Il condizionamento (riscaldamento e raffreddamento)

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1 Il condizionamento (riscaldamento e raffreddamento) 1

2 Comfort negli edifici e impianti 2

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4 Composizione di un impianto di climatizzazione 1) Centrale di produzione del caldo e/o del freddo 2) Sistemi di espansione 3) Sistema di distribuzione del fluido termovettore (tubazioni per acqua calda/fredda canalizzazioni per aria) 4) Terminali di erogazione negli ambiente climatizzati 5) Dispositivi di regolazione e controllo 4

5 Gli impianti di riscaldamento mantengono all interno degli ambienti una temperatura prefissata, senza controllare l umidità. 5

6 Classificazione a) secondo l utenza servita: - CENTRALIZZATI: a servizio di più unità abitative; - AUTONOMI: a servizio di una sola unità abitativa. b) secondo il fluido termovettore: - AD ACQUA: a circolazione forzata o naturale; - A VAPORE: a bassa o ad alta pressione; - AD ARIA. c) secondo il principio di diffusione del calore: - A CONVEZIONE: radiatori, ventilconvettori; - A IRRAGGIAMENTO: termostrisce, tubi radianti. d) Secondo la sorgente di energia: - LEGNA, CARBONE, GASOLIO, GAS, ELETTRICITÁ, SOLE. 6

7 Impianti ad acqua Il fluido termovettore è acqua riscaldata o raffrescata in centrale termica e quindi distribuita ai singoli terminali nei diversi ambienti. - RADIATORI (TERMOSIFONI) - PANNELLI RADIANTI - VENTILCONVETTORI (FAN COIL) - TERMOCONVETTORI - AEROTERMI Impianti ad aria Il fluido termovettore è aria captata dall esterno, trattata all interno o di un dispositivo compatto (split) o di una unità di trattamento (UTA o ventilante), e quindi immessa in ambiente, direttamente o attraverso una canalizzazione dedicata. - UTA E CANALIZZAZIONI - SPLIT 7

8 Impianti ad acqua calda e/o refrigerata 1. Possono controllare solo la temperatura ambiente 2. Non sono in grado di controllare l umidità ambiente 3. Sono poco costosi. Tipologie: 1. Impianti a radiatori (solo riscaldamento) 2. Impianti ad aerotermi (officine e magazzini solo riscaldamento comfort scadente poco costosi) 3. Impianti a fan coil (riscaldamento invernale e raffrescamento estivo controllo solo indiretto dell umidità adatti per uffici poco costosi) 4. Impianti a pannelli radianti a pavimento (riscaldamento invernale e raffrescamento estivo ottimo comfort molto costosi) 8

9 CORPI SCALDANTI AD ACQUA E LORO SCHEMI DI ALIMENTAZIONE 9

10 Principio di dimensionamento di un radiatore Nota la potenza temica di riscaldamento: 1) fissare il numero dei radiatori da installare nel locale e la potenza di ciascuno di essi; 2) scegliere il tipo di radiatore ed il numero di colonne di ciascun elemento; 3) leggere sulle tabelle del costruttore la potenza emessa da ciascun elemento in funzione della temperatura dell acqua di alimentazione (55ºC circa); 4) calcolare il numero di elementi necessari per fornire la potenza di calcolo del radiatore (rapporto tra la potenza di progetto del radiatore e la potenza emessa da ciascun elemento); 5) verificare la coerenza tra disegno architettonico di ingombro della eventuale nicchia sotto finestra in cui collocare il radiatore e le effettive dimensioni del radiatore. 10

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12 C,d,e,f,h scelta di progetto 12

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14 Principio di dimensionamento di un radiatore 14

15 Prestazioni di un radiatore in condizioni diverse dalle nominali 15

16 Numero di elementi per locale N el Q Q loc eff 16

17 Reti di distribuzione Reti di distribuzione a circolazione naturale: il moto dell acqua nelle tubazioni avviene sfruttando il moto convettivo provocato dalle differenze di densità nel fluido termovettore. Reti di distribuzione a circolazione forzata: il moto dell acqua nelle tubazioni è prodotto tramite delle pompe di circolazione. 17

18 Due tubi a circolazione naturale 18

19 Due tubi a circolazione forzata 19

20 due tubi con collettori complanari 20

21 Schema a collettore per alimentazione di corpi scaldanti ad acqua Vista collettore di distribuzione di mandata (rosso) ed di ritorno (blu) 21

22 Singolo tubo 22

23 Schema a pettine per alimentazione di corpi scaldanti ad acqua Schema di principio 23

24 Schema a collettore per alimentazione di corpi scaldanti ad acqua Schema di principio 24

25 Esempio di progetto di impianto (schema a collettore) R1,R2,R3,R4, radiatori C.1 collettore di distribuzione 25

26 R1,R2,R3,R4, radiatori C.1 collettore di distribuzione 26

27 Termoconvettori 27

28 Ventilconvettori (fan coil) (riscaldamento raffrescamento) 28

29 Ventilconvettori (fan coil) (riscaldamento raffrescamento) 29

30 Ventilconvettori (fan coil) 30

31 Esempio di impianto a fan coil per incasso a pavimento (efficace perché riscalda immediatamente la vena fluida raffreddata dal passaggio in prossimità della finestra) 31

