Generatori di calore: Pompe di Calore e Caldaie

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1 Università IUAV di Venezia, Efficienza Energetica e Sostenibilità Magistrale Architettura e Innovazione Generatori di calore: Pompe di Calore e Caldaie Fabio Peron Università IUAV - Venezia Gli impianti di climatizzazione I tre obiettivi di un impianto di climatizzazione sono: comfort termico: t a t mr tale da garantire benessere comfort igrometrico: UR a tale da garantire benessere qualità dell aria: concentrazioni di inquinanti da assicurare condizioni di vivibilità Le azioni dell impianto corrispondenti sono: fornitura o sottrazione calore (controllo temperatura) fornitura o sottrazione vapore d acqua (controllo umidità) fornitura di aria pulita e/o filtraggio (controllo IAQ)

2 Generatori di calore: la caldaia Tipologie di caldaie I generatori di calore possono essere classificati come: Atmosferiche Pressurizzati Stagni Non condensanti (acqua prodotta di solito a C) A condensazione (acqua prodotta di solito a C) A temperatura scorrevole A basamento Murale Gruppi termici

3 Generatori di calore: la caldaia I generatori di calore più usuali sono le caldaie. In esse un combustibile solido, liquido o gassoso viene fatto reagire con l ossigeno contenuto nell aria atmosferica. Da tale reazione chimica di ossidazione viene prodotto calore e prodotti gassosi di combustione (fumi) Generatori di calore: la caldaia Si dice combustione qualunque reazione chimica nella quale un combustibile ( sostanza ossidabile o riducente) reagisce con un comburente ( sostanza ossidante ), liberando energia. Si tratta di una reazione esotermica, che libera calore perché i reagenti possiedono più energia dei prodotti di reazione. riducente ossidante CH 2O CO + H O + calore combustibile comburente prodotti

4 Caldaia: rendimento Br N c c N A S N Q Q l kj kg kj m kj le combustibi del calorifero potere P h l h kg h m le combustibi di oraria portata B B P focolare al Potenza Q fumi dai dispersa Potenza Q to rivestimen dal dispersa Potenza Q caldaia della ale no utile Potenza P & & & & & η ] / ][ / ][ / [ ] / ][ / ][ / [ min 3 3 Caldaia: rendimento

5 Caldaia: rendimento La caldaia: rendimento Un combustibile è caratterizzato da potere calorifico inferiore e superiore Una parte dell energia che si sprigiona dalla reazione chimica viene immagazzinata nel vapore d acqua

6 Generatori: caldaie a condensazione Generatori: caldaie a condensazione Università IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron

7 Caldaia: rendimento Generatori: caldaie a condensazione Università IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron

8 Caldaie a condensazione Università IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron Generatori: caldaie a biomassa

9 Generatori: caldaie a biomassa Università IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron La caldaia a biomassa

10 La caldaia a biomassa Pompe di calore Come generatori di calore si possonoutilizzareanchelepompe di calore. Le quali operano secondo un ciclo termodinamico inverso. Si utilizza come sorgente fredda l atmosfera, l acqua di un fiume o di un lago o del mare, oppure il terreno.

11 Pompa di calore Pompe di calore

12 Pompa di calore Pompa di calore: tipologia di sorgente

13 Pompe di calore aria-aria Pompa di calore aria-aria Università IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron

14 Pompe di calore aria-acqua La pompa di calore geotermica

15 Pompa di calore: vantaggi Pompa di calore: COP coefficente di performance COP PdC Q& C W&

16 Pompa di calore: COP coefficente di performance Q & C condensatore organo di laminazione W & evaporatore Q & Potenza COP F PdC,Re COP v PdC Q& W& C Q& C W& Q& C Q& C Q& Energia F T C SCOP TC T F PdC 1 Q L C 1 T T F c COP e temperatura di funzionamento L efficienza di una pompa di calore dipende dalle temperature di funzionamento. Il valore del COP riportato dai costruttori viene definito in base alla norma EN 255, secondo cui l energia consumata da inserire nel calcolo include l energia elettrica necessaria al funzionamento del ventilatore o dei ventilatori e delle pompe per la movimentazione dei fluidi attraverso gli scambiatori di calore. I valori indicativi del COP di pompe di calore sono 3.0 per le pompe di calore aria-acqua (presa d aria a 2 C e fornitura di acqua a 35 C) 4.0 per pompe a sonda geotermica (sonda a 0 C e fornitura di acqua a 35 C), e 4,5 per pompe acqua-acqua (acqua di prelievo a 10 C e fornitura di acqua a 35 C).

17 COP e temperatura di funzionamento Coefficiente di prestazione COP h [-] Teorico massimo (Carnot) Temperatura di serbatoio caldo T h 60 C Grandi pompe di calore elettriche moderne Unità commerciali/residenziali ad alta efficienza Piccole unità domestiche Valori di COPh conseguibili nella pratica Innalzamento di temperatura [ C] (sorgente fredda serbatoio caldo) Università IUAV di Venezia, Efficienza Energetica e Sostenibilità Magistrale Architettura e Innovazione Produzione e distribuzione di freddo Fabio Peron Università IUAV - Venezia Università IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron

18 Sistemi di raffrescamento Tipologie di sistemi Sistemi di raffrescamento: espansione diretta Sistemi split Split significa dividere ossia separare il condensatore dall evaporatore

19 I generatori di freddo: cicli a compressione Nella produzione di freddo si utilizzano impianti frigoriferi a compressione di vapori oppure ad assorbimento. Molto più diffusi sono i cicli a compressione di vapori. In genere i cicli frigo sono utilizzati per produrre acqua fredda 5-8 C. La macchina è costituita da: evaporatore, compressore, condensatore, espansore I generatori di freddo: il chiller il chiller, ossia il produttore di acqua refrigerata, è un oggetto ingombrante e rumoroso che l architetto non può piazzare a caso, all ultimo momento

20 Frigorifero: EER coefficente di performance Q & C condensatore organo di laminazione W & evaporatore Q & Potenza F EER Q& F W& Energia SEER Q L F EER,Re v Q& W& F Q& C Q& F Q& F T C TF T F T T C F 1 1 Pompa di calore: SCOP, SEER e classe energetica

21 Pompa di calore: COP Pompa di calore: COP

22 Pompa di calore: COP generatori di calore e elettricità: cogenerazione Fabio Peron Università IUAV - Venezia

23 Produzione combinata di calore e elettricità Nella produzione di energia elettrica con cicli diretti a vapore o gas in turbine oinmotori altenativi, si ha come sottoprodotto calore da smaltire a bassa temperatura. Questo può essere utilizzato nel riscaldamento di processo nell industria o nel riscaldamento degli edifici. In questo modo si aumenta notevolmente l efficienza globale esiparladi cogenerazione. Si ha un risparmio dal 60% al 100% di combustibili fossili. Uno dei limiti di questo tipo di produzione di energia è la necessità di un consumo contemporaneo di calore e energia elettrica. E necessario avere nello stesso edificio o a breve distanza sia l utilizzatore di calore che quello di elettricità. L industria (carta, acciaio, alimentare), gli alberghi, gli ospedali o l aggregazione di un produttore di elettricità e un quartiere residenziale sono dei possibili esempi di applicazione. Un ulteriore problema è legato al fatto che l utilizzo di calore deve essere presente durante tutto il corso dell anno. Negli ultimi anni si sono messi a punti sistemi che nel periodo estivo utilizzano il calore per far funzionari gruppi di refrigerazione ad assorbimento. Realizzando la cosiddetta trigenerazione. La cogenerazione Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica con ingombri limitati

24 La cogenerazione Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica porta a minori perdite Un esempio storico: il TOTEM (Total Energy Module) Nell ambito delle piccole taglie una delle primissime realizzazioni di piccoli sistemi di cogenerazione si deve alla FIAT alla fine degli anni 70. Si tratta del TOTEM (TOTal Energy Module). Basato sul diffusissimo motore cilindri ad aste e bilancieri che equipaggiava una serie di vetture dalla 127 all A112. Il sistema viene fatto lavorare al regime di rotazione di 3000 rpm con produzione di una potenza elettrica di 15 kw.

25 Cogenerazione di grossa taglia a scala industriale Si hanno a disposizione diversi tipi di motori alternativi dual fuel (gas e gasolio) La microcogenerazione: un esempio dall Inghilterra

26 Microcogenerazione a scala di edificio Microcogenerazione a scala di edificio Combustibile: gas metano o idrogeno con reforming motori Stirling, microturbine, celle a combustibile

27 Teleriscaldamento e teleraffreddamento Fabio Peron Università IUAV - Venezia Il teleriscaldamento Si ha una produzione centralizzata di energia. E una rete di tubazioni in cui scorre acqua calda portandola alle utenze. Non si ha bisogno di avere caldaie, bruciatori, serbatoi per il combustibile e canne fumarie. Minor rischio di incendio e esplosioni Si può avere una produzione centralizzata anche di freddo La rete di tubazioni in cui scorre acqua refrigerata arriva alle utenze senza bisogno di avere split e chiller sul posto.

28 Il teleriscaldamento: Minore impatto grazie a minori emissioni per unità di energia prodotta Maggiore efficienza nell utilizzo delle fonti fossili Maggiore sicurezza degli impianti Possibilità di utilizzo di fonti rinnovabili Viene fornito al cittadino un servizio e non una materia prima da trasformare Cogenerazione di energia termica e energia elettrica Il teleriscaldamento in Italia Direttiva 2012/27/UE: Teleriscaldamento alta efficienza 50% energia rinnovabile 50% calore di recupero 75% calore cogenerato almeno 50% combinazione di queste forme di energia Emerge la necessità di pensare a sistemi integrati in rete

29 Il teleriscaldamento: la rete Gruppo pompe centrale teleriscaldamento Ferrara. Il teleriscaldamento: la rete

30 Il teleriscaldamento: sottocentrali e scambiatori Nella centrale termica dell utenza si ha uno scambiatore di calore compatto, quasi sempre del tipo a piastre. Il teleriscaldamento: scambiatori Nella centrale termica dell utenza si ha uno scambiatore di calore. Quasi sempre a piastre in quanto molto compatto. Centrale Teleriscaldamento particolare di collegamento dell impianto solare allo scambiatore sanitario dell azienda AGSM di Verona Spa La sottocentrale: scambiatore; filtro; valvola di regolazione; valvola di intercettazione; sfiati; pozzetti di ispezione; scarichi