Dispensa N. 4. Il miglioramento dell efficienza energetica nei generatori di calore

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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Dispensa N. 4 Il miglioramento dell efficienza energetica nei generatori di calore Corso di Gestione delle Risorse Energetiche A.A. 2012/2013 D.E.TE.C - Dipartimento di Energetica, TErmofluidodinamica applicata e Condizionamenti ambientali 1

2 PRINCIPALI COMPONENTI DI UN IMPIANTO TERMICO 1. Generatore di calore 2. Sistema di regolazione 3. Rete di distribuzione 4. Terminali (corpi scaldanti) Rendimento globale, η g = η p η d η r η e dove η p = rendimento di produzione del generatore di calore η d = rendimento di distribuzione η r = rendimento di regolazione η e = rendimento di emissione 2

3 Definizioni dei rendimenti parziali Rendimento di produzione: rapporto tra l energia termica trasferita al fluido termovettore e l energia del combustibile impiegato. Valori tipici: 80% 90%. Rendimento di distribuzione: rapporto tra l energia termica utile fornita ed energia termica erogata dal sistema di produzione. Valori tipici 90 95%. Rendimento di regolazione: rapporto tra l energia termica richiesta in condizioni di regolazione ideali (*) ed energia termica effettivamente richiesta. Valori tipici: 80-85% con il solo termostato di caldaia, 85 90% con regolaz. della mandata in base alla Text, 90 98% con regolaz. per singolo ambiente. Rendimento di emissione: rapporto tra l energia termica richiesta in condizioni di emissione ideali (**) ed energia termica effettivamente richiesta. Valori tipici: 95% (radiatori) 98% (ventilconvettori). (*) Sistema di regolaz. ideale = sistema in grado di regolare istantaneamente l emissione del corpo scaldante al modificarsi del carico termico (* *) Sistema di emissione ideale: sistema idoneo a mantenere una temperatura uniforme dell aria e delle pareti: ad ex., assenza di stratificazioni, pareti interne troppo calde e/o moti convettivi troppo intensi in prossimità del corpo scaldante 3

4 TERMINALI DEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE (PRINCIPALI TIPOLOGIE): RADIATORI E VENTILCONVETTORI Temperature di alimentazione tipiche: C Temperature di alimentazione tipiche: C 4

5 TERMINALI DEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE (PRINCIPALI TIPOLOGIE): AEROTERMI Temperature di alimentazione tipiche: C 5

6 TERMINALI DEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE (PRINCIPALI TIPOLOGIE): STRISCE RADIANTI Temperature di alimentazione tipiche: C 6

7 TERMINALI DEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE (PRINCIPALI TIPOLOGIE): PAVIMENTI RADIANTI Temperature di alimentazione tipiche: C 7

8 Rendimenti di emissione convenzionali (UNI 10348) 8

9 CALDAIE A BASAMENTO: ESEMPI (tipico campo di applicazione: kw) collegamenti di mandata e ritorno circuito idraulico bollitore mantello con isolamento termico tubi di fumo camera di combustione (C.C.) bruciatore (atmosferico o ad aria soffiata) 9

10 CALDAIE A BASAMENTO: ESEMPI (tipico campo di applicazione: kw) Due giri di fumo con inversione in C.C.: i fumi, rifluendo verso la fiamma, ostacolano lo scambio termico con l acqua => maggiore T di fiamma => maggiore produzione di NOx Tre giri di fumo: miglior comportamento in termini di emissioni di NOx 10

11 CALDAIE MURALI (tipico campo di applicazione: kw) 11

12 CALDAIE MURALI: CLASSIFICAZIONE (tipico campo di applicazione: kw) 12

13 CALDAIE MURALI, TIPI A / B (CAMERA APERTA) (tipico campo di applicazione: kw) 13

14 CALDAIE MURALI, TIPO C (CAMERA STAGNA) (tipico campo di applicazione: kw) 14

15 Caldaie domestiche per uso promiscuo (riscaldamento e Acqua Calda Sanitaria, ACS): schema di principio 1 Flussostato sanitario 2 Rubinetto riempimento impianto 3 Limitatore di flusso 4 Sonda sanitario 5 Valvola gas 6 Vaso espansione impianto 7 Bruciatore 8 Scambiatore primario 9 Cappa fumi 10 Camera stagna 11 Pressostato fumi 12 Ventilatore 13 Sonda mandata 14 Termostato sicurezza 15 Valvola sfogo aria 16 Circolatore caldaia 17 Rubinetto svuotamento impianto 18 Pressostato impianto 19 Scambiatore sanitario 20 Valvola tre vie (motorizzata) 21 By-pass 22 Valvola di sicurezza 3 bar 15

