PROBLEMATICHE TECNICHE ED ECONOMICHE DEGLI IMPIANTI ALIMENTATI CON ENERGIE RINNOVABILI: ALCUNE CASISTICHE

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1 TECNOLOGIE INNOVATIVE PER L EFFICIENZA ENERGETICA il solare termico nel condizionamento ediﬁci PROBLEMATICHE TECNICHE ED ECONOMICHE DEGLI IMPIANTI ALIMENTATI CON ENERGIE RINNOVABILI: ALCUNE CASISTICHE GIORGIO BO Prodim - EP&S Delegato territoriale AiCARR Piemonte e Valle d Aosta Mercoledì 10 dicembre 2014 Environment Park Centro congressi Via Livorno, 60 TORINO

2 IL D.LGS 3 MARZO 2011, N 28 Obiettivi del PAN al 2010 nei tre macrosettori applicativi delle fonti rinnovabili, Mtep finali 10% 36% Riscaldamento e raffreddamento Elettricità 54% Trasporti 5% Obiettivi del PAN al 2020 nei tre macro-settori applicativi delle fonti rinnovabili, Mtep finali 11% Riscaldamento e raffreddamento 46% Elettricità Trasporti 38% Trasferimento atteso di FER da altri Stati membri e paesi terzi

3 ART. 11 D. LGS. 3 MARZO 2011, N.28 Obbligo di integrazione delle fonn rinnovabili negli edifici di nuova costruzione e negli edifici esistenn sopoposn a ristrupurazioni rilevann. Allegato 3 due condizioni Gli impiann termici devono garannre la contemporanea copertura, tramite fonte rinnovabile del: 1) 50 % acqua calda sanitaria 2) 20% à 31/05/ % à 01/01/ % à 01/01/ 2017 Somma dei consumi previsn per ACS, riscaldamento, raffrescamento

4 L APPLICAZIONE DEL DECRETO Abbiamo cercato di valutare: ü Quali sono le soluzioni impiannsnche di norma unlizzabili (soluzioni semplici, di basso costo per un possibile largo impiego) ü Quali sono metodi di calcolo applicabili ü Quali sono gli ordini di grandezza ( regole del pollice ) dei parametri in gioco con cui dobbiamo incominciare a prendere confidenza Due esempi applicanvi in solo regime di riscaldamento: 1. Casa unifamiliare (170 m 2 ) 2. Condominio da 29 appartamenn (2.600 m 2 )

5 LE FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI ü Art. 1 comma 3 Legge 10/91 Definizione superata per quanto riguarda le fonn assimilate alle rinnovabili (cogenerazione, calore recuperato, risparmi di energia conseguibili con intervenn sull involucro edilizio e sugli impiann ü Art. 2 D.Lgs n 387/2003 e art. 2 D.Lgs n 28/2011 «energia da fonn rinnovabili»: energia proveniente da fonn rinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuan dai processi di depurazione e biogas;

6 LE FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI RES TECNOLOGIA ENERGIA PRODOTTA SOLARE PANNELLI FOTOVOLTAICI ENERGIA ELETTRICA PANNELLI SOLARI TERMICI ENERGIA TERMICA EOLICA AEROGENERATORI A TURBINA ENERGIA ELETTRICA IDRAULICA CENTRALI IDROELETTRICHE ENERGIA ELETTRICA GEOTERMIA ALTA ENTALPIA CENTRALI GEOTERMOELETTRICHE (per es. Lardarello) ENERGIA ELETTRICA OCEANICA SISTEMI PER LO SFRUTTAMENTO DELLE ONDE, DELLE CORRENTI E DELLE MAREE ENERGIA ELETTRICA BIOMASSA GENERATORI DI CALORE ENERGIA TERMICA AEROTERMICA POMPE DI CALORE aria/acqua ENERGIA TERMICA IDROTERMICA GEOTERMICA POMPE DI CALORE acqua/acqua POMPE DI CALORE acqua/acqua ENERGIA TERMICA ENERGIA TERMICA

