DEGLI IMPIANTI TERMICI, AUTONOMI E CENTRALIZZATI, NEL CONTESTO NORMATIVO NAZIONALE E REGIONALE.

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1 EFFICIENZA ENERGETICA ED IMPATTO AMBIENTALE DEGLI IMPIANTI TERMICI, AUTONOMI E CENTRALIZZATI, NEL CONTESTO NORMATIVO NAZIONALE E REGIONALE. RELAZIONE INTEGRATIVA. CONSORZIO L.E.A.P. LABORATORIO ENERGIA & AMBIENTE PIACENZA VIA NINO BIXIO PIACENZA (PC) TEL: FAX: CON IL PATROCINIO DEL

2 Laboratorio Energia & Ambiente Piacenza (L.E.A.P.) è stato costituito nel maggio 2005 a Piacenza su iniziativa della Sede di Piacenza del Politecnico di Milano ed è uno dei laboratori della Rete di Alta Tecnologia della Regione Emilia Romagna. Il consorzio L.E.A.P. è partecipato da: - Politecnico di Milano sede di Piacenza (CSPP), Dipartimento di Energia, Dipartimento di Elettronica, Dipartimento di Elettrotecnica, Dipartimento di Chimica, Dipartimento DIIAR; - Comune di Piacenza; - Provincia di Piacenza; - Fondazione di Piacenza e Vigevano; - Groppalli s.r.l.; - Enìa S.p.A.; - A2A S.p.A.; - Unical AG. Attualmente il Laboratorio opera nel settore energetico e ambientale con le seguenti attività: - valutazione modellistica e sperimentale delle prestazioni di componenti e sistemi per la produzione di energia; - valutazione e misura delle emissioni da impianti per la produzione di energia, in particolare di polveri fini e ultrafini; - analisi e sperimentazione di sistemi CCS (Carbon Capture & Storage); - fattibilità e analisi del ciclo di vita di tecnologie per il recupero di materia ed energia da rifiuti; - produzione di elettricità o combustibili da biomasse; - potenzialità della produzione di biomasse; - analisi e sperimentazione di componenti di impianti nucleari di nuova generazione; - simulazione e valutazione delle prestazioni di tecnologie per la riduzione delle emissioni di gas serra; - tecnologie per le energie rinnovabili: solare fotovoltaico, solare termico, eolico. Il Consorzio L.E.A.P. ha l'obiettivo di: - realizzare attività di ricerca e consulenza tecnico-scientifica sia per l'industria che per soggetti/enti pubblici in campo energetico-ambientale; - promuovere e sostenere la collaborazione fra università e industria, in particolare attraverso la fornitura di servizi quali: - consulenze, studi di fattibilità, verifiche tecnologiche; - prove e certificazioni di apparecchiature, componenti e sistemi per la produzione di energia ed il contenimento del relativo impatto ambientale; - corsi di formazione; - promuovere la collaborazione con aziende ed enti del territorio piacentino e della Regione Emilia-Romagna, in modo di favorire lo sviluppo di soluzioni innovative che ne aumentino la competitività nel settore energetico a livello nazionale ed internazionale. L.E.A.P. si propone come punto di riferimento delle istituzioni locali, per l'integrazione tra i percorsi di ricerca e gli obiettivi del contesto universitario con le esigenze e le aspettative del contesto produttivo/aziendale.

3 INDICE Introduzione 1. Fabbisogni di energia primaria per l intero condominio: impianti autonomi e centralizzati con caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura Scaldabagno elettrico per la produzione di acqua calda sanitaria in impianto centralizzato Caldaia a condensazione e terminali ad alta temperatura Caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura Fabbisogni di energia primaria per il solo riscaldamento ambiente dell intero condominio: impianti autonomi e centralizzati Caldaia a condensazione e terminali ad alta temperatura Caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura... 7