32 Esempio di impianto a fan coil per incasso a pavimento 32

33 Esempio di impianto a fan coil 33

34 Esempio di impianto a fan coil montante 1 dal dal piano ammezzato 1200 l/h - Dn 25 FC22 Aermec o sim l/h - Dn 25 Armaflex o sim. 13 mm FC22 Aermec o sim. 300 l/h - Dn 20 Armaflex o sim. 13 mm FC22 Aermec o sim. 600 l/h - Dn 20 Armaflex o sim. 13 mm 300 l/h - Dn 20 FC22 Aermec o sim. 300 l/h - Dn 20 Armaflex o sim. 13 mm montante 2 dal dal piano ammezzato 2450 l/h - Dn 32 montante 2 al piano sottotetto 1200 l/h - Dn 25 FC32 Aermec o sim. FC22 Aermec o sim. 950 l/h - Dn 20 Armaflex o sim. 13 mm FC32 Aermec o sim. 450 l/h - Dn 20 Armaflex o sim. 13 mm FC22 Aermec o sim. 900 l/h - Dn 20 Armaflex o sim. 13 mm FC32 Aermec o sim. FC42 Aermec o sim. 650 l/h - Dn 20 Armaflex o sim. 13 mm 900 l/h - Dn 20 Armaflex o sim. 13 mm 1950 l/h - Dn 25 Armaflex o sim. 13 mm montante 3 dal dal piano ammezzato 2850 l/h - Dn 32 stacco da 2850 l/h Dn 32/13 mm 34

35 Esempio di impianto a pannelli radianti 35

36 Sezione di impianto a pannelli radianti con lamiera ripartitrice Pannello isolante di posa Profilo diffusore Tubazione radiante Pe - Al - Pe Ø 16 mm Lamiera ripartitrice di calore Film Polietilene Rete antiritiro Banda perimetrale Rivestimento Massetto cementizio 10 Guaina Bituminosa

37 Sezione di impianto a pannelli radianti di tipo annegato minima distanza da muri perimetrali 12.5 cm battiscopa coprigiunto banda perimetrale pavimento massetto additivato 4.5 cm. min rete elettrosaldata anti ritiro Ø3 10x10 tubazione radiante Pe Al Pe Ø 16x2 mm o sim. 4.7 cm max pannello isolante Film PE solaio 37

38 Disposizioni di pannelli radianti 38

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40 Caratteristiche funzionali dei pannelli radianti Inverno (riscaldamento) T di alimentazione invernale da 35 a 45ºC Resa invernale da 50 a 100 W/m 2 Estate (raffrescamento) T di alimentazione estiva di 16ºC (al di sotto di tale valore si possono avere fenomeni di condensa superficiale) Resa estiva (massima, solo calore sensibile) 30 W/m 2 E importante controllare i fenomeni di dilatazione del pavimento mediante inserimento di giunti all interno del massetto sopra pannello (max superficie consigliabile 40 m 2 ) 40

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43 CENTRALI TERMICHE 43

44 Caldaie tradizionali 44

45 Caldaie tradizionali I fumi escono ad alta temperatura, superiore ai 100ºC. Il flusso termico dei fumi ad alta temperatura, pur rappresentando una necessità tecnologica (facilita l espulsione in camino), rappresenta tuttavia una consistente dissipazione energetica. Un altra dissipazione energetica è inoltre associata al "calore latente" del vapore d'acqua generato nel processo chimico della combustione disperso insieme agli altri fumi. Le vecchie caldaie sono spesso caratterizzate da rendimenti termici poco soddisfacenti (e quindi costi più elevati per il riscaldamento). Nelle caldaie più recenti, ma anche nelle migliori caldaie moderne, il rendimento è al massimo di poco superiore al 90%. 45

46 Caldaie a condensazione Elemento di innovazione: si utilizza il calore contenuto nei fumi per riscaldare acqua. Le caldaie a condensazione raffreddano i fumi fino al "punto di rugiada recuperando parte del calore contenuto in essi. I fumi diventano così freddi che è possibile utilizzare una semplice tubazione in plastica come canna fumaria. Grazie a questo recupero termico, nelle migliori caldaie a condensazione si riescono ad ottenere rendimenti superiori al 100% (shift potere calorifico inferiore potere calorifico superiore). 46

