IMPIANTI INNOVATIVI. Arch. Luca Berra LEZIONE DEL

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1 IMPIANTI INNOVATIVI Arch. Luca Berra LEZIONE DEL

2 CALDAIE A CONDENSAZIONE COGENERAZIONE E TRIGENERAZIONE POMPE DI CALORE GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA ED USO DELLE ACQUE SUPERFICIALI RECUPERATORI DI CALORE 2

3 CALDAIE A CONDENSAZIONE 3

4 CHE COS'È UNA CALDAIA A CONDENSAZIONE Per sfruttare il calore liberato nella reazione chimica di combustione del metano con l'ossigeno, occorre estrarlo dai prodotti della combustione e trasferirlo all'acqua dell'impianto, occorre cioè raffreddare i fumi a favore del fluido termovettore. La temperatura dei fumi all'uscita della caldaia ci dice quanto calore è rimasto ancora nei fumi (cioè perso). Finché la temperatura dei fumi rimane sopra il "punto di rugiada", raffreddandoli, si recupera il solo "calore sensibile". In queste condizioni vale una semplice regola: ogni 20 C tolti ai fumi corrisponde a circa 1% di rendimento di combustione guadagnato. Qualora la temperatura scenda invece sotto il "punto di rugiada" (circa 56 C per i fumi di una "normale" combustione di metano), una parte del vapor d'acqua contenuto nei fumi comincia a condensare, liberando l'ulteriore "calore latente" corrispondente, pari a circa 700 w per ogni kg di condensa prodotta. Fino a pochi anni fa si considerava un limite di carattere tecnico il raffreddamento dei fumi al di sotto del punto di rugiada. Oggi questo limite è superato grazie all uso di materiali, resistenti alla corrosione: - acciai inossidabili speciali, - leghe di alluminio, - fusioni in ghisa speciale - materiali plastici (per i condotti di scarico fumi). L abbassamento della temperatura di scarico si fumi da 120 a 20 C consentirebbe di recuperare 5 punti di rendimento per calore sensibile e quasi 9 punti per calore latente, in totale 14 %. Ciò è possibile solo se si progetta e realizza un sistema in grado di rendere massima la quantità di condensa prodotta all'interno del generatore per tutta la durata della stagione di riscaldamento e, se possibile, anche per la produzione di acqua calda sanitaria estiva. 4

5 LA CONDENSAZIONE NEI GENERATORI DI CALORE CURVA DI EQUILIBRIO Nella figura n. 1 è riportata la curva di equilibrio dell'acqua con il suo vapore, espressa come percentuale massima (in volume) di vapor acqueo in una miscela gassosa a pressione atmosferica. (Diagramma di Molier - Aria umida). Tabella n. 1 - Composizione dei fumi totali di combustione del metano e punto di rugiada Figura n. 1 - Curva di equilibrio acqua/vapor acqueo Dalla tabella n. 1, si vede che, ad ogni taratura del bruciatore, corrisponde una diversa concentrazione percentuale di vapor acqueo nei fumi. Nota la percentuale di acqua, immediatamente ricavabile la temperatura di equilibrio, nota come "punto di rugiada", al di sotto della quale inizia la condensazione perché il contenuto di vapor d'acqua sarebbe eccessivo. 5

6 CONTENUTO DI VAPORE ACQUEO E CURVA DI EQUILIBRIO Se regoliamo un bruciatore con il 3% di ossigeno nei fumi secchi, il tenore di vapor acqueo è del 16,5%. Finché la temperatura di questi fumi rimane al di sopra di 56 C, il vapor d'acqua non condensa. Se in qualche punto del successivo percorso dal focolare allo sbocco dal camino, la temperatura dei fumi scende sotto i 56 C, una parte di questo vapor d'acqua condensa. Nella figura n. 2 viene riportata nuovamente la curva del contenuto massimo di vapor acqueo ammissibile nei fumi. Le righe orizzontali sovrapposte corrispondono a diverse concentrazioni di vapor acqueo dei fumi, in funzione dell'eccesso d'aria. Si nota che un elevato eccesso d'aria riduce la temperatura di rugiada, quindi riduce la quantità di vapor acqueo che può condensare ad una determinata temperatura di scarico dei fumi. 6 Figura n. 2 - Contenuto di vapor acqueo dei fumi e curva di equilibrio

7 CONDENSAZIONE DEI FUMI Nella figura le frecce verdi rappresentano cosa accade ai fumi di un generatore di calore, tarato al 3% di O 2 che vengono scaricati alla temperatura di 40 C. A mano a mano che la temperatura scende sotto i 56 C, una parte del vapore acqueo deve condensare, in modo che il tenore di vapore acqueo nei fumi rimanga uguale al massimo ammissibile, rappresentato dalla curva di equilibrio. Non tutto il vapore acqueo condensa. La quantità di vapore acqueo che effettivamente condensa dipende da due fattori: l'eccesso d'aria del bruciatore e la temperatura finale di scarico dei fumi dal generatore. Figura n. 3 - Rappresentazione della condensazione dei fumi 7

