IL LAGO UNA RISERVA DI ENERGIA. Le pompe di calore. Giarba Per. Ind. Cesare 29/04/2011 1

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1 IL LAGO UNA RISERVA DI ENERGIA Le pompe di calore Giarba Per. Ind. Cesare 29/04/2011 1

2 INTRODUZIONE La pompa di calore è un impianto che sta trovando un ampia diffusione negli ultimi anni, anche nel nostro paese. si tratta di una soluzione che permette di slegarsi dalla rete pubblica del gas e che può fungere sia da riscaldamento invernale che da climatizzazione estiva. La realizzazione di un impianto con pompa di calore risulta maggiormente conveniente in presenza di due: case a basso consumo energetico impianto a pannelli a pavimento o a ventilconvettori 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 2

3 CASE A BASSO CONSUMO A basso consumo energetico sono considerati quei fabbricati che hanno un fabbisogno termico inferiore a 50 khw/m 2 a. Tali costruzioni presentano un elevato livello si isolamento che permette di avere un fabbisogno termico basso. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 3

4 IL CIRCUITO FRIGORIFERO Se mettiamo due corpi a diversa temperatura a contatto tra loro, quello a temperatura più elevata (più caldo) cede calore a quello con temperatura minore (più freddo) sino a che entrambi avranno raggiunto la medesima temperatura di equilibrio termico Da quanto detto risulta ovvio che si può sottrarre calore ad un corpo a 40 C e riscaldarne un altro a 15 C. Meno ovvio ci sembra che questo sia possibile farlo anche con corpi a temperatura più bassa, vale a dire trasferire calore da un corpo a 10 C ad un corpo a 15 C o più. Questo processo è possibile grazie alle caratteristiche chimico-fisiche di gas frigorigeni che hanno processi di trasformazione di fase (liquido-gas) a temperature ottimali per i normali utilizzi dell uomo. I più antichi utilizzi di questa tecnologia li troviamo nel settore domestico ed alimentare per la conservazione a freddo degli alimenti: IL FRIGORIFERO 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 4

5 IL CIRCUITO FRIGORIFERO Il frigorifero è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta. La funzione del frigorifero domestico (macchina frigorifera) si esplica nella sottrazione di calore dagli alimenti in esso introdotti (effetto utile), tale calore viene poi fornito all ambiente esterno e così dissipato (effetto secondario). L ambiente dove ottengo il risultato utile corrisponde al vano dove ho gli alimenti da raffreddare, all interno del frigorifero Che cosa succede: Utilizzando un gas frigorigeno che alla pressione di 0.2 bar si trova alla temperatura di -25 C ed alla pressione di 8 bar si trova alla temperatura di 45 C, attraverso un processo di trasformazione, otterrò che nello scambiatore del vano derrate (evaporatore) farò passare il gas freddo, raffreddando il vano derrate, mentre nello scambiatore esterno farò passare il gas caldo riscaldando l ambiente abitato. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 5

6 IL CIRCUITO FRIGORIFERO Quali sono i componenti? Il frigorifero è costituito da un circuito chiuso, dove il fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. 4 Il circuito chiuso è costituito da: un compressore un condensatore una valvola di espansione un evaporatore 2 3 Il condensatore e l evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè tubi posti a contatto con un fluido di servizio (che può essere acqua o aria) nei quali scorre il fluido frigorigeno. Questo cede calore al condensatore e lo sottrae all evaporatore compressore 2. condensatore 3. valvola di espansione 4. evaporatore 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 6

7 EFFICIENZA Un valore del COP pari a tre vuol dire, ad esempio, che per ogni KWh d'energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 KWh d'energia termica all'ambiente da riscaldare; uno di questi fornito dall'energia elettrica consumata e gli altri due chilowattora prelevati dall'ambiente esterno. Il COP di una pompa di calore dipende dal modello e dalle condizioni climatiche e di funzionamento dell'impianto ed è tanto maggiore quanto più bassa è la differenza di temperatura tra l'ambiente da riscaldare e la sorgente di calore, gratuita, utilizzabile. Esso ha valori prossimi a 3 quando si utilizza l'aria esterna, a temperature non inferiori ai 4-5 C e valori più elevati quando si sfruttano l'acqua, il terreno, o, meglio ancor, i fluidi di scarto relativamente caldi, come, ad esempio, l'aria viziata da ricambiare. 1 kwh di energia elettrica POMPA DI CALORE FRIGORIFERO T1 SORGENTE DI CALORE Il lago, una riserva di energia - Varenna 29/04/ T2 4 kwh di calore 3 kwh di calore "gratuito"