47 Caldaie a condensazione 47

48 Caldaie a condensazione La sostituzione di una caldaia tradizionale con una a condensazione è accompagnata da una diminuzione dei consumi di circa il 15% grazie alle caratteristiche tecnologiche della caldaia a condensazione (modulazione, sonde temperatura, accumulo di calore all interno del serbatoio a stratificazione). Il risparmio può anche raggiungere e superare il 30%, dipende ovviamente dall aumento del rendimento di centrale. Un abitazione servita da una caldaia tradizionale di qualità da 30 kw può essere gestita da una caldaia a condensazione da 25 kw. Se si completa il sistema con l'integrazione di pannelli solari, si può aggiungere il risparmio consentito in riscaldamento dall'utilizzo dell'energia solare (25-30% medio). Dalla combinazione di pannelli solari e caldaia a condensazione è possibile ottenere risparmi anche superiori al 60%. 48

49 Caldaie a biomasse: cippato Il termine deriva dall'inglese chips pezzettini : sono gli scarti di legno ricavati dall attività delle segherie, da ceduo boschivo, da potature agricole e stradali. Sono escluse le lavorazioni sui legni trattati (vernici, ecc.) E' un ottimo combustibile, non inquinante (a meno dei depositi sulla corteccia) e rinnovabile (al netto dei costi energetici di approntamento), che può essere utilizzato per alimentare caldaie e/o stufe per riscaldamento e/o produzione di acqua sanitaria. Il potere calorifico del cippato vale kwh/kg in base al grado di umidità. Nella combustione del legno la quantità di CO 2 emessa è la stessa che si viene a produrre durante la fase di putrefazione del legname. Il costo del cippato è abbastanza basso: ideale per teleriscaldamento e per riscaldamento di singoli edifici e/o fabbricati industriali, consente risparmi fino all'80% sui gas e idrocarburi. Con circa 2.5 kg di legno cippato, costo al kg , si sviluppa la stessa potenza di un litro di gasolio. 49

50 Caldaie a biomasse Schema funzionale 50

51 Caldaie a biomasse: pellets I pellets sono a base di legno naturale; come materia prima per la loro produzione si utilizzano trucioli di piallatura e di segheria che, senza l'aggiunta di sostanze agglomeranti di origine chimico-sintetica, vengono pressati sotto forma di rullini cilindrici con un diametro di 10 mm circa. I pellets vengono forniti in sacchi da kg per le piccole utenze. Per le grandi utenze ossono essere anche trasportati da autocisterna, munita di sistema pneumatico e relative tubazioni, per stiparli in eventuali silos. La potenzialità energetica di 1 m³ di pellet corrisponde a quella di circa 350 L di gasolio. Il bruciatore a pellet è stato inventato negli USA. Sono commercializzati vari modelli di bruciatori, il cui rendimento medio è dell 85 90% circa. I dispositivi sono di norma completamente automatizzati: un microprocessore controlla l'accensione, temperatura, portata di massa di pellet nella caldaia, l'addensamento delle ceneri. Vi sono problemi con le emissioni di polveri (è generalmente necessaria l adozione di filtri a manica, sostenibili solo in grandi impianti) 51

52 Caldaie a biomasse: pellets Il serbatoio di deposito dei pellets può essere di varie dimensioni in base alla taglia dell'impianto di riscaldamento. I pellets sono trasportati alla caldaia con 5 modalità possibili, in funzione delle esigenze dell utenza ed delle dimensioni ed alla posizione del deposito: 1) Trasportatore a coclea con piega ad angolo vivo (spazio minimo nel vano caldaia, più spazio per il deposito, svuotamento automatico, funzionamento silenzioso e consumo minimo di corrente elettrica). 2) Estrazione dal serbatoio (soluzione semplice, poco spazio nel vano caldaia, deposito a lato del bruciatore si può riempire comodamente). 3) Trasportatore a coclea con estrazione tramite agitatore (nei depositi di forma quadrata e di grosse dimensioni; svuotamento automatico). 4) Sistema di trasporto ed aspirazione con estrazione a coclea (quando il deposito è posizionato lontano dalla caldaia; svuotamento automatico). 5) Sistema di trasporto ed aspirazione con aspirazione a lancia (depositi sono posizionati lontano dalla caldaia). 52

53 La casa rinnovabile Schema impianto di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria ad energie rinnovabili: - pannelli solari - caldaia a biomassa - boiler tampone e riscaldamento a pavimento (a bassa temperatura ) 53

54 GiulianoCammarata-FisicaTecnica 54

55 Potere calorifico di un combustibile quantità di calore sviluppata durante la combustione completa di un kg di combustibile solido o liquido o di un Nm 3 di combustibile gassoso. Potere calorifico superiore: l acqua presente al termine della combustione, si trova allo stato liquido; Potere calorifico inferiore: l acqua presente al termine della combustione si trova allo stato di vapore. POTERE CALORIFICO DEI COMBUSTIBILI 55

56 CENTRALI FRIGORIFERE 56

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58 Macchine frigorifere a compressione di vapori CONDENSATORE COMPRESSORE LAMINATORE Seguendo lo schema di impianto si ha - la compressione del gas (trasformazione CD), poi - la condensazione (DA), - la laminazione (AB) e, quindi, - l'evaporazione (BC). EVAPORATORE La fase frigorifera é data dall'evaporazione lungo BC, mentre la fase di riscaldamento per il funzionamento a pompa di calore é data lungo la DA. L'energia esterna, fornita mediante il compressore (trasformazione CD), 58 é la fase pagante del ciclo.