8 FATTORE DI CONDENSAZIONE E PRODUZIONE SPECIFICA DI CONDENSA Il grafico in figura n. 4 consente, una volta noti il tenore di ossigeno e la temperatura finale di scarico dei fumi, di determinare la quantità di condensa che si forma effettivamente rispetto a quella massima teorica (circa 1,6 kg per ogni Nm di metano). Riprendendo l'esempio precedente si osserva il cosiddetto "fattore di condensazione", che ci indica qual è la quota parte del vapor acqueo presente nei fumi che effettivamente condensa. Nell'esempio si nota il valore 0,68. Ciò significa che nelle condizioni ipotizzate, il 68% del vapor d'acqua presente nei fumi condensa. Figura n. 4 - Fattore di condensazione Combustione di metano con aria comburente avente umidità relativa 80% a 10 C 8

9 FATTORE DI CONDENSAZIONE E PRODUZIONE SPECIFICA DI CONDENSA Il grafico in figura n. 5 (ottenuto da quello in figura n. 4 semplicemente cambiando la scala delle ascisse) consente di calcolare facilmente la produzione di condensa di un generatore di calore alimentato con metano. Con riferimento all esempio precedente in orizzontale si legge la produzione specifica di condensa, che ci dice quanta è la condensa prodotta per ogni Nm di metano bruciato. Nell'esempio si legge il valore 1,1. Ciò significa che, nelle condizioni ipotizzate, la produzione di condensa nel generatore è pari a 1,1 kg/nm per ogni Nm/h di gas metano bruciato Figura n. 5 - Produzione specifica di condensa Combustione di metano con aria comburente avente umidità relativa 80% a 10 C 9

10 AUMENTO DEL RENDIMENTO DI COMBUSTIONE RECUPERO DI CALORE LATENTE DI CONDENSAZIONE Il grafico riportato nella figura n. 6 consente, nota la temperatura di scarico dei fumi ed il loro tenore di ossigeno, di calcolare con semplicità l'aumento di rendimento per il recupero di calore latente di condensazione. Con il solito procedimento ed i dati già utilizzati (temperatura scarico fumi 40 C e tenore O2 fumi 3%) si legge sulla scala di sinistra un aumento di rendimento del 7,5%. Ciò consente di correggere l'indicazione degli strumenti di analisi fumi tradizionali, che non tengono conto nei loro conteggi del calore latente di condensazione ma solo del calore sensibile di raffreddamento dei fumi, utilizzando le formule riportate nella norma UNI La misura con tali strumenti nelle condizioni ipotizzate nell'esempio, darebbe un risultato del 99% (sono possibili differenze in base alla temperatura dell'aria comburente), cui andrebbe sommato il 7,5% ottenendo il risultato corretto di 106,5% (del p.c.i.). Figura n. 6 - Aumento di rendimento per sviluppo di calore latente (in % del p.c.i.) Combustione di metano con aria comburente avente umidità relativa 80% a 10 C 10

11 CALDAIA NORMALE E CALDAIA A CONDENSAZIONE Cosa determina la temperatura di scarico fumi? Le vecchie caldaie erano costruite in modo da ottenere una circolazione naturale dell'acqua nel corpo caldaia: il focolare era posto nella parte più bassa ed il fascio tubiero nella parte alta (proprio per evitare la condensazione che avrebbe distrutto la caldaia). Le caldaie a condensazione (od almeno la parte ove entra l'acqua ed escono i fumi) sono invece a tutti gli effetti degli scambiatori in controcorrente: l'acqua entra dal basso e sale verso il focolare, posto nella parte superiore, riscaldandosi a contatto con i fumi che scendono. Figura n. 7 - Esempio di caldaia a condensazione 11

12 TEMPERATURA DI SCARICO FUMI TEMPERATURA DELL'ACQUA DI RITORNO AL GENERATORE La linea rossa rappresenta l'andamento della temperatura dei fumi nell'avvicinarsi allo scarico, proseguendo da sinistra a destra. La linea in blu rappresenta invece l'andamento della temperatura dell'acqua. Per trasferire il calore dai fumi all'acqua occorre necessariamente una differenza di temperatura fra fumi ed acqua: i fumi saranno sempre più caldi (ad una temperatura superiore) dell'acqua che ritorna in caldaia. Chiameremo questa differenza di temperatura "DT finale fra fumi ed acqua" (facilmente misurabile in campo). Va subito osservato che il DT finale fra fumi ed acqua non dipende dalla temperatura dell'acqua di ritorno in caldaia. A parità di potenza termica sviluppata nel focolare, il DT finale fra fumi ed acqua si riduce all'aumentare del coefficiente globale di scambio fumi/acqua della caldaia, cioè della superficie attiva dello scambiatore. 12 Figura n. 8 - Temperatura fumi ed acqua lungo lo scambiatore finale di una caldaia a condensazione

