STRATEGIA MIGLIORAMENTO PRESTAZIONI ENERGETICHE DEL SISTEMA EDIFICIO - IMPIANTO. FONTE:

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1 Programma Impianti di climatizzazione alimentati da Fonti energetiche rinnovabili Le pompe di calore elettriche reversibili riscaldamento invernale condizionamento estivo PDC: una soluzione consolidata in continua evoluzione L influenza della temperatura delle sorgenti sulle prestazioni della PDC Le condizioni di progetto di un impianto di climatizzazione Dimensionamento e criteri di progettazione degli impianti idronici: reti idroniche i terminali d impianto Stima dei carichi totali di raffreddamento (esempi) Dimensionamento e criteri di progettazione degli impianti aeraulici: reti di distribuzione dell aria i terminali di immissione dell aria Stima dei carichi totali di raffreddamento e delle portate d aria (esempi)

2 STRATEGIA MIGLIORAMENTO PRESTAZIONI ENERGETICHE DEL SISTEMA EDIFICIO - IMPIANTO FONTE:

3 Sistemi di riscaldamento e raffrescamento basati su fonti rinnovabili di energia Ci sono tre sistemi di conversione che producono calore: Assorbimento dell energia solare per produrre acqua calda solare termico; Concentrazione del calore presente nel suolo, nell acqua, nell aria pompe di calore; Combustione di biomasse, quali legna e pellets biomassa. Tutti questi sistemi possono essere incorporati nelle proprie abitazioni, e possono soddisfare, in parte o totalmente, le esigenze di riscaldamento. La scelta del sistema dipenderà dal tipo di abitazione, dal suo orientamento e dalla sua dislocazione. E sempre economicamente vantaggioso ridurre il consumo di calore prima di prendere in considerazione la possibilità di installare nuovi sistemi di riscaldamento. Ciò ti assicurerà del fatto che sia possibile installare il più piccolo sistema di riscaldamento possibile, che avrà sia un costo iniziale minore che minori costi di gestione.

4 I generatori di calore assistiti da Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) Di seguito i generatori di calore che utilizzano FER: I Pannelli solari termici Le pompe di calore Le caldaie a biomassa

5 TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORE: A COMPRESSIONE - Elettriche in cui il compressore è azionato da motore elettrico - Agas in cui il compressore è azionato da unmotoreagas AD ASSORBIMENTO - Le pompe di calore ad assorbimento, analogamente agli impianti frigoriferi ad assorbimento, sfruttano la solubilità e l elevata affinità tra due sostanze, di cui una funziona da refrigerante e l altra da assorbente, per realizzare un ciclo dove l energia introdotta è prevalentemente termica. Il lavoro meccanico della pompa è infatti pari a circa l 1% del calore introdotto nel generatore. AD ADSORBIMENTO - Il funzionamento di questi sistemi è basato sulla capacità di alcuni solidi porosi (es. zeoliti, gel di silice, ecc.) di assorbire reversibilmente vapori non dannosi per l ambiente (es. acqua).

6 Le pompe di calore elettriche La Fonte Energetica Rinnovabile (FER) è l aria, l acqua, il terreno!! Le pompe di calore che sfruttano l aria come fonte di calore, possono essere montate su un muro esterno di una casa o in giardino. Le pompe di calore possono essere reversibili, in grado di riscaldare gli ambienti durante il periodo invernale e di raffrescarli durante il periodo estivo.

7 LA POMPA DI CALORE A COMPRESSIONE elettrica: È una macchina che consente di trasferire energia termica - Da un corpo a bassa temperatura (sorgente fredda) - Ad un corpo a temperatura maggiore (sorgente calda) Per effettuare questo trasferimento è necessario spendere, in alternativa: - energia meccanica(elettrica), che viene trasformata in calore