59 Macchine frigorifere a compressione di vapori CONDENSATORE COMPRESSORE CONDENSATORE COMPRESSORE LAMINAZIONE LAMINAZIONE EVAPORATORE EVAPORATORE ZONA DEI VAPORI SATURI ZONA DEI VAPORI SATURI Ciclo frigorifero ideale con compressione adiabatica CD Ciclo frigorifero reale con compressione reale CD (aumento dell entropia) 59

60 Macchine frigorifere: efficienza Per i cicli inversi non si definisce un rendimento di trasformazione bensì una efficienza in funzione dell effetto utile ottenuto. Il rapporto esprime due definizioni di effetto utile a seconda che ci si ponga - dal lato della produzione di freddo, frigorifero (quindi l effetto utile è Q2) - dal lato della produzione del caldo, pompa di calore (l effetto utile è Q1) CONDENSATORE dal bilancio globale della macchina termica, in regime stazionario,, deve essere: COMPRESSORE LAMINATORE allora EVAPORATORE 60

61 Macchine frigorifere: efficienza Pertanto nel funzionamento del ciclo inverso a pompa di calore il coefficiente di effetto utile termico risulta, almeno teoricamente, maggiore di 1 rispetto al coefficiente di effetto utile frigorifero. Nel funzionamento a pompa di calore si ha il contributo anche dell energia meccanica (lavoro) impegnata nel ciclo. Questa osservazione rende interessante l uso dei cicli inversi per il riscaldamento degli edifici si può utilizzare con più congruenza energetica la macchina a pompa di calore ottenendo, per ogni kw di potenza impegnata nel compressore, kw di potenza termica resa. Nei casi concreti l efficienza della macchina a ciclo inverso dipende dell efficienza delle batterie di scambio del condensatore e dell evaporatore. 61

62 Macchine frigorifere: efficienza L efficienza delle batterie di scambio del condensatore e dell evaporatore è maggiore quando il fluido di scambio è in forma liquida, rispetto al caso di scambio fra gas. Per le applicazioni impiantistiche usuali si hanno, le seguenti tipologie: Nella tabella con la dizione Acqua-Acqua si intende acqua nell evaporatore e acqua nel condensatore, cioè si tratta di un frigorifero che raffredda acqua e che è raffreddato (al condensatore) con acqua. Analoghe considerazioni vanno fatte per le altre tre configurazioni di scambio. Si osservi come lo scambio Acqua-Acqua sia molto efficiente e, quindi, impiantisticamente conveniente. Tuttavia, occorre avere acqua a ciclo continuo per la refrigerazione al condensatore, cosa non sempre possibile. 62

63 Macchine frigorifere ad assorbimento Nei gruppi frigoriferi tradizionali l'organo meccanico che assorbe lavoro dall'esterno é il compressore. Solitamente l'energia viene fornita ad un motore elettrico che provvede a far muovere i componenti del compressore meccanico (a pistoni, a vite, centrifugo). Nelle macchine frigorifere ad assorbimento si sostituisce l'organo meccanico (compressore) con un sistema alimentato da energia termica. A causa della bassa efficienza, questa tecnologia è particolarmente interessante se abbinata a sistemi che mettano a disposizione cascami entalpici (sistemi solari, geotermici, ecc ) Le macchine più diffuse sono quelle a miscele acqua-ammoniaca, acquabromuro di litio o anche acqua-fluoruro di litio. Queste ultime hanno il pregio di funzionare a temperature inferiori (circa 80ºC) rispetto a quella ad ammoniaca ( ºC). In alcuni casi si può utilizzare l'energia solare per alimentare il generatore. L'utilizzo come pompa di calore risulta conveniente negli impianti cogenerativi perché queste macchine consentono di avere sia caldo (pompa di calore) che freddo (refrigeratore) con sola energia termica. 63

64 Macchine frigorifere ad assorbimento GENERATORE CONDENSATORE POMPA DI RICIRCOLO p2 VALVOLE LAM.NE LINEA DELLE PRESSIONI EVAPORATORE ASSORBITORE (schema impiantistico per una macchina del tipo acqua-ammoniaca) 64

65 IMPIANTI A SPLIT 65

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67 Definizione di climatizzazione Operazione con la quale si controllano una o più delle seguenti variabili ambientali: - temperatura - umidità - velocità dell aria - qualità dell aria In questo contesto la ventilazione gioca un ruolo fondamentale ai fini della riduzione dei consumi e del conseguimento di una buona qualità ambientale. 67

