Energia al Trasferimento tecnologico

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1 POMPE DI CALORE: TECNOLOGIA E LABORATORI DISPONIBILI 1. Referenti: Luca Molinaroli Indirizzo: Campus Bovisa - Via Lambruschini, Milano Telefono: Fax: luca.molinaroli@polimi.it 2. Infrastrutture disponibili per attività di R&S, competenze ed esperienze Approfondita conoscenza teorica ed esperienza sperimentale nel campo dei componenti e dei sistemi a pompa di calore. Programma di calcolo e simulazione dei componenti della pompa di calore, del sistema pompa di calore e dell accoppiamento pompa di calore-edificio. Analisi delle prestazioni puntuali e stagionali delle pompe di calore. Laboratorio RELAB: laboratorio per l analisi e la certificazione delle prestazioni di pompe di calore per il riscaldamento e per la produzione di acqua calda sanitaria, seconda la normativa EN e EN14825, fino ad una potenza 100 kw. Laboratorio HIL: laboratorio per la simulazione dinamica in tempo reale di sistemi combinati di utenza e produzione di calore, tramite tecnologia Hardware in the Loop, fino ad una potenza 30 kw 3. Contatti Laboratorio Attività Responsabile Scientifico RELAB Certificazione Prof. Mario prestazioni Motta HIL Analisi dinamica delle prestazioni Prof. Federico Pedranzini Responsabile Operativo Ing. Alberto Mauro Ing. Patrizia N. Melograno Prof. Federico Pedranzini Riferimenti (telefono; mail) alberto.mauro@polimi.it patrizia.melograno@polimi.it federico.pedranzini@polimi.it 4. Descrizione della tecnologia La pompa di calore è una macchina termodinamica comunemente usata per la climatizzazione degli ambienti, in grado di trasferire l energia da una sorgente a temperatura minore ad un pozzo a temperatura maggiore. Il calore tende spontaneamente a trasferirsi da un corpo caldo ad uno più freddo, tuttavia introducendo del lavoro è possibile invertire il senso di questo processo. Tale lavoro consiste in un apporto energetico, rappresentato da energia elettrica, da energia chimica o da calore ad alta temperatura che può far funzionare una pompa di calore, rendendo utilizzabile una maggior quantità di calore rispetto a quella ottenibile dalla sua semplice trasformazione in calore. Durante il funzionamento nella stagione invernale una pompa di calore sottrae quindi calore dall ambiente

2 esterno (pozzo freddo) e lo cede all interno dell edificio (pozzo caldo). Le macchine invertibili, grazie alla possibilità di realizzare l inversione del ciclo, garantiscono il funzionamento estivo, dove questa volta il calore è prelevato dall interno e scaricato in ambiente. A seconda che la fonte ambientale sfruttata sia l aria, il terreno o l acqua superficiale, queste macchine vengono classificate rispettivamente come macchine aereotermiche, geotermiche ed idrotermiche. Dalle leggi della termodinamica è noto che la massima efficienza per un sistema a pompa di calore che lavora tra le temperature T H e T C, assorbe il lavoro W per il suo funzionamento e cede all ambiente a TH la quantità di calore Q si ha con la macchina di Carnot: T H COP = Q W = T H T C Si noti come l efficienza ottenibile sia sempre maggiore all unità, risultando tanto più elevata quanto più sono vicine le due temperature. Ovviamente nel passaggio da ciclo ideale a ciclo reale l indice COP diminuirà a causa delle irreversibilità che si instaurano in una macchina reale. Nel caso in cui l energia richiesta per il funzionamento sia meccanica (lavoro W) si parla di macchine a compressione di vapore, mentre qualora sia termica (calore Q IN) si parla di macchine ad assorbimento. Di queste, la prima categoria che è sicuramente la più diffusa, ed è costituita da quattro componenti principali: il compressore, la valvola di laminazione e due scambiatori di calore, connessi con un circuito chiuso percorso da un fluido refrigerante in pressione come mostrato nella figura seguente: Figura 1 Architettura elementare di pompa di calore. Il suo funzionamento si basa su due principi fondamentali: 1. Una sostanza che passa dalla fase liquida alla fase vapore necessita del calore di vaporizzazione che viene sottratto da una sorgente esterna, mentre viceversa quando la sostanza passa dalla fase vapore alla fase liquida cede una quantità di calore, il calore di condensazione. 2. La vaporizzazione e la condensazione per ogni sostanza pura ad una certa pressione possono avvenire soltanto ad una determinata temperatura che si mantiene costante durante il processo. Quanto più alta è la pressione a cui avviene il cambiamento di fase, tanto più è alta la temperatura a cui questo può avvenire. Conseguentemente ai due principi precedenti, il circuito frigorifero elementare è composto da un evaporatore, dove il fluido frigorigeno evapora alla temperatura della sorgente fredda, da un

