Aerotermia e geotermia Dalla natura le fonti per un riscaldamento ad alta efficienza energetica.

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1 Verona, 4 maggio 2011 Aerotermia e geotermia Dalla natura le fonti per un riscaldamento ad alta efficienza energetica. Errori da evitare nell'installazione e progettazione di impianti a pompa di calore Ing. Fabio Minchio LOGO ENTE

2 Pompe di calore Le aspettative di chi realizza un impianto con pompa di calore sono sempre molto elevate: Investimento di norma superiore rispetto a tecnologie tradizionali Sensibilità elevata dell utente ai consumi elettrici Grandi aspettative sui risparmi operativi (a volte «gonfiati» in fase di vendita) 2

3 Pompe di calore: criticità Le caratteristiche delle pompe di calore le rendono diverse dai sistemi di climatizzazione tradizionali: prestazione energetica sensibilmente dipendente dalle temperatura di condensazione (prestazioni decrescenti all aumentare della stessa) potenza termica e frigorifera variabili in funzione delle temperature di evaporazione e condensazione salto termico disponibile di norma inferiore necessità di accumulo per la produzione di acqua calda sanitaria 3

4 Pompe di calore: criticità Le problematiche tipiche riscontrabili in questa tipologia di impianti sono in parte dipendenti dal tipo di sorgente termiche scelta. In generale 4 casi tipici: 1.prestazione energetica stagionale inferiore rispetto alle attese (costi di esercizio più elevati) 2.potenza termica e frigorifera erogate non in grado di garantire un adeguato livello di confort 3.pompa di calore non funzionante (blocco) in determinate condizioni 4.incapacità di soddisfare i fabbisogni di acqua calda sanitaria richiesti 4

5 Tre sono le possibili origini del problema nel momento in cui si verifica una situazione critica: 1.Progettazione 2.Installazione 3.Pompa di calore Pompe di calore: criticità 5

6 Livelli termici Le prestazioni di una pompa di calore sono come noto strettamente dipendenti dalla temperatura di condensazione: 1 C di diminuzione comporta un incremento del COP del 2%. In fase di progetto ma ancor più in fase di avvio impianto e impostazione delle regolazioni è importante verificare: L impiego se presente di eventuale curva climatica Livello termico impostato nel set dell accumulo lato impianto Importante è inoltre gestire separamente acqua calda sanitaria ed impianto con accumuli (o accumulo inerziale + boiler) separati e distinti. 6

7 Livelli termici Esempio: COP pompa di calore ad aria 7

8 Produzione acqua calda sanitaria Per tutte le pompe di calore uno degli aspetti più critici è la produzione dell acqua calda sanitaria nel residenziale Errori più comuni: Sottostima della massima richiesta (contemporaneità): spesso il livello di confort è più alto delle attese Sottodimensionamento dell accumulo Sottodimensionamento del serpentino interno al boiler (non tutti sono idonei all accoppiamento con pompa di calore) Tempo di ripristino non correttamente valutato Deve essere considerata la potenza termica nelle condizioni peggiori (T sorgente minima) 8

9 Produzione acqua calda sanitaria ACCUMULO INERZIALE + SCAMBIATORE PIASTRE ESTERNO: Volume utile di accumulo determinato dalla differenza di temperatura (temperatura minima per scambio con acqua di rete 42 C) 9

10 Produzione acqua calda sanitaria BOILER CON SERPENTINO INTERNO: Non sempre la superficie è sufficiente: di norma almeno 0,3 m 2 /kw (Pagani, 2010) 10

11 Aria esterna: criticità Il principale problema nella progettazione di impianti con pompa di calore ad aria è il dimensionamento in ragione dell elevata variabilità stagionale della temperatura della sorgente termica 11

12 Aria esterna: criticità ESEMPIO DI CURVA DI POTENZA TERMICA DI POMPA DI CALORE AD ARIA 12

13 Aria esterna: criticità Il brinamento è un aspetto tipico dei climi umidi con temperatura dell aria esterna per molte ore della stagione invernale nell intervallo (-2 C C) In questo caso le prestazioni e l affidabilità dipendono di fatto dalla macchina scelta: Tecnica sbrinamento adottata Caratteristiche batteria esterna Si tratta di un elemento fondamentale da considerare nella selezione del prodotto, specialmente quando la pompa di calore è l unico generatore di energia termica presente 13