16 Caldaie domestiche per uso promiscuo (riscaldamento e Acqua Calda Sanitaria, ACS): schema di principio 1 Flussostato sanitario 2 Rubinetto riempimento impianto 3 Limitatore di flusso 4 Sonda sanitario 5 Valvola gas 6 Vaso espansione impianto 7 Bruciatore 8 Scambiatore primario 9 Cappa fumi 10 Camera stagna 11 Pressostato fumi 12 Ventilatore 13 Sonda mandata 14 Termostato sicurezza 15 Valvola sfogo aria 16 Circolatore caldaia 17 Rubinetto svuotamento impianto 18 Pressostato impianto 19 Scambiatore sanitario 20 Valvola tre vie (motorizzata) 21 By-pass 22 Valvola di sicurezza 3 bar 16

17 RENDIMENTO E PERDITE NEI GENERATORI DI CALORE Rendimento di produzione di un G.C., η Q = Q u i Q Q u c 1- ( Q + Q + Q + Q ) d f Q c fbs pre i Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 17

18 Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 18

19 Riduzione delle perdite al camino a bruciatore spento Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 19

20 Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 20

21 Perdite di combustione Perdite per combustione incompleta: non tutto il combustibile reagisce completamente => presenza di prodotti di reazione incompleti (CO) o addirittura di combustibile non reagito Perdite per calore sensibile nei fumi: sono quelle più rilevanti ( 6 8% su PCS) i fumi lasciano la sezione di scambio termico ad una temperatura superiore a quella dell ambiente, in quanto: l energia termica da fornire viene richiesta a temperature di almeno C, e i fumi non possono essere raffreddati in alcun caso fino a temperature inferiori a quella di ingresso del fluido freddo; di solito, non è possibile lasciare che i fumi si raffreddino all interno della caldaia fino a temperature inferiori a quella di rugiada (formazione di condense acide) => abitualmente, è necessario evacuare i fumi dalla caldaia a temperature di almeno C Perdite per calore latente ( 10% su PCS: nel calcolo rispetto al PCI sono già implicite): come detto, se la caldaia non è stata realizzata con materiali in grado di resistere all attacco delle condense acide (acciai inox-ti), non è possibile lasciare che si formi condensa al suo interno, e quindi nei fumi si disperde l energia termica corrispondente al calore latente di condensazione del vapor d acqua presente al loro interno le caldaie tradizionali devono necessariamente funzionare a temperature elevate => impianti a temperatura costante 21

22 Generatori di calore a temperatura costante Pompa anticondensa, spesso utilizzata per portare più velocemente la caldaia in temperatura A regime, per evitare problemi di condensazione, la temperatura di mandata del G.C. è costante, indipendentemente dalla T esterna e quindi dal fattore di carico; se la richiesta di energia dell utenza diminuisce, la potenza resa viene regolata aprendo la valvola miscelatrice a tre vie (quindi in modo dissipativo) => forti perdite (in particolare per calore sensibile, oltre che latente, e dispersioni dal mantello), a maggior ragione se la caldaia funziona molto a carico parziale Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 22

23 (calore sensibile e combustione incompleta) Crescono con T f e O 2, diminuiscono con CO 2 Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 23

24 Riduzione delle perdite di combustione (calore sensibile e combustione incompleta) Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 24

25 Perdite di combustione: influenza dell eccesso d aria Con eccesso d aria oltre il 25% circa, non si ottengono più benefici sulla qualità della combustione (CO residui per imperfetta miscelazione tra comburente e combustibile, O 2 libero nei fumi, e quindi inutile ai fini della reazione), ma si aumenta solo, inutilmente, la portata dei fumi, e con essa aumentano le perdite al camino Una corretta premiscelazione di combustibile e comburente aiuta a migliorare l efficienza della combustione Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 25

26 BILANCIO ENERGETICO TIPICO PER CALDAIE CONVENZIONALI E A CONDENSAZIONE (A PARTIRE DAL PCS) i 26

27 Il miglioramento dell efficienza nei G.C. Per quanto detto, anche una caldaia di tipo tradizionale, a temperatura costante, può risultare abbastanza efficiente, a condizione che: il mantello sia ben isolato; il bruciatore sia munito di serranda sull aspirazione dell aria comburente, per ridurre le perdite a bruciatore spento; il bruciatore sia in grado di modulare la fiamma in modo continuo o a gradini (bruciatori a più stadi), oppure, in alternativa, il carico sia ripartito su più generatori di calore, per migliorare il comportamento della centrale termica a carico parziale Confronto tra il funzionamento di un bruciatore tradizionale e quello di un bruciatore modulante 27

