TECNOLOGIE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA - POMPE DI CALORE. L. Murgia - Dip.to Ingegneria del Territorio - Università degli Studi di Sassari

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1 TECNOLOGIE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA - POMPE DI CALORE L. Murgia - Dip.to Ingegneria del Territorio - Università degli Studi di Sassari POMPA DI CALORE Macchina termica che opera un trasferimento di calore da una temperatura più bassa (T 2 ) ad una più alta (T 1 ) La PdC consente di utilizzare fonti di energia gratuita (aria esterna, terreno, acqua di falda) o di scarto (fluidi di scarico di processi) e di riqualificare tale calore portandolo a temperature superiori e tali da renderlo utilmente impiegabile. Ciò avviene a spese di T 1 un lavoro esterno. T 2 1

2 Pompe di calore a compressione azionate da motori elettrici o endotermici Circuito chiuso (circuito frigorifero) all'interno del quale un fluido frigorigeno evapora e condensa sequenzialmente veicolando il calore da una sorgente fredda ad una calda A) EVAPORATORE B) COMPRESSORE C) CONDENSATORE D) VALVOLA DI LAMINAZIONE Fluido frigorigeno: evapora a bassa temperatura e pressione condensa a temperatura e pressione più elevata Se la funzione principale della macchina è Generare calore POMPA DI CALORE Sottrarre calore MACCHINA FRIGORIFERA Le due funzioni possono coesistere (recuperatori di calore) oppure possono essere reversibili (riscaldamento invernale/raffrescamento estivo) 2

3 Un impianto a pompa di calore comprende: 1. organi di captazione che estraggono il calore dalla sorgente fredda 2. la pompa di calore propriamente detta 3. il circuito di distribuzione del calore ai punti di utenza (scambiatori, pompe di circolazione, ventilatori, ecc.) Il calore può essere ceduto all utenza attraverso: Ventilconvettori, scambiatori con circolazione forzata di aria Canalizzazioni, per il trasferimento dell aria calda prodotta dalla pompa di calore Serpentine inserite nel pavimento, nelle quali circola acqua calda Le pompe di calore si classificano in funzione del tipo di sorgente-utenza ARIA-ARIA ARIA-ACQUA ACQUA-ARIA ACQUA-ACQUA SUOLO-ARIA SUOLO-ACQUA Utenze Riscaldamento ambientale (locali abitativi, di allevamento, serre) Riscaldamento aria di processo (essiccazione di prodotti) Deumidificazione aria (stalle, essiccatoi) Riscaldamento acqua di processo (abbeverata, lavaggio, preparazione alimenti, usi igienici) 3

4 Sorgenti di calore ARIA ESTERNA: disponibile ovunque senza limitazioni forte variabilità della temperatura formazione di brina se la temperatura è vicina a 5-6 C problemi di funzionamento in estate con t elevate basse prestazioni ARIA DI RECUPERO: livello termico superiore problemi di disponibilità caratteristiche chimiche (corrosività, sporcizia) ACQUA (di pozzo, fiume, lago): livello termico superiore Temperatura più costante (a. sotterranee) Problemi di disponibilità Caratteristiche chimiche Impianti più costosi e complessi TERRENO: livello termico discreto temperatura costante (a 8-10 m di profondità) impianto complesso (circuito con acqua glicolata) Riscaldamento serre: da 200 a 400 tep/ha coltivato solo PdC In serie: PdC Test>4 C Caldaia T<0 C PdC + caldaia In parallelo: PdC riscald. localizzato Caldaia aerotermi Riscaldamento localizzato 4

5 Pompe di calore geotermiche La temperatura del terreno si mantiene pressochè costante tra C a 10 m di profondità (+2-3 C/100 m) Sistemi diretti Fluido intermedio acqua+glicole Tubi captatori in materiale sintetico o rame verticali (sonde geotermiche) tubi a U o a doppio U profondità fino m > costi impianto orizzontali interrati a 0,5-1,5 m fino a 3 m superfice terreno 1,5-3 volte la superficie da riscaldare distanza: 2 m dagli alberi; 1,5 m reti interrate non idrauliche; 3 m da fondazioni, pozzi, fosse settiche Captatori orizzontali collegati in parallelo Investimento /m 2 Esercizio 2,50-3,50 /m 2 Captatori verticali collegati in serie Investimento /m 2 Esercizio 2,50-3,50 /m 2 5