13 TEMPERATURA DI SCARICO FUMI TEMPERATURA DELL'ACQUA DI RITORNO AL GENERATORE EFFETTO DI UNO SCAMBIATORE PIÙ ESTESO E DELL AUMENTO DI POTENZA SPECIFICA Figura n. 9 - Effetto di uno scambiatore più esteso Nella figura n. 9 si nota come uno scambiatore più esteso consente, a parità di potenza, di allungare il grafico verso destra, quindi ad avvicinare la temperatura di scarico dei fumi alla temperatura di ritorno dell'acqua in caldaia. La figura n. 10 mostra invece come, a parità di caldaia, ovvero di estensione dello scambiatore finale fumi/acqua, la differenza di temperatura fra fumi ed acqua aumenta con il fattore di carico del focolare, ovvero con la potenza termica bruciata. 13 Figura n Effetto dell'aumento di potenza sulle temperature

14 TEMPERATURA DI SCARICO FUMI TEMPERATURA DELL'ACQUA DI RITORNO AL GENERATORE RENDIMENTO E TEMPERATURA DI RITORNO IN CALDAIA Per ogni T finale acqua/fumi, si costruisce la curva corrispondente spostando verso sinistra la curva rossa tratteggiata di un valore pari al T finale fumi/acqua stesso. Come si può vedere, con temperatura di ritorno dell'acqua in caldaia di 40 C: - a T finale fumi/acqua di 5 C, i fumi escono a 45 C e l aumento di rendimento per condensazione è di 6,3%; - a T finale fumi/acqua di 10 C, i fumi escono a 50 C e l'aumento del rendimento per condensazione è di 4,8%; - a T finale fumi/acqua di 20 C, i fumi escono a 60 C e l'aumento del rendimento per condensazione è solo lo 0,77 %. Figura n Aumento di rendimento in funzione della temperatura di ritorno in caldaia. Combustione di metano con aria comburente avente umidità relativa 80% a 10 C, tenore di ossigeno residuo nei fumi secchi = 3% (combustione ben condotta) 14

15 TEMPERATURA DI SCARICO FUMI TEMPERATURA DELL'ACQUA DI RITORNO AL GENERATORE T A POTENZA NOMINALE ED A POTENZA MINIMA c30/c50 Il T finale fumi/acqua dipende dalla potenza termica bruciata nel focolare. Per caratterizzare compiutamente il comportamento di un generatore a condensazione occorrer quindi accertare il T finale fumi/acqua in due condizioni di funzionamento: alla potenza nominale del generatore e alla potenza minima. A potenza nominale il t varia da soli 8 C fino a ben 60 C. Un generatore con T finale fumi/acqua di 60 C (ipotizzando acqua a 20 C si ha 20+60= 80 C) non condensa. A potenza minima (per generatori modulanti) il t varia da meno di 2 C a 15 C. In tali condizioni occorre controllare la stabilità del rapporto aria/combustibile in quanto un elevato eccesso d'aria ridurrebbe significativamente la condensazione. La figura n. 12 illustra i parametri c30 e c50 (produzione specifica di condensa con temperatura di ritorno pari a 30 C o 50 C) utilizzati nelle formule di calcolo del rendimento di combustione dei generatori a condensazione. Occorre precisare che le UNI TS richiedono questi parametri anche alla potenza minima al fine di effettuare un'interpolazione in base alla potenza media di funzionamento del generatore. 15 Figura n. 12 Grafico per il calcolo dei parametri c30 e c50 di un generatore

16 MASSIMIZZARE IL RENDIMENTO Alla luce di quanto esposto, per ottimizzare il rendimento medio stagionale di un generatore di calore, occorre: a) minimizzare la temperatura di ritorno dell'acqua in caldaia; b) far funzionare la caldaia il pi a lungo possibile a bassa potenza per minimizzare il T finale fumi/acqua; c) mantenere sempre un eccesso d'aria stabile e limitato. Il punto a dipende dall impianto, in particolare dal tipo di emettitori (corpi scaldanti utilizzati) e dalle modalità del loro utilizzo. I punti a e b sono influenzati dal tempo di accensione dell'impianto. In generale conviene lasciare l'impianto in funzione il più a lungo possibile in quanto ciò consente di ridurre la temperatura media di alimentazione dell impianto ed anche la potenza media richiesta alla caldaia. Il secondo e terzo punto dipendono dalle caratteristiche del generatore, cioè dalla sua capacità di modulare (ridurre) la potenza termica della fiamma mantenendo un eccesso d'aria sensibilmente costante. Occorre infine scegliere generatori che abbiano un T finale fumi/acqua il più basso possibile. E' già una bella sfida realizzare e condurre un impianto con una bassa temperatura di ritorno in caldaia. Utilizzare un generatore con un elevato T finale fumi/acqua vorrebbe dire compromettere il recupero del calore latente di condensazione e sprecare il lavoro fatto dal lato dell'impianto per abbassare la temperatura di ritorno dell'acqua in caldaia. 16