8 Temp. esterna COP EFFICIENZA RISCALDAMENTO Temp. di mandata ( C) Curva climatica Temp. di mandata ( C) 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 8

9 LA POMPA DI CALORE La pompa di calore è una macchina che è in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta. Essa opera con lo stesso principio del frigorifero. La differenza sostanziale tra la pompa di calore e il ciclo frigorifero è che nel primo caso l'effetto utile è dato dalla fornitura di calore a temperature superiori da quella ambiente, nel secondo dall'asportazione di calore a temperature inferiori a quella ambiente. Quindi mediante l inversione del ciclo la pompa di calore permette di riscaldamento degli ambienti. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 9

10 LA POMPA DI CALORE Invernale Ambiente da riscaldare Q 2 Energia termica fornita alla sorgente calda Energia termica sottratta alla sorgente fredda Q 2 = Q 1 + L Energia elettrica, meccanica o termica spesa Valvola di espansione Condensatore Compressore Evaporatore L Coefficiente di prestazione COP Q L 2 Q 2 Q 2 Q 1 T 2 T 2 T 1 Q 1 Aria Acqua Pozzo Terra Questo è calcolato per un ciclo di Carnot ideale, il COP reale è il 50%-70% di quello ideale Esempio: T 2 = 40 C = 313 K temperatura interna T 1 = 12 C = 285 K, temperatura sorgente acqua di mare = 11 ideale Se consideriamo una pompa di calore di Climaveneta 0121 si ha: Potenza termica (Q 2 ) = 42,5 kw Potenza assorbita totale (L) = 10,93 kw 42,5 kw 10,93 kw 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 10 COP 3,9

11 LA POMPA DI CALORE Estivo Ambiente esterno caldo Q 2 Valvola di espansione Condensatore Compressore Evaporatore L Q 2 = Q 1 + L Coefficiente di prestazione COP Q L 1 Q 2 Q 1 Q 1 T 2 T 1 T 1 Q 1 Questo è calcolato per un ciclo di Carnot ideale, il COP reale è il 50%-70% di quello ideale Ambiente da raffreddare Esempio: T 1 = 12 C = 285 K temperatura sorgente fredda T 2 = C = 318 K, temperatura sorgente acqua di mare = 9 ideale Il calcolo reale del COP è dato da: COP Potenza frigorifera Potenza elettrica assorbita Se consideriamo una pompa di calore di Climaveneta 0121 COP 38,1 kw 10,93 kw 3,5 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 11

12 SORGENTI ENERGETICHE Aria Disponibilità elevata Praticità d uso Prestazioni energetiche variabili Acqua Prestazioni costanti Disponibilità variabile per tipo di fonte Necessità di opere di prelievo e scarico Vincoli normativi per prelievo e scarico Terra Buone prestazioni energetiche Necessità di opere di prelievo e scarico Elevati costi di realizzazione opera nel terreno Disponibilità limitata per necessità di ampie superfici 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 12

13 TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORE Si usa classificare le pompe di calore secondo la natura della sorgente fredda e di quella calda, che possono essere aria oppure acqua. A seconda delle fonti disponibili e utilizzabili possiamo avere: ARIA-ARIA (circuito esterno aria - circuito interno aria) verrà riscaldata aria trasferendo calore da altra aria ARIA- ACQUA (circuito esterno aria-circuito interno acqua) verrà riscaldata acqua attingendo calore da aria ACQUA-ACQUA (circuito esterno acqua-circuito interno aria) verrà riscaldata acqua trasferendo calore da altre acque ACQUA-ARIA (circuito esterno acqua-circuito interno aria) verrà riscaldata aria attingendo calore da acqua TERRA- ACQUA (circuito interno acqua-circuito esterno terra) verrà riscaldata acqua attingendo calore dal terreno 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 13

