acqua, terra: il di calore Michele De Carli Dipartimento di Fisica Tecnica Università di Padova Uponor 1

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1 Energia da aria, acqua, terra: il ruolo delle pompe di calore Michele De Carli Dipartimento di Fisica Tecnica Università di Padova 29 April 2011 Uponor 1

2 POMPE DI CALORE A COMPRESSIONE COP = q c L 1 T c condensatore q c 4 L 2 evaporatore q 0 T 0 3 Uponor 2

3 ASSORBIMENTO GUE = q c q g 2 AP BP 3 q c 1 condensatore q g q g G 8 7 H 2 O + Li Br NH 3 + H 2 O q 0 10 evaporatore A 5 2fl fluidi: frigorigeno (a + alta tens. di vapore) solvente (a + bassa tens. di vapore) 9 6 PL 4 Compressione equivalente q a Uponor 3

4 Sorgenti di calore: Tipologie: Aria Acqua Terreno Bacini superficiali 29 April 2011 Uponor 4

5 POMPE DI CALORE CHE SFRUTTANO IL TERRENO COME SORGENTE TERMICA 1. impianti accoppiati con il terreno attraverso un sistema di tubazioni a circuito chiuso al cui interno scorre il fluido termovettore 2. impianti che utilizzano l acqua di falda come fluido termovettore, con o senza reimmissione nella falda stessa dopo l uso 3. impianti che sfruttano l acqua dei laghi e dei bacini come sorgente termica attraverso un circuito che può essere sia aperto che chiuso Uponor 5

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8 Confronto tra pompe di calore sul mercato Air-Water Heat Pumps Water-Water Heat Pumps Uponor 8

9 Tecnologia tradizionale Fattore di riduzione (fossile) % fossile 20% fossile oggi 1 1 Ene rgia prima aria [W/pers sona] D A Impianti ottimizzati B Legge 10 C Bassa energia Casa passiva 100% fossile Fa attore di rid duzione (to otale) Energia primaria fossile [W/persona] 29 April 2011 Uponor 9

10 Tecnologie innovative Fattore di riduzione (fossile) % fossile 2 50% fossile oggi 1 1 Energ gia primaria a [W/person na] B Biomassa B PDC C assorbimento B C D C D 100% fossile D Geotermia zione (tota le) Fatt tore di ridu Energia primaria fossile [W/persona] 29 April 2011 Uponor 10

11 Ipotesi con elettricità al 50% non fossile 10 Fattore di riduzione i (fossile) % fossile 50% fossile oggi 1 Ene ergia prima aria [W/pers sona] B Biomassa C B B D C C D D Geotermia PDC assorbimento 100% fossile Fattore di ri iduzione (to otale) Energia primaria fossile [W/persona] 29 April 2011 Uponor 11

12 Ipotesi con elettricità al 90% non fossile Fattore di riduzione (fossile) % fossile 2 50% fossile oggi 1 1 a [W/perso ona] Energ gia primari B C Biomassa B C C D D D Geotermia B PDC assorbimento 100% fossile Fatt tore di ridu uzione (tota ale) Energia primaria fossile [W/persona] 29 April 2011 Uponor 12

13 Geotermia di superficie Funzionamento invernale Funzionamento estivo Uponor 13

14 Tre parti principali di un impianto geotermico Impianti geotermici: 1. Pompa di calore geotermica (reversibile) 2. Piping orizzontale di collegamento tra centrale e sonde 3. Sonda geotermica Uponor 14

15 CIRCUITI APERTI CON ACQUA DI FALDA

16 TECNOLOGIA ATES (AQUIFER THERMAL ENERGY STORAGE) Uponor 16

17 VANTAGGI Utilizza solo due pozzi (uno di presa e uno di reiniezione) Ingombro limitato Minor costo della sorgente fredda SVANTAGGI Problemi di natura normativa per la reiniezione dell acqua nel sottosuolo Variazione i dell equilibrio i della falda con prelievo eccessivo Uponor 17

18 Un esempio di analisi carico estivo - carico invernale = carico termico accumulato (23,25x10 6 MJ) (7,04x10 6 MJ) (16,21x10 6 MJ) Pozzi freddi Pozzi caldi Uponor 18