3 compressore che porta il vapore formatosi ad una pressione più alta e da un condensatore dove il vapore condensa cedendo calore ad una temperatura più alta e da cui ritorna all evaporatore attraverso la valvola di laminazione, la quale permette il passaggio del condensato nella misura prevista dal compressore. L indice di prestazione energetica risulta pertanto così definito: Le sorgenti termiche delle pompe di calore COP = Q COND W COMP Per quanto riguarda le sorgenti termiche dalle quali può essere catturato il calore si hanno l aria esterna, le acque superficiali e il terreno: 1. L aria ha come grande vantaggio quello di essere disponibile ovunque e senza particolare sforzo, se non quello di movimentarla attraverso la superficie di scambio tramite dei ventilatori. Dato il coefficiente di scambio termico limitato si ha la necessità di avere grandi superfici e/o grandi portate d aria, perciò è necessario un compromesso tra ingombro della macchina e dimensionamento dei ventilatori che hanno il problema intrinseco di essere rumorosi. Il grande limite di questa sorgente è che le prestazioni delle macchine aereotermiche sono molto variabili con la temperatura dell aria e quindi dipendono fortemente dal clima della località di installazione, per non parlare del problema della formazione di brina sugli scambiatori che penalizza lo scambio termico a discapito dell efficienza. 2. Per acque superficiali si intendono quelle di mari, laghi, fiumi e canali, le quali presentano livelli di temperatura più costanti e compatibili con le pompe di calore. La disponibilità è però più limitata rispetto all aria e ci sono dei limiti legati alla variabilità stagionale delle portate, alla presenza di contaminanti e insoluti dannosi per gli scambiatori, agli elevati costi delle opere di prelievo e scarico e alla numerosità e complessità delle autorizzazioni oltre ai vincoli su prelievo e reimmisione. 3. Il terreno è una sorgente termica interessante che può essere sfruttata in circuito aperto con il prelievo dell acqua di falda tramite dei pozzi, oppure in circuito chiuso inserendo in verticale o orizzontale nel terreno delle sonde con le quali prelevare calore direttamente dal terreno. I limiti sono anche qui legati alla complessità degli iter autorizzativi, agli elevati costi di perforazione e agli ingenti consumi di pompaggio, specialmente per le acque di falda. Le prestazione di una pompa di calore Le prestazioni di una pompa di calore a compressione di vapore sono descritte principalmente dalla sua capacità o resa disponibile e da un indice di efficienza. Quest ultimo è definito come il rapporto tra l effetto utile prodotto, ovvero la resa, e il lavoro speso per ottenerlo, cioè l energia assorbita dal compressore e dagli ausiliari quali le pompe e/o i ventilatori. Si utilizzano due indicatori adimensionali differenti: il Coefficient Of Performance (COP) per la modalità di riscaldamento dove l effetto utile è l energia termica fornita dal condensatore, e l Energy Efficiency Ratio (EER) in raffrescamento laddove si considera l energia sottratta dall evaporatore. Questi valori dipendono fortemente dalle temperature di condensazione ed evaporazione aumentando all avvicinarsi di tali temperature. Questo giustifica la scelta dell opportuna sorgente termica per poter tenere alta la temperatura di

4 evaporazione, e il vantaggio derivante dall accoppiamento di una pompa di calore a un sistema a bassa temperatura che permetta di abbassare la temperatura di condensazione. Una considerazione opposta vale considerazione opposta per l EER, che aumenta al diminuire della temperatura della sorgente esterna. Le macchine che sono progettate per funzionare esclusivamente in riscaldamento o in raffrescamento raggiungono prestazioni più elevate, mentre nella progettazione di una macchina invertibile si raggiunge un compromesso tra i due funzionamenti perciò, in una delle due stagioni, essa risulta sovradimensionata a scapito dell efficienza. Per realizzare l inversione di ciclo bisogna inserire componenti aggiuntivi come la valvola a 4 vie o altri dispositivi che impediscono il ritorno di liquido al compressore ma introducono perdite di carico aggiuntive nel circuito frigorifero; inoltre il condensatore e l evaporatore hanno alternativamente un funzionamento in controcorrente o in equicorrente, con diverse efficienze. Un altro fattore che influisce sulle prestazioni è il fattore di carico, difatti, qualora la potenza termica richiesta risulti inferiore alla minima potenza che la macchina può erogare, si è costretti a cicli di accensione e spegnimento che penalizzano l efficienza a causa dei transitori tra un regime e l altro e dei consumi parassiti nei periodi di off. Per ovviare a questo problema si adottano alcune strategie, come l aumento dell inerzia dell impianto mediante un accumulo oppure l introduzione di soluzioni che permettano di erogare una capacità variabile, per esempio parzializzando su più compressori o utilizzando una regolazione con inverter. Con il carico parzializzato gli scambiatori di calore risultano sovradimensionati, riducendo il ΔT tra evaporazione e condensazione a beneficio dell efficienza complessiva della macchina. Nel caso specifico delle macchine aereotermiche si ha il problema della formazione della brina quando la temperatura superficiale della batteria è inferiore al punto di rugiada dell aria umida e al punto di congelamento dell acqua. La brina riduce le sezioni di passaggio dell aria e agisce da isolante termico penalizzando le prestazioni e abbassando la temperatura di evaporazione. Si rendono dunque necessari periodici cicli di sbrinamento per salvaguardare la macchina e ripristinare un funzionamento più efficiente. La tecnica più diffusa consiste nelle inversioni del ciclo frigorifero in modo che il vapore caldo attraversi la batteria e sciolga la brina accumulata, il compressore continua a funzionare ma senza produrre alcun effetto utile. In tale situazione si ha una diminuzione fino a circa il 30% sulla produzione di potenza termica, e le condizioni più degradanti si verificano tra i 2 C e i 7 C dove il contenuto di vapor d acqua nell aria è tale da innescare un elevata formazione di brina. Per tenere conto di tutte queste variabilità si utilizzano degli indicatori stagionali, ovvero il SCOP e il SEER dove la S sta appunto per Seasonal. L Unione Europea ha introdotto il regolamento UE 813/2013 che ha lo scopo di Le pompe di calore definire un rendimento η S riferito all energia primaria il quale è univoco per tutti i sistemi di riscaldamento. Tale indice prende il nome di seasonal space heating energy efficiency ed è definito come il rapporto tra l energia termica resa durante una stagione di riferimento e i consumi totali riportati in forma di energia primaria secondo i coefficienti di conversione indicati nel regolamento stesso. Campi di Applicazione Una pompa di calore, ad eccezione di quelle che utilizzano fluidi speciali come l anidride carbonica CO 2, non può raggiungere le temperature di produzione di acqua calda tipiche di una caldaia tradizionale. Non la si trova difatti accoppiata ai tradizionali impianti termici ad alta temperatura, ma essa si sposa alla perfezione con le applicazioni a bassa temperatura sviluppate negli ultimi decenni. È privo di senso infatti utilizzare sistemi che utilizzano la massima temperatura di erogazione dell energia termica di una pompa di calore (solitamente compresa tra i 50 C e i 60 C), mentre esistono

5 altre soluzioni che, con un opportuno dimensionamento, permettono di lavorare a temperature tra i 30 C e i 40 C dove la macchina offre rese e rendimenti maggiori. Un discorso a parte merita la produzione di acqua calda sanitaria. Infatti, nei fabbisogni energetici di un edificio, oltre a quelli di riscaldamento e raffrescamento, rientra quello relativo alla produzione di acqua calda sanitaria. Negli ultimi tempi a causa delle sempre migliori condizioni di isolamento raggiunte, che hanno ridotto le entità dei carichi termici di progetto, questo fabbisogno ha raggiunto una quota importante nel fabbisogno globale del fabbricato. La caratteristica della richiesta di acqua calda sanitaria sta nella sua concentrazione, poiché essa deve essere disponibile prontamente e per un tempo limitato. La soluzione è l accoppiamento di una pompa di calore con un sistema di accumulo, il quale deve essere opportunamente dimensionato secondo il consumo giornaliero di acqua calda e la sua concentrazione. La potenza della macchina viene scelta in base al carico di riscaldamento ma la produzione di acqua calda sanitaria ha sempre la precedenza, perciò quando c è una richiesta la pompa di calore si dedica ad essa con un set point di 55/60 C. Esistono diverse soluzioni impiantistiche, una delle più diffuse è un boiler con un serpentino immerso che cede il calore prodotto dalla macchina al volume accumulato. In certi casi, specie in presenza di acqua con alto contenuto di calcare, si ricorre a uno scambiatore a piastre esterno tra il serbatoio e la rete dell acqua calda, tale soluzione presenta migliori coefficienti di scambio termico e permette di essere più facilmente ripulito dai depositi calcarei. La produzione di acqua calda sanitaria presenta il problema intrinseco della proliferazione della legionella. Infatti il batterio Legionella Pneumophila, che ne è responsabile, ha la sua crescita ottimale tra i 30 C e i 50 C tipici del sistema di accumulo. La temperatura è il fattore fisico con un ruolo fondamentale nella proliferazione e nella eliminazione della legionella. Un rimedio molto comune è quello di praticare uno shock termico, portando periodicamente l accumulo ad almeno 70 C, temperatura alla quale si ha la morte istantanea dei batteri, oppure anche a temperature inferiore dove però è necessario mantenere queste condizioni per un determinato intervallo di tempo. Questa operazione viene fatta da un sistema ausiliario alimentato a gas naturale oppure