La pompa di calore: principio di funzionamento, efficienza di pareggio, Cogenerazione.

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1 La pompa di calore: principio di funzionamento, efficienza di pareggio, Cogenerazione. Lezione n 6 Nicola Passuello

2 Domande? Tutto chiaro? Chiaro come il sole?? Solare termico Fotovoltaico 55% Conto energia. Eolico Caldaie a Biomassa

3 Indice della serata Pompa di calore: Principio di funzionamento Applicazioni domestiche Geotermia Applicazioni geotermiche Cogenerazione

4 CHE COS È LA POMPA DI CALORE La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire energia, sotto forma di calore, da un ambiente a ad una certa temperatura ad un altro a temperatura diversa. Sono necessarie determinate situazioni Per semplificare pensiamo al frigorifero o al condizionatore d aria.

5 Esempio installativo

6 COME È FATTA E COME FUNZIONA La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. Il circuito chiuso è costituito da: un compressore un condensatore una valvola di espansione un evaporatore

7 COME È FATTA E COME FUNZIONA Il condensatore e l evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè tubi posti a contatto con un fluido di servizio (che può essere acqua o aria) nei quali scorre il fluido frigorigeno. Questo cede calore al condensatore e lo sottrae all evaporatore. I componenti del circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due parti (sistemi SPLIT ) raccordate dai tubi nei quali circola il fluido frigorigeno. Nel funzionamento il fluido frigorigeno, all interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni: Compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore.

8 COME È FATTA E COME FUNZIONA Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all esterno. Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda. Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dall esterno ed evapora completamente. L insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia con il compressore, al fluido frigorigeno, questo, nell evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.

9 Il compressore Comprime il gas (refrigerante) aumentandone la temperatura La fonte di Calore, tramite l evaporatore, fornisce calore al liquido refrigerante il quale evapora Nel condensatore i gas caldi cedono calore all acqua dell impianto Nel di condensatore riscaldamentoi gas caldi cedono calore all acqua dell impianto Il liquido (refrigerante) passando attraverso di riscaldamento una valvola di espansione si espande riducendo così la propria temperatura

10 EFFICIENZA DELLA POMPA DI CALORE Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore: Consuma energia elettrica nel compressore; Assorbe calore nell evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua; Cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua). Il vantaggio nell uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dall ambiente esterno (ariaacqua). L efficienza di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione C.O.P. che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata.

11 Coefficiente di prestazione C.O.P. (coefficient of perfomance) Il C.O.P. è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori prossimi a 3. Questo vuol dire che per 1 kwh di energia elettrica consumato, fornirà 3 kwh (2.580 kcal) di calore al mezzo da riscaldare. Il C.O.P. sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene assorbito (nell evaporatore). Al di sotto di una temperatura compresa tra -2 C e 2 C la pompa di calore si disattiva in quanto le sue prestazioni si ridurrebbero significativamente. Va tenuto conto inoltre che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore.

12 SORGENTE FREDDA Il mezzo esterno da cui si estrae calore è detto sorgente fredda. Nella pompa di calore il fluido frigorigeno assorbe calore dalla sorgente fredda tramite l evaporatore. Le principali sorgenti fredde sono: L aria: esterna al locale dove è installata la pompa di calore oppure estratta dal locale dove è installata la pompa di calore; L acqua: di falda, di fiume, di lago quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a ridotta profondità. Altre sorgenti possono essere costituite da: Acqua accumulata in serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare Terreno, nel quale vengono inserite le tubazioni relative all evaporatore

13 IL POZZO CALDO L aria o l acqua da riscaldare sono detti pozzo caldo. Nel condensatore il fluido frigorigeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l energia fornita dal compressore. Il calore può essere ceduto all ambiente attraverso: Ventilconvettori, costituiti da armadietti nei quali l aria viene fatta circolare sopra corpi scaldanti; Serpentine inserite nel pavimento, nelle quali circola acqua calda; Canalizzazioni, che trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa di calore ai diversi locali.

14 APPLICAZIONI DELLA POMPA DI CALORE Le possibili applicazioni della pompa di calore sono: CLIMATIZZAZIONE DEGLI AMBIENTI RISCALDAMENTO DEGLI AMBIENTI E DELL ACQUA SANITARIA

15 APPLICAZIONI DELLA POMPA DI CALORE CLIMATIZZAZIONE DEGLI AMBIENTI È ormai attuale l applicazione della pompa di calore per la climatizzazione degli ambienti nel settore residenziale e nel terziario (esercizi commerciali di medie dimensioni; parrucchieri; cucine di ristoranti; studi professionali), in alternativa ai sistemi convenzionali composti da refrigeratore più caldaia. La stessa macchina infatti, mediante una semplice valvola, è in grado di scambiare tra loro le funzioni dell evaporatore e del condensatore, fornendo. così calore in inverno e freddo in estate (tipo Inverter). L applicazione della pompa di calore alla climatizzazione ambientale (riscaldamento + raffrescamento) è la più conveniente poiché comporta un minor tempo di ammortamento del costo d impianto rispetto ad un utilizzo per il solo riscaldamento. Nel caso di edifici esistenti, l applicazione della pompa di calore per il condizionamento degli ambienti, sia invernale che estivo, richiede un intervento di ristrutturazione dell intero impianto termico ed elettrico, con conseguente maggior costo. Diverse sono le applicazioni della pompa di calore nei settori terziario e industriale, ad esempio: la climatizzazione delle piscine, l essiccazione e processi tecnologici a bassa temperatura nell industria agro-alimentare, ecc.

16 Applicazioni della pompa di calore RISCALDAMENTO DEGLI AMBIENTI E DELL ACQUA SANITARIA La pompa di calore può essere utilizzata anche per la sola produzione di calore per il riscaldamento degli ambienti e dell acqua sanitaria. In questi casi vanno attentamente valutati gli aspetti economici rispetto ai sistemi tradizionali quali caldaie e scaldabagni elettrici o a gas. Per il riscaldamento degli ambienti gli impianti possono essere di tipo: Monovalente Bivalente Si utilizza la configurazione monovalente quando la pompa di calore è in grado di coprire interamente il fabbisogno termico necessario al riscaldamento degli ambienti. Se la pompa di calore usa come sorgente l aria esterna, tale configurazione è adottabile nelle zone climatiche dove la temperatura esterna scende raramente sotto ai 0 C. In caso contrario si deve realizzare un sistema bivalente, costituito dalla pompa di calore e da un sistema di riscaldamento ausiliario, cioè una caldaia tradizionale che copra il fabbisogno termico quando la temperatura dell aria scende solo al di sotto di 0 C. Per il riscaldamento dell acqua sanitaria occorrono serbatoi di accumulo più grandi di quelli impiegati nei normali scaldacqua in quanto la temperatura del1 acqua prodotta non supera i 55 C.

17 Tutto chiaro? Chiaro come il sole??

18 Geotermia L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore.

19 L'energia geotermica in Europa è nota sin dall antichità: terme romane bagni turchi in Francia nel medioevo per il riscaldamento in Italia per scopi industriali dal 1700 produzione di energia elettrica dal 1904

20 Il calore si è in parte originato durante la formazione del pianeta e in parte viene prodotto dal decadimento di isotopi radioattivi.

21 La temperatura della crosta terrestre cresce man mano che si scende in profondità. In media la temperatura delle rocce aumenta di 3 C ogni 100 metri. (25-30 C a 500 m di profondità, e di C a 1000 m)

22 In alcune particolari zone, dette zone calde, si possono presentare condizioni in cui la temperatura del sottosuolo è leggermente più alta della media ( C); assottigliamento della crosta, fenomeni vulcanici o tettonici.

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24 Sistemi geotermici I sistemi geotermici si suddividono in: Alta entalpia (> 150 C) Media entalpia (90 C < T < 150 C) Bassa entalpia (20 C < T < 90 C) Bassissima entalpia (< 20 C)

25 Uso diretto Nei sistemi geotermici a media e bassa entalpia (< 150 C) il calore può essere utilizzato direttamente

26 Uso diretto

27 Uso indiretto Nei sistemi ad alta entalpia l acqua calda o il vapore arrivano in superficie attraverso pozzi e vengono utilizzati in turbine per la produzione di energia elettrica.

28 Pregi Nessuna combustione né emissione di gas (CO 2, NOx) Nessuna sostanza pericolosa trasportata o stoccata Modeste superfici di installazione

29 Difetti utilizzabile solo in limitati contesti territoriali odore sgradevole dell acido solfidrico (basta utilizzare appositi filtri) impatto visivo (soluzioni architettoniche adeguate)

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31 La produzione mondiale

32 La produzione mondiale Tra le fonti di energia rinnovabili la potenza elettrica geotermica (40 miliardi di kwh) è attualmente confrontabile con quella ottenuta da biomasse e ben superiore a quella attuale da energia solare ed eolica; tuttavia essa rappresenta solo lo 0.3 % della potenza elettrica mondiale.

33 La geotermia in Italia

34 La produzione geotermoelettrica

35 Evoluzione della produzione L Italia è il quarto paese al mondo per quanto riguarda la produzione geotermoelettrica. A Larderello, in Toscana,

36 La situazione italiana L Italia è il quarto paese al mondo per quanto riguarda la produzione geotermoelettrica. I campi geotermici più importanti sono quelli di Larderello, di Travale e del Monte Amiata in Toscana e di Latera nel Lazio.

37 Progetti futuri Deep Heat Mining (DHM) Sfruttare le rocce calde fratturate a elevata profondità (200 C)

38 Le pompe di calore Accoppiamento con sonde geotermiche Philadelphia Enterprise Centre, USA 28 pompe di calore per riscaldamento e raffreddamento

39 Obiettivi Descrivere le applicazioni con le sonde geotermiche (PDCG) Illustrare gli aspetti chiave perl analisi di progetti con pompe di calore geotermiche

40 Cosa forniscono i sistemi con pompa di calore geotermica? Riscaldamento Raffreddamento Acqua calda ma anche Efficienza Minore manutenzione Minore spazio necessario Bassi costi di funzionamento Pompa di calore residenziale Vantaggi Rendimento stabile Comfort & qualità dell aria Carichi elettrici di picco ridotti per il condizionamento

41 Componenti per un sistema con p.d.c. geotermica 1. Connessione a terra Collegamento con il terreno Falda idrica Acqua superficiale 2. Pompa di calore Impianto interno di distribuzione calore e freddo (Tubazioni tradizionali) 1

42 Pompa di calore raffreddata ad acqua Pompa di calore Acqua-acqua Vapore ad alta pressione ed alta temperatura Compressore Vapore a bassa pressione e bassa temperatura Reversibile Da 3,5 a 35 kw di potenza frigorifera Unità multiple per grandi edifici Condensatore Liquido ad alta pressione ed alta temperatura Evaporatore Liquido a bassa pressione e bassa temperatura Valvola d espansione Il calore in esubero dopo la compressione può essere utilizzato per fornire acqua calda sanitaria

43 Tipi di connessione a terra Verticale Terreno roccioso Più costoso Minore terra usata Alta efficienza Orizzontale Più terra utilizzata Meno costoso Piccoli edifici Temp. variabili Acqua di falda Acquifero+Iniezione Il sistema meno costoso Regolazione Sporcamento Anche con acqua superficiale e scambiatori a colonna

44 Risorse p.d.c. geotermiche: Temperature del terreno Il terreno assorbe circa la metà dell energia incidente del sole Il terreno riduce le variazioni di temperatura P.d.c. più efficienti La variazione di temperatura diminuisce con la profondità Trascurabile sotto 15 m TEMPERATURA F INVERNO ESTATE AUTUNNO TEMPERATURA C Grafico: Canadian Building Digest Le temperature locali del terreno dipendono dal clima, dalle coperture del terreno nevose, inclinazione, propietà del suolo ecc.

45 Considerazioni sui progetti con pompe di calore geotermiche Più economiche quando: E richiesto sia il riscaldamento che il raffrescamento Sussistono forti variazioni stagionali di temperatura Sono installate in nuove costruzioni o retrofit impianti di climatizzazione Per il riscaldamento: solo con impianti a bassa temperatura Per il raffrescamento: alti costi di energia elettrica ed alte tariffe elettriche nelle ore di punta Disponibilità di tecnologie di trivellazione e di scavo Variabilità del costo del sistema di scambio termico con il terreno Fattibilità economica da valutare anche in base all applicazione dell utente finale Scambio termico con il terreno, Edificio commerciale

46 Esempi: Installazioni in edifici residenziali Case con grandi volumetrie Trivella per pozzi, Svizzera Costo iniziale più elevato Ammortamento più lungo dei sistemi tradizionali Benefici ambientali e di comfort 20 kw p.d.c. geotermica, Germania Gli incentivi per questo di tecnologia possono costituire un fattore importante

47 Esempi: Impianti in siti commerciali Tempi corti di ammortamento (< 5 anni) Edificio commerciale, Croydon, GB Possibili problemi per disponibilità di terreno Minor utilizzo di spazi interni Controlli semplici e distribuiti Ridotto rischio di atti vandalici Consumi ridotti durante la fascia elettrica di picco Riscaldamento di integrazione non necessario Complesso, Kentucky, USA Stazione di servizio, Kansas, USA

48 Esempi: Impianti in edifici pubblici Tempi di ammortamento più lunghi accettati Scavo per scambio term. orizzontale Più aperti a sistemi innovativi Carichi termici e frigoriferi simultanei Scuola, Quebec, Canada

49 Conclusioni Le PDCG forniscono riscaldamento, raffreddamento ed acqua calda Il terreno attenua le variazioni di temperatura e permette di ottenre rendimenti più elevati per le PDCG Il costo delle PDCG è più elevato ma i costi gestionali sono inferiori Gli edifici che necessitano sia di caldo che di freddo sono le più promettenti

50 Domande Geotermia

51 Cogenerazione

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64 Dibattito Passione, dedizione, curiosità: ecco la mia energia alternativa. Grazie dell attenzione Nicola Passuello