28 Il miglioramento dell efficienza nei G.C.: sistemi modulari, strategie di parzializzazione. In alternativa all impiego di bruciatori modulanti in continuo o multistadio (a gradini), è possibile prevedere la suddivisione del carico termico su più generatori di calore (obbligatoria per potenze installate superiori a 350 kw D.P.R. 412/93) Esempio N. 1 (due generatori uguali, parzializzazione in parallelo): per carichi inferiori al 50%, un generatore è spento, per il secondo il fattore di carico è pari al doppio di quello complessivo della centrale 28

29 Il miglioramento dell efficienza nei G.C.: sistemi modulari, strategie di parzializzazione. Esempio N. 2 (tre generatori uguali, parzializzazione in sequenza, o a cascata ): 29

30 Sistemi modulari, calcolo dell efficienza media nel caso di regolazione sequenziale, con due generatori (uguali), per fattori di carico compresi tra il 50% e il 100% Assumendo: - P n,tot = carico termico complessivo; - P n,1 = P n,2 = P n,tot /2 = potenza nominale del singolo generatore; - P tot = potenza totale effettivamente richiesta; - P i = potenza effettivamente richiesta al generatore i ; - f tot = fattore di carico totale = P tot /P n,tot ; - f i = fattore di carico per il generatore i = P i /P n,i ; P tot = f tot P n,tot = (P 1 + P 2 ) = (P n,1 + f 2 P n,2 ) = (P n,tot /2 + f i P n,tot /2) f tot P n,tot = (P n,tot /2) (1 + f i ) => f tot = (1/2) (1 + f i ) => f i = 2 f tot - 1 η ( f ) con tot 2 = Ptot P1 P2 + η η 1 2 = 1 η η calcolato per f n,1 2 2 (2 + = (2 f f tot f η tot tot 2 1) 1) 30

31 Il miglioramento dell efficienza delle caldaie: sistemi a temperatura scorrevole La temperatura della mandata viene ridotta al diminuire del carico termico (bruciatori modulanti in continuo o multistadio, a gradini) Riduzione di tutte le dispersioni (involucro, calore sensibile fumi, perdite al camino a bruciatore spento, etc.) Migliore efficienza ai carichi parziali N.B.: è necessario che lo scambiatore acqua-fumi sia specificamente progettato per evitare che la T superficiale lato fumi scenda troppo Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 31

32 Il miglioramento dell efficienza delle caldaie: sistemi a temperatura scorrevole Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 32

33 Il miglioramento dell efficienza delle caldaie: caldaie a condensazione L uso di materiali speciali (acciai inox al Ti) permette di raffreddare i fumi al di sotto della T di rugiada (purché ovviamente la T di ritorno dell acqua sia abbastanza bassa => applicazioni ideali: corpi scaldanti a media o bassa temperatura, come pavimenti radianti o ventilconvettori Necessità di prevedere uno scarico della condensa (acida; per caldaie domestiche è comunque consentito lo scarico diretto in fogna) ed un evacuazione forzata dei fumi (più freddi e quindi più pesanti) 33

34 Il miglioramento dell efficienza delle caldaie: temperature di rugiada per vari combustibili 34

35 Il miglioramento dell efficienza delle caldaie: impianti con caldaie a condensazione 35

36 Il miglioramento dell efficienza nei G.C.: bruciatori ad irraggiamento Aria e gas (perfettamente premiscelati) si distribuiscono uniformemente sulla superficie della spugna ceramica o metallica, grazie alla sua porosità L accensione è determinata dall incandescenza dello strato poroso ceramico o metallico Alta efficienza di combustione con basso eccesso d aria Bassa temperatura di combustione (riduzione NOx), grazie allo scambio termico per irraggiamento con lo scambiatore di calore Funzionamento silenzioso, alta affidabilità Ottime possibilità di impiego in caldaie a condensazione (ω e T rugiada più elevate => la condensazione inizia a T più alte, quindi, a parità di T di ritorno e di portata, si recupera più energia dalla condensazione) 36