19 Mese 12 Mese 6 Mese 1 Mese 9 Mese 3 Uponor 19

20 Mesee 9 Mese 3 Mese 12 Mese 6 Uponor 20

21 BACINI SUPERFICIALI

22 GEOTERMIA DA ACQUA DI LAGO Uponor 22

23 La profondità di installazione è di almeno 3 m rispetto al valore medio del livello stagionale minimo La potenza per unità di lunghezza della spirale varia da 45 W/m a 95 W/m in funzione della voluta temperatura di esercizio Come valori indicativi per un dimensionamento di massima si possono prendere come riferimento 17,5 W/m 2 in pianta qualora il sistema funzioni prevalentemente in raffrescamento, mentre si può considerare 8,5 W/m 2 in pianta per un sistema che lavori prevalentemente in pompa di calore Uponor 23

24 Energia geotermica sfruttata in Svizzaera nel 1998 (600 GWh) sonde terrestri Registri nelle palificazioni Registri terrestri Acquq del sottosuolo Geotermia idrotermale Geotermia dell'acqua dei tunnel Uponor 24

25 EDIFICIO A BREGENZ (AUSTRIA) Parallelepipedo: 100 m di lunghezza, due piani Peso limitato, poggia su 115 pali di fondazione con tubi in plastica a circolazione d acqua. Senza macchine, potenza frigorifera 62 kw Il lago permette di avere una temperatura di mandata dalle tubazioni in estate di 16 C Uponor 25

26 Room 404 Skylight Windo w Pipes Hall Windo w Room 304 Steel support Uponor 26

27 Uponor 27

28 Uponor 28

29 CIRCUITI CHIUSI

30 CONFIGURAZIONI DEI SISTEMI GSHP Diverse disposizioni possibili per le sonde geotermiche: A sviluppo orizzontale A sviluppo verticale Uponor 30

31 ILFLUIDO TERMOVETTORE NELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE Impianto ad acqua semplice: il fluido in uscita dall evaporatore (in ingresso alle sonde) non deve scendere al di sotto dei 4 C (per avere un margine di sicurezza sul congelamento); il flusso termico specifico estraibile è limitato it t Impianto a glicole etilenico: la pompa di calore può mandare in sonda un fluido a temperatura inferiore a 0 C; il flusso termico specifico è più elevato Uponor 31

32 Differenze tra le due tipologie Glicole etilenico: corrosivo e inquinante, soluzioni impiantistiche più complesse (maggiori costi di impianto); limitato i scambio termico convettivo sia in sonda che nello scambiatore lato terreno (velocità superiori rispetto al caso di acqua semplice a parità di coefficiente di scambio convettivo); maggior costo iniziale e costi di manutenzione più alti; Uponor 32

33 EVENTUALI SISTEMI INTEGRATIVI In relazione al rapporto tra carico massimo estivo e carico massimo invernale e alle curve di carico dell impianto può essere necessario un sistema integrativo i per la stagione invernale Il sistema integrativo può essere caratterizzato da rendimento basso a vantaggio del costo ridotto, se il suo funzionamento è limitato a brevi periodi Alimentazione del sistema integrativo - resistenza (maggiore impegno di energia elettrica) - caldaie a gas o gasolio - caldaia a legna (impianti domestici, o legname di scarto) negli edifici i già esistenti ti il sistema integrativo ti non presenta grossi problemi, in quanto solitamente si sfrutta l alimentazione del precedente impianto di riscaldamento Uponor 33

34 E NELLA STAGIONE ESTIVA? Se in relazione al rapporto tra carico massimo estivo e carico massimo invernale e alle curve di carico dell impianto risulta necessario un sistema integrativo per la stagione estiva la soluzione può essere accoppiare una torre evaporativa Uponor 34

35 DIMENSIONAMENTO

36 COMPORTAMENTO INVERNALE ED ESTIVO Lavoro di compressione L comp. Q edificio = L comp. + Q terreno PDC Q terreno Lavoro di compressione L comp. Q edificio PDC Q terreno Q terreno = L comp. + Q edificio Uponor 36

37 MODELLIZZAZIONE DELLE SONDE Ipotesi del terreno Analisi dell energia Termica Analisi dell energia per raffrescamento Ipotesi di temperatura del fluido caldo Ipotesi di temperatura del fluido freddo COP/GUE medio caldo EER/GUE medio freddo Calore dal terreno Calore al terreno Lunghezza inv. Lunghezza est. Lunghezza scelta Uponor 37

38 Sonde verticali: Soluzione analitica Metodo ASHRAE Implementato in appendice (con esempio di calcolo) Soluzione mediante funzioni i di trasferimento Soluzione numerica Sonde orizzontali: Soluzione numerica Soluzione analitica Implementata in appendice (IGSHPA) Uponor 38