17 COGENERAZIONE e TRIGENERAZIONE 17

18 COS È UN COGENERATORE E una macchina che provvede alla generazione combinata di: - calore (sotto forma di acqua calda, vapore, acqua surriscaldata ecc.); - energia elettrica. I diversi tipi di motore comportano diverse possibilità dal punto di vista termico. MOTORI ALTERNATIVI I motori alternativi sono di derivazione automobilistica. Si ricava acqua calda a C TURBINE I cogeneratori a turbina sono in generale utilizzati nell ambito di processi industriali. Si ricava acqua surriscaldata o vapore ed acqua calda. 18

19 MOTORE ALTERNATIVO I cogeneratori con motori alternativi prevedono in generale due scambiatori di calore: - uno scambiatore lato camicia motore che consente di ricavare acqua calda a C (è l equivalente dei radiatori delle automobili); - uno scambiatore lato fumi (i fumi esausti di un motore alimentato a gas metano sono a circa 400 C) dimensionato per abbassare la temperatura dei fumi a C. 19

20 TURBINA I cogeneratori a turbina possono avere più turbine in sequenza e più recuperatori di calore. La turbina è messa in movimento dal fronte di aria calda generata dalla combustione di gas. La turbina muove il generatore principale. A valle della turbina è posto uno scambiatore variamente configurato per recuperare calore dai gas esausti. La temperatura (circa 500 C) consente di poter generare vapore ad alta pressione che può muovere una seconda turbina a vapore. Dalla parte terminale dello scambiatore si ricava invece acqua calda per usi civili. R O M A G N A N O C H P A V E R A G E M I L L C O N D I T I O N S S I M P L I F I E D P R O C E S S F L O W D I A G R A M 1 3, K W e G E N E R A T O R S T E A M T U R B I N E T e / H r 3 0 B A R G C G E N E R A T O R 2, K W e T e / H r P S I G ( B A R G ) C O N D E N S E R T O F E E D W A T E R T e / H r S T E A M T O M I L L T e / H r 0. 0 T e / H r P S I G ( B A R G ) E X H A U S T G A S 1 7 9, K g / H r C P S I G F E E D W A T E R T O S T A C K 1 7 9, K g / H r C H E A T R E C O V E R Y B O I L E R C O N D E N S A T E / M A K E - U P W A T E R H E A T E R G A S T U R B I N E S O L A R T I T A N M M B T U / H R - L H V G A S S U P P L Y G a s T u r b i n e a t I S O I n l e t C o n d i t i o n s A u x i l i a r y E l e c t r i c L o a d = M W e N e t P l a n t C a p a c i t y = M W e C y c l e E f f i c i e n c y = 6 5 % 20

21 QUADRO ENERGETICO 21

22 DATI COMPLEMENTARI 22

23 SITUAZIONE STANDARD PER CONFRONTO SITUAZIONE STANDARD CON CALDAIE A VAPORE E CAPPE Fabbisogno di Energia termica utile kwht/a MJ/a Rendimento di produzione medio stagionale 90,6% Consumo di energia termica primaria kwht/a Consumo annuo metano per energia termica (vapore) mc/anno MJ/a Consumo annuo metano per energia termica (cappe) mc/anno MJ/a Consumo annuo metano per energia termica totale mc/anno MJ/a ,8 tep/a Consumo di energia elettrica equivalenza energia elettrica - energia primaria kwhe/a 9,2 MJ/kWhe Consumo di energia primaria (elettricità) MJ/a ,2 tep/a emissioni di CO ,1 tco2/a 23

24 SITUAZIONE DI PROGETTO IMPIANTO DI COGENERAZIONE E CAPPE Energia termica prodotta dal cogeneratore kwht/a MJ/a Energia termica dissipata nel periodo estivo kwht/a MJ/a Energia termica utilizzata kwht/a MJ/a Consumo annuo gas metano cogeneratore mc/anno Rendimento di produzione medio stagionale caldaia integrazione 90,5% Consumo annuo gas metano integrazione - mc/anno Consumo totale di gas metano (vapore) mc/anno MJ/a Consumo annuo metano per energia termica (cappe) mc/anno MJ/a Consumo annuo metano per energia termica totale mc/anno MJ/a ,0 tep/a Energia elettrica prodotta dal cogeneratore Energia elettrica da cedere alla rete (non considerata) Energia elettrica di integrazione dalla rete Consumo di energia elettrica equivalenza energia elettrica - energia primaria kwhe/a - kwhe/a kwhe/a kwhe/a 9,2 MJ/kWhe Consumo di energia primaria (elettricità) MJ/a 3.461,9 tep/a emissioni di CO ,8 tco2/a 24

25 CONFRONTO ENERGETICO 25

26 CONFRONTO ECONOMICO 26

27 COSÈ LA TRIGENERAZIONE E una macchina (o un insieme di macchine, sistema) che provvede alla generazione combinata di: - calore; - energia elettrica; - refrigerazione. La refrigerazione viene ottenuta tramite l utilizzo di refrigeratori ad assorbimento. La figura sottostante mostra il bilancio energetico di un piccolo refrigeratore idoneo per alimentazione ad acqua calda (88 C). 27