37 Il miglioramento dell efficienza nei G.C.: bruciatori ad irraggiamento Fonte: ASSOTERMICA, manuale Impianti Termici: 37

38 38

39 L etichettatura energetica delle caldaie N.B.: rendimenti minimi fissati dal DPR 412/93 e s.m.i. alla potenza nominale: log Pn al 30% del carico: log Pn valore medio stagionale: log Pn 39

40 Classificazione delle caldaie in base alle emissioni di NOx. 40

41 Elenco riepilogativo delle principali tecniche per il miglioramento dell efficienza nei G.C. Riduzione perdite per calore sensibile fumi: tiraggio forzato (T di uscita dei fumi < C, ma c è il consumo del ventilatore: W per caldaie domestiche) caldaie a bassa temperatura a temperatura scorrevole a condensazione Miglioramento della coibentazione dell involucro (> 8-10 mm) Riduzione perdite prelavaggio (ad ex., impedire accensioni ravvicinate) Utilizzo di bruciatori con modulazione (a gradino o continua) Riduzione dell eccesso d aria, e quindi delle perdite per incombusti (in genere mediante premiscelazione aria-combustibile) Bruciatori ad irraggiamento 41

42 Elenco riepilogativo delle principali tecniche per ol miglioramento dell efficienza nei G.C. Modulazione dell eccesso d aria (insieme a quello del combustibile) a carico parziale (inverter sul ventilatore, nel caso di tiraggio forzato, oppure serrande per l aria, nel caso di tiraggio naturale) In mancanza di richiesta termica, nel caso di caldaia a tiraggio naturale, chiusura totale della serranda dell aria, oppure, nel caso di tiraggio forzato, arresto del ventilatore (si evita di raffreddare involontariamente l acqua presente nell impianto, sfruttandone al meglio l inerzia termica) Corretto dimensionamento, prevedendo eventualmente la ripartizione del carico su più caldaie (nel caso di caldaie convenzionali, senza modulazione) inoltre, nelle caldaie domestiche: accensione piezoelettrica in sostituzione della fiamma pilota (riduzione consumo 0,01 Sm 3 /h) 42

43 Caldaie ad alta efficienza: risparmio energetico. 43

44 Caldaie ad alta efficienza: costi di investimento Tradizionale Alta efficienza, T costante Alta efficienza, T scorrevole Condensazione Costi ( ) Pt (kw) 44

45 Caldaie ad alta efficienza: costi di investimento Tradizionale Alta efficienza, T costante Alta efficienza, T scorrevole Condensazione 100 Costi specifici ( /kwt) Pt (kw) 45

46 Caldaie ad alta efficienza: recupero del capitale, esempi. CE = E T x (1/η SR 1/η SP ) x c u,gn / PCI E T = P T x H eq I SPB = = CE I/PT = 1 1 cu,gn - ηsr ηsp PCI Heq 46

47 Caldaie ad alta efficienza: recupero del capitale, esempi. 47

48 Esempio di intervento di sostituzione di generatori di calore Analisi energetica e tecnico-economica (semplificata) IPOTESI Utenza civile non domestica, località: Piemonte Costo gas (al netto delle imposte): tariffe per servizio di tutela, ambito nordoccidentale Intervento: sostituzione di caldaia da 1000 kw (funzionante, tipo A), a servizio di un utenza con distribuzione a bassa temperatura, con: A: N. 2 caldaie tradizionali da 500 kw ciascuna (costo: ) B: caldaia a temperatura costante ad alta efficienza (costo: ) C: caldaia a temperatura scorrevole (costo: ) D: caldaia a condensazione (costo: ) Rendimenti delle caldaie a confronto 48

49 Costi del gas naturale assunti per il confronto Ambito nord occidentale Valle d'aosta, Piemonte, Liguria CLIENTI NON DOMESTICI Servizi Servizi TOTALE di vendita di rete Quota energia ( /Sm3) Sm3/anno: da 0 a 120 0, , da121 a 480 0, , da 481 a , , , da a , , da a , , da a , , Quota fissa ( /anno) 55,40 39,77 95,17 TRIBUTI ACCISA fino a 120 m 3 Usi civili Fascia di consumo annuo da 120 a da 480 a 480 m m 3 oltre m 3 4,40 17,50 17,00 18,60 ADDIZIONALE REGIONALE B Piemonte 2,20 2,58 2,58 2,58 49