39 Dimensionamento: La norma UNI TS prevede 2 metodologie di calcolo: Valutazione preliminare (per una verifica del dimensionamento) Valutazione energetica (per la certificazione) Uponor 39

40 PDC Scambiatore di calore a terreno Edificio + impianto + ACS Uponor 40

41 ACS secondo UNI TS Prestazioni secondo UNI EN UNI TS UNI TS Soluzione analitica, numerica o con funzioni di trasferimento t PDC Scambiatore di calore a terreno Calcolo dinamico per il picco di potenza frigorifera Edificioi Residenziale i + impianto Terziario Rendimenti secondo UNI TS e Simulazione dinamica. < 20 kw Energie mensili invernali ed estive secondo UNI TS >20kW Per la parte invernale le energie mensili con UNI TS Simulazione dinamica per le energie mensili estive e per il picco di potenza frigorifera Uponor 41

42 Relazione con UNI TS e : La presente norma fornisce alle normative e la temperatura media mensile del fluido termovettore per i calcoli di certificazione energetica La presente norma fornisce inoltre la potenza elettrica della pompa lato terreno Uponor 42

43 Aspetto relativo all asset rating (edifici ed impianti esistenti): In presenza di documentazione di progetto si applica il calcolo secondo norma In assenza di documentazione di progetto il progettista deve effettuare i calcoli con la temperatura di utilizzo lato edificio pari a 35 C (per pavimento radiante), 45 C (per ventilconvettori), 55 C (per radiatori). Inoltre deve essere valutata la percentuale e la natura di miscela anticongelante, in modo da determinare la temperatura di cambiamento di fase per la miscela stessa. In questo caso viene presa una temperatura costante pari al limite della temperatura di congelamento + 2 C per le condizioni invernali e una temperatura costante di 35 C di mandata al terreno durante il periodo di raffrescamento. Uponor 43

44 SOTTOSISTEMI ALL'INTERNO DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE Centrale termica (UNI EN 15450) Contabilizzatore di calore per valutare il COP Collegamento orizzontale Profondità di posa Inclinazione Eventuale isolamento termico dei tubi Scambiatore di calore al terreno Pressione all interno dei tubi e temperature raggiungibili Uponor 44

45 IMPATTO TERMICO Metodologia di impatto termico in assenza di acqua di falda in movimento Metodologia di impatto termico in presenza di acqua di falda in movimento Uponor 45

46 Thermal Response Test Permette di: Ricavare la temperatura indisturbata del terreno Ricavare le caratteristiche termofisiche medie del terreno Verificare un modello Avere informazioni utili sulla stratigrafia del terreno Avere informazioni utili sulla perforazione Uponor 46

47 Misure Determinazione della conducibilità termica equivalente del terreno logaritmo naturale del tempo Uponor 47 adimensionale )

48 DUE ESEMPI DI DIMENSIONAMENTO In relazione al rapporto tra carico massimo estivo e carico massimo invernale e alle curve di carico dell impianto può essere necessario un sistema integrativo i per la stagione invernale Uponor 48

49 mbre dicem mbre Energia mensile termica e frigorifera dell'edificio en. termica en. frigorifera aprile mag aggio giug ugno luglio ago gosto settem mbre otto tobre novem marzo ma braio febbr Energia [MWh] Uponor 49 genn nnaio 29 April 2011

50 MODELLO CARM (CApacity Resistance Model) CARM (CApacity Resistance Model) HEAT EXCHANGER Uponor 50

51 Temperatura dell'acqua all'ingresso e all'uscita dal campo di pali energetici Twin Twout Tg_1m Temper ratura [ C] Ora [h] 29 April 2011 Uponor 51

52 Flusso termico lato terreno Potenza scambiata con il terreno [kw] Flus sso Termico Ora [h] 29 April 2011 Uponor 52

53 Potenza resa dalla pompa di calore e fabbisogno dell'edificio Potenza richiesta alla PDC Potenza mancante Potenza resa dalla PDC Flu usso Termico o [kw] Ora [h] 29 April 2011 Uponor

54 Borehole field Double U pipe PE100 Ø32x2.9 mm with spacer 125 m depth Thermal conductivity of the ground: 2.03 W/(m K) first 120 m 1.2 W/(m K) for the last 5 m (clay) Average: 1.86 W/(m K) Tground= 13.9 C

55 Year loads Energy load ds [kwh] /12 25/1 19/2 16/3 10/4 5/5 30/5 24/6 19/7 13/8 7/9 2/10 27/10 21/11 16/12 Uponor 55

56 Peak power

57 Energy demand