Le pompe di calore: tipologie e caratterizzazione

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1 Le pompe di calore: tipologie e caratterizzazione G.L. Morini Laboratorio di Termotecnica Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale Viale Risorgimento 2, Bologna Analisi energetica Vincoli termodinamici sui flussi di calore 1

2 Analisi energetica Macchina frigorifera Analisi energetica Macchina frigorifera Pompa di Calore Pompa di Calore Macchina frigorifera 2

3 Analisi energetica Reversibilità delle Pompe di Calore Analisi energetica Reversibilità delle Pompe di Calore 3

4 Classificazione Pompe di Calore T1 1 Classificazione in relazione al serbatoio freddo UNI TS : serbatoio freddo (W, A, B) 1. Impianti con sorgente fredda = aria esterna (A) 2. Impianti con sorgente fredda = aria interna o da recupero (A) 3. Impianti con sorgente fredda = acqua di superficie (W) 4. Impianti con sorgente fredda = acqua di falda (W) 5. Impianti con sorgente fredda = terreno, con scambiatore orizzontale (B) 6. Impianti con sorgente fredda = terreno, con scambiatore verticale (B) 2 T2 Classificazione Pompe di Calore Classificazione in relazione alla serbatoio caldo (fluido termovettore della rete di utilizzo) serbatoio caldo (W-A) T1 1. impianti con fluido termovettore acqua (W) 2. impianti con fluido termovettore aria (A) 2 1 T2 4

5 Classificazione Pompe di Calore Classificazione sulla base dei 2 serbatoi di calore tra cui la macchina opera: 1. Pompa di calore ACQUA ACQUA (W W) (in cui Q 2 e Q 1 sono scambiati con acqua) 2. Pompa di calore ACQUA ARIA (W A) (in cui Q 2 è scambiato con acqua e Q 1 con aria) 3. Pompa di calore ARIA ACQUA (A W) (in cui Q 2 è scambiato con aria e Q 1 con acqua) 4. Pompa di calore ARIA ARIA (A A) (in cui Q 2 e Q 1 sono scambiati con aria) 5. Pompa di calore TERRENO ACQUA (B W) (in cui Q 2 è scambiato con il suolo e Q 1 con acqua) 2 1 T1 T2 Sorgente: Acqua PdC Acqua/Acqua (W/W) DIENCA 5

6 Sorgente: Acqua PdC Acqua/Aria (W/A) Sorgente: Aria PdC Aria/Acqua (A/W) DIENCA 6

7 Sorgente: Aria PdC Aria/Aria (A/A) DIENCA Sorgente: Terreno PdC Terreno/Acqua (B/W) 7

8 Efficienza e Sorgenti termiche Classificazione Pompe di Calore Classificazione in relazione al principio di funzionamento: EHP GHP AHP DIENCA 8

9 EHP PdC reale: ciclo termodinamico (R407) Taria=-10 C Tw=40 C Q Lel DIENCA Analisi energetica Macchina operatrice Ideale EERth Q Lel Q TL Q' Q Tamb TL Q' Q' TH COPth Lel Q' Q TH Tamb Esempio numerico: Calcolo COPth per una pompa di calore ideale Inverno TH 40 C Tamb 0 C COPth 7.8 ( ) ( ) 9

10 Analisi energetica PdC vs Stufa Elettrica Prelevo (6.8 Lel) dall ambiente esterno gratis! Analisi energetica PdC vs Stufa elettrica La stufa elettrica ideale dissipa tutta l energia elettrica prelevata in calore (1 Lel) 10

11 Analisi energetica Q' Q' TH COPth Lel Q' Q TH Text 25 Effetto della T esterna sul COP COP th 20 TH=35 C TH=75 C T ext La PdC ha elevate prestazioni a Tamb elevate (quando non serve il riscaldamento) e per bassa temperatura di mandata dell impianto Analisi energetica Accoppiamento con emettitori TL=0 C T=TH-TL Pann. Rad. Radiatori 11

12 GHP Schema di funzionamento estivo gas di scarico acqua-glicole fluido frigorifero 12

13 Schema di funzionamento invernale Recupero diretto gas di scarico acqua-glicole fluido frigorifero Recupero indiretto Analisi energetica Rendimento meccanico L M E p. pdc Perdite termiche gas di scarico Ed P acqua-glicole E p, pdc fluido frigorifero Rendimento termico T 1 P M Definizione di Primary Energy ratio (PER) Etot, pdc ET E pdc PER CUC T MCOP E p, pdc E p, pdc Es. numerico: Motore con rend. Termico ( T ) pari a 35% e rend. Meccanico ( M ) 30% accoppiato ad una macchina a compressione con COP=3 PER= *3=1.25 (125%) 13