28 REFRIGERATORI AD ASSORBIMENTO 28

29 CURVE TIPICHE POTENZA TERMICA ASSORBITA E POTENZA FRIGORIFERA RESA 29

30 POMPE DI CALORE 30

31 COS È UNA POMPA DI CALORE E una macchina che consente di trasferire del calore da un corpo a bassa temperatura (sorgente fredda) ad un corpo a temperatura maggiore (sorgente calda). Per effettuare questo trasferimento è necessario spendere dell energia meccanica. Utilizzo tipico: macchine frigorifere. COP di una pompa di calore è il rapporto fra energia termica fornita alla sorgente calda e l energia elettrica, meccanica o termica spesa. 31

32 POMPA DI CALORE Q f = 3 kwh gratis a 5 C Q el = 1 kwh Energia elettrica Pompa di calore COP = Q c /Q el = 4 Q c = 4 kwh termici a 20 C 32

33 REFRIGERATORE Q el = 1 kwh Energia elettrica Q c = 4 kwh a 35 C Q f = 3 kwh a 26 C Refrigeratore EER = Q f /Q el =

34 TIPI DI POMPE DI CALORE Elettriche: - ciclo termodinamico - compressore azionato da motore elettrico Con motore a gas: - ciclo termodinamico - compressore azionato da motore a gas Ad assorbimento: - ciclo basato sulla concentrazione/diluizione di ammoniaca o bromuro di litio. L input è l energia termica (combustione). 34

35 POMPA DI CALORE ELETTRICA 1 kwh elettrico 2-3 kwh gratis 3-4 kwh termici 35

36 POMPA DI CALORE CON MOTORE A COMBUSTIBILE 3 kwh combustibile 2-3 kwh gratis 4-5 kwh termici 36

37 POMPA DI CALORE AD ASSORBIMENTO 3 kwh combustibile 1-2 kwh gratis 4-5 kwh termici 37

38 COP MASSIMO TEORICO Temperatura delia sorgente fredda C Mandata = 30 C Mandata = 40 C Mandata = 50 C Mandata = 60 C COP MAX = T abs,hot T abs,hot T abs,cold = T C,HOT + 273,15 T x 0,3-0,6 per prodotti commerciali 38

39 COP TIPICI DI POMPE DI CALORE ACQUA/ACQUA 39

40 COP TIPICI DI POMPE DI CALORE ACQUA/ACQUA E GLICOLE/ACQUA La tabella a fianco mostra il COP di una pompa di calore utilizzata con diverse temperature lato pozzo caldo e pozzo freddo. I valori si riferiscono al caso di circuito lato primario ad acqua e ad acqua glicolata. 40

41 COME CALCOLARE IL COP DI UNA POMPA DI CALORE Il calcolo mensile eseguito con una temperatura media esterna è possibile solo se: - la temperatura della sorgente fredda è stabile (sorgente terreno o corso d acqua) - la temperatura di mandata è stabile (impianti a pannelli o ventilconvettori). In caso contrario, occorre tenere conto della variabilità della prestazione con il metodo dei bin. 41

42 NORME TECNICHE Norme europee approvate: EN Parte generale EN Riscaldamento ed acqua calda sanitaria In preparazione al CTI: UNI-TS che conterrà tutte le istruzioni per poter utilizzare la EN Metodo semplificato: mensile e con rendimento energetico costante al posto delle interpolazioni. 42

43 METODOLOGIA DI CALCOLO UNI EN Suddividere il periodo di calcolo in intervalli di calcolo: - UNI EN : intervalli di tempo per fascia di temperatura (bin) - UNI-TS 11300: per alcuni tipi di pompe di calore ammissibile un calcolo mensile. Quando richiesti i bin, vanno determinati su base mensile. Ripartire ogni intervallo di calcolo fra i modi di funzionamento (riscaldamento, sanitario, misto). Calcolo dell impianto, dell energia richiesta e delle temperature dell acqua e della sorgente per ogni intervallo di calcolo definito. Valutazione dell energia erogabile dalla pompa di calore. Il saldo va attribuito al sistema di back-up (caldaie od altri generatori). Valutazione del COP per ogni intervallo tenendo conto di: - temperature delle sorgenti (sorgente fredda e fluido termovettore); - carico della pompa di calore. Calcolo dell energia principale e dell energia ausiliaria per ogni intervallo. Calcolo dell energia primaria per ogni bin. Moltiplicazione dei risultati di ogni singolo bin per il rispettivo numero di ore e sommatoria per determinare il fabbisogno complessivo di energia primaria. 43

44 SCELTA DELL INTERVALLO DI CALCOLO Intervalli mensili: - basati su una suddivisione a calendario della stazione di riscaldamento; - calcolo in un giorno rappresentativo per ciascun mese; - scelta normale nei calcoli tradizionali degli impianti di riscaldamento. Intervalli di temperatura (bin): - suddivisione delle possibili temperature esterne in intervalli ( C); - definizione della durata per ciascun intervallo; - calcolo nelle condizioni rappresentative di ciascun intervallo di temperatura. UNI-TS 11300: - uso dei bin con sorgente aria o con impianti ad alta temperatura, quando c è un variazione significativa di prestazione nel mese; - calcolo mensile negli altri casi. 44