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5 INTRODUZIONE In questa relazione sono riportate integrazioni ai risultati dello studio avente per oggetto la valutazione dell efficienza energetica e dell impatto ambientale degli impianti termici autonomi e centralizzati, nel contesto normativo nazionale e regionale. Con riferimento alle richieste emerse nella teleconferenza del 14 Dicembre 2009, a cui hanno partecipato il gruppo Generatore di Energia Termica ad Alta Efficienza del L.E.A.P., Assotermica e l Ing. Roberto Moneta del Ministero dello Sviluppo Economico (M.S.E.), il gruppo di lavoro ha proceduto, su specifica indicazione del Ministero dello Sviluppo Economico e dell Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l energia e lo sviluppo economico sostenibile (ENEA) a: 1) Confrontare i fabbisogni di energia primaria per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria (A.C.S.) di tutti e 12 gli appartamenti con quelli dell intero condominio, considerando la soluzione d impianto alimentato da caldaia a condensazione con terminali a bassa temperatura. 2) Considerando la presenza di scaldabagni elettrici nell impianto centralizzato, determinare i fabbisogni di energia primaria per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria nei seguenti casi: - impianto con caldaia a condensazione e terminali ad alta temperatura; - impianto con caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura. 3) Calcolare i fabbisogni di energia primaria di impianti autonomi e centralizzati alimentati da generatore a condensazione destinato a soddisfare i fabbisogni per il solo riscaldamento ambiente, utilizzando sia terminali ad alta, che a bassa temperatura.

6 1 FABBISOGNI DI ENERGIA PRIMARIA PER L INTERO CONDOMINIO: IMPIANTI AUTONOMI E CENTRALIZZATI CON CALDAIA A CONDENSAZIONE E TERMINALI A BASSA TEMPERATURA Considerando l impianto autonomo con caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura, in regime di funzionamento intermittente (periodo di attivazione dell impianto di riscaldamento dalle 7 alle 21), sono stati calcolati i fabbisogni di energia primaria per il riscaldamento ambiente e la produzione di acqua calda sanitaria per tutti e 12 gli appartamenti del condominio. La somma dei fabbisogni di tutti gli appartamenti è stata quindi confrontata, a parità di condizioni (regime di funzionamento intermittente ed impianto con caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura), con: - I fabbisogni di energia primaria dell intero edificio per impianto centralizzato: in questo modo si mettono in evidenza le differenze tra autonomo e centralizzato riferendosi all intero edifico e non al singolo appartamento. - I fabbisogni di energia primaria ottenuti moltiplicando per 12 quelli dell appartamento rappresentativo della media del condominio per impianto autonomo: in questo modo si mette in evidenza l eventuale errore di calcolo commesso nel considerare l appartamento rappresentativo della media del condominio, anziché tutti e 12 gli appartamenti. I risultati ottenuti per il funzionamento in riscaldamento sono riportati in tabella, dove: - Q gn,in è il fabbisogno di energia primaria del generatore; - Q aux,in è il fabbisogno di energia primaria necessario al funzionamento degli ausiliari; - Q tot è il fabbisogno totale di energia primaria. FABBISOGNI DI ENERGIA PRIMARIA PER IL RISCALDAMENTO Q gn,in Q aux,in Q tot [kwh] [kwh] [kwh] 12 Appartamenti (Autonomo) Condominio (Centralizzato) Appartamento Medio x 12 (Autonomo) Tab. 1.1 Fabbisogni di energia primaria per il riscaldamento ambiente. Dalla tabella si può osservare come negli impianti autonomi i fabbisogni di energia primaria del generatore siano inferiori rispetto a quelli del centralizzato (a causa delle minori perdite della rete di distribuzione), mentre per quando riguarda il consumo di energia primaria necessario al funzionamento degli ausiliari la situazione si inverte (autonomo con pompa a giri fissi con scarsa efficienza). Nell autonomo il peso del consumo degli ausiliari è un fattore molto penalizzante al punto che l energia primaria totale richiesta per il riscaldamento ambiente in questa tipologia impiantistica è maggiore rispetto a quella dell impianto centralizzato. 1