7 7 LE TECNOLOGIE DI PIÙ FACILE UTILIZZO PANNELLI SOLARI TERMICI POMPE DI CALORE ARIA- ACQUA CALDAIE A CIPPATO O PELLETS

8 PROCEDURA DI CALCOLO PER SOLARE TERMICO Fabbisogni energexci mensili per riscaldamento e ACS UNI TS ParX 1 e 2 Calcolo irradianza solare UNI TR e UNI Algoritmo di calcolo Metodo F- Chart UNI TS Parte 4 Energia rinnovabile prodo`a

9 PROCEDURA DI CALCOLO PER POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA Fabbisogni energexci mensili per riscaldamento e ACS UNI TS ParX 1 e 2 Determinazione profilo giornaliero (giorno medio del mese) temperatura dell aria esterna e profilo di carico ACS (Appendice G UNI TS ) Andamento COP in funzione temperatura esterna (N.B.PROBLEMA ACQUISIZIONE DEI DATI) Energia rinnovabile prodo`a Energia annualmente prodo`a e assorbita dalla pompa di calore Calcolo SPF SPF > 2,875

10 POMPE DI CALORE - PROFILI GIORNALIERI APPENDICE G UNI TS Potenza [kw] 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Potenze villa unifamiliare Milano mese di gennaio Ore [h] Potenza per riscaldamento Potenza per produzione ACS Potenza totale Temperatura [ C] Temperature esterne Milano mese di gennaio Temperature esterne Ore [h]

11 POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA Energia rinnovabile E RES E SPF RES = E = E E c c,anno s,anno (1 1 ) SPF 1,15 > η = 2,875 E RES = E c,anno E s,anno NON SI CONSIDERA LA TRASFORMAZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA IN ENERGIA PRIMARIA

12 CALDAIE A PELLETS CARICAMENTO AUTOMATICO ü 100 % energia rinnovabile ü Rendimento termico = 90%

13 CALDAIE A PELLETS CARICAMENTO AUTOMATICO

14 CASI STUDIO Villa unifamiliare S=170 m 2 Fabbisogni energetici [kwh/a] Milano Roma Palermo kwh/a % kwh/a % kwh/a % Riscaldamento % % % ACS % % % Totale % % % Condominio 29 appartamenx da 90 m 2 Fabbisogni energetici [kwh/a] Milano Roma Palermo kwh/a % kwh/a % kwh/a % Riscaldamento % % % ACS Totale % % % % % %

15 CRITERI UTILIZZATI PER LE VALUTAZIONI ECONOMICHE ü CosN degli impiann valutan in prima approssimazione con snme di Npo budgepario ü Parametri di calcolo unlizzan per le analisi economiche: Soluzione base di riferimento: caldaia a condensazione Rendimento termico caldaia a condensazione = 1 Potere calorifico inferiore gas metano = 9,6 kwh/sm 3 Costo gas metano = 0,79 /Sm 3 Costo energia eleprica = 0,18 /kwh Rendimento caldaia a pellets = 0,9 Potere calorifico pellets = 4,9 kwh/kg Costo pellets = 0,25 /kg

16 VILLA UNIFAMILIARE S u = 170 m 2

17 COLLETTORI SOLARI PIANI MILANO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superficie colleòri solari piani [mq] Percentuale superficie colleòri solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budgeàrio [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/ m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 3,2 6, ,8 3,8 11,4 30,7 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale 5.000, , , ,

18 COLLETTORI SOLARI PIANI ROMA 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colleòri solari piani [mq] Percentuale superficie colleòri solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budgeàrio [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 2 2 3,6 8,1 1,1 1,1 2,0 4,6 50% ACS 30% Totale 35% Totale 50% Totale 3.000, , , ,

19 COLLETTORI SOLARI PIANI PALERMO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colleòri solari piani [mq] Percentuale superficie colleòri solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budgeàrio [euro] 1,8 1,8 1,8 3,2 1,0 1,0 1,0 1,8 50% ACS 37% Totale 37% Totale 50% Totale 2.700, , , ,0 Incremento di costo/m 2 [euro/m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni]