8 POMPA DI CALORE E SORGENTI TERMICHE:

9 COP: COEFFICIENT OF PERFORMANCE della Pompa di calore Se la macchina a ciclo diretto riceve la quantità di calore Q 1 dalla sorgente a temperatura T 1 e cede la quantità di calore Q 0 alla sorgente a temperatura T 0, trasformando in lavoro la quantità L=Q 1 -Q 0, la macchina inversa riceve il lavoro L, sottrae la quantità di calore Q 0 dalla sorgente a temperatura più bassa, trasferendo la quantità di calore Q 1 =L+Q 0 alla sorgente a temperatura più alta. Nel caso della pompa di calore, il risultato che interessa è la quantità di calore ottenuta dalla sorgente a più alta temperatura. Il comportamento della pompa di calore è allora qualificato dal coefficiente di effetto utile o COP: Es. T 0 =0 C e T 1 =40 C

10 POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO INVERNALE

11 POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO ESTIVO

12 UNA SOLUZIONE CONSOLIDATA IN CONTINUA EVOLUZIONE

13 Sono in corso attività di Ricerca e Sviluppo (R&S) sulla tecnologia a pompa di calore? Certamente si.enea è coinvolto in attività di ricerca sia in ambito Nazionale che Europeo!!

14 UNITÀ TECNICA TECNOLOGIE AVANZATE PER L'ENERGIA E L'INDUSTRIA GAS ABSORPTION HEAT PUMP SOLUTION FOR EXISTING RESIDENTIAL BUILDINGS Coordinatore del Progetto HEAT4U: NEXT GENERATION OF HEAT PUMPS WORKING WITH NATURAL FLUIDS Coordinatore del Progetto NxtHPG: UTTEI-TERM

15 PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE Da:Andrea Calabrese Inviato: martedì 12 febbraio :25 A: XXXXXXXXXX' Oggetto: R: R: ENERGIA ED AMBIENTE Gent.mo Dott. XXXXX, vediamo un nuovo caso: stufa a gas. Le allego la tabella dei fattori di conversione utilizzati per convertire i valori dei vari vettori energetici in ENERGIA PRIMARIA (Energia che non ha subito alcun processo di trasformazione). Nel caso di stufa a gas io ho un fattore di conversione in ENERGIA NON RINNOVABILE pari a 1. Significa dire che: a) pompa di calore con COP 4: per ottenere 4 kwh termici si ha un consumo di 1 kwh elettrico e quindi di 2,18in termini di energia primaria non rinnovabile; b) resistenza elettrica (COP 1): per ottenere 4 kwh termici si ha un consumo di 4 kwh elettrici e quindi di 4*2,18= 8,72 in termini di energia primaria non rinnovabile; c) stufa a gas (in allegato scheda tecnico con rendimento 92%): per ottenere 4 kwh termici si ha un consumo di 4,35 kwh di gas e quindi 4,34*1=4,35 in termini di energia primaria non rinnovabile. Il caso c) è migliore del caso b) ma sempre di gran lunga inferiore rispetto al caso a). Saluti, Ing. Andrea Calabrese ENEA Casaccia - Unità: UTTEI-TERM

16 Vi è una forte dipendenza del COP dalla temperatura della sorgente fredda e da quella del calore utile prodotto: COP di pompe di calore di diversa qualità confrontate con il valore teorico in funzione della differenza fra le temperature di condensazione e di evaporazione (Temp. al condensatore = Temp. Utile = 60 C)

17 PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE Fonte:

18 PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE COPmassimoteoricodiunapompadicalore (macchina di Carnot a ciclo inverso): Temperatura della sorgente fredda: 5 [⁰C ]= 268 [K]. Temperatura della sorgente calda: 55 [⁰C ]= 328 [K].