7 Nel funzionamento in riscaldamento, considerare l appartamento rappresentativo della media del condominio comporta una lieve sottostima dei fabbisogni di energia primaria, dovuta ad un fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti maggiore rispetto a quello ottenuto dalla media dei fattori di utilizzazione di tutti e 12 gli appartamenti. Il fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti è funzione della costante di tempo dell edifico, pari a: τ = C H [1.1] dove: - C è la capacità termica interna dell edificio; - H è il coefficiente di dispersione termica dell edificio (trasmissione e ventilazione). La somma delle capacità termiche e dei coefficienti di dispersione di tutti e 12 gli appartamenti è uguale a quelle dell appartamento medio moltiplicate per 12, ma la media dei rapporti tra le due grandezze di tutti e 12 gli appartamenti è inferiore alla costante di tempo dell appartamento medio. Per quanto riguarda il funzionamento in produzione sanitaria, si ottengono i seguenti fabbisogni di energia primaria: FABBISOGNI DI ENERGIA PRIMARIA PER LA PRODUZIONE DI A.C.S. Q gn,in Q aux,in Q tot [kwh] [kwh] [kwh] 12 Appartamenti (Autonomo) Condominio (Centralizzato) Appartamento Medio x 12 (Autonomo) Tab. 1.2 Fabbisogni di energia primaria per la produzione di acqua calda sanitaria. Impianti autonomi presentano minori fabbisogni di energia primaria al generatore a causa delle minori perdite della rete di distribuzione e dell accumulo ed inoltre, a causa della tubazione di ricircolo, anche il fabbisogno necessario al funzionamento degli ausiliari è inferiore. I fabbisogni per la produzione di acqua calda sanitaria sono quindi minori nella soluzione d impianto autonomo. Aver considerato l appartamento rappresentativo della media del condomino, anziché tutti e 12 gli appartamenti, non comporta alcuna differenza in termini di fabbisogni di energia primaria, dal momento che non sono influenzati dall esposizione e dalla collocazione di un appartamento. Considerando sia i fabbisogni di energia primaria per il riscaldamento ambiente, che quelli per la produzione di acqua calda sanitaria, si ottengono i seguenti fabbisogni totali di energia primaria: 2

8 FABBISOGNI DI ENERGIA PRIMARIA TOTALI Q gn,in Q aux,in Q tot [kwh] [kwh] [kwh] 12 Appartamenti (Autonomo) Condominio (Centralizzato) Appartamento Medio x 12 (Autonomo) Tab. 1.3 Fabbisogni di energia primaria per il riscaldamento ambiente e la produzione di A.C.S.. I fabbisogni totali di energia primaria del generatore (riferiti all intero condominio e non al singolo appartamento), sono minori nell impianto autonomo a causa delle minori perdite della rete di distribuzione e dell accumulo di A.C.S., mentre i fabbisogni di energia primaria necessari al funzionamento degli ausiliari sono maggiori nell impianto autonomo, a causa del consumo di energia primaria degli ausiliari per il riscaldamento ambiente (autonomi con pompa di circolazione a giri fissi con scarsa efficienza). Nel complesso l impianto centralizzato richiede un minor consumo di energia primaria, pari a circa 1500 kwh all anno, che equivale ad un risparmio di 152 Nm 3 di metano (assumendo il potere calorifico inferiore del gas metano pari a 9,88 kwh/nm 3 ). Considerando un costo del gas metano di 0,7 /Nm 3, il risparmio che si ottiene nell utilizzare l impianto centralizzato è di circa 9 euro all anno per famiglia. In questa valutazione economica non si tiene conto del fatto che mediamente l utilizzatore di impianti autonomi pone maggiore attenzione nell utilizzo dell impianto di riscaldamento. La differenza di energia primaria tra impianto autonomo e centralizzato è in realtà compensata da una miglior gestione dell impianto autonomo. Facendo sempre riferimento ai fabbisogni totali di energia primaria, aver considerato l appartamento rappresentativo della media del condominio, anziché estendere la simulazione a tutti e 12 gli appartamenti, comporta una sottostima dei fabbisogni di energia primaria pari circa all 1,5%, valore contenuto nell incertezza del metodo di calcolo. 3

9 2 SCALDABAGNO ELETTRICO PER LA PRODUZIONE DI ACQUA CALDA SANITARIA IN IMPIANTO CENTRALIZZATO In questo paragrafo si confrontano i fabbisogni di energia termica e primaria di impianti autonomi e centralizzati alimentati da caldaia a condensazione, sia con terminali ad alta che a bassa temperatura, in cui la produzione di acqua calda sanitaria è così effettuata: - nell autonomo la produzione di acqua calda sanitaria è effettuata dallo scambiatore a piastre istantaneo integrato nella caldaia a condensazione; - nel centralizzato la produzione di acqua calda sanitaria è effettuata con scaldabagni elettrici installati in ogni appartamento. L accoppiamento caldaia centralizzata e scaldabagni elettrici risulta ancora molto diffuso, per tale ragione riteniamo utile inserirlo nello studio. È doveroso sottolineare che la produzione di acqua calda sanitaria utilizzando scaldabagni elettrici penalizza notevolmente l efficienza dell impianto centralizzato, in quanto gli scaldabagni utilizzano energia elettrica, che viene riconvertita in termica. A causa di questa doppia conversione, da energia primaria a elettrica e da elettrica a termica, l efficienza media complessiva di uno scaldabagno elettrico può essere considerata inferiore al 40%. 2.1 Caldaia a condensazione e terminali ad alta temperatura I fabbisogni di energia termica e primaria ottenuti nel caso di impianti con caldaia a condensazione e terminali ad alta temperatura, sono riportati in tabella 2.1, dove: - Q gn,out è il fabbisogno di energia termica fornito dal generatore (caldaia o scaldabagno); - Q tot è il consumo totale di energia primaria. Tali fabbisogni si riferiscono all intero edificio e nel caso d impianto autonomo il calcolo non è stato esteso ai diversi appartamenti, ma è stato considerato l appartamento rappresentativo della media del condominio. FABBISOGNI ENERGIA Riscaldamento Produzione A.C.S. Totale Q gn,out Q tot Q gn,out Q tot Q gn,out Q tot [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] Autonomo Centralizzato Tab. 2.1 Fabbisogni di energia termica e primaria per il riscaldamento ambiente e la produzione di A.C.S.. 4

10 La presenza degli scaldabagni elettrici non influenza i fabbisogni di energia termica e primaria per il riscaldamento ambiente: nel centralizzato l energia termica che il generatore deve fornire è maggiore a causa delle perdite della rete di distribuzione, mentre i fabbisogni totali di energia primaria sono inferiori per il minor consumo della pompa a giri variabili. Dalla tabella appare evidente come l utilizzo di scaldabagni elettrici penalizzi notevolmente l efficienza dell impianto per la produzione di acqua calda sanitaria: infatti, a pari energia termica fornita dal generatore (caldaia nell autonomo, scaldabagno elettrico nel centralizzato), l energia primaria necessaria al funzionamento degli scaldabagni elettrici è notevolmente maggiore. L impianto autonomo risulta dunque energeticamente più efficiente del centralizzato, ma è doveroso sottolineare come nel centralizzato la produzione di acqua calda sanitaria avvenga con una tecnologia che utilizza energia elettrica che viene riconvertita in termica. Questo processo presenta un rendimento di primo principio quasi unitario (tutta l energia elettrica viene convertita in termica per effetto Joule), ma il rendimento, tenendo in considerazione l energia primaria da cui viene prodotta l elettrica, è pari a circa il 38%. 2.2 Caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura I fabbisogni di energia termica e primaria ottenuti nel caso di impianti con caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura, sono riportati in tabella 2.2: FABBISOGNI ENERGIA Riscaldamento Produzione A.C.S. Totale Q gn,out Q tot Q gn,out Q tot Q gn,out Q tot [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] Autonomo Centralizzato Tab. 2.2 Fabbisogni di energia termica e primaria per il riscaldamento ambiente e la produzione di A.C.S.. Analogamente al confronto precedente la presenza degli scaldabagni elettrici non influenza i fabbisogni di energia termica e primaria per il riscaldamento ambiente, ma l energia primaria necessaria a soddisfare i fabbisogni per la produzione di acqua calda sanitaria è sensibilmente maggiore nell impianto centralizzato, a causa della scarsa efficienza degli scaldabagni elettrici. Nel complesso l impianto autonomo risulta più efficiente del centralizzato. 5

