Impianti a pompa di calore

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PERUGIA Impianti a pompa di calore

2 Le pompe di calore Macchine termiche operatrici che trasferiscono calore da un mezzo a temperatura più bassa ad uno a temperatura superiore, tramite la fornitura di lavoro (macchine a compressione) oppure attraverso il passaggio di una seconda quantità di calore da una temperatura più alta ad una più bassa (macchine ad assorbimento)

3 Macchine frigorifere e pompe di calore Macchina frigorifera: ha lo scopo di asportare calore da un locale chiuso a bassa temperatura (o da un flusso d acqua) per rigettarlo nell ambiente esterno a una temperatura più alta dello stesso (per poterlo scambiare). Pompa di calore: ha lo scopo di trasferire una quantità di calore prelevata a temperatura più bassa dall ambiente esterno (durante la stagione fredda) o da un fluido poco pregiato a un locale chiuso o a un fluido a temperatura più alta per poterli riscaldare.

4 Macchine frigorifere e pompe di calore Inversione del funzionamento La pompa di calore può invertire la direzione in cui scorre il fluido refrigerante tramite una valvola, permettendo in questo modo sia il riscaldamento invernale che il raffrescamento estivo.

5 Prestazioni di macchine frigorifere e pompe di calore Il COP è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento. In genere COP = 2,5 (per 1 kwh di energia elettrica consumato, vengono forniti 2,5 kwh di calore al mezzo da riscaldare). Il COP di una pompa di calore dipende da diversi fattori, quali la tipologia e il modello utilizzato, le condizioni climatiche del luogo di installazione e le modalità di funzionamento dell'impianto; esso risulta, in ogni caso, tanto maggiore quanto più bassa è la differenza di temperatura tra l'ambiente da riscaldare e la sorgente di calore naturale utilizzata. Valutazione più corretta: considerare l'energia primaria necessaria a produrre il chilowattora consumato dai dispositivi ausiliari (quali la pompa, i ventilatori, le resistenze per lo sbrinamento, ecc.) tenendo conto dei rendimenti della catena di produzione, trasporto e distribuzione dell'energia elettrica, che in genere proviene in gran parte da fonti fossili La pompa di calore dà la possibilità di avere dei COP complessivi medi stagionali compresi tra il 110 ed il 140%

6 Pompe di calore ad assorbimento Alimentazione: gas metano/gpl nel generatore Assorbe calore nell'evaporatore dal mezzo circostante (che può essere aria o acqua) e cede calore al mezzo da riscaldare (aria o acqua) nel condensatore. Prestazioni: efficienza di utilizzazione del gas G.U.E. (Gas Utilisation Efficienty): rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) e energia consumata dal bruciatore. G.U.E. è variabile (tipo di pompa di calore, condizioni climatiche e di funzionamento). In genere: G.U.E. = 1,5: per 1 kwh di gas consumato, la pompa fornirà 1,5 kwh di calore al mezzo da riscaldare. La pompa di calore a gas può funzionare fino a temperature dell aria di -20 C, con un efficienza intorno a 1, paragonabile a quella di una caldaia a condensazione.

7 Classificazione delle pompe di calore In base alla sorgente fredda Sorgente fredda: mezzo esterno da cui si estrae calore (scambio termico con il fluido frigorigeno tramite l evaporatore) Principali sorgenti fredde sono: Sorgente di calore Temperatura ( C) Aria esterna da -10 a +15 Aria di espulsione da ambienti riscaldati da +15 a +25 Acqua di falda da +2 a +10 Acqua di lago da 0 a +10 Acqua di fiume da 0 a +10 Acqua di mare da +3 a +8 Terreno da 0 a +10 Acque reflue ed effluenti > 10 aria: esterna al locale dove è installata la pompa di calore oppure estratta dal locale dove essa è installata; acqua: di falda, di fiume, di lago o di mare quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a ridotta profondità; acqua accumulata in serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare; terreno: in esso vengono inserite le tubazioni relative all evaporatore.

8 Sorgenti fredde ARIA Aria esterna Ampia disponibilità, per cui è una delle fonti di calore preferite. Le pompe di calore che la utilizzano presentano un efficienza energetica su base stagionale mediamente inferiore dal 10% al 30% rispetto alle pompe di calore ad acqua a causa di: necessità di energia per lo sbrinamento della batteria di evaporazione, il cui consumo energetico si stima tra il 5% e il 10% del consumo di energia stagionale della pompa di calore; caduta della capacità di riscaldamento con il diminuire della temperatura esterna; sensibile penalizzazione dell efficienza del ciclo (diminuzione del COP) durante i periodi invernali più freddi a causa della notevole differenza di temperatura tra condensazione ed evaporazione, oltre che per la progressiva diminuzione della temperatura di evaporazione. Aria espulsa Derivante dalla ventilazione degli edifici: sorgente di calore che può essere usata, a seconda dei casi, in alternativa o in unione all aria esterna. Si richiede, però, il funzionamento continuo della ventilazione durante tutta la stagione di riscaldamento (o per tutto l anno se è previsto anche il funzionamento estivo).