19 PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE Prestazioni di una pompa di calore al variare delle temperature di condensazione e di evaporazione (generica sorgente fredda)

20 PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE AD ARIA Curve di potenza termica, frigorifera ed assorbita, di COP invernale ed estivo e di fabbisogno in funzione della temperatura dell aria esterna. BALANCE POINT: punto di intersezione tra la curva di carico e la curva della potenza della macchina. (Pompa di calore ad aria)

21 PERCHE IL COP SI RIDUCE: 1) Le prestazioni del compressore sono caratterizzate dal suo rendimento isentropico, che è il rapporto fra il lavoro ideale di compressione (processo isentropico) e quello reale:

22 PERCHE IL COP SI RIDUCE: 2) La trasmissione del calore da un sistema ad un altro può avvenire soltanto se esiste una differenza di temperatura fra i due sistemi. La potenza termica scambiata Q è proporzionale alla differenza di temperatura T ed all area di scambio S: Nella pompa di calore si avrà quindi che la sorgente fredda deve trovarsi a temperatura superiore a quella dell evaporatore, perché possa cedere calore ad esso e la sorgente calda deve trovarsi a temperatura inferiore a quella del condensatore per ricevere calore. Si avrà quindi un maggior lavoro del compressore ed una minore quantità di calore sottratta alla sorgente fredda. sorgente calda sorgente fredda

23 PERCHE IL COP SI RIDUCE: 3) L energia di pressione posseduta dal fluido è degradata nel processo irreversibile che avviene nella valvola di laminazione, con una perdita netta di energia utilizzabile; 4) Si ha un lavoro necessario a portare a contatto evaporatore e condensatore con le sorgenti termiche. Ad esempio, in una pompa di calore che lavora con l aria esterna, l aria viene fatta passare attraverso la batteria dell evaporatore con un ventilatore. Questo richiede un lavoro che va a sommarsi a quello del compressore, riducendo il COP. Se invece la sorgente fredda è acqua sotterranea, bisogna azionare una pompa; 5) L efficienza del motore elettrico che aziona la pompa di calore non è unitaria; 6) Si ha anche un rendimento volumetrico del compressore. Viene definito come il rapporto fra volume aspirato V a e volume generato Vg: Per un basso rendimento volumetrico un compressore di data cilindrata dovrà compiere più corse per comprimere un certo volume di gas. Ne derivano maggiori perdite per attrito ed una maggiore dimensione della macchina per una data potenza. All aumentare del rapporto delle pressioni (Mandata-Aspirazione) si riduce sempre di più il volume aspirato fino a portarsi a valori davvero molto bassi che suggeriscono in quel caso di attuare la compressione almeno in due stadi.

24 POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO INVERNALE RAPPORTO DI COMPRESSIONE

25 POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO INVERNALE POTENZA IN CICLO INVERNALE COP: EFFICIENZA ENERGETICA INVERNALE IL LAVORO DEL COMPRESSORE CONCORRE ALL EFFETTO UTILE

26 PERCHE ALL AUMENTARE DELLA TEMPERATURA DI PRODUZIONE DELL ACQUA CALDA DIMINUISCE LA POTENZA E SI RIDUCE IL COP?

27 L aumento della temperatura di condensazione aumenta RC:

28 L aumento della temperatura di condensazione aumenta L c :

29 La diminuzione della temperatura di evaporazione aumenta RC

30 La diminuzione della temperatura di evaporazione aumenta Lc

31 PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE La quantità di calore trasferita è proporzionale alla massa di gas che viene fatta evaporare, compressa e fatta condensare 1. All aumentare del salto di temperatura, aumenta il salto di pressione il lavoro di compressione aumenta, il COP diminuisce. 2. Il compressore è una macchina volumetrica: al diminuire della temperatura di evaporazione diminuisce la densità del gas diminuisce la massa di gas trasferito, diminuisce la potenza utile. 3. Il compressore è una macchina volumetrica: all aumentare della temperatura di condensazione aumenta la pressione finale aumenta il lavoro di compressione sull unità di massa di gas trasferito, aumenta la potenza assorbita dal compressore. 4. Le variazioni stagionali di temperatura delle sorgenti si ripercuotono sulle prestazioni della macchina: SCOP, Seasonal Coefficient Of Performance.

32 Requisiti tecnici per accedere all incentivo (Allegato II del D.M. 28/12/12)

33 ESEMPIO 1 Requisiti tecnici per accedere all incentivo (Allegato II del D.M. 28/12/12)

34 Le condizioni di progetto di un impianto di climatizzazione Di seguito la temperatura interna di progetto [ C] da UNI EN 15251, che tiene conto delle differenti percentuali di insoddisfatti (PPD): Fonte: Manuale d ausilio alla progettazione termotecnica. Miniguida AiCARR

35 Reti idroniche Impianti a colonne montanti - Impianti a colonne montanti

36 Reti idroniche Impianti a collettori, a zone - Impianti a collettori, a zone

37 I terminali d impianto Reti idroniche Sistemi di diffusione del caldo/freddo negli ambienti climatizzati Aerotermi a proiezione orizzontale Radiatori Termoconvettori Termostrisce

38 Reti idroniche I terminali d impianto Sistemi di diffusione del caldo/freddo negli ambienti climatizzati Tubi alettati disposti a serpentina Ventilconvettori Ventilconvettore del Tipo a Cassetta

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40 Valori di resa termica di un impianto a pannelli radianti a pavimento calcolati sui valori indicati nella tabella dei dati generali (Fonte: Valsir)

41 Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi estivi 1 Impianti idronici: stima dei carichi totali di raffreddamento Dati approssimati per i carichi di illuminazione q i [W/m 2 ] ed i carichi totali di raffreddamento Q t [W/m 2 ] in vari tipi di edificio: ASHRAE, Pocket Guide for Air Conditioning, Heating, Ventilation, Refrigeration. Fonte (rielaborata) da: Mini Guida AiCARR II edizione

42 Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi estivi 1 Impianti idronici: stima dei carichi totali di raffreddamento Di seguito un esempio di utilizzo della tabella per il calcolo semplificato dei carichi estivi: Esempio 1: Ristorante. L edificio ha le seguenti caratteristiche: superficie totale utile: 120 m 2 ; ubicazione: Milano (45 lat. nord) Esposizione ad Est condizioni termoigrometriche esterne estive: 32 C con i1 50% UR; condizioni termoigrometriche interne estive: 25 C con i 50% UR; Carico dovuto all illuminazione, dipendente dai corpi illuminanti installati: 20 W/m 2 ; Dalla tabella si ricava: Potenzialità frigorifera totale: 385 W/ m 2 ; Con il metodo rapido si ricava: potenzialità frigorifera: 46,2 kw.

43 Impianti a tutt aria Esempio Impianto a tutt aria - Diffusori aria

44 I terminali d impianto Sistemi aeraulici Terminali di immissione dell aria negli ambienti

45 I terminali d impianto Sistemi aeraulici Terminali di immissione dell aria negli ambienti Flusso d aria generato da un diffusore a soffitto 1) TERMINALI DI DISTRIBUZIONE A FLUSSO TURBOLENTO

46 I terminali d impianto Sistemi aeraulici Terminali di immissione dell aria negli ambienti 2) TERMINALI PER LA DISTRIBUZIONE A DISLOCAMENTO - Bassa velocità di introduzione dell aria (0,2 0,4 m/s) - Differenza di temperatura modesta (massimo 6 7 C) rispetto alle condizioni richieste nella zona occupata. - La zona di influenza di un terminale può avere un raggio da 2 3 m fino a 7 8 m.

47 I terminali d impianto Sistemi aeraulici Terminali di immissione dell aria negli ambienti 3) TERMINALI DI DISTRIBUZIONE A FLUSSO LAMINARE ORIZZONTALE O VERTICALE Travi fredde attive Canali in tessuto, permeabili o forellati

48 I terminali d impianto Sistemi aeraulici Applicazioni dei terminali di immissione dell aria

49 Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi estivi 2 Impianti a tutt aria: stima dei carichi totali di raffreddamento e della portata d aria E inoltre possibile stimare rapidamente e con buona approssimazione il carico di raffreddamento (cooling load), le portate d'aria, la potenzialità dei gruppi refrigeratori ecc., nel caso di impianti a tutta aria e con portate d'aria esterna secondo le norme per una buona ventilazione. I dati pubblicati sono stati testati, comunque, da esperti per renderli adatti alla situazione italiana. L'ASHRAE, nella sua Pocket Guide, ha pubblicato una tabella nella quale sono riportati dati unitari per poter effettuare stime per ambienti ed edifici più comuni. Per ognuno di questi sono definiti l'affollamento, il carico per illuminazione e vengono forniti i valori di portata aria (per le diverse possibili esposizioni) e la potenzialità frigorifera. Questi dati sono riferiti a tre condizioni possibili: basso, medio e alto carico.

50 Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi estivi 2 Impianti a tutt aria: stima dei carichi totali di raffreddamento e della portata d aria (segue)

51 Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi estivi

52 Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi estivi 2 Impianti a tutt aria: stima dei carichi totali di raffreddamento e della portata d aria Di seguito alcuni esempi di utilizzo delle tabelle per il calcolo semplificato dei carichi estivi: Esempio 1: Palazzo per uffici di alto carico. L edificio ha le seguenti caratteristiche: zone esterne: m 2 ; zone interne: m 2 ; ubicazione: Milano (45 lat. nord) Esposizione ad Est condizioni termoigrometriche esterne estive: 32 C con i1 50% UR; condizioni termoigrometriche interne estive: 25 C con i 50% UR; N persone: 620 Dalle tabelle si ricavano i seguenti dati: affollamento: 8 m 2 /persona; illuminazione: 97 W/ m 2 (comprende anche tutti gli altri carichi termici); potenzialità frigorifera totale: 200 W/ m 2 ; portata aria per le zone esposte a est, sud-ovest: 11 L/(s m 2 ); portata d'aria per le zone interne: 6 L/(s m 2 ). Con il metodo rapido si ricava: portatad'ariazoneesterne: m 3 /h; portatad'ariazoneinterne:35.900m 3 /h; portatad'ariatotale: m 3 /h; potenzialità frigorifera: 992 kw. Con il calcolo secondo il metodo Carrier si ottengono i seguenti risultati: portatad'ariazoneesterne m 3 /h; portatad'ariazoneinterne:34.000m 3 /h; portatad'ariatotale: m 3 /h; potenzialità frigorifera: 950 kw.

53 Potenza richiesta dalla PDC: metodi di calcolo semplificati per la stima dei carichi estivi 2 Impianti a tutt aria: stima dei carichi totali di raffreddamento e della portata d aria Esempio 2: Sala ristorante di medio carico. Il ristorante ha le seguenti caratteristiche: ubicazione: Milano (45 lat. nord); Esposizione ad Est superficie: 500 m 2 ; condizioni termoigrometriche esterne estive: 32 C con il 50% UR; condizioni termoigrometriche interne estive: 25 C con i1 50% UR; N persone: 500 Dalle tabelle si ricavano i seguenti dati: affollamento: 1 m 2 /persona; illuminazione: 18 W/ m 2 (comprende anche tutti gli altri carichi termici); potenzialità frigorifera totale: 313 W/ m 2. portata aria zone esposte a est, sud-ovest: 10 L/(s m 2 ); Con il metodo rapido si ricava: portata aria totale: m 3 /h; potenzialità frigorifera: 155 kw. Con il calcolo secondo il metodo Carrier si ottengono i seguenti risultati: portata d' aria totale: m 3 /h; potenzialità frigorifera: 145 kw. Si ha, quindi, una conferma della buona attendibilità del metodo pratico, che, ovviamente, deve essere utilizzato con intelligenza, visto the i valori tabellati sono validi per il mercato americano, e comunque NON SOSTITUISCE IL CALCOLO ANALITICO CHE COMUNQUE VA AFFIDATO AD UN PROGETTISTA ABILITATO.

54 RIFERIMENTI: - Incentivazione della produzione di energia termica da impianti a fonti rinnovabili ed interventi di efficienza energetica di piccole dimensioni: Regole applicative D.M. 28/12/12 Edizione 09/04/2013 GSE - Pompe di calore Prof. Renato Lazzarin - Gliimpiantiapompadicalore:cosacambiaallalucedelD.Lgs.28/11 Ing. Michele Vio