L IMPIEGO DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE NEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE

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1 Pistoia 12 Dicembre 2008 L IMPIEGO DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE NEGLI IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Ing.Patrizio Pastacaldi

2 EFFICIENZA DEL SISTEMA EDIFICIO IMPIANTO L efficienza di un sistema è un indice relativo dell impegno richiesto o che si prevede possa essere necessario per soddisfare i vari bisogni connessi ad un uso standard dell edificio edificio Generalmente si parla di efficienza energetica del sistema quando ci si voglia riferire ai consumi di energia. Si parla di efficienza ambientale (ecocompatibilità)) del sistema quando si voglia considerare l impatto l che esso ha sull ambiente naturale come ad esempio, l inquinamento fisico, l emissione l di gas serra ecc.

3 ECOCOMPATIBILITA I sistemi che utilizzano materiali ecocompatibili e che sfruttano le fonti rinnovabili hanno una maggiore efficienza ambientale Anche i sistemi che hanno una maggiore efficienza energetica, laddove questa comporti un minor consumo di combustibili fossili, hanno maggiore efficienza ambientale Le pompe di calore geotermiche sfruttano le fonti rinnovabili ed hanno una maggiore efficienza energetica rispetto ai sistemi convenzionali

4 EFFICIENZA ENERGETICA L efficienza energetica del sistema dipende da: - isolamento dell edificio edificio - rendimento dell impianto - apporti interni - apporti solari

5 RENDIMENTO DELL IMPIANTO Il rendimento globale di un impianto termico è dato da: ή g = ή e * ή c * ή d * ή p (>= 65+3LogPn) Ove: ήe = rendimento di emissione ήc = rendimento di regolazione ήd = rendimento di distribuzione ήp = rendimento di produzione

6 IL RENDIMENTO DELLE POMPE DI CALORE AI FINI DELLA VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI ENERGETICHE IL RENDIMENTO DI PRODUZIONE (nominale) DI UNA POMPA DI CALORE E E DATO DA: ή p = p = COP * ή el. (>= 90+3LogPn) Ove: ή el. è il rendimento di produzione del sistema elettrico nazionale (0.40) COP è l efficienza della pompa di calore

7 EFFICIENZA DELLE POMPE DI CALORE L EFFICIENZA DI UNA POMPA DI CALORE E E DATA DAL RAPPORTO TRA L ENERGIA L DISPONIBILE ALL UTILIZZATORE E L ENERGIA L SPESA. ESSA DIPENDE DALLE CONDIZIONI - DELLA SORGENTE (T e, Ue % ) - DELLO UTILIZZATORE (T i, Ui % ) Si ha: COP teorico ( ciclo di Carnot) ) = Ti/(Ti-Te) Te) con Ti e Te espresse in gradi Kelvin NELL IMPIANTO REALE IL COP RAGGIUNGE VALORI INFERIORI (50-60% DEL COP teorico)

8 IL CONCETTO DI COP coefficiente di prestazione

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10 IL CONCETTO DI EER indice di prestazione energetica

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12 In un impianto reale, le condizioni termiche della sorgente e dell utilizzatore variano stagionalmente e con esse varia la efficienza dell impianto. La valutazione delle prestazioni viene pertanto espressa dal SPF (Season Performance Factor) ovvero SCOP in fase invernale SEER in fase estiva

13 coefficiente di prestazione impianto geotermico COP valore medio stag. novembre dicembre gennaio febbraio marzo aprile mese ottobre C.O.P.