11 3 FABBISOGNI DI ENERGIA PRIMARIA PER IL SOLO RISCALDAMENTO AMBIENTE DELL INTERO CONDOMINIO: IMPIANTI AUTONOMI E CENTRALIZZATI In questa parte dello studio, si sono trascurati i fabbisogni di acqua calda sanitaria e le modalità con cui sono soddisfatti. Vengono analizzati impianti autonomi e centralizzati con caldaia a condensazione, sia con terminali ad alta che a bassa temperatura, destinati a soddisfare i soli fabbisogni per il riscaldamento ambiente. Si confrontano quindi impianti autonomi e centralizzati considerando i soli fabbisogni per il riscaldamento ambiente. Tali fabbisogni si riferiscono all intero edificio e nel caso d impianto autonomo il calcolo non è stato esteso ai diversi appartamenti, ma è stato considerato l appartamento rappresentativo della media del condominio. 3.1 Caldaia a condensazione e terminali ad alta temperatura I risultati ottenuti per impianti alimentati da caldaia a condensazione accoppiati a terminali ad alta temperatura sono i seguenti: FABBISOGNI DI ENERGIA PRIMARIA PER IL RISCALDAMENTO Q gn,in Q aux,in Q tot [kwh] [kwh] [kwh] Autonomo Centralizzato Tab. 3.1 Fabbisogni di energia primaria per il riscaldamento ambiente. Nel funzionamento in solo riscaldamento l impianto autonomo richiede minori fabbisogni di energia primaria al generatore (minori perdite della rete di distribuzione), ma l energia primaria necessaria al funzionamento degli ausiliari è notevolmente maggiore rispetto alla soluzione d impianto centralizzato (scarsa efficienza del circolatore a giri fissi). Nel funzionamento in riscaldamento l impianto centralizzato è più efficiente dell autonomo, dal momento che in quest ultimo il consumo degli ausiliari è un fattore notevolmente penalizzante. La differenza in termini di energia primaria tra impianto autonomo e centralizzato è comunque contenuta e circa pari a 1000 kwh all anno, che corrisponde ad un risparmio di quasi 6 euro l anno per famiglia. 6

12 3.2 Caldaia a condensazione e terminali a bassa temperatura Per impianti alimentati da caldaia a condensazione accoppiati a terminali a bassa temperatura si ottengono i seguenti fabbisogni di energia primaria: FABBISOGNI DI ENERGIA PRIMARIA PER IL RISCALDAMENTO Q gn,in Q aux,in Q tot [kwh] [kwh] [kwh] Autonomo Centralizzato Tab. 3.2 Fabbisogni di energia primaria per il riscaldamento ambiente. L utilizzo di terminali a bassa temperatura comporta l aumento dell assorbimento elettrico degli ausiliari, che è il fattore di perdita maggiore negli impianti autonomi. Per questo motivo, nel funzionamento in solo riscaldamento, l impianto centralizzato risulta ancor più efficiente dell autonomo. La differenza in termini di energia primaria tra impianto autonomo e centralizzato in questo caso è circa pari a 1500 kwh l anno, che corrisponde ad un risparmio di quasi 9 euro l anno per famiglia. Dalla tabella sopra riportata appare evidente come nell impianto autonomo il consumo di energia primaria necessaria al funzionamento degli ausiliari abbia un peso rilevante (circa il 30 % del consumo totale). Per migliorare l efficienza di un impianto autonomo sarebbe dunque opportuno ottimizzare il funzionamento delle pompe e valutare l incidenza dell utilizzo di una pompa con una miglior efficienza. Il poter disporre di ausiliari con elevata efficienza è particolarmente importante in impianti che servono edifici di nuova costruzione: in questi l elevato isolamento termico comporta ridotti fabbisogni di energia per il riscaldamento ambiente. Anziché cercare di migliorare ulteriormente le prestazioni dei generatori, di cui l attuale tecnologia è vicina a limiti pratici difficilmente superabili, occorrerebbe cercare di migliorare la qualità degli ausiliari degli impianti autonomi. Tale scelta potrebbe assicurare un netto aumento dell efficienza del sistema. I risultati presentati in questa relazione integrativa, non modificano le conclusioni già esposte nella prima relazione. Considerato il peso energetico degli ausiliari negli impianti autonomi sarebbe opportuno, per migliorare l efficienza energetica di questi ultimi, promuovere una campagna sperimentale indirizzata alla ricerca della migliore soluzione nella progettazione e nella scelta degli ausiliari. 7