68 Schema di trattamento estivo L'aria esterna si trova normalmente nel periodo estivo a una temperatura (t) e a un titolo (y) superiori a quelli che determinano il benessere. E' pertanto necessario sottoporre l'aria a trattamenti che conseguono l'obiettivo di diminuire sia la temperatura che il titolo. Allo scopo si può ipotizzare di attuare i trattamenti di seguito presentati. 68

69 y y1 2 1 y4 3 4 t3 t2 t4 t1 t - raffreddamento a y costante (1 2) - deumidificazione lungo la linea di saturazione con temperatura decrescente (2 3) - eventuale post riscaldamento per raggiungere, a y costante, la desiderata temperatura finale (3 4) 69

70 Filtro Scambiatore freddo Scambiatore caldo Ventilatore mandata

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72 Schema di trattamento invernale L'aria esterna si trova a temperatura (t) e titolo (y) inferiori a quelli che determinano il benessere. E' pertanto necessario sottoporre l'aria a trattamenti che danno luogo ad un incremento sia della temperatura che del titolo. Allo scopo vengono attuati i trattamenti di seguito presentati. 72

73 y y=ys t - riscaldamento a y costante (1 2) - umidificazione adiabatica (2 3) con raffreddamento della miscela - post-riscaldamento a y costante (3 4) 73

74 Trattamento di umidificazione trappola di trattenimento gelo Filtro Scambiatore caldo Scambiatore caldo Ventilatore mandata

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76 Schema di un impianto a tutta aria senza ricircolo Ambiente 1 U.T.A. Espulsione Dalla C.T. Ambiente 2 Dalla C.T. Ambiente n Nota: nell UTA è ricompreso il ventilatore di mandata 76

77 Schema di un impianto a tutta aria con ricircolo 77

78 Schema di un impianto a tutta aria con parziale ricircolo Ambiente 1 Miscela U.T.A. Partitore Ambiente 2 Ambiente n Espulsione Nota: nell UTA è ricompresso il ventilatore di mandata 78

79 Schema di un impianto a tutta aria con parziale ricircolo 79

80 Adottando appositi scambiatori di calore realizzati in modo da consentire la cessione di calore dell aria viziata in uscita, più calda, all aria in entrata più fredda. Il sistema può essere anche utilizzato, in senso opposto, durante la stagione estiva. La scelta di questi dispositivi è vastissima ed è relativa a: - portate di ventilazione Ventilazione con recupero di calore - locali da trattare (casa unifamiliare, condominio, edificio per uffici, ecc) - tipologia del recupero (statico o termodinamico, combinato) Recuperatore di calore 80

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82 Ventilazione a doppio flusso con recupero di calore 82

83 Ventilazione a doppio flusso con recupero di calore: cantiere 83

84 Ventilazione geotermica L aria calda è prelevata dall esterno durante la stagione estiva, attraversa un condotto sotterraneo, cede il suo calore al terreno, più fresco, ed è immessa in ambiente per raffrescare e ventilare. D inverno, invece, l aria fredda esterna acquisisce calore dal terreno. Un unico impianto per due finalità. NOTA: l immagine è riferita ad una singola abitazione fuori terra, ma il 84 concetto è applicabile ad edifici di differenti taglio e destinazione d uso.

85 Ventilazione geotermica L aria calda è prelevata dall esterno durante la stagione estiva, attraversa un condotto sotterraneo, cede il suo calore al terreno, più fresco, ed è immessa in ambiente per raffrescare e ventilare. D inverno, invece, l aria fredda esterna acquisisce calore dal terreno. Un unico impianto per due finalità. NOTA: l immagine è riferita ad una singola abitazione fuori terra, ma il 85 concetto è applicabile ad edifici di differenti taglio e destinazione d uso.

86 Ventilazione geotermica All esterno sono installate alcune prese d aria, opportunamente studiate per essere integrate le caratteristiche morfologiche del sito Presa d aria esterna 86

87 Dimensionamento di un impianto ad aria per riscaldamento e/o raffrescamento Perché un impianto di termoventilazione possa funzionare correttamente, è necessario che abbia una portata di aria fino a 5-6 vol/h rispetto al volume dell ambiente servito. Se ad esempio l ambiente ha un volume di 2000m³ la portata di aria deve essere pari ad almeno mc/h, meglio se a mc/h. Tali valori sono solo indicativi. In casi particolari di raffrescamento ad aria, quando ad es. è previsto un elevato livello di affollamento, è necessario portare tale coefficiente di ricircolo a 7-8 vol/h 87

88 Dimensionamento delle canalizzazioni dell aria La sezione di una canalizzazione d aria è uguale a: S = V / (ω x 3600 ) [ m² ] Dove: V ω è la portata di aria che la canalizzazione deve raccogliere (in m³/h) è la velocità dell aria (espressa in m/s) Normalmente ω viene fissato attorno a 4-5 m/s nei canali principali e a 3 m/s nei canali secondari. La sezione del canale può essere rettangolare (normalmente con rapporto tra i lati 1:2) o circolare 88