20 COLLETTORI SOLARI PIANI Area collettori [m2] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Copertura 50% ACS MILANO ROMA PALERMO Varia solo l insolazione Milano kwh/m 2 Roma kwh/m 2 Palermo kwh/m 2 Area collettori [m 2 ] Copertura 50% ACS e 50% totale Varia l insolazione e il fabbisogno energenco 0 MILANO ROMA PALERMO

21 COLLETTORI SOLARI PIANI Tempo di ritorno semplice dell' investimento Villetta unifamiliare Anni MILANO ROMA PALERMO % ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale

22 POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA A MEDIA E AD ALTA TEMPERATURA Le pompe di calore devono essere idonee per produzione ACS, così depe pompe di calore a media (55 ) e ad alta temperatura (60 65 C) Impiego di pompe di calore in grado di consennre il funzionamento con doppio set point di regolazione (per es. riscaldamento 40 C, produzione ACS 60 C) ü Pompe di calore mulnfunzione con doppi scambiatori di calore uno per riscaldamento e uno per produzione ACS ü Pompe di calore con produzione ACS in priorità mediate valvola deviatrice a tre vie (soluzione meno correpa se la pompa di calore a inversione di ciclo viene unlizzata in estate come gruppo frigorifero )

23 POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA DOPPIO SCAMBIATORE Scambiatore ACS Scambiatore climaxzzazione

24 POMPA DI CALORE ARIA/ACQUA: VALVOLA A TRE VIE Valvola a tre vie

25 COP POMPE DI CALORE Esempio variazione COP (compressore scroll - R407C - con iniezione di vapore) 6 5 y = 0,0701x + 3, COP 3 2 y = 0,0423x + 2,7202 COP condensazione 60 C Temperatura esterna [ C] COP condensazione 40 C

26 POMPA DI CALORE - 100% DEL CARICO LOCALITA' Temperatura condensazione unica = 60 C Temperatura condensazione produzione ACS = 60 C riscaldamento = 40 C SPF verifica REP %RES SPF verifica REP %RES MILANO 2,7 NEGATIVA 1,1% 0,00% 3,58 POSITIVA 1,43 72,07% ROMA 3,15 POSITIVA 1,3% 68,24% 3,54 POSITIVA 1,42 71,77% PALERMO 3,19 POSITIVA 1,3% 68,66% 3,19 POSITIVA 1,28 68,66% LOCALITA' Potenza nominale pompa di calore [kw] Incremento di costo budge`ario [euro] Tempo di ritorno semplice [anni] MILANO ROMA PALERMO

27 VILLA UNIFAMILIARE: CONFRONTO NEL CASO COPERTURA MINIMA FABBISOGNI 50% (ANNO 2017) LOCALITA' CALDAIA A CONDENSAZIONE costo costo C.T. C.T./m [ ] 2 [ /m 2 ] COLLETTORI SOLARI costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] P.B.P [anni] POMPA DI CALORE ( Potenza 100%) (1) costo costo C.T. C.T./m 2 P.B.P [ ] [ /m 2 [anni] ] CALDAIA A PELLETS (Potenza 100%) costo C.T./m 2 [ /m 2 ] costo C.T. [ ] P.B.P [anni] MILANO ROMA PALERMO (1) Naturalmente l extracosto e gli anni al punto di pareggio si azzerano se la pompa di calore viene unlizzata in estate come gruppo frigorifero

28 CONDOMINIO S u = m 2

29 COLLETTORI SOLARI PIANI MILANO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colleòri solari piani [mq] Percentuale superficie colleòri solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budgeàrio [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/ m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] ,8 2,4 6,8 16,8 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale , , , ,0 17,8 23,6 68,1 169,

30 COLLETTORI SOLARI PIANI ROMA 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colleòri solari piani [mq] Percentuale superficie colleòri solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budgeàrio [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/ m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] ,3 1,3 1,6 3,3 50% ACS 29% Totale 35% Totale 50% Totale , , , ,0 13,2 13,2 16,4 32,

31 COLLETTORI SOLARI PIANI PALERMO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colleòri solari piani [mq] Percentuale superficie colleòri solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budgeàrio [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] ,2 1,2 1,2 1,5 50% ACS 45% Totale 45% Totale 50% Totale , , , ,0 11,8 11,8 11,8 15,