14 LA SORGENTE FREDDA Elemento essenziale di ogni pompa di calore è la sorgente fredda. Questa, molto spesso, è l aria esterna per l agevole l disponibilità e per la grande diffusione dei sistemi split di piccola taglia La disponibilità è l unico vantaggio, dal momento che sono numerosi gli svantaggi: - i livelli di temperatura sono in discordanza di fase con le necessità - l impatto acustico ed ambientale non sono trascurabili - Sussiste il problema del brinamento della batteria esterna - Una adeguata movimentazione dell aria può avere costi non trascurabili

15 LE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE Il terreno, come l aria l è universalmente disponibile. Il suo livello termico medio è,, tuttavia, più alto e garantisce prestazioni più elevate. I vincoli burocratici amministrativi necessari all ottenimento della autorizzazione a realizzare sonde geotermiche sono limitati. I problemi tecnici connessi alla sorgente terreno sono stati ormai risolti ed il terreno è attualmente una sorgente fredda per la pompa di calore largamente utilizzata (Francia, Germania, Svizzera ed Austria) e negli USA. In Svezia operano attualmente circa pompe di calore a terreno.

16 COLLETTORI GEOTERMICI a bassa entalpia A seconda della tipologia si distinguono: - SONDE VERTICALI costituite da perforazioni di circa 100 ml. di profondità con due tubi di captazione e riempimento di bentonite - COLLETTORI ORIZZONTALI costituiti da trincee superficiali a sezione ml. 0.60x1.80(h) con quattro tubi di captazione e riempimento con terra dello scavo.

17 LE SONDE VERTICALI IN RELAZIONE ALLA NOTEVOLE PROFONDITA ( >100 ml:) VIENE UTILIZZATA ESCLUSIVAMENTE L ENERGIA GEOTERMICA

18 TECNOLOGIE REALIZZATIVE SONDE VERTICALI

19 SONDE GEOTERMICHE VERTICALI capacità di estrazione specifica A ML DI SONDA (*) SOTTOSUOLO Conducibilità Termica (Wh/ml.K) Potenza estrazione (Wh/ml) di Cattiva qualità Rocce mobili secche < Rocce indurite o rocce mobili sature di acqua Rocce indurite a conducibilità termica elevata > Ghiaia sabbia secca 0.4 < 20 Ghiaia sabbia acquifero Argilla, limo umido Calcare massiccio Arenaria Granito, granodiorite Basalto Gneiss * (Geothermal CH)

20 COLLETTORI GEOTERMICI ORIZZONTALI IN RELAZIONE ALLA SUPERFICIE INTERESSATA ED ALLA MODESTA PROFONDITA DI INTERRAMENTO I COLLETTORI ORIZZONTALI UTILIZZANO IN MAGGIOR PARTE L ENERGIA L ATMOSFERICA ED IN MINOR PARTE L ENERGIA GEOTERMICA

21 TECNOLOGIE REALIZZATIVE TRINCEE ORIZZONTALI A 4 TUBI

22 COLLETTORI GEOTERMICI ORIZZONTALI capacità di estrazione specifica A ML DI TRINCEA (W) Località : Italia centrale Superficie orizzontale, soleggiamento libero SOTTOSUOLO Conducibilità Termica (W/ml.K ml.k) Potenza estrazione (W/ml) di Cattiva qualità Rocce mobili secche < Rocce indurite o rocce mobili sature di acqua Rocce indurite a conducibilità termica elevata > Ghiaia sabbia secca 0.4 < 50 Ghiaia sabbia acquifero Argilla, limo umido Calcare massiccio Arenaria 2.3 -

23 COLLETTORI GEOTERMICI ORIZZONTALI GRAFICO CARICHI - TEMPERATURE COLLETTORE CARICHI-TEMPERATURE COLLETTORE 25,00 20,00 MJ/mese - C 15,00 10,00 CARICHI MENSILI TEMPERATURA COLLETTORE 5,00 0,00 NOVEMBRE DICEMBRE GENNAIO FEBBRAIO MARZO APRILE mese

24 CONCLUSIONI L efficienza energetica che le moderne pompe di calore geotermiche possono garantire, sia in termini di prestazioni nominali che di prestazioni stagionali è molto elevata e consente di ottenere un risparmio di energia primaria significativo anche rispetto anche alle migliori tecnologie a combustione ( caldaie a condensazione), nel caso di un corretto dimensionamento e accoppiamento con impianti a bassa o media temperatura

25 CONSUMO DI ENERGIA PRIMARIA IMPIANTO A GAS 100% RISCALDAMENTO 100% 10% energia spesaper controloe distibuzione 110% energiautile 139% energia )dafornire(metano 110% 139% 29% energia dissipata incaldaia 12% energia spesaper iltrasporto 160% energia primaria 151% SCHEMA DIFLUSSO ENERGETICO DIUN IMPIANTO DI RISCALDAMENTO A GAS L'utentepagail139%

26 CONSUMO DI ENERGIA PRIMARIA IMPIANTO A POMPA DI CALORE GEOTERMICA 100% RISCALDAMENTO 100% 10% energia spesaper controloe distribuzione 87% energia geotermica 110% 60% energia spesain centrale eletrica 23% 23% energia dafornire(eletricità )12% energia 83% 95% spesaper iltrasporto SCHEMA DIFLUSSO ENERGETICO DIUN IMPIANTO DI RISCALDAMENTO CON POMPA DICALORE GEOTERMICA L'utentepagail23%

27 CONSUMO DI ENERGIA PRIMARIA IMPIANTO A POMPA DI CALORE GEOTERMICA CON PANNELLI FOTOVOLTAICI 100% RISCALDAMENTO 87% energia geotermica 100% 110% 10% energia spesaper controloe distribuzione 23% energia eletricada fotovoltaico 23% SCHEMA DIFLUSSO ENERGETICO DIUN IMPIANTO DIRISCALDAMENTO CON POMPA DICALORE GEOTERMICA CON IMPIANTO FOTOVOLTAICO ILCOSTO DEIICONSUMIPER LA CLIMATIZZAZIONE SIANNULLA

28 RISPARMIO SUI COSTI DI ESERCIZIO Ai costi attuali dei combustibili: Euro/mc per il metano Euro(kWh per l elettricitl elettricità PER 1 kwh di energia fornita occorrono: - 1,39 kwh con il metano (0.146Nmc) x 0.80 = Euro/kWh kwhe con l energia l elettrica 0.23 x 0.21 = Euro/kWh IL RISPARMIO IN SOLDI VALE PERTANTO: Euro/kWh CORRISPONDENTE AL 58 %

29 EMISSIONE DI GAS SERRA (CO2) Impianto a gas: 0.21 x 1,39 = 0.29 kg/kwh kwh Impianto pompa di calore geotermica: 0.65 x 0.23 = 0.15 kg/kwh kwh Impianto a pompa di calore geotermica e pannelli fotovoltaici: 0.00 kg/kwh kwh

30 ESEMPI APPLICATIVI

31 EDIFICIO CONDOMINIALE IN PISTOIA, VIALE ADUA COMMITTENTE AL.MA srl Pistoia (anno 2006) L edificio è costituito da 9 unità abitative con metratura variabile da 50 a 250 mq. ed una unità direzionale.

32 TIPOLOGIA IMPIANTO L impianto utilizza una pompa di calore reversibile acqua/acqua con collettore geotermico orizzontale, per il riscaldamento invernale ed il raffrescamento estivo. La produzione di fluidi termovettori è centralizzata, con distribuzione alle singole U.I. e con moduli di utenza che contabilizzano l energia termica/frigorifera e la a.c.s. La produzione dell acqua calda sanitaria sfrutta il recupero del calore di condensazione nella pompa di calore La climatizzazione degli ambienti è realizzata con un impianto a pannelli radianti ed aria primaria

33 SCHEMA IMPIANTO IN FASE INVERNALE PANNELLI RADIANTI A PAVIMENTO COLLETTORI SOLARI TERMICI POMPA DI CALORE REVERSIBILE SERBATOIO INERZIALE BOILER ACQUA CALDA SANITARIA COLLETTORE GEOTERMICO ORIZZONTALE SCHEMA SISTEMA A POMPA DI CALORE IN FASE DI RISCALDAMENTO

34 SCHEMA IMPIANTO IN FASE ESTIVA PANNELLI RADIANTI A PAVIMENTO COLLETTORI SOLARI TERMICI POMPA DI CALORE REVERSIBILE SERBATOIO INERZIALE BOILER ACQUA CALDA SANITARIA COLLETTORE GEOTERMICO ORIZZONTALE SCHEMA SISTEMA A POMPA DI CALORE IN FASE DI RAFFRESCAMENTO

35 PRESTAZIONI ENERGETICHE DELL EDIFICIO EDIFICIO

36 IMPIANTO A POMPA DI CALORE GEOTERMICA

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38 IMPIANTO CON CALDAIA A CONDENSAZIONE

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40 ASPETTI ECONOMICI Flusso di cassa realizzabile per il sistema edificio impianto. - Fc = Qh x 0.07 = Euro/anno Ove: - Qh Fabbisogno termico utile [kwh[ kwh/a] = risparmio economico [Euro/kWh kwh]

41 COSTI DI REALIZZAZIONE

42 IMPIANTO A POMPA DI CALORE CALCOLO INCIDENZE COSTI COTRUZIONE (a consuntivo) OPERA pompa di calore collettore geotermico contabilizzazione impianto a pannelli radianti impianto di aria primaria impianti ditribuzione e centrale termica regolazione e controllo totale costo appalto , , , , , , , ,00 incidenza %ale 0,16 0,03 0,13 0,17 0,12 0,22 0,17 1,00

43 IMPIANTO CON CALDAIA + CHILLER CALCOLO INCIDENZE COSTI COTRUZIONE OPERA Caldaia cond. (70 kw) Chiller condensato in aria (50 kw) contabilizzazione impianto a pannelli radianti impianto di aria primaria impianti ditribuzione e centrale termica regolazione e controllo totale costo stimato 8900, , , , , , , ,00 incidenza %ale 0,05 0,11 0,14 0,17 0,13 0,23 0,17 1,00

44 VALUTAZIONE DI CONVENIENZA ECONOMICA La valutazione della convenienza economica di un investimento volto alla realizzazione di un impianto che, in confronto ad una soluzione impiantistica, diciamo convenzionale, potrà determinare un risparmio medio annuo ( flow cash) sui costi di esercizio, si può esprimere in prima approssimazione mediante la determinazione del tempo di ritorno dell investimento iniziale C 0 : - Tr = C 0 / Fc

45 PER L EDIFICIO L IN OGGETTO SI HA: C 0 = 4800,00 [Euro] Fc = 5868,00 [Euro] Tr = 4800,00/5868,00 = 0.82 anni Che indica una ottima convenienza.

46 RISPARMIO EMISSIONI DI GAS SERRA Impianto convenzionale a gas: 0.21 x = 20,00 Ton./anno Impianto pompa di calore geotermica: 0.65 x = 10,82 Ton./anno MINORI EMISSIONI: 9.18 Ton./anno

47 CASA UNIFAMILIARE a Serravalle P.se (1980)

48 COLLETTORE GEOTERMICO ORIZZONTALE

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51 EDIFICIO ARTIGIANALE ED UFFICI in Comune di Pistoia (anno 2007)

52 Tipo Pompa di calore REVERSIBILE Fluido termovettore Acqua/Acqua glicolata Valore nominale della potenza termica Ptn (riscaldamento) 80,00 kw Valore nominale della potenza frigorifera Pfn (refrigerazione) kw COP medio inverno EER medio estate 4 4.2

53 SVILUPPO COLLETTORE GEOTERMICO ORIZZONTALE

54 TERMINALI LABORATORIO Tipo Pannelli radianti a pavimento Piastra base Tubo passo Area pannellata Emissività specifica Pex-c FSBD 250 mm mq W/mqh

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