14 Terreno: criticità Impianti «geotermici» funzionanti al di sotto delle attese o, peggio, in blocco a causa di basse temperature di evaporazione: Sottodimensionamento campo sonde Errori nella progettazione o posa del circuito di collegamento orizzontale Circuiti non bilanciati Errata scelta o dimensionamento della pompa di circolazione Errata definizione della portata di progetto nelle sonde geotermiche 14

15 Terreno: sottodimensionamento Il sottodimensionamento di un campo sonde geotermiche determina in ordine di gravità: Impianto funzionante, COP ed EER medi stagionali inferiori alle attese Impianto funzionante, COP ed EER medi stagionali inferiori alle attese e potenze termica e/o frigorifera erogata insufficienti Impianto in blocco Impianto in blocco e danni dovuti a formazione di ghiaccio nel terreno ATTENZIONE: I PROBLEMI NON EMERGONO NECESSARIAMENTE AL PRIMO ANNO! 15

16 Terreno: sottodimensionamento In generale le principali problematiche si riscontrano nella stagione di riscaldamento. SEGNALE PREOCCUPANTE: Fin dal primo anno le temperature del fluido termovettore di ritorno dal terreno sono molto prossime a 0 C o anche inferiori: se i primi anni l impianto regge con ogni probabilità non sarà così negli anni successivi 16

17 Terreno: sottodimensionamento 17

18 Terreno: sottodimensionamento 18

19 Terreno: sottodimensionamento Principale errore: abusa della nozione di «RESA TERMICA» Il dimensionamento di un campo di sonde geotermiche dipende da: Tipologia di terreno e relative proprietà termofisiche Caratteristiche della sonda geotermica Caratteristiche del sistema edificio impianto Obiettivi prestazionali LA PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO GEOTERMICO E UN PROCESSO COMPLESSO NON RICONDUCIBILE SEMPLICEMENTE AD UN PARAMETRO DI RESA TERMICA 19

20 Terreno: sottodimensionamento QUANTI W/m? RISPOSTA: Dipende dalla tipologia di sistema che vado a servire. A parità di pompa di calore, di terreno e di tipo di sonda applicazioni con curve di carico diverse avranno bisogno di un numero di sonde diverso!! La resa termica (o meglio potenza specifica di estrazione di progetto) è il risultato non l input del processo di dimensionamento. 20

21 Terreno: collegamenti orizzontali Come per qualsiasi circuito idraulico è fondamentale che anche il circuito geotermico sia perfettamente bilanciato secondo le portate di progetto: Ritorno inverso (da realizzare e progettare accuratamente, ma in ogni caso devo assicurare la possibilità di intercettare ogni circuito) Collettore con valvole di bilanciamento Il mancato bilanciamento delle portate «esclude» le sonde più sfavorite dalla distanza dallo scambio termico! 21

22 Terreno: collegamenti orizzontali Grande importanza hanno gli ausiliari elettrici (pompa di circolazione lato circuito geotermico): Adottare sezioni adeguate per i collegamenti Scelta di pompe di circolazione in classe A Valutare l utilizzo di acqua e non acqua-glicole come fluido termovettore I consumi di pompaggio a volte vanificano un ottimo COP! SPF = E HW, hp, in Q H, hp + W + Q gen, aux, sc W, hp + W gen, aux, sby = W 1+ COP gen, aux, sc E HW, seas + W HW, hp, in gen, aux, sby 22

23 Terreno: scelta della portata La scelta della portata nelle sonde è di grande importanze: Portata minima: regime di deflusso non laminare (ASHRAE: 2500<Re<3000), pena l incremento della resistenza termica della sonda Portata da limitare per ridurre i consumi di pompaggio: Se la portata mimina scelta è incompatibile con l evaporatore della pompa di calore è necessario disaccoppiare i circuiti! Altrimenti le perdite di carico aumentano moltissimo Non sempre va bene utilizzare la pompa installata a bordo macchina 23

24 Terreno: scelta della portata Sonda singola U 40 mm SDR 11 Soluzione 28% etanolo acqua 24

25 Terreno: scelta della portata Sonda singola U 40 mm SDR 11 Soluzione 28% etanolo acqua 25

26 Conclusioni Progettare impianti con pompe di calore richiede massima attenzione La cura dei particolari può fare la differenza fra un buon risultato e un ottimo risultato Errori di progettazione causano problemi tangibili e «pesanti» per il cliente Sempre consigliabile che l installatore si faccia affiancare da un progettista Centri assistenza importanti in particolare in fase di avvio e collaudo 26