Dipartimento di Ingegneria Industriale

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1 Michele De Carli Padova, 05/12/2012

2 Convegno: La Ricerca di Sistema e le linee-guida per la progettazione dei campi geotermici per pompe di calore a terreno

3 SCHEMA DI SCAMBIO TERMICO DI UNA SONDA θ w R C θ g E un problema sostanzialmente di capacità termica del terreno.

4 ALCUNI ESEMPI DI ANDAMENTI DI TEMPERATURE NEL TERRENO Andamento di temperature nel terreno Distanza dal bordo sonda: 0.1 m 0.5 m 1.0 m 3.5 m 5 m Ipotesi di funzionamento in solo riscaldamento Temperatura [ C] Andamento di temperature nel terreno Distanza dal bordo sonda: 0.1 m 0.5 m 1.0 m 3.5 m 5 m /10 20/11 27/12 1/2 10/3 15/4 22/5 27/6 3/8 8/9 15/10 4 Ipotesi di funzionamento in solo raffrescamento Temperatura [ C] /4 21/5 27/6 2/8 8/9 14/10 20/11 26/12 1/2 9/3 15/4

5 CASO SBILANCIATO IN RISCALDAMENTO Caso sbilanciato in inverno sonda libera Distanza dal bordo sonda: 0.1 m 0.5 m 1.0 m 3.5 m 5 m g-01 l-01 g-02 l-02 g-03 l-03 g-04 l-04 g-05 l-05 g-06 l-06 g-07 l-07 g-08 l-08 g-09

6 CASO SBILANCIATO IN RAFFRESCAMENTO 40 Distanza dal bordo sonda: Caso sbilanciato in estate sonda libera 0.1 m 0.5 m 1.0 m 3.5 m 5 m a-01 o-01 a-02 o-02 a-03 o-03 a-04 o-04 a-05 o-05 a-06 o-06 a-07 o-07 a-08 o-08 a-09

7 CASO BILANCIATO 20 Andamento di temperature nel terreno Distanza dal bordo sonda: 0.1 m 0.5 m 1.0 m 3.5 m 5 m Temperatura [ C] /10 6/11 13/12 18/1 24/2 1/4 8/5 13/6 20/7 25/8 1/10

8 Energia invernale richiesta dall edificio e numero di giorni di riscaldamento Energia estiva richiesta dall edificio e numero di giorni di raffrescamento Dati di targa della pompa di calore COP/GUE ed EER/GUE Dati del terreno Dati di input Osservazione Si fa riferimento alla temperatura media dell acqua in sonda θ w θ = wi + θ 2 wo

9 COSA CAMBIA TRA FUNZIONAMENTO 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 = Q edificio - L comp. Q terreno = L comp. + Q edificio

10 Possibili casi E h /E c < 1,00 compreso tra 1,00 e 1,30 >1,30 Parametro da controllare Temperatura massima estiva Temperatura massima estiva e minima invernale Temperatura minima invernale 10

11 θ w Dipartimento di Simulazioni parametriche mediante codici dettagliati 1/3 Valori derivanti da calcoli per rapporto E h / E c = 2,40 Dimensionamento ottimale Scambiatore sottodimensionato* inverno estate inverno estate media stagionale 10,2 17,7 8,2 19,4 massima 20,7 24,3 minima 6,3 2,4 11

12 θ w Dipartimento di Simulazioni parametriche mediante codici dettagliati 2/3 Valori derivanti da calcoli per rapporto E h / E c = 1,22 Dimensionamento ottimale Scambiatore sottodimensionato* inverno estate inverno estate media stagionale 10,2 23,2 9,0 27,2 massima 30,8 39,0 minima 5,5 2,8 12

13 θ w Dipartimento di Simulazioni parametriche mediante codici dettagliati 3/3 Valori derivanti da calcoli per rapporto E h / E c = 0,60 Dimensionamento ottimale Scambiatore sottodimensionato inverno estate inverno estate media stagionale 13,4 24,7 13,4 26,8 massima 33,1 37,1 minima 10,8 10,5 13

14 θ θ w w Dipartimento di Dati raccomandati per il metodo semplificato Scambiatori al terreno propriamente dimensionati θ w temperatura media stagionale θ w scostamento rispetto al valore medio stagionale E h /E c <1,00 compreso tra 1,00 e 1,30 >1,30 Inverno estate inverno estate inverno estate ,5 22,0 9, ,0 7,0-5,0-14