6 EFFICIENZA DELLE POMPE DI CALORE Si misura attraverso il Coefficiente di Prestazione (COP c ), dato dal rapporto fra energia fornita al mezzo da riscaldare ed energia consumata COP c Eu Eto Em Em Em Eu = Energia termica utile ceduta al condensatore Em = Energia meccanica o elettrica assorbita e trasformata in calore Eto = Energia termica assorbita dalla sorgente a bassa temperatura In assenza di perdite, nelle macchine a compressione Eto Em efficienza frigorifera Energia elettrica /meccanica Em Eto Eu Energia termica utile COP 1 Energia termica gratuita Eu = Eto + Em Il valore max teorico del COP di una macchina reversibile che opera secondo un Ciclo di Carnot, indicando con COPc e COPf i coefficienti di prestazione riferiti rispettivamente alla produzione di caldo e di freddo, è COPc T 1 COPf T 2 T 1 T T 1 T 2 2 (T = K) Le prestazioni di una pompa di calore risultano tanto più elevate quanto minore è la differenza fra la temperatura (T 1 ) del pozzo caldo e la temperatura (T 2 ) della sorgente fredda (valore minimo 5-10 C) ovvero, quanto minore è il livello termico del mezzo a cui va fornito calore (al condensatore) e quanto più alto quello della sorgente da cui viene assorbito calore (all'evaporatore) Il COP reale è circa il 40-70% di quello max teorico a causa della minor efficienza termodinamica del ciclo reale, del rendimento meccanico ed elettrico della macchina, delle variazioni dei valori di T 2, del funzionamento a carichi parziali PdC acqua/aria COP = 3,5 7 PdC aria/aria COP = 1,5 2,5 6

7 UTENZA EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL ENERGIA PRIMARIA (EP) IN SISTEMI PER LA PRODUZIONE DI CALORE CALDAIA GASOLIO c = EU/EP = 0,75 EU= 100 EU = Energia Utile EP = Energia Primaria Ed = Energia Dispersa Ed= 33 EP= 133 7

8 EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL ENERGIA PRIMARIA (EP) CON POMPA DI CALORE Coefficiente conversione termoelettrica el = Eel / EP = 0,37 Coefficiente di prestazione COP = EU / Eel Efficienza conversione energia primaria EU = Energia Utile EP = Energia Primaria Eel = Energia elettrica Eg = Energia gratuita ep = EU/EP = COP * el EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL ENERGIA PRIMARIA CON POMPA DI CALORE COP = 2 EU= 100 EU= 100 COP = 3,5 Eg= 50 Eel= 50 Ed= 85 Eg= 71 Eel= 29 Ed= 49 EP= 135 EP= 78 ep = 0,74 ep = 1,29 Con rendimenti di caldaia c > 0,8 la pompa di calore è conveniente con COP 3 8

9 VALUTARE IL CONSUMO MENSILE DI ENERGIA PRIMARIA PER IL RISCALDAMENTO DI ACQUA CALDA SANITARIA CON LE SEGUENTI TECNOLOGIE SCALDA ACQUA ELETTRICO CALDAIA AUTONOMA A GAS METANO POMPA DI CALORE ARIA-ACQUA CON ALIMENTAZIONE ELETTRICA Fabbisogni: 200 l/giorno di acqua da riscaldare da 10 a 45 C Energia termica richiesta mensilmente: Q mese = Q g. C s. T. n = (l/g) (kj/l C) ( C) (g/mese) = MJ/mese Q mese = ,186. (45-10) = 879 MJ/mese SCALDA ACQUA ELETTRICO Efficienza di conversione termica sa = 0,9 Consumo energia elettrica Eel = 879 / 0,9 = 976,7 MJ/mese = 976,7/3,6 = 271 kwh/mese Rendimento di conversione termoelettrica el = 0,37 (energia primaria e. elettrica) Consumo Energia Primaria EP = 976,7 / 0,37 = 2.639,7 MJ/mese CALDAIA A METANO Efficienza di conversione termica c = 0,8 Consumo Energia Primaria = 879 / 0,8 = 1.098,7 MJ/mese 9