45 DISTRIBUZIONE IN BIN, COSA SIGNIFICA Suddividere il campo delle possibili temperature esterne in intervalli. - Curva di frequenza: - esprime il tempo (durata) in cui la temperatura è compresa nell intervallo (bin). - Curva cumulata: - esprime il numero di ore per le quali la temperatura è maggiore di quella del bin 45

46 TEMPERATURA RICOSTRUITA MESE Linea rossa: interpolazione su dati mensili UNI (pallini). bin Linea blu: Dato climatico giornaliero reale. 46

47 DATI CLIMATICI MILANO - STAZIONE FEBBRAIO

48 RICOSTRUZIONE DEI DATI Condizione conteggio Min bin Med bin Bin su dati orari Bin su dati giornalieri C C h h gg h h > > > > > > > > > > > > > > > Durata Ore BIN - Milano - Stazione febbraio Temperatura esterna C Bin su dati orari Bin su dati giornalieri Dati ricostruiti 48

49 DATI RICOSTRUITI PER MILANO Ore cum ulate Dicembre Ore cumulate Ore bin Temperatura C Ore bin

50 DATI CLIMATICI DISPONIBILI - Dati utilizzati per il calcolo dell energia: - temperature medie mensili per 101 capoluoghi di provincia; - irradiazione solare per 101 capoluoghi di provincia; - gradi giorno UNI (sulla base delle temperature medie mensili); - per tutte le altre località: interpolazione e correzione con la quota. - Altri dati climatici: - temperatura di progetto (usati per il calcolo delle dispersioni, tecnicamente dovrebbe essere la temperatura che ritorna almeno per 48 ore all anno); - gradi giorno DPR 412/93 solo per determinare la zona climatica; - dati da centraline ARPA e da enti diversi; - Anno tipo con dati orari sul sito per tre località. 50

51 IPOTESI ALLO STUDIO CTI In attesa di avere distribuzioni di frequenza standard mensili affidabili (anno tipo in preparazione al CTI) occorre ricostruire i dati climatici ( Meteonorm citato da molte norme europee sono dati ricostruiti). Base comune: temperatura media mensile: - simulazione della variabilità mensile; - variabilità del giorno tipo = variazione mensile; - distribuzione gaussiana in base al soleggiamento ed alla temperatura di progetto attesa. 51

52 FATTORI CHE INFLUENZANO LA PRESTAZIONE E INTERVENTI UTILI Fattori che influenzano la prestazione: - temperatura della sorgente calda; - differenziale di temperature tra le sorgenti; - carico parziale (a carico parziale il COP cambia); - sbrinamento (pompe di calore con sorgente fredda aria). Interventi utili per migliorare la prestazione: - ridurre la temperatura di mandata dell impianto tramite l uso di terminali a bassa temperatura; - cercare sorgenti a temperatura più alta possibile tramite: flussi di scarto (aria di ventilazione), terreno, acqua di falda ( geotermiche ), acque superficiali: laghi, corsi d acqua. 52

53 ORARI DI FUNZIONAMENTO - Necessario passare al funzionamento 24 ore su 24 - Riduzione della potenza media: - pompa di calore di taglia inferiore; - temperatura di mandata inferiore COP maggiore. - In un edificio nuovo la costante di tempo è di ore 8 ore di spegnimento non hanno alcun effetto. - Effetto intermittenza illusorio con edifici ben isolati: quando si abbassa il termostato, la temperatura scende molto lentamente. 53

54 SCELTA DEL POZZO CALDO DEVE AVERE LA TEMPERATURA PIÙ BASSA POSSIBILE Aria - Con sistemi ad espansione/condensazione diretta oppure impianto canalizzato - Elevata energia elettrica per la movimentazione del fluido termovettore (circa 20 volte rispetto ad un impianto a d acqua) Pannelli radianti - Ottenibili temperature molto basse (22 25 C) sovradimensionando i pannelli - Utilizzabile anche parzialmente in raffrescamento (carico sensibile) Ventilconvettori - Utilizzabili anche in raffrescamento e deumidificazione - Temperatura medio/alta, devono essere sovradimensionati - Rumorosi - Energia elettrica per ventilatori Radiatori - Utilizzabili solo con forte sovradimensionamento - Non utilizzabili in raffrescamento 54

55 CALCOLO DELLE TEMPERATURE DELL ACQUA NELL IMPIANTO Partendo dai dati di energia: si devono calcolare in sequenza, per ogni mese (raccomandazione CTI): - temperatura di mandata e ritorno agli emettitori; - scelta del tipo e dimensionamento degli emettitori; - scelta delle temperature di progetto dell impianto; - temperatura di mandata e ritorno dei singoli circuiti di distribuzione. In base agli schemi circuitali e di regolazione (diretto, miscelazione, by-pass): - temperatura di mandata e ritorno ai collettori della generazione in funzione delle temperature e portate dei circuiti di distribuzione collegati; - media delle temperature dell acqua di ritorno dai circuiti di distribuzione, pesata in base alle rispettive portate; - temperatura di mandata e ritorno e portata dell acqua nei generatori; - scelta del circuito di generazione (diretto o con portata indipendente). 55

56 SCELTA DELLA SORGENTE FREDDA Deve avere la temperatura più alta possibile: - aria esterna bin, dimensionamento; - terreno, scambiatore orizzontale; - terreno, scambiatore verticale; - acqua superficiale; - acqua di falda. 56

57 GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA ED USO DELLE ACQUE SUPERFICIALI 57

58 COSÈ LA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA Si occupa di sistemi atti a sfruttare il calore proveniente dal terreno. Nel nostro caso ci occupiamo anche di sfruttare il calore proveniente dall acqua di falda e da quella superficiale. - Terreno, scambiatore verticale - Terreno, scambiatore orizzontale - Acqua di falda - Acqua superficiale 58

59 TEMPERATURA DEL TERRENO Il terreno è diviso in due fasce separate. Fino a circa 10 metri di profondità (zona perturbata): - temperatura media uguale a quella dell aria esterna - avvicinandosi alla superficie cresce l influenza della temperatura dell aria (oscillazione attenuata e sfasata) - uso di correlazioni empiriche per determinare il profilo di temperatura (ampiezza e sfasamento dell oscillazione rispetto alla temperatura media) A circa 10 metri di profondità (superficie di discontinuità) - Temperatura uguale a quelle media annuale esterna Oltre 10 metri di profondità (zona non perturbata) - Temperatura crescente con la profondità (in prima approssimazione, temperatura costante) 59

60 TEMPERATURA MENSILE DEL TERRENO ALLE VARIE PROFONDITÀ 60

61 TERRENO, SCAMBIATORE VERTICALE - Disponibili solo dati empirici espressi come W/m con utilizzo max di 1800 h/anno. - Fortemente dipendente da caratteristiche del terreno. - Meglio se accoppiato con raffrescamento. - Modello da EN. 61

62 MATERIALI - Per le sonde verticali si utilizzano tubazioni plastiche doppie o quadruple che costituiscono uno scambiatore chiuso. - Occorre verificare con attenzione i campi di esercizio per quanto riguarda la pressione e la temperatura delle tubazioni, dei raccordi e di tutti i componenti idraulici. - Occorre verificare la sezione o meglio il diametro dello scambiatore che si intende utilizzare. 62

63 PROCEDURE DI REALIZZAZIONE La posa prevede le seguenti fasi: posizionamento della macchina; predisposizione dei collegamenti idraulici meccanici e pneumatici; perforazione con sistema rotante e nucleo a perdere (con aria o acqua) per una profondità pari a una o due barre (2/4 metri); nel caso di terreni sciolti estrazione della punta e delle barre e inserimento con rotazione di apposita guaina metallica, nel caso di roccia la perforazione è continua; nuova perforazione e successiva estrazione punta e calo della guaina metallica fino al raggiungimento del fondo scavo; nel caso di diversi strati di terreno (ad esempio ghiaia e argilla) è necessario inoltre cambiare la punta e passare da scavo ad aria a scavo ad acqua, queste fasi sono piuttosto delicate; a scavo finito si inserisce lo scambiatore ed un tubo di servizio calando il tutto da sopra opportunamente zavorrato; si inietta usando il tubo di servizio una idonea malta atta a garantire la stabilità del sistema; si eseguono le prove di circolazione e tenuta idraulica. Sembra tutto facile 63

64 POTENZE ESTRAIBILI NEL CASO DI POZZI VERTICALI La tabella a lato fornisce le potenze massime estraibili in base alla natura del sottosuolo. I dati si riferiscono all estrazione di calore per h/anno o per h/anno. 64

65 NOMOGRAMMA PER POZZI VERTICALI Il nomogramma a fianco è stato sviluppato in ambito svizzero e consente di verificare i parametri di funzionamento stante le specifiche sottostanti. 65

66 TERRENO, SCAMBIATORE ORIZZONTALE Profondità da 1 a oltre 2 metri: - temperatura media annuale - componente oscillante sfasata 30 C 25 C 20 C Temperatura terreno - scambiatore orizzontale 15 C 10 C 5 C Temperatura aria Temperatura terreno 0 C Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre 66

67 MATERIALI Per le sonde orizzontali si utilizzano tubazioni plastiche disposte su file parallele. La disposizione è del tutto simile a quella dei pannelli radianti a pavimento. Alcuni sistemi prevedono l utilizzo di gas refrigeranti all interno delle tubazioni, in questo casi i componenti sono specifici. Varianti Sistemi di preriscaldo per l aria di ventilazione. 67

68 PROCEDURE DI REALIZZAZIONE La posa prevede le seguenti fasi: scavo e sbancamento complessivo dell area; preparazione del fondo di posa; stesura di tutte le tubazioni e loro collegamento ai collettori o ai sistemi di raccolta esecuzione delle prove di circolazione e tenuta idraulica; ricopertura del manufatto e nuove verifiche di tenuta. 68

69 POTENZE ESTRAIBILI NEL CASO DI POZZI ORIZZONTALI I dati relativi alle potenze estraibili sono assai variabili e dipendono: - dalla natura del terreno; - dall andamento della temperatura esterna; - nel caso di terreni porosi (tutti esclusi le rocce compatte) dalla piovosità. Le indicazioni standard sono molto stringate. 69

70 ACQUA DI FALDA Nel caso di acqua da falda la temperatura a cui si estrae è pressochè costante e dipende dalla zona. I pozzi di prelievo idrico presuppongono delle particolari cautele dal punto di vista autorizzativo e realizzativo per evitare possibili interferenze e inquinamento delle acque. Dal punto di vista autorizzativo l ente competente è tipicamente la Provincia. In alcuni casi si ritiene l uso equiparato all impiego civile e si demanda al Comune. Purtroppo non esiste una uniformità di modulistica. Dal punto di vista realizzativo il tipo di perforazione (con estrazione del nucleo) i maggiori diametri della perforazione, la dotazione impiantistica necessaria (pompa di sollevamento, pozzetto con organi di misura ecc), le particolari prove preliminari, fanno si che il costo di realizzazione non sia proporzionato alla grande diminuzione della profondità di scavo (anche 50 volte meno) rispetto ad un geotermico chiuso. In presenza di abbondante falda superficiale è tuttavia una ipotesi da valutare attentamente. 70

71 SCHEMA TIPO DI UN POZZO 71

72 POZZI E INQUADRAMENTO GENERALE 72

73 ACQUE SUPERFICIALI Nel caso di acque superficiali quali torrenti o fiumi la temperatura è fortemente variabile in funzione della temperatura esterna. In questi casi anche la disponibilità è molto variabile ed occorrono dei dati storici per determinare se la portata disponibile è compatibile con l applicazione. Nel caso di specchi d acqua di maggiori dimensioni e profondità quali laghi artificiali e/o naturali la temperatura dipende dalla profondità. 73

74 DISTRIBUZIONE DELLE TEMPERATURE: LAGO MAGGIORE L osservazione della temperatura nei laghi ha confermato la regola generale inerente la distribuzione della temperatura. - la temperatura è sempre superiore a 4 C; - la distribuzione di temperatura in inverno è quasi uniforme; - la temperatura superficiale aumenta in primavera ed estate portandosi verso il centro lago; - in autunno si assiste ad un raffreddamento dello strato superficiale il cui spessore cresce al decrescere della temperatura, fino a uniformarsi. 74

75 TEMPERATURA LAGO MAGGIORE IN ESTATE In estate negli strati sottostanti i 5 metri si nota un abbassamento della temperatura rispetto al modello semplificato. Questo è dovuto all afflusso delle acque provenienti dal disgelo. Il fenomeno comporta la presenza di più onde termiche rispetto ad un unico grande periodo che vale solo per gli strati superficiali. 75

76 RECUPERATORI DI CALORE 76

77 COSA SONO I RECUPERATORI DI CALORE I recuperatori di calore si sono diffusi maggiormente negli ultimi anni nel contesto edifici a basso o bassissimo consumo. Sono dei componenti relativi agli impianti di ventilazione meccanica controllata che consentono di recuperare il calore contenuto nell aria ambiente prima che questa venga espulsa, il calore recuperato viene ceduto all aria esterna prima di immetterla negli ambienti. Sono di vario tipo dal punto di vista della geometria ma si distinguono in due grandi famiglie: recuperatori entalpici o non entalpici. I recuperatori entalpici consentono di recuperare il calore sensibile e quello latente. I recuperatori non entalpici consentono di recuperare solo il calore sensibile. 77

78 RECUPERATORE A FLUSSI INCROCIATI 78

79 DATI TECNICI DI UN RECUPERATORE A FLUSSI INCROCIATI Il rendimento del recuperatore di calore è regolabile da 0 a 100% mediante by-pass totale o parziale dell'aria in ingresso, ed asservibile ad un valore impostabile (per es. temperatura dell'aria esterna). 79

80 CONFIGURAZIONE MACCHINE Configurazione per impianti ad aria primaria. L aria immessa è tutta aria esterna. Quella di ripresa è tutta espulsa. Configurazione per impianti a tutt aria (sola termoventilazione). La parte di aria di ripresa che non viene espulsa non passa dal recuperatore, aumentandone il rendimento. 80

81 RECUPERATORE A BATTERIE 81

82 RECUPERATORE A TUBI DI CALORE 82

83 RECUPERATORE DI CALORE ROTATIVO 83

84 DATI TECNICI ED ESEMPI DI MONTAGGIO DI UN RECUPERATORE ROTATIVO 84