14 POMPA DI CALORE AD ARIA 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 14

15 POMPA DI CALORE AD ARIA ESTERNA L aria esterna come sorgente fredda in inverno e calda in estate ha il vantaggio di essere disponibile ovunque; tuttavia la potenza resa dalla pompa di calore varia con la temperatura della sorgente. Condizioni climatiche delle nostre zone: Estate : C Inverno: C 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 15

16 POMPA DI CALORE AD ARIA ESTERNA Impianto Aria - Aria In questo impianto sia il circuito interno che il circuito esterno utilizzano l aria come fluido termovettore. La sorgente di calore è l aria che, viene prelevata dall esterno e ceduta all ambiente interno a temperatura superiore (inverno) ovvero a temperatura inferiore (estate). La migliore condizione di impiego della pompa di calore aria-aria si ottiene con temperatura esterna superiore a 5 C. Le moderne pompe di calore sono in grado di sottrarre energia all aria ancora a -20 C di temperatura esterna. Vediamo alcuni esempi 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 16

17 POMPA DI CALORE AD ARIA ESTERNA 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 17

18 POMPA DI CALORE AD ARIA ESTERNA Impianto Aria - Acqua In questo impianto la sorgente esterna è sempre l aria mentre la sorgente interna è l acqua che viene mandata alle utenze interne. Esempio impiantistico 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 18

19 ESEMPIO POMPA DI CALORE ARIA ACQUA FASE INVERNALE T=45 C Q 2 T=40 C T=43,8 C P=28,5 bar Valvola di espansione T=0,6 C P=7,1 bar Condensatore R 410A Evaporatore T=48,8 C P=28,5 bar L Compressore T=5,6 C P=7,1 bar Q 1 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 19

20 ESEMPIO POMPA DI CALORE ARIA ACQUA FASE ESTIVA T=45-50 C Q 2 T=43,4 C P=28 bar Condensatore T=48,4 C P=28 bar Valvola di espansione Aria T=30 C L Compressore T=2,4 C P=7,6 bar Evaporatore T=7,4 C P=7,6 bar T=12 C Q 1 T=7 C 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 20

21 POMPA DI CALORE AD ARIA ESTERNA Dati di rendimento della pompa di calore ad aria - acqua 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 21

22 POMPA DI CALORE AD ACQUA L acqua come sorgente fredda garantisce le prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche esterne; tuttavia richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione dell'acqua. Possiamo utilizzare: Acqua di falda sotterranea (Temp. = C costante estate/inverno) Acqua di mare (Temp. = C estate Temp. = C inverno) Acqua di lago (Temp. = C estate Temp. = C inverno) 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 22

23 POMPA DI CALORE AD ACQUA 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 23

24 FASE INVERNALE : POMPA AD ACQUA T=45 C Q 2 T=40 C T=49,5 C P=20 bar Valvola di espansione T=1,9 C P=3,9 bar Condensatore R 410A Evaporatore T=53,5 C P=20 bar L Compressore T=6,9 C P=3,9 bar T=12 C Q 1 T=7 C Pozzo 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 24

25 FASE ESTIVA : POMPA AD ACQUA T=30 C Q 2 T=14 C T=29,9 C T=34,9 C Pozzo P=12,5 bar Valvola di espansione Condensatore R 410A P=12,5 bar L Compressore T=4,3 C Evaporatore T=9,3 C P=4,7 bar P=4,7 bar T=12 C Q 1 T=7 C 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 25

26 ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA L acqua sotterranea è la fonte di calore più redditizia. Grazie alla temperatura costante di C durante tutto l anno è possibile realizzare, rispetto a tutti i sistemi, le potenze di prelievo di calore più alte. L acqua di falda viene aspirata attraverso un elettropompa sommersa e convogliata alla pompa di calore mediante delle tubazioni metalliche o in polietilene, e restituita al terreno attraverso un un pozzo di drenaggio, simile al pozzo di emungimento, oppure attraverso una trincea drenante, o ancora restituita in corsi d acqua superficiali. La presa e la restituzione dovranno essere opportunamente ubicate per evitare cortocircuiti al sistema. Per evitare eccesivi costi energetici l elettropompe di aspirazione dovranno essere installate ad un altezza massima di m. Per essere idoneo un pozzo dovrà essere opportunamente dimensionato ed autorizzato dