La climatizzazione con pompa di calore: caratteristiche e comportamento "in campo" di soluzioni concorrenti

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1 OBIETTIVO 2020: LE RINNOVABILI EFFICIENTI Le pompe di calore: tecnologia, politiche e semplificazione La climatizzazione con pompa di calore: caratteristiche e comportamento "in campo" di soluzioni concorrenti Walter Grattieri Palazzo delle Stelline Milano, 15 marzo 2011

2 Consumi finali di energia 130 Mtep nel % 32% Climatizzazione ( 60% del consumo degli edifici) Edifici Industria Trasporti 34% 2

3 3 Da cosa dipendono i consumi di climatizzazione? Località Geometria (S/V, orientamento spaziale, ) Natura dell involucro (trasmittanza, inerzia termica, ponti termici, emissività, selettività) Carichi interni (affollamento, dispersioni di elettrodomestici e apparecchiature d ufficio, ) Rendimento dell impianto di produzione (caldo/freddo) Rendimento dell impianto di distribuzione (linee aerauliche, emettitori) Modalità di conduzione dell impianto (orari di accensione, temperature degli ambienti, livello di automazione) Abitudini degli occupanti (apertura/chiusura infissi, ricambi d aria, tempo di presenza, attività svolte)

4 Interventi per l efficienza della climatizzazione (1/2) INVOLUCRO AMBIENTE CARICHI INTERNI Vetri a bassa dispersione (vetri doppi, selettivi, basso emissivi) Pareti e coperture ben isolate Serramenti esterni a tenuta da infiltrazioni Limitazione dei ponti termici Schermature solari Pareti ventilate Uso del verde e degli edifici circostanti come schermatura solare, protezione vento Uso di apparecchiature ad alta efficienza (illuminazione, elettrodomestici, mezzi informatici, ecc.) Sistemi di aspirazione forzata per ridurre le sorgenti termiche ad alta intensità (cucine, fotocopiatrici, ecc) R C R C R C R C R C R C C C 4

5 Interventi per l efficienza della climatizzazione (2/2) IMPIANTO Dimensionamento corretto della centrale termofrigorifera (caldaie, gruppi frigoriferi, pompe di calore) Componenti ad alta efficienza energetica Dimensionamento del sistema di distribuzione Modalità di regolazione Recupero energetico sui ricambi d aria Scambio di energia tra ambienti con esigenze di climatizzazione contrapposte Free-cooling Soluzioni impiantistiche e sorgenti termiche appropriate R C R C R C R C R C R C R C 5

6 Funzionamento della pompa di calore - Riscaldamento La pompa di calore trasferisce calore da un mezzo (o ambiente) a bassa temperatura ad un altro, a temperatura più elevata, previa la rigenerazione termodinamica di detto calore mediante l apporto di un limitato input energetico Energia Calore utile Efficienza stagionale 6 SCOP Calore Utile = Energia Stagione di riscaldamento

7 Funzionamento della pompa di calore - Raffrescamento La pompa di calore trasferisce calore da un mezzo (o ambiente) a bassa temperatura ad un altro, a temperatura più elevata, previa la rigenerazione termodinamica di detto calore mediante l apporto di un limitato input energetico Energia Calore utile Efficienza stagionale 7 SEER Calore Utile = Energia Stagione di raffrescamento

8 Perché la pompa di calore? 1. La pompa di calore raggiunge agevolmente le condizioni che consentono il risparmio di energia primaria nel riscaldamento degli edifici 2. La Direttiva 2009/28/CE assimila a fonte rinnovabile l energia termica catturata dalle pompe di calore come: "energia aerotermica": energia accumulata nell aria ambiente sotto forma di calore "energia geotermica": energia immagazzinata sotto forma di calore sotto la crosta terrestre "energia idrotermica": energia immagazzinata nelle acque superficiali sotto forma di calore 3. La convenienza economica dipende dal differenziale di costo fra le soluzioni impiantistiche disponibili, dal livello di consumo e dalle tariffe dell energia (elettricità/combustibili). 8

9 Efficienze a confronto PdC gas 140 Efficienza primaria [%] η sistema elettrico = 46% (Delibera AEEG EEN 3/08) Caldaia Efficienza Finale (C.O.P.) 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20 3,40 9 Una PdC elettrica con C.O.P. > 1,96 consuma meno energia primaria di una caldaia con rendimento = 90% Una PdC elettrica con C.O.P. > 3,04 consuma meno energia primaria di una PdC a gas con G.U.E. = 140%

10 Energia rinnovabile (Direttiva 2009/28/CE Allegato VII) Computo dell energia prodotta dalle pompe di calore La quantità di energia aerotermica, geotermica o idrotermica catturata dalle pompe di calore da considerarsi energia da fonti rinnovabili ai fini della presente direttiva, ERES, è calcolata in base alla formula seguente: dove: E RES = Q usable (1 1/SPF) Q usable = il calore totale stimato prodotto da pompe di calore che rispondono ai criteri di cui all articolo 5, paragrafo 4, applicato nel seguente modo: solo le pompe di calore per le quali SPF > 1,15 1/η sarà preso in considerazione ; SPF = il fattore di rendimento stagionale medio stimato per tali pompe di calore; ηèil rapporto tra la produzione totale lorda di elettricità e il consumo di energia primaria per la produzione di energia e sarà calcolato come media a livello UE sulla base dei dati Eurostat. 10

11 Quanta energia rinnovabile? Confronto fra pompe di calore equivalenti : 1. Pompa di calore elettrica: S.C.O.P.(=SPF)= 3,04 2. Pompa di calore a gas: S.G.U.E.(=SPF)= 1,40 Requisito per l ammissibilità: SPF > 1,15 1/η 1. PdC elettrica η= 0,438 1) SPF>2,63 2. PdC a gas η= 1 SPF> 1,15 Entrambe ammissibili Calcolo dell energia rinnovabile: ERES = Q usable (1 1/SPF) 1. ERES elettrica= Q usable (1-1/3,04)= 0,67 Q usable 2. ERES gas= Q usable (1-1/1,40)= 0,29 Q usable 11 1) Anno 2007 (Eurostat - RES Working Party meeting, 23 October 2009)

12 Pompa di calore = risparmi in bolletta? Domanda: Risposta: Quando il calore prodotto da una PdC costa meno di quello prodotto da una caldaia? Quando il suo C.O.P supera il limite economico C. O. P. > Limite economico = η C PdC C PdC costo unitario dell energia consumata da una PdC C costo unitario dell energia consumata da una caldaia η C rendimento caldaia C.O.P (G.U.E.) rendimento PdC /kwh!! 12 Per una PdC a gas ( PdC = C ) è sufficiente che G.U.E.>η C Per una PdC elettrica il confronto deve anche considerare il rapporto di costo fra energie concorrenti

13 Pompa di calore = risparmi in bolletta? PdC elettrica, fornitura residenziale con secondo contatore dedicato Rendimento caldaia [%] Limite energetico kw, kwh/a Limite economico kw, kwh/a ,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20 3,40 COP PdC Il C.O.P. economico è maggiore di quello che assicura il risparmio di energia primaria. 13 Il differenziale si riduce al crescere del consumo

14 Vettori energetici per la climatizzazione Elettricità GAS Naturale (calore residuo) disponibilità elevata assenza di emissioni in sito impatto sul Sistema Elettrico costo orario variabile consumi reali disponibilità variabile consumi complementari emissioni in sito consumi reali 14

15 Caratteristiche di sorgenti/pozzi termici ARIA ACQUA TERRENO Disponibilità elevata Praticità d uso Prestazioni energetiche variabili Rumore e ingombro Temperatura più idonea e più costante dell aria Disponibilità variabile Costo delle opere di prelievo e scarico Vincoli normativi per prelievo e scarico Temperatura più idonea dell aria Disponibilità elevata Tecnologia poco diffusa Costo di realizzazione del campo geotermico 15

16 Pompe di Calore Aerotermiche POMPA DI CALORE ARIA PdC Elettriche PdC a gas Generalmente consigliate per climi non rigidi Modelli con inverter, anche di tipo idronico! Prestazione energetica in crescita, buona anche in condizioni climatiche severe Tutte le taglie (locale singolo, appartamento, edificio) 16 Prestazioni meno sensibili alla temperatura della sorgente Funzionamento anche con radiatori Installazioni in gruppi preassemblati e/o integrati da caldaia Atteso scale down delle taglie disponibili

17 Pompe di Calore geotermiche ad acqua di falda Idonee con ogni clima Taglia medio/grande Prestazione elevata, ma variabile con l incidenza dei consumi ausiliari (dal 15 a oltre il 25 %) * a causa di: falda acquifera troppo profonda circuiti di distribuzione dell acqua emunta troppo estesi conduzione impropria degli impianti di sollevamento Iter autorizzativo complesso 17 * Dato relativo a PdC elettriche (incidenza probabilmente inferiore per PdC a gas a causa della minore dipendenza dalla sorgente)

18 Pompe di Calore Geotermiche a circuito chiuso Idonee con ogni clima Taglia medio/grande Prestazione elevata, ma il carico termico influenza la temperatura della sorgente (valori troppo bassi per lunghi periodi pregiudicano la resa energetica) Attenzione alla persistenza nel tempo del potenziale geotermico Consumi degli ausiliari = 12 % * ca. ( inferiori a quelli di impianti con sollevamento d acqua ) Iter autorizzativo relativamente semplificato 18 (Regione Lombardia Deliberazione n. VIII/011383) * Dato relativo a PdC elettriche

19 La sorgente geotermica Attenzione! il terreno non è una sorgente illimitata di calore è cruciale tenere conto della dinamica di captazione del calore sotterraneo un campo geotermico inadeguato comporta la riduzione nel tempo della temperatura della sorgente indispensabile minimizzare il fabbisogno dell edificio per limitare l estensione (ed il costo!) del campo geotermico 19

20 Persistenza della sorgente geotermica Variazione della temperatura della sorgente nel corso degli anni Temperatura [ C] Anni ( solo riscaldamento, si trascura falda acquifera in movimento) 20

21 21 Campo geotermico inadeguato Temperatura media giornaliera /10 16/10 26/10 05/11 15/11 25/11 05/12 15/12 25/12 04/01 14/01 24/01 03/02 13/02 23/02 05/03 15/03 25/03 04/04 14/04 Ritorno sonde [ C] Aria esterna [ C] giorno/mese Temperatura [ C]

22 Attività 2011 Analisi modellistiche e strumentali del geoscambio: Diagnosi energetica in corso di PdC geotermica in Liguria: riscaldamento, condizionamento e ACS Strumentazione di PdC geotermica in recupero edilizio (60 alloggi) in Piemonte, riscaldamento e ACS, inizio diagnosi inverno 2011/12 Strumentazione di impianto con PdC a gas (aerotermica) in Lombardia, inizio diagnosi inverno 2011/12 Test di PdC aerotermica, Milano (lab. RSE): riscaldamento, condizionamento e ACS 22

23 Grazie per l attenzione! Walter Grattieri R.S.E. S.p.A. Sviluppo dei Sistemi Elettrici Via Rubattino, Milano Tel.: walter.grattieri@erse-web.it 23