9 Sorgenti fredde ACQUA Acqua di falda Temperatura abbastanza costante (da 4 C a 10 C). Nei sistemi aperti viene pompata fino allo scambiatore di calore della macchina, dove cede parte del calore che contiene, per essere poi restituita più fredda in un pozzo di scarico o in acque di superficie. I sistemi aperti devono essere progettati con una particolare attenzione per prevenire problemi di gelo, corrosioni e incrostazioni. Svantaggi: costo per l esecuzione della trivellazione del pozzo di prelievo; eventuali regolamenti locali con limiti severi sul prelievo e sullo scarico delle acque. Acqua di mare Sorgente molto interessante per medie e grandi istallazioni (e per gli impianti di bordo). Può essere utilizzata sia con impianti a espansione diretta, sia facendo circolare fluido intermedio (brine, salamoia). Vantaggi: temperatura costante (da 5 C a 8 C) già a profondità da 25 a 50 metri. punto di congelamento è compreso tra -10 C e -2 C e questo esclude, in genere, il rischio di gelo. Svantaggi: necessità di scambiatori di calore e pompe resistenti alla corrosione; necessità di accorgimenti per controllare le incrostazioni di microrganismi e la formazione di alghe nei tubi di prelievo dell acqua, negli scambiatori, ecc.

10 ACQUA Sorgenti fredde Acque di fiumi e laghi Favorevole fonte di calore, ma in inverno la loro temperatura può scendere a valori prossimi a 0 C; questo evento, da un lato riduce l efficienza e la capacità della pompa di calore, dall altro richiede una progettazione dell impianto che possa prevenire i rischi di gelo nell evaporatore. Acque reflue ed effluenti Effluenti da fognature (scarichi trattati e non), effluenti industriali e acque di raffreddamento dei condensatori da processi industriali o da impianti di produzione di energia elettrica. Temperature relativamente alte e costanti nel corso dell anno. Limitazioni: distanza dai luoghi di impiego, portata non costante.

11 TERRENO Sorgenti fredde Vantaggi: elevata inerzia termica quindi già a moderata profondità risente poco delle fluttuazioni termiche giornaliere e stagionali (la temperatura si può considerare pressoché costante per tutto l anno); differenze di temperatura tra sorgente termica e ambiente da climatizzare inferiori rispetto a quanto si avrebbe utilizzando l aria esterna, con conseguente miglioramento dell efficienza dell impianto e minori costi operativi. In generale, l ampiezza della variazione giornaliera di temperatura si riduce di un fattore 10 a pochi centimetri di profondità, mentre l ampiezza della variazione stagionale si riduce dello stesso fattore dopo alcuni metri. Le pompe di calore che utilizzano il terreno come sorgente termica vengono comunemente dette geotermiche e, soprattutto in America e nel Nord Europa, esse sono utilizzate per applicazioni residenziali e commerciali. Il prelievo del calore si realizza per mezzo di sonde geotermiche costituite da tubi a U, di solito in polipropilene reticolato, che possono essere disposti orizzontalmente o verticalmente nel terreno. Al loro interno viene fatto circolare un fluido intermedio (brine). Il calore raccolto viene successivamente ceduto allo scambiatore di calore nella macchina

12 Classificazione delle pompe di calore In base al fluido riscaldato Fluido caldo: aria o acqua da riscaldare (scambio termico con il fluido da riscaldare tramite il condensatore che cede sia il calore prelevato dalla sorgente fredda sia l'energia fornita dal compressore) Il calore viene ceduto all ambiente attraverso: Ventilconvettori (a parete, a soffitto oppure ad incasso); Pannelli radianti (serpentine inserite nel pavimento); T max fluido caldo = 55 C terminali a bassa temperatura (ventilconvettori, pannelli radianti) e acqua calda sanitaria a C o aria. Si può raggiungere una T max = 65 C mediante due artifici: 1) prelievo a valle del condensatore e successiva reiniezione di vapore nel compressore (EVI Enhanced Vapour Injection) 2) due cicli di lavoro fra loro collegati in cascata Canalizzazioni: trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa di calore ai diversi locali. Radiatori: nelle ristrutturazioni, ma occorrono superfici di scambio elevate (normalmente sono alimentati a 85 C) Radiatori e per Temperature acqua sanitaria oltre i C (cucine o trattamenti antilegionella)

13 Classificazione delle pompe di calore In base alla taglia IMPIANTI DI PICCOLA POTENZA (fino a circa 2 kw) adatti a monolocali, utilizzabili anche per il riscaldamento dell acqua sanitaria. Possono essere: monoblocco, in cui tutti i componenti sono raggruppati insieme; split; l impianto è composto da una unità esterna (compressore + scambiatore di calore con funzione di evaporatore o condensatore) e una unità interna (verticale, orizzontale o a cassette) costituita da un armadietto dal quale viene immessa nell ambiente aria calda o fresca, a seconda dei casi; il sistema così composto permette di installare le parti più rumorose dell impianto in una zona esterna all ambiente da climatizzare.

14 Classificazione delle pompe di calore In base alla taglia IMPIANTI DI MEDIA POTENZA (da 10 a 20 kw) adatti a servire più locali; possono essere: monoblocco, in cui tutti i componenti sono raggruppati insieme; multisplit; l impianto è composto da una unità esterna, (compressore + e da uno scambiatore di calore con funzione di evaporatore o condensatore) e da unità interne, costituite da più armadietti (fino a un massimo di cinque), regolati singolarmente, dai quali viene immessa negli ambienti aria calda o fresca, a seconda dei casi; il sistema così composto permette di installare le parti più rumorose dell impianto in una zona esterna all ambiente da climatizzare. IMPIANTI A GRANDE POTENZA (oltre 20 kw) per più appartamenti, per uffici e per esercizi commerciali; impianti più complessi, sono composti da: unità motocondensanti esterne, che producono l acqua calda e l acqua refrigerata. ventilconvettori o fan-coils all interno degli ambienti.

15 TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORE aria-aria: prelevano calore dall aria esterna e producono aria calda utilizzata direttamente per il riscaldamento degli spazi; aria-acqua: prelevano calore dall aria esterna e producono acqua calda che viene distribuita agli utilizzi; acqua-aria: prelevano calore da acqua in natura (fiume, canale, lago o mare) o in circolazione all interno di un anello chiuso e producono aria calda; acqua-acqua, prelevano calore da acqua in natura e producono acqua calda; terreno-aria (con fluido intermedio), in cui i due fluidi di lavoro sono costituiti da una soluzione di glicole sul lato freddo e aria sul lato caldo; terreno-acqua (con fluido intermedio), in cui i due fluidi di lavoro sono costituiti da una soluzione di glicole sul lato freddo e aria sul lato caldo. In Italia: pompe di calore più diffuse aria-aria e aria-acqua. Minima temperatura esterna idonea per il loro funzionamento fino a -10 C e oltre (convenienza energetica del riscaldamento a pompa di calore intorno a temperature di circa +5 C) Temperatura dell aria calda in uscita è intorno a C, mentre la temperatura dell acqua calda prodotta raggiunge, di solito, un massimo di C.

16 Pompe di calore ad aria monovalenti e bivalenti MONOVALENTI: dimensionate per coprire interamente la domanda annuale di riscaldamento e raffreddamento. Realizzabili in zone con temperature esterne di progetto superiori a 5-6 C. MONOENERGETICI: il fabbisogno termico è dato da una pompa di calore e da una resistenza elettrica. Realizzabili in zone con temperature esterne di progetto superiori a 2-3 C. BIVALENTI : dimensionate per fornire l intera potenza di raffreddamento dell impianto e solo una frazione (di solito compresa tra il 20% e il 60%) della potenza termica necessaria per il riscaldamento invernale. Realizzabili in zone con temperature esterne di progetto inferiori a 2-3 C; hanno una capacità di soddisfare dal 50% al 95% della domanda di riscaldamento stagionale; il carico di picco è soddisfatto da una fonte ausiliaria di riscaldamento (quale può essere una caldaia a gas o a gasolio); la caldaia è regolata in modo da intervenire solo quando la temperatura dell aria esterna scende al di sotto di 5-6 C. IMPIANTI CON ARIA DI RINNOVO Per il poco calore ricavabile dall aria di rinnovo, servono soprattutto per produrre acqua calda sanitaria. Potrebbero provvedere da soli al fabbisogno termico delle case passive (dispersioni termiche inferiori a 10 W/m 2 ).