14 EHP vs GHP: flussi energetici 138 COP=3 PER=138/100= COP=3 Se PER=105/100=1.05 uso tutto il calore prodotto dal motore: PER=(35+105)/100= EHP GHP Dati tecnici GHP PER PER 14

15 Valutazioni energetiche 1,8 1,6 1,4 PER CUC raf PER ris Dati tecnici di GHP in commercio PER max (=1.11) CUC ris caldaie a condensazione 1,2 1 0,8 0,6 YAMAHA 1.3 RT SANYO-HONDA YANMAR YAMAHA 2.5 RT YORK 3.0 RT GHP 4.0 RT YANMAR 4.0 RT CLIMA V. GHP 5 AISIN 5.0 RT AISIN 5.0* RT CLIMA V.GHP 10 GHP 13 RT THERMO K.15 RT GHP-FORD VSG 413 AHP Generatore Q gen condensatore Q cd Scambiatore intermedio Refrigerante ad alta temperatura Refrigerante a bassa temperatura Soluzione debole Soluzione concentrata assorbitore evaporatore Q ass Q e 15

16 AHP Acqua fredda (ritorno impianto) Acqua calda/reflui alimentazione generatore Qgen pressione condensatore 8 Qcd 7 generatore 3 4 scambiatore evaporatore 10 assorbitore 6 Qe Qass temperatura Acqua fredda (pozzo geotermico/falda) Acqua calda (mandata impianto) AHP: parametri energetici Generatore Q gen condensatore Q cd Scambiatore intermedio Refrigerante ad alta temperatura Refrigerante a bassa temperatura Soluzione debole Soluzione concentrata assorbitore evaporatore Q ass Q e Q GUE Q t, tot gen Qcd Q Q gen ass GUE=COP t =PER COP t Q Q t, tot gen Qcd Q Q gen ass 16

17 Assorbimento (AHP): doppio stadio Lay-out macchina doppio stadio: doppio generatore (in serie) e doppio scambiatore di recupero AHP: H 2 O-BrLi Macchine a bassa temperatura acqua-brli (W-W) monostadio Acqua serbatoio freddo Acqua calda T gen ( C) T ev ( C) T max ( C) GUE/COP T gen ( C) T ev ( C) T max ( C) GUE/COP

18 AHP: NaCl-H2O Macchine a fiamma diretta A-W Pompa di calore a CO2 Uso della CO 2 (R744) come fluido refrigerante CO 2 sostanza naturale con basso GWP (GWP=1) Non infiammabile Non tossica Chimicamente stabile 18

19 Pompa di calore a CO2 Uso della CO2 (R744) come fluido refrigerante Parametri termodinamici critici Pcr=7.38 MPa=73.8 bar Tcr=30.98 C Ciclo di lavoro trans-critico Pompa di calore a CO2 Ciclo di lavoro SCOP P condensazione =[ bar] 3 T2=[ C] 2 4 P evaporazione =[20-30 bar] 1 19

20 Pompa di calore a CO2 Uso della CO2 (R744) come fluido refrigerante Tacqua ritorno=40 C Taria ext=-7 C COP=23.9/11.171=2.14 Pompa di calore a CO2 SCOP Se la temperatura dell acqua in ingresso anziché essere pari a 40 C fosse pari a 15 C (come nel caso dell ACS) il COP aumenterebbe!!! 20

21 Pompa di calore a CO2 Abbassamento temperatura acqua di ritorno Tacqua ritorno=15 C Taria ext=-7 C COP=35/11.171=3.13 (+46%) Pompa di calore a CO2 T Andamento temperatura lungo scambiatore di produzione ACS R134a ACS Ingresso ACS Uscita ACS Lunghezza scambiatore 21

22 Pompa di calore a CO2 T Andamento temperatura lungo scambiatore di produzione ACS CO2 R134a ACS ACS Ingresso ACS Uscita ACS Lunghezza scambiatore Pompa di calore a CO2 Aumento della temperatura dell aria esterna Tacqua ritorno=15 C Taria ext=12 C COP=52.5/11.178=4.7 22

23 Pompa di calore a CO2 Come mantenere bassa la temperatura dell acqua in ingresso nella PdC: sola produzione ACS Pompa di calore a CO2 Come mantenere bassa la temperatura dell acqua in ingresso nella PdC: produzione ACS + radiatori Tacqua ritorno=15 C Taria ext=12 C COP=52.5/11.178=4.7 23

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