89 IMPIANTI SPECIALI: POMPE DI CALORE GEOTERMICHE 89

90 Energia geotermica freestockphotos.com geotermia dal greco gê (Terra) e thermòs (calore) 90

91 Impianti geotermici tradizionali (profondi) Sfruttano la geotermia in senso proprio, cioè l energia termica generata da processi fisici che hanno luogo all interno della terra. L energia termica resa disponibile da questi processi è di fatto inesauribile. Il flusso termico emanato dalla terra verso l esterno è mediamente pari a W/m 2. Il gradiente geotermico (differenza di temperatura/lunghezza) è mediamente pari a: 3 C/100 m di profondità (30 C/km). L energia termica raccolta in profondità può essere sfruttata per diversi usi: generazione termoelettrica usi industriali (almeno 150 C) teleriscaldamento ( C) serricoltura (38-80 C) acquicoltura (al massimo 38 C) agricoltura (ad es. essiccazione legname in Nuova Zelanda) allevamento (ad es. di alligatori in USA, Giappone) 91

92 Impianti geotermici integrati (superficiali) La parola geotermia si addice in ogni caso a queste tipologie di impianti. Essi infatti sfruttano il principio che già a piccole profondità (pochi metri) il terreno è caratterizzato da temperature diverse rispetto a quelle dell aria. Sotto i 15 m di profondità, la temperatura del terreno non risente più né delle stagioni né del clima, ma solamente dalle condizioni geologiche e geotermiche. Questi impianti sono quindi integrati ai tradizionali sistemi impiantistici degli edifici e sfruttano il terreno per riscaldare o raffrescare, anche solo parzialmente, il fluido termovettore (aria e/o acqua) per la climatizzazione degli ambienti. 92

93 Geotermia: climatizzazione a pompa di calore I sistemi a pompa di calore con sonde per geoscambio termico (GHP Geothermal Heat Pump) sono sistemi alimentati con energia elettrica. Sono sistemi che traggono vantaggio dal fatto che il terreno è un mezzo a temperatura relativamente costante (soprattutto a partire da una certa profondità) durante tutto l anno. Il terreno non è però una sorgente! Le pompe di calore geotermiche consentono di ottenere acqua per riscaldamento a basse temperature (40 50 C) adeguate per impianti a pannelli radianti. 93

94 Nel funzionamento invernale, la pompa di calore, sfruttando l operare di un compressore alimentato ad energia elettrica, sottrae calore al terreno trasferendolo, in uno o più passaggi alla sorgente calda: l ambiente indoor. condensatore q1 3 4 valvola di strozzamento M compressore azionato da motore 1 2 q2 vaporizzatore Nel funzionamento estivo, invece, la GHP funziona seguendo un classico ciclo frigorifero trasferendo cioè parte dell energia termica sottratta agli ambienti indoor (che sono così raffrescati) al terreno. 94

95 I cicli periodici di carico e scarico permettono lo sfruttamento combinato degli stoccaggi sotterranei per il riscaldamento e la climatizzazione. Il terreno tuttavia non è una sorgente e differenze di durata dei periodi di riscaldamento e di raffrescamento possono causare sensibilissime riduzioni dell efficienza degli impianti geotermici. Le applicazioni possono essere molteplici: in qualsiasi luogo del mondo, abitazioni residenziali, villette, edifici commerciali, scuole, piscine, serre e capannoni, hotel e uffici. 95

96 Circuiti idraulici Le pompe di calore geotermiche sono quasi sempre costituite da due circuiti: PRIMARIO circuito geotermico vero e proprio ove la sorgente geotermica può essere costituita da: acqua della falda (circuito aperto) terreno (circuito chiuso) SECONDARIO circuito della tradizionale rete impiantistica (acqua calda per riscaldamento e/o usi sanitari). 96

97 Ad acqua di falda (circuito aperto) Circuito primario Nel circuito primario scorre direttamente l acqua prelevata dalla falda, questa viene condotta in superficie allo scambiatore tramite una pompa e viene quindi reiniettata nella falda ristabilendo l equilibrio geotecnico. A miscela acqua-glicole (circuito chiuso) Viene realizzato un circuito primario a serpentina o a profilo a U (sonde) normalmente utilizzando tubi in plastica. All interno del primario scorre un fluido evolvente a base di glicole che scambia energia termica direttamente con il terreno. La potenza termica scambiata per metro lineare di scambiatore può essere assunto in prima approssimazione pari a: P = 50 W/m (terreni normalmente rocciosi con sedimenti naturali) ES: pompa di calore terra/acqua (primario terra) da 30 kw, sonda verticale (500 m), serpentina (900 m), diametro tubazione 32 mm 97