con delle resistenze elettriche. Un alternativa meno penalizzante dal punto di vista energetico è quella di inserire un serpentino o uno scambiatore di calore istantaneo che preleva l acqua direttamente dalla rete fredda e assorbe calore da un accumulo in circuito chiuso. Un interessante applicazione prevede di utilizzare il calore proveniente dal desurriscaldamento di una macchina, infatti sfruttando la differenza tra la temperatura di scarico del compressore e quella di condensazione è possibile dedicare circa il 20% della potenza di una pompa di calore alla produzione di acqua calda sanitaria senza penalizzare eccessivamente il funzionamento della stessa. Si prevede dunque uno scambiatore aggiuntivo prima del condensatore che può riscaldare l acqua sia durante il funzionamento invernale sia durante quello estivo. Le pompe di calore La pompa di calore rappresenta una valida alternativa ai sistemi di riscaldamento tradizionale. Le legislazioni e normative vigenti spingono nella direzione di una sempre maggior diffusione di questa tecnologia, sia per diversificare le fonti energetiche nel settore e ridurre la dipendenza e i consumi di gas naturale e altri combustibili fossili, sia per rispondere agli obiettivi riguardanti la quota di energia prodotta da fonte rinnovabile. La Direttiva Europea 2009/28/CE, recepita in Italia dal Dlgs. 38/2011 ( decreto rinnovabili ), riguardante la promozione dell uso di energia da fonti rinnovabili, stabilisce le indicazioni per la promozione di tali fonti e fissa obiettivi nazionali per la quota di energia da fonti rinnovabili rispetto al consumo finale lordo da raggiungere entro il Tale Direttiva classifica l energia catturata dalle pompe di calore disponibile in natura come aerotermica, geotermica e idrotermica. Tuttavia la diffusione delle pompe di calore è inferiore a quanto ci si aspetta da questi vincoli, soprattutto nel settore residenziale. Nelle località dove c è poca o nulla richiesta di raffrescamento l uso delle tradizionali caldaie a combustibile fossile è prevalente. Diventa invece una

6 soluzione molto interessante l adozione di pompe di calore elettriche invertibili nelle zone con inverni più miti e dove si ha un certo fabbisogno di raffrescamento. L ostacolo a una diffusione più ampia è costituito da barriere di tipologia informativa ed economica. Da parte di molti, spesso anche tecnici e installatori stessi, si ha la convinzione che questa sia una tecnologia ancora emergente, della quale non se ne conoscono bene le potenzialità operative e le effettive prestazioni. Perciò si preferisce rivolgersi ad una tecnologia più matura ed affermata come la caldaia; inoltre nel caso di certe soluzioni impiantistiche già installate può risultare incompatibile l adozione di una pompa di calore. Dal punto di vista economico è necessario aspettarsi che l adozione di una soluzione più costosa possa essere ripagata in termini non troppo lunghi. La pompa di calore è una macchina più sofisticata della caldaia e con volumi produttivi largamente inferiori rispetto ad una tecnologia che, come detto in precedenza, risulta più collaudata. Nel caso appunto di maggiori costi iniziali è necessario verificare che il risparmio in bolletta consenta un recupero economico in tempi ragionevoli. Se la convenienza in termini di efficienza è manifesta non si verifica necessariamente lo stesso per i costi energetici. La tariffazione elettrica applicata alle utenze domestiche presenta un costo del kwh che cresce con il livello di consumo (oltre i 2700 kwh/annui), in particolare per quanto riguarda la componente dei servizi di rete. Ciò va quindi a penalizzare fasce di consumo oltre i 2700 kwh/annui anche nel caso in cui si stiano impiegando sistemi efficienti e rinnovabili come le pompe di calore che, al contrario, consentono elevati risparmi di energia primaria. L installazione di una pompa di calore richiede un potenziamento dell allacciamento elettrico e risulta anche possibile l installazione di un secondo contatore dedicato ad essa in modo tale che l aumento della tariffa non si ripercuota anche sugli apparecchi utilizzatori tradizionali. Bisogna poi tener conto di alcune criticità relative a questa tecnologia. Le macchine a compressione di vapore, specialmente quelle aria-acqua, sono caratterizzate da una forte variabilità delle prestazioni in relazione alla temperatura dell aria esterna. Ciò provoca problemi in fase di dimensionamento dell impianto poiché è necessario selezionare una macchina che soddisfi i carichi richiesti ma che allo stesso tempo non sia troppo sovradimensionata. Per contrastare la variabilità nella produzione di potenza termica o frigorifera, è bene prevedere un sistema di accumulo, specialmente nel caso di produzione di acqua calda sanitaria, per aumentare l inerzia del sistema. Si aggiungono quindi ulteriori costi e la necessità di una progettazione e un dimensionamento adeguati.