15 θ θ w w Dipartimento di Dati raccomandati per il metodo semplificato Scambiatori al terreno sottodimensionati θ w temperatura media stagionale θ w scostamento rispetto al valore medio stagionale E h /E c <1,00 compreso tra 1,00 e 1,30 >1,30 Inverno estate inverno estate inverno estate ,0 25,0 7, ,0 10,0-6,0-15

16 Determinazione della potenza lineare [W/m] P lin E c : Energia estiva dell edificio [kwh f ] Ipotesi del terreno (θ g e λ g ) Scelta di θ we,h media stagionale E h : Energia invernale dell edificio [kwh t ] Numero dei giorni di raffrescamento n c Scelta di θ wc,c media stagionale Determinazione del SCOP medio Numero dei giorni di riscaldamento n h Potenza media estiva richiesta dall edificio P c = 1000 E c / (24 n c ) Determinazione del SEER medio (SEER + 1) (SCOP - 1) SCOP Potenza media invernale richiesta dall edificio P h = 1000 E h / (24 n h ) SEER Potenza media estiva ceduta al terreno P gc Potenza media invernale assorbita dal terreno P gh Lunghezza dello scambiatore L c = P gc /P lin,c Scelta in funzione del rapporto E h /E c Lunghezza dello scambiatore L h = P gh /P lin,h

17 θ c = θ wc + θ c θ wc,i θ wc θ wc, o θ c θ wc,o CONDENSATORE θc θ wc,i θ wc θ we,i θ e EVAPORATORE θ we,o θ we θ e θ we,o θ we θ we, i θ e = θ we θ e

18 Efficienza ideale medio stagionale COP C = 273,15 + θ θ c θ e c EER C = 273,15 + θ θ c θ e e Cicli di Carnot Vanno calcolati in condizione di targa (TCOPc, TEERc) E in condizioni medie di esercizio, alle temperature decise di evaporazione e condensazione (SCOPc, SEERc) SEER = TEER SEER TEER C C SCOP = TCOP SCOP TCOP C C

19 Calcolo calore ceduto/assorbito dal terreno Calore assorbito dal terreno in inverno P h 1000 E = 24 n h h P hg = P h SCOP 1 SCOP Calore ceduto al terreno in estate P c 1000 E = 24 n c c P cg = P c SEER +1 SEER

20 Scambio di calore sonde-terreno Dipende da: Conducibilità termica del terreno Temperatura media del terreno Distribuzione delle sonde nel terreno

21 Tutti i lati liberi (100%) 6 lati liberi su 8 (75%) 8 lati liberi su 12 (67%) Geometria del campo sonde 10 lati liberi su16 (62%) 8 lati liberi su16 (50%)

22 Coefficienti di scambio termico lineare C lin [W/(m K)] Frazione di perimetro di scambio termico Conducibilità termica del terreno λ g [W/(m K)] 1,5 2,0 2,5 100% 1,55 1,93 2,28 75% 1,51 1,89 2,23 50% 1,39 1,75 2,07 25% 1,18 1,49 1,78 22

23 P lin, h = Clin we, h ( θ θ ) g P lin, c = Clin wc, c ( θ θ ) g L h = Phg / Plin, h L c = Pcg / Plin, c Scelta in funzione del rapporto E h / E c

24 Determinazione della potenza lineare [W/m] P lin E c : Energia estiva dell edificio [kwh f ] Ipotesi del terreno (θ g e λ g ) Scelta di θ we,h media stagionale E h : Energia invernale dell edificio [kwh t ] Numero dei giorni di raffrescamento n c Scelta di θ wc,c media stagionale Determinazione del SCOP medio Numero dei giorni di riscaldamento n h Potenza media estiva richiesta dall edificio P c = 1000 E c / (24 n c ) Determinazione del SEER medio (SEER + 1) (SCOP - 1) SCOP Potenza media invernale richiesta dall edificio P h = 1000 E h / (24 n h ) SEER Potenza media estiva ceduta al terreno P gc Potenza media invernale assorbita dal terreno P gh Lunghezza dello scambiatore L c = P gc /P lin,c Scelta in funzione del rapporto E h /E c Lunghezza dello scambiatore L h = P gh /P lin,h