98 Sonde geotermiche Sono scambiatori di calore interrati verticalmente. Le sonde sono di norma realizzate con tubazioni ad U entro cui scorre il fluido termoconduttore. In Svizzera, oggi, oltre 30'000 sonde di questo tipo sono state realizzate. 98

99 Problemi geotecnici In modalità a circuito aperto, a causa delle interferenze con i fluidi di falda, si possono verificare contaminazioni biologiche anche pericolose. Occorre quindi molta cautela nel realizzare queste tipologie di impianto. E spesso necessario effettuare sondaggi e perizie geologiche preliminari alla presentazione del progetto per il rilascio delle autorizzazioni dagli uffici competenti. 99

100 Serpentine geotermiche Le serpentine (fasci tubieri) geotermiche sono scambiatori di calore sviluppati su un piano orizzontale situato ad una profondità al massimo di 3 m (è sempre consigliabile effettuare sbancamenti non inferiori ad 1 m). Questo metodo è meno utilizzato richiedendo maggior spazio e sviluppo delle sonde. Le temperature del terreno, in prossimità della superficie, risentono inoltre della variazione delle stagioni. E possibile prevedere scambiatori geotermici a serpentina anche per canalizzazioni di impianti ad aria. 100

101 Immagazzinamento di energia termica con geosonde In generale, il sottosuolo possiede ottime proprietà di accumulo termico. Calore specifico volumetrico: kwh/(m 3 K) Conducibilità termica: 1 3 W/(m K) Assumendo come riferimento il terreno, l alternanza (inverno/estate) di cicli periodici di carico e scarico consentono di stoccare l energia termica necessaria di volta in volta per riscaldamento e climatizzazione. Durante l estate l energia termica estratta dagli ambienti indoor per il raffrescamento è stoccata nel terreno. La stessa energia termica è idealmente riutilizzata in inverno per raffrescare gli ambienti alimentando la pompa di calore. Teoricamente durante il periodo estivo il terreno si ricarica dell energia termica perduta perché trasferita agli ambienti durante l inverno. 101

102 In Svizzera, sono state realizzate 15 stazioni di stoccaggio geotermico. La realizzazione più famosa è probabilmente lo stoccaggio sotterraneo diffusivo del "Collège de Peseux" a Neuchâtel ove 30 sonde geotermiche della lunghezza di 60 m sfruttano un volume di terreno di m³. Stoccaggio Geotermico 102

103 Geostrutture per l immagazzinamento di energia termica Le fondazioni sotterranee o su pali, equipaggiate di scambiatori termici per la produzione d'energia, sono note come "sistemi di pali energetici". La particolarità è la doppia applicazione, interessante sul piano ecologico ed economico, d'elementi in calcestruzzo a contatto col suolo: utili, da una parte, come fondamenta, permettono, dall'altra, la produzione d'energia sotto forma di caldo e freddo. 570 pali energetici sfruttano il sottosuolo situato sotto un grande complesso industriale, come fonte di calore e freddo. Per metro di palo energetico attivo, si producono, in inverno, 35 kwh di calore per il riscaldamento a di pompa di calore, e in estate 40 kwh di freddo per il raffreddamento di macchinari e locali. (Fonte: Lippuner & Partner AG, Grabs) 1) Pali energetici 2) Condotti di connessione ai pali 3) Collettori di connessione ai pali 4) Condotto principale 5) Centrale di produzione del freddo 103

104 IMPIANTI DI RISCALDAMENTO: PARAMETRI DI PRESTAZIONE 104

105 Fabbisogno e rendimenti di impianto (UNI e CTI R 03/3) Il rendimento globale (medio stagionale) del sistema di riscaldamento, h g, è valutabile come η g η e η c η d η p ove h e h c h d h p rendimento di emissione rendimento di regolazione rendimento di distribuzione rendimento di produzione 105

106 RSM Legge 7 maggio 2008 n. 72 (Limiti ai rendimenti di impianto) Art. 9 (Requisiti energetici e prescrizioni relative agli impianti termici per climatizzazione invernale e/o per produzione di acqua calda per usi igienico sanitari) 1. I valori limite di riferimento relativi al rendimento medio stagionale degli impianti termici per climatizzazione invernale e/o per produzione di acqua calda per usi igienico sanitari, sono definiti come segue: a) il valore limite del rendimento globale medio stagionale per impianti aventi potenza nominale (Pn) inferiore a 1000 kw, espresso in percentuale (%), è dato dalla relazione η g,lim = ( log 10 (Pn)) (%) dove log 10 (Pn) è il logaritmo di base 10 della potenza utile nominale del generatore o dei generatori di calore al servizio del singolo impianto termico, espressa in kw; b) il valore limite del rendimento globale medio stagionale per impianti aventi potenza nominale (Pn) uguale o superiore a 1000 kw, espresso in percentuale (%), è pari a η g,lim = 84 %. 106