32 COLLETTORI SOLARI PIANI Copertura 50% ACS Area collettori [m2] MILANO ROMA PALERMO Varia solo l insolazione Milano kwh/m 2 Roma kwh/m 2 Palermo kwh/m 2 Copertura 50% ACS e 50% totale Area collettori [m 2 ] MILANO ROMA PALERMO Varia l insolazione e il fabbisogno energenco

33 COLLETTORI SOLARI PIANI 60 Tempo di ritorno semplice dell' investimento Condominio Anni MILANO ROMA PALERMO - 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale

34 POMPA DI CALORE Potenza nominale [kw] (t e = 7 C ; t AC = 40/45 C) MILANO 20% Totale 35% Totale 50% Totale % RES 24,9 35,3 53,3 Incremento costo budge`ario [ ] Incremento costo/m 2 [ /m 2 ] 4,6 5,4 6,5 Tempo di ritorno semplice [anni] 5,2 3,9 3,1

35 POMPA DI CALORE Potenza nominale [kw] (t e = 7 C ; t AC = 40/45 C) ROMA 20% Totale 35% Totale 50% Totale % RES 36,8 36,8 50,2 Incremento costo budge`ario [ ] Incremento costo/m 2 [ / m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] ,6 4,6 5,4 5,8 5,8 4,4

36 POMPA DI CALORE Potenza nominale [kw] (t e = 7 C ; t AC = 40/45 C) PALERMO 20% Totale 35% Totale 50% Totale % RES 44,9 44,9 58,3 Incremento costo budge`ario [ ] Incremento costo/m 2 [ /m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] ,6 4,6 5,4 6,7 6,7 5,2

37 CONDOMINIO - COPERTURA MINIMA FABBISOGNI 50% (ANNO 2017) CALDAIA A CONDENSAZIONE COLLETTORI SOLARI POMPA DI CALORE CALDAIA A PELLETS (100% FABBISOGNI) LOCALITA' costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] P.B.P [anni] costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] P.B.P [anni] costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] P.B.P [anni] MILANO ROMA PALERMO

38 CONSIDERAZIONI FINALI Seppur la presente analisi sia stata per il momento limitata alle casisnche più semplici (solo riscaldamento di piccole unità abitanve si possono fare le seguenn considerazioni: ü L applicazione del decreto non potrà se non comportare rilevanx ripercussioni nel sepore delle costruzioni sia in termini tecnici, sia in termini economici. ü Le unità abitaxve più piccole sono maggiormente sfavorite dal punto di vista economico per problemi di taglia delle apparecchiature installabili ü Il solare termico specie nel lungo periodo può essere preso in considerazione solo nel centro e sud Italia dove l insolazione è maggiore e dove i fabbisogni energenci sono minori

39 CONSIDERAZIONI FINALI ü Le pompe di calore sono la soluzione più interessante, che diventa di gran lunga la soluzione base se è previsto anche il raffrescamento esnvo. ü Sono da approfondire e diffondere le conoscenze relanve all impiego dei sistemi a biomassa oggi poco note in quanto tali soluzioni impiannsnche sono poco diffuse. In parncolare sono da approfondire gli aspeq legan all inquinamento ambientale. ü Le problemanche relanve al rispepo del decreto diventano sicuramente molto più complesse nel caso di edifici dotan di impianto di condizionamento, per i quali quasi certamente si renderà necessario cercare di coprire tupa la quota RES in inverno, essendo molto più difficile e oneroso produrre RES in estate.

40 CONSIDERAZIONI FINALI ü Per determinan edifici molto energivori specie in regime esnvo (per es. centri commerciali, ospedali, palazzi uffici) la soluzione del problema potrebbe risultare molto molto difficile. Sarebbe pertanto interessante se si cominciassero a fare verifiche in tal senso prima che sia troppo tardi. ü Vi è infine certamente l esigenza di definire procedure di calcolo certe e uguali per tuq, in assenza delle quali i possibili diversi modelli di simulazione adopabili potrebbero portare a risultan anche fortemente disomogenei, il che è incompanbile in un ambito di rispepo legislanvo.