50 Sostituzione di generatori di calore Esempio di analisi energetica e tecnico-economica (semplificata) CARICO CUMULATO DELL UTENZA (E tot = kwh/anno*) Fattore di carico (%) Frazione dell'energia fornita con il fattore di carico corrente rispetto all'energia totale (%) 60 % h/anno * N.B.: valore plausibile, nel caso di usi per climatizzazione, solo in climi rigidi 50

51 Calcolo del consumo di gas naturale per le soluzioni a confronto Il fabbisogno di energia primaria stagionale è: E p = Σ i (E T,i /η, i ) Il rendimento medio stagionale è quindi: η medio = E T,tot / E p = E T,tot / Σ i (E T,i /η, i ) = Σ i [(E T,i / E T,tot )/η, i ] dove E T,tot è l energia resa complessivamente e i denota i valori relativi al generico gradino del diagramma di carico. Ad es., nel caso A, considerando il vari valori del rapporto (E T,i /E T,tot ) indicati in figura si ha: η medio = 1/[(0,152/0,90) + (0,159/0,86) + (0,265/0,83) + (0,364/0,80) + (0,061/0,55)] = 0,808 51

52 Calcolo del consumo di gas naturale per le soluzioni a confronto Frazione del carico massimo (%) Rendimento medio istantaneo (%) A (due caldaie) B C D A (rif.) E p (kwh) Rendimento medio stagionale (%) 80,8 86,3 91,0 97,3 103,4 N.B.: per la soluzione A-due caldaie, si ipotizza che, fino al 50% del carico, una caldaia sia a pieno regime e l altra venga parzializzata => η medio = 2f/[1/η N + (2f-1)/η 2f-1 ] 52

53 CONFRONTI A (rif.) A (due caldaie) B C D V gas (Sm3/anno) Ep (tep/anno) 70,2 65,8 62,4 58,3 54,9 Risp. Ep (tep/anno) 4,5 7,9 11,9 15,3 MCO2 (t/anno) 163,5 153,1 145,2 135,8 127,8 Risp.CO2 (t/anno) 10,4 18,3 27,7 35,7 Costo gas ( /anno) materia prima: uso reti: imposte: Costo gas TOT ( /anno) Risparmio ( /anno) Investimento ( ) SPB (anni) 3,0 1,8 1,5 2,4 VAN/Investimento (15 anni, 5%) 2,5 4,8 6,1 3,4 53

54 RIPETERE L ESERCIZIO CON LE SEGUENTI MODIFICHE: 1) CAMBIARE LA CURVA CUMULATA DEL CARICO, E CONSIDERARE UN UTENZA IN CAMPANIA: CARICO CUMULATO DELL UTENZA (E tot = kwh/anno) 70 Fattore di carico (%) Frazione dell'energia fornita con il fattore di carico corrente rispetto all'energia totale (%) 60 % h/anno 2) RIPETERE I CALCOLI ECONOMICI (SIA PER IL PIEMONTE CHE PER LA CAMPANIA) PER UN UTENZA CON REGIME FISCALE INDUSTRIALE 54

55 Esempi di interventi di miglioramento dell efficienza nel riscaldamento ambientale (tratti da: La certificazione energetica degli edifici e degli impianti Grassi, Scatizzi, Venturelli Maggioli ed.) N.B.: QUESTE ULTIME PAGINE DELLA DISPENSA SULLE CALDAIE COSTITUISCONO SOLO MATERIALE DI RIF., NON OGGETTO DI DOMANDE D ESAME IMPIANTO ESISTENTE E DATI DI PARTENZA Generatore di calore a T costante da 200 kw (sovradimensionato, vecchio modello) Impianto a radiatori, circuito 85/75 C Regolazione con termostato di caldaia 55

56 Intervento N. 1: installazione sup. riflettente dietro ad alcuni corpi scaldanti, modifica T circuito (75/65 C) 56

57 Intervento N. 2: installazione di termostati ambiente e aumento del ΔT del circuito (85/55 C) 57

58 Intervento N. 3: isolamento tubazioni cantinato e locale caldaia 58

59 Intervento N. 4: installazione generatore di calore (117 kw) ad alto rendimento 59

60 Intervento N. 5: installazione generatore di calore (105 kw) ad alto rendimento e temperatura scorrevole 60

61 Intervento N. 6: installazione generatore di calore (116 kw) a condensazione, 61

62 Intervento N. 7: isolamento termico sottotetto 62

63 Intervento N. 8: cumulativo di 1, 2, 3, 6 e 7 63