17 Schemi di impianto: aria - acqua

18 Schemi di impianto: acqua - acqua Se l acqua di superficie è a basse temperature, sussiste il pericolo di gelo nella zona dell evaporatore è consigliabile interporre uno scambiatore fra la sorgente fredda e la pompa di calore, in modo che la pompa di calore possa essere alimentata con un fluido costituito da acqua e antigelo. Assicura bassi consumi delle pompe di circolazione ed evita il blocco degli scambiatori di calore per impurità (temibili soprattutto nei periodi di maltempo) contenute nelle acque di superficie. Nel caso, invece, di scambiatori posti in centrale, si utilizzano prevalentemente scambiatori a piastre. Tuttavia, con acque poco pulite, può convenire anche in questo caso adottare scambiatori a fascio tubiero

19 Schemi di impianto: acqua-acqua (di superficie)

20 Schemi di impianto: acqua-acqua (di falda) Sistemi di prelievo a due pozzi: distanza min 10 m; pozzo di pescaggio a monte di quello di drenaggio Sistemi di prelievo a un pozzo: solo pozzo di pescaggio, smaltimento in stagni, fiumi, laghi o mare. oppure nei sistemi di smaltimento delle acque piovane o reflue (fognature)

21 Schemi di impianto: acqua-terrerno (serpentini interrati) Fluido: acqua e antigelo. Sviluppo dei collettori: a serpentini o ad anelli Distanze minime (da zone d ombra; dalle reti degli impianti interrati di tipo idraulico e non idraulico; da fondazioni, recinzioni, pozzi d acqua, fosse settiche, pozzi di smaltimento e simili. Non sottrarre troppo calore al sottosuolo: gravi conseguenze, sia per il funzionamento della pompa di calore sia per la vegetazione (congelamento delle radici ) Interassi almeno cm Superfici necessarie ampie da lasciare a prato: circa due o tre volte la superficie da riscaldare. Profondità 0,8-1,2 m Profondità 0,6-2,0 m Tubi in PE-X, diametri 20/16 e 25/20,4 Gli anelli richiedono minor superficie e minor movimento terra. Per lunghezze, fare attenzione alle perdite di carico

22 Schemi di impianto: acqua-terreno (serpentini interrati)

23 Schemi di impianto: acqua-terreno (sonde geotermiche) Perforazioni con diametro mm. Nei fori sono inseriti uno o due circuiti ad U, realizzati con tubi in PE ad alta resistenza (in genere con diametri DN 32 e DN 40) specifici per applicazioni geotermiche. Per facilitare il loro inserimento nei fori, i circuiti sono zavorrati con appositi pesi a perdere di Kg. Calore del sole Energia geotermica Il vuoto tra le pareti dei fori e i tubi dei circuiti è riempito con una sospensione a base di cemento e sostanze inerti. distanza minima dall edificio: almeno 4-5 m per evitare interferenze con le fondazioni distanza tra sonde: almeno 8 m per evitare interferenze termiche

24 Schemi di impianto: acqua-terreno (sonde geotermiche)

25 Schemi di impianto: acqua-terreno (sonde geotermiche)

26 Schemi di impianto: acqua-terreno (pali geotermici) Derivano calore dal sottosuolo utilizzando i pali in cemento armato di fondazione dove il terreno non ha la portanza necessaria e quindi richiede opere di consolidamento. I pali, prefabbricati o gettati in loco, hanno diametri variabili da 0,4 a 1,5 m e possono raggiungere in lunghezza i m. Al loro interno, e con ancoraggio alla loro armatura, sono installati i circuiti che derivano il calore dal sottosuolo e il cui sviluppo può essere ad U (come per le sonde geotermiche) oppure a spirale. I vari circuiti possono essere raccordati ai collettori all esterno della fondazione o nella platea della stessa. Il getto di calcestruzzo immesso nell armatura consente, infine, di ottenere un buono scambio termico fra i circuiti e il terreno. solo nel caso di costruzioni nuove ed esige fin dalle prime fasi del progetto un buon coordinamento fra le opere generali e quelle idrauliche.

27 Posa in opera delle pompe di calore rumore Installazione esterna: con supporti antivibranti, su superfici piane e rigide, rispettando gli spazi tecnici minimi richiesti Installazione in locali tecnici: assicurare un accesso agevole, rispettare le distanze richieste dal costruttore, nel caso ariaacqua prevedere prese d aria esterne su due lati diversi del locale per evitare cortocircuitazioni dell aria. Se necessario trattare le pareti dei locali tecnici con materiali fonoisolanti/fonoassorbenti

28 Posa in opera delle pompe di calore Installazione in ambienti interni: (ad esempio cucine e vani di servizio) possono essere poste in opera solo pompe di calore espressamente realizzate per questo tipo di installazione. In genere sono pompe di calore preassemblate con un bollitore che serve da tampone e per produrre acqua calda sanitaria. E bene evitare di porre in opera queste pompe in locali che confinano con le camere. Se non ci sono alternative, si può ricorrere all isolamento acustico dei muri o delle tramezzature.