10 POMPA DI CALORE Coefficiente di prestazione Consumo energia elettrica COPc = 3 (medio) Eel = 879 / 3 = 293 MJ/mese Rendimento di conversione termoelettrica = 293/3,6 = 81,4 kwh/mese el = 0,37 (energia primaria e. elettrica) Consumo Energia Primaria EP = 293/ 0,37 = 791,9 MJ/mese SA EL 2.639,7 MJ/mese C GAS 1.098,7 MJ/mese PdC El 791,9 MJ/mese - 28 % - 70 % Vantaggi ambientali riduzione emissioni CO 2 Coefficiente specifico di emissione energia elettrica 0,58 kg Co 2 /kwh elettrico SCALDACQUA ELETTRICO 271 * 0,58 = 157 kg/co 2 mese POMPA DI CALORE 87,2* 0,58 = 50,6 Coefficiente specifico di emissione gas 0,25 kg Co 2 /kwh termico CALDAIA A GAS 305,2 * 0,25 = 76,3 kg/co 2 mese 10

11 approfondimenti - recuperatori di calore RECUPERO DI CALORE DALLA REFRIGERAZIONE Durante la refrigerazione si disperdono nell aria esterna circa 200 kj (48 kcal) per ogni kg di latte raffreddato Col recupero di calore è possibile riscaldare 1 litro di acqua calda da C ogni 2 litri di latte refrigerato 11

12 INSTALLAZIONE DEL RECUPERATORE DI CALORE IN SOSTITUZIONE DEL CONDENSATORE totale recupero calore disponibile necessita di un prelievo continuo acqua calda 1) gruppo frigorifero 2) circuito frigorifero 3) compressore 4) ricevitore liquido 5) ingresso acqua fredda 6) uscita acqua calda 7) resistenza elettrica ausiliaria INSTALLAZIONE DEL RECUPERATORE DI CALORE TRA COMPRESSORE E CONDENSATORE AD ARIA soluzione più frequente si recupera il 50% del calore migliora le prestazioni del gruppo frigo 1. Tank refrigerante ad espansione diretta 2. Compressore 3. Valvola termostatica 4. Condensatore ad aria 5. Scambiatore di calore 6. Boiler dell acqua calda 12

13 STIMA DELL ENERGIA RECUPERABILE La quantità di calore teoricamente recuperabile da un litro di latte è data dalla somma del calore sottratto al latte (Ql) e di quello prodotto dal lavoro di compressione (Qc). Ql = c sl * (t lf - t li ) dove: c sl = calore specifico del latte (3,9 kj/kg C = 0,93 kcal/kg C) t lf = temperatura finale del latte, 4 C t li = temperatura iniziale del latte, 35 C Per ogni litro di latte refrigerato da 35 a 4 C si possono recuperare Ql = 3,9 * 31 = 121 kj/l Considerando che la spesa di energia elettrica relativa alla refrigerazione si può stimare mediamente in 20 Wh/l di latte, cioé 72 kj/l, e che circa il 13-15% del calore viene disperso in fase di compressione, la quantità di energia teoricamente recuperabile dal lavoro del compressore sarà pari a: Qc = 72 * 0,85 = 61,2 kj/l L energia totale disponibile sarà data da: QT = (Ql + Qc) * s s rappresenta il rendimento del sistema di recupero, il cui valore si aggira in media intorno ad un valore di 0,4-0,5. 13

14 Si può quindi stimare l energia realmente utilizzabile, per ogni litro di latte refrigerato, per il riscaldamento dell acqua: QT = ( ,2) * 0,45 = 82 kj/l Dato QT, possiamo calcolare il volume di acqua riscaldabile (Va) Va = c sa ( t QT - t 2 1 ) (litri) dove: c sa = calore specifico dell'acqua, pari a 4,186 kj/l (1 kcal/l) t 2 = temperatura finale dell'acqua ( C) t 1 = temperatura iniziale dell'acqua ( C) Va varia in funzione della temperatura finale che vogliamo ottenere Va varia in funzione della temperatura finale t 2 che vogliamo ottenere Se la temperatura iniziale dell acqua è t 1 =10 C e dobbiamo refrigerare 500 l di latte, possiamo disporre di kj di energia, sufficienti a riscaldare un volume d acqua pari a: se t 2 = 40 C Va = kj/ (4,186 kj/l C. 30 C) = 326 litri di acqua se t 2 = 50 C Va = 244 litri di acqua Nel primo caso si riuscirà ad ottenere 1 litro di acqua a 40 C ogni 1,5 l di latte refrigerato, nel secondo otterremo 1 litro di acqua a 50 C ogni 2 l di latte. 14

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