile di origine solare captata dal sistema di pannelli solari pianti e trasferita direttamente all impianto di riscaldamento a bassa temperatura, espressa in kwh; E ren,tot Energia termica rinnovabile totale, somma di E g,gahp e E sol trasferita al sottosistema di distribuzione, espressa in kwh. QR g Fattore di copertura dei fabbisogni termici dell edificio con energia termica rinnovabile geotermica, espresso in percentuale; QR tot - Fattore di copertura dei fabbisogni termici dell edificio con energia termica rinnovabile geotermica e solare, espresso in percentuale; GUE gahp Coefficiente di prestazione rispetto al consumo di gas delle pompe di calore ad assorbimento, espresso in kwh/kwh; GUE sist Coefficiente di prestazione rispetto al consumo di gas di tutto il sottosistema di generazione includendo nel computo anche il funzionamento della caldaia, espresso in kwh/kwh; REP gahp Coefficiente di prestazione rispetto alla totalità dei consumi energetici primari delle pompe di calore ad assorbimento, espresso in kwh/kwh; REP sist Coefficiente di prestazione rispetto alla totalità dei consumi energetici primari dell intero sottosistema di generazione, espresso in kwh/kwh; 84