107 Italia D.Lgs. 192/2005 e s.m.i. (Limiti ai rendimenti di impianto) ALLEGATO C Rendimento globale medio stagionale dell impianto termico η g = ( log Pn) % dove log Pn è il logaritmo in base 10 della potenza utile nominale del generatore o dei generatori di calore al servizio del singolo impianto termico, espressa in kw. Per valori di Pn superiori a 1000 kw la formula precedente non si applica, e la soglia minima per il rendimento globale medio stagionale è pari a 84%. ALLEGATO I REGIME TRANSITORIO (nota: fino ai decreti art. 4 c. 1, 120 gg) η g = ( log Pn) % 107

108 85 Rendimento medio stagionale di impianto: valori limite 81 h g [%] Pn = 35 kw ALLEGATO C Pn [kw] ALLEGATO I

109 Rendimento di emissione Rendimento di emissione, h e Caratterizza l influenza che il tipo di scambio termico tra il terminale di erogazione e l ambiente interno ha sulla quantità di energia che il terminale di erogazione deve fornire. È il rapporto tra il fabbisogno energetico utile di riscaldamento degli ambienti con un sistema di emissione di riferimento in grado di fornire una temperatura perfettamente uniforme e uguale nei vari ambienti, e il sistema di emissione reale nelle stesse condizioni di temperatura interna di riferimento e di temperatura esterna. 109

110 Rendimento di emissione GiulianoCammarata-FisicaTecnica 110

111 Rendimento di emissione GiulianoCammarata-FisicaTecnica 111

112 GiulianoCammarata-FisicaTecnica 112

113 Rendimento di emissione (UNI 10348) 113

114 Rendimento di distribuzione Rendimento di distribuzione, h d Caratterizza l influenza della rete di distribuzione sulla perdita di energia termica non direttamente cedute agli ambienti da riscaldare. È il rapporto tra il fabbisogno energetico utile reale delle zone e l'energia termica fornita dal sistema di produzione. Il rendimento di distribuzione medio stagionale caratterizza l influenza della rete di distribuzione sulla perdita passiva di energia termica (quella non ceduta agli ambienti da riscaldare). Edifici nuovi: calcolo da dati di progetto (UNI 10347, ecc.) 114

115 Rendimento di distribuzione: Impianti a colonne montanti (UNI 10348) 115

116 Rendimento di regolazione Rendimento di regolazione, h c Esprime la deviazione tra la quantità di energia richiesta in condizioni reali rispetto a quelle ideali, ed è dato dal rapporto tra il fabbisogno energetico utile di riscaldamento degli ambienti con una regolazione teorica perfetta e quello richiesto per il riscaldamento degli stessi ambienti con l'impianto di regolazione reale. Un sistema di regolazione che non risponde accuratamente e velocemente alla richiesta di energia genera oscillazioni di temperatura all'interno dell'ambiente. Queste causano incrementi di scambi termici con l'esterno per trasmissione e ventilazione. Si può considerare composto di due fattori, rispettivamente dipendenti da: a) qualità dei dispositivi di regolazione (precisione, sensibilità, ripetibilità, velocità di risposta), includendo la corretta taratura b) adeguatezza del sistema alle caratteristiche dell impianto e dell edificio. 116

117 La temperatura interna infatti non è costante ma oscilla intorno ai 20ºC (swing). Questo diminuisce ulteriormente il rendimento di processo (rendimento di regolazione, precedentemente definito). GiulianoCammarata-FisicaTecnica 117

118 Rendimento di regolazione (UNI 10348) 118

119 Rendimento di regolazione (UNI 10348) 119

120 Rendimento di regolazione 120

121 Rendimento di produzione Rapporto tra l energia termica fornita dal sistema di produzione nella stagione di riscaldamento e il fabbisogno di energia primaria. Nel prospetto: P ns potenza nominale del generatore installato dati UNI P n P media potenza in base alla T minima di progetto potenza media stagionale richiesta dall impianto 121

122 Rendimento di produzione GiulianoCammarata-FisicaTecnica 122

123 Rendimento di produzione: tipo di generatore e fattore di carico 123

124 Rendimento di produzione Il rendimento di produzione convenzionale del parco impiantistico italiano è pari a 0.36 (D.Lgs. 192/2005 e s.m.i.) 124

125 Rendimento medio stagionale di impianto: esempi Soluzione η e η c η d η p η g Convenzionale Convenzionale migliorato Convenzionale nuovo A condensazione Avanzato (geotermico) A pellets (radiatori) (caldaia) (Tipo B) (std.) (radiatori) (clim./amb.) (Tipo A) (T scorr.) (radiatori) (clim./amb.) (Tipo C) (T scorr.) (pan. rad.) (amb.) (Tipo C) (cond.) (pan. rad.) (amb.) (Tipo C) (geo.) (radiatori) (clim./amb.) (Tipo C) (pellet)