Le pompe di calore II

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1 Le pompe di calore II G.L. Morini Laboratorio di Termotecnica Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale Viale Risorgimento 2, Bologna

2 COP medio effettivo: SCOP COP medio effettivo >< COP nominale Le prestazioni delle pompe di calore (specialmente quelle ad Aria) sono fortemente influenzate dal valore di temperatura dell aria esterna. Occorre determinare il valore medio stagionale del COP per effettuare le valutazioni energetiche. Il valore del COP cambia quando la PdC lavora ai carichi parziali

3 COP medio effettivo: SCOP COP medio effettivo (SCOP) >< COP nominale Metodi di calcolo consigliati UNI Sorgente fredda Sorgente calda Aria Acqua a t costante Acqua a t variabile Aria esterna Bin Bin Bin Aria di recupero Mensile Mensile Mensile (t indipendente dal clima) Aria di recupero Bin Bin Bin (t dipendente dal clima) Terreno Mensile Mensile Mensile (sonda orizzontale) Terreno Mensile Mensile Mensile (sonda verticale) Acqua di pozzo/falda Mensile Mensile Mensile Acqua di fiume Mensile Mensile Mensile

4 COP medio effettivo: SCOP COP medio effettivo >< COP nominale Il calcolo su base mensile delle prestazioni energetiche di una PdC è possibile andando ad utilizzare la temperatura esterna media mensile solo se: 1)La temperatura della sorgente fredda è stabile (ad es. terreno o corso d acqua) 2)La temperatura di mandata dell impianto si mantiene stabile durante l intero anno (ad es. impianti a pannelli o ventilconvettori) Quando la temperatura della sorgente fredda varia molto durante il periodo di riscaldamento (su base giornaliera ed oraria) come nel caso dell aria esterna oppure quando la temperatura di mandata dell impianto viene variata durante la stagione di riscaldamento per adeguarla al clima esterno (impianti a radiatori ad alta temperatura) NON SI PUO UTILIZZARE IL CALCOLO MENSILE.

5 COP medio effettivo: SCOP COP medio stagionale >< COP nominale Quando la temperatura della sorgente fredda e/o la temperatura di mandata variano durante il periodo di riscaldamento il calcolo deve essere condotto per intervallo di temperatura esterna (BIN) anzichè per intervallo temporale (calcolo mensile)

6 COP medio effettivo: SCOP BOLOGNA (dati UNI 10349)

7 Calcolo dei BIN La durata temporale di ogni bin t bin(i),mese(k) si calcola utilizzando una distribuzione normale di temperatura mensile, ricostruita in base ai seguenti dati climatici: (i)temperatura esterna media mensile θ ae,mese(k) fornita dalla norma UNI 10349, (ii)temperatura esterna di progetto θ prog fornita dalla norma UNI EN 12831; (iii)somma dell irradiazione giornaliera media mensile su piano orizzontale diffusa H dh e diretta H bh espressa in MJ/m² fornite dalla norma UNI

8 Calcolo dei BIN Il valore dello scarto quadratico medio associato alla distribuzione normale si calcola mensilmente come segue:.8 0. ( k) 1 16 mese( k) mese( k) mese H ext, genn des ext, genn des 0. Hgenn zcorr, mese( k) mese( k) 16 Mese z corr,mese(k) Dicembre 0,5 Gennaio 1,0 Febbraio 0,5 altri mesi 0,0

9 Calcolo dei BIN Si associa ad ogni bin il fattore di densità Kbin(i),mese(k) dato dalla formula: 2 1 bin( i) bin ext, mese( k ) K bin ( i), mese( k ) exp 2 mese( k ) 2 mese( k ) La durata associata ad ogni bin di temperatura vale: t K bin( i), mese( k), th bin( i), mese( k) mese( k) t t bin se tbin ( i), mese( k ), th 0.015t ( i), mese( k ) se tbin ( i), mese( k ), th t mese( k ) mese( k ) 0 t mese( k ) t bin( i), tbin( i mese( k ), th i), mese( k ), th

10 Calcolo dei BIN t bin(i),mese(k) [h] BOLOGNA bin(i) [ C] Ott. Nov. Dic. Gen. Feb. Mar. Apr

11 COP medio effettivo: SCOP Procedura di calcolo (es. pompa A/W impianto a pavimento) 1) Energia dispersa dall edificio Q d, i H int ext, i n i per il bin i-esimo Q d, tot H int ext, i i n i Dispersione totale

12 COP medio effettivo Procedura di calcolo (es. pompa A/W impianto a pavimento) 2) Calore producibile dalla PdC Q PdC, i L el w w ext, i n i per il bin i-esimo (ad es. w =35 C) Q PdC, tot,max w L el i w ext, i n i Calore massimo producibile dalla PdC

13 COP medio effettivo PdC A-W35 =0,38 Edificio: H=1 kw/k bp =5 C L el =7,8 kw

14 COP medio effettivo Energia termica mancante Energia termica in più

15 COP medio effettivo Procedura di calcolo (es. pompa A/W impianto a pavimento) 3) Calcolo del tempo di funzionamento della PdC Q i Q d, i Q PdC, i se se Q i Q i 0 0 i i n i L el Q d, i w w ext, i La PdC sta sempre accesa La PdC sta accesa solo per un periodo limitato

16 COP medio effettivo

17 COP medio effettivo Procedura di calcolo (es. pompa A/W impianto a pavimento) 4) Calcolo dell energia elettrica consumata dalla PdC E el L el i 5) Calcolo dell energia termica prodotta dalla PdC Q PdC i Q i PdC, i n i i

18 COP medio effettivo Procedura di calcolo (es. pompa A/W impianto a pavimento) 6) Calcolo dell energia di back-up Q bkup Qd, tot Q PdC L energia di back up può essere fornita all edificio utilizzando delle resistenze elettriche e/o accendendo una caldaia integrativa (sistema polivalente)

19 COP medio effettivo Procedura di calcolo (es. pompa A/W impianto a pavimento) 7) Calcolo del COP medio effettivo SCOP COPm, PdC Q E PdC el 8) Calcolo del COP medio effettivo di sistema (PdC+bu) COP m Q E PdC el Q Q bkup bkup bkup Se uso una resistenza elettrica allora bkup =1

20 COP medio effettivo

21 Modalità di funzionamento degli impianti a PdC di tipo EHP Riscaldamento L uso impiantistico delle pompe di calore si può differenziare considerando 3 distinte modalità di funzionamento degli impianti: 1)Funzionamento Monovalente o a generatore termico unico (monomode use) 2)Funzionamento Monoenergetico o a fonte primaria unica (Monoenergetic use) 3)Funzionamento bivalente o a fonte primaria multipla (Dual-mode operation) 3a) bivalente-parallelo 3b) bivalente-alternativo

22 Funzionamento Monovalente Nel caso di modo di funzionamento monovalente l impianto a PdC deve coprire l intero fabbisogno di calore dell edificio (riscaldamento+acs) come unico generatore di calore. Tipiche applicazioni in cui si può ricorrere a tale modo di funzionamento sono il riscaldamento di ville singole o singoli appartamenti. Accumulo per produzione ACS (con eventuale integrazione solare) Accumulo per controllare i picchi di potenza termica richiesta in riscaldamento per sistemi con modesta inerzia termica (radiatori, ventilconvettori) o per sopperire a interruzioni di corrente: V[l]=60xQ[kW] Es: V=60x10=600 [l]

23 Funzionamento Mono-energetico Nel caso di modo di funzionamento mono-energetico l impianto a PdC viene integrato durante il programma di riscaldamento mediante un sistema di resistenze elettriche. Resistenze elettriche supplementari

24 Funzionamento Bivalente Bivalente-parallelo L impianto a PdC viene integrato durante il programma di riscaldamento mediante un generatore di calore supplementare (es: caldaia). L inserimento della caldaia viene comandato dalla temperatura esterna (ad es. Text<0 C) o dal carico termico. Tipicamente, la PdC viene dimensionata sul 50-70% del carico termico massimo dell edificio. (Es: 10 kw di carico termico massimo significa PdC da 5-7 kw termici). Accumuli e caldaia supplementare

25 Funzionamento Bivalente Bivalente-alternativo Fino a una determinata temperatura esterna (es: 0 C) che corrisponde ad una temperatura di mandata del riscaldamento (es: 50 C) l impianto a PdC copre l intero riscaldamento. Oltre, la PdC è disinserita e solo il generatore alternativo alimenta l impianto. Modo particolarmente adatto a edifici esistenti con impianti a radiatori ad alta temperatura. Accumuli e caldaia supplementare

26 Funzionamento Bivalente Bivalente-alternativo

27 Funzionamento Bivalente Fabbisogno per riscaldamento Bologna ae [ C] E mese(k) [kwh] Gen Feb Mar Apr Ott Nov Dic

28 Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) 35 Determinazione della Firma di progetto Mod.X Mod.X1 20 Mod.X temperatura esterna ( C)

29 Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin 35 Sovrapposizione dei bin Mod.X Mod.X1 Mod.X temperatura esterna ( C)

30 Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin 35 Sovrapposizione dei bin Mod.X Mod.X temperatura esterna ( C)

31 Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin Sovrapposizione dei bin e scelta della PdC Mod.X temperatura esterna ( C)

32 Funzionamento Bivalente Pompa di calore + Resistenze elettriche Funzionamento alternativo E [kwh] Dispersioni Pompa di Calore back-up bival = H,cut-off Temperatura aria esterna [ C]

33 Funzionamento Bivalente Pompa di calore + Resistenze elettriche Funzionamento bivalente parallelo E [kwh] Dispersioni Pompa di Calore back-up H,cut-off bival Temperatura aria esterna [ C]

34 Funzionamento Bivalente SCOP Impianto bivalente alternativo ( H,cut-off = bival ) SCOP SCOP tot Bologna W pdc [kwh] C pdc [%] on-off inverter Impianto bivalente parallelo ( H,cut-off =-5 C) Bologna on-off inverter

35 Esempi numerici: edificio di riferimento Palazzina residenziale (E.1.1), 12 unità immobiliari, a Bologna (2259 GG), S= m 2, V= m 3, S/V=0.38, Sue=758.98m 2, Sq=253m 2.

36 Edificio di riferimento Riscaldamento: Fabbisogni termici ed elettrici.

37 Edificio di riferimento Acqua calda sanitaria: Fabbisogni termici ed elettrici.

38 7.a PdC (A/W)+resistenze el. 7.a PdC elettrica (A/W), Resistenza elettrica di integrazione Pdc ad A/W funz. bivalente-alternativo, Q b =3.8 C, Q cut-off =3.8 C.

39 7.b PdC (A/W)+resistenze el. 7.b PdC elettrica (A/W), Resistenza elettrica di integrazione Pdc ad A/W funz. bivalente-parallelo, Q b =3.8 C, Q cut-off =-5 C.

40 Confronto tra generatori (Caldaia vs PdC) Definizione di parametri di prestazione energetica Indici di prestazione di I principio: COP Q L EHP GUE Q Qp AHP L Qa input S output Q Qa Qp input S output Q Macchina elettrica Macchina a gas

41 Confronto tra generatori (Caldaia vs PdC) Definizione di parametri di prestazione energetica Valutazione del CUC di una EHP Estensione del confine del sistema analizzato per avere in ogni caso come input energia primaria Q Q Lp L Q COP CUC CUC e p dcop Q Q L L f Q p p p p p, el Qp e p Lp d L Qa input S output Q Centrale Rete di distribuzione Macchina operatrice

42 Indici di confronto REP: Risparmio di Energia Primaria Quantifica il combustibile primario risparmiato rispetto all uso di sistemi energetici convenzionali di riferimento. p =Q/Q pt Q pt Caldaia Q p,ris Q p EHP Q CUC=Q/Q p REP= 1- p /CUC=1-f p,el p /COP

43 Indici di confronto f p,el =1/e p d =1/0,46 [kwh el /kwh p ] Confronto EHP vs Caldaia Caldaia condensazione: g =0,98 (medio stagionale) EHP: COP m =3,3(medio stagionale) CUC=COP/f p,el =0,46*3,3=1,52 (> g =0,98) REP=1- g /CUC=0,35 (35%)

44 Indici di confronto REP: Risparmio di Energia Primaria Quantifica il combustibile primario risparmiato rispetto all uso di sistemi energetici convenzionali di riferimento. p =Q/Q pt Q pt Caldaia Q p,ris Q p GHP Q CUC=Q/Q p REP= 1- p /CUC

45 Indici di confronto Confronto GHP vs Caldaia Caldaia condensazione: g =0,98 (medio stagionale) GHP : CUC m =1,25(medio stagionale) REP=1- g /CUC=1-0.98/1.25=0,22 (22%)

46 Indici di confronto REP: Risparmio di Energia Primaria Quantifica il combustibile primario risparmiato rispetto all uso di sistemi energetici convenzionali di riferimento. p =Q/Q pt Q pt Caldaia Q p,ris Q p AHP Q GUE=Q/Q p REP= 1- p /GUE

47 Analisi energetica Confronto AHP vs Caldaia Caldaia condensazione: g =0,98 (medio stagionale) AHP : GUE m =1.45(medio stagionale) REP=1- g /GUE=0,32 (32%)

48 Analisi energetica Confronti prestazioni energetiche tra PdC 3 REP 2.5 EHP GHP AHP a.d. AHP a.i GUE/COP t 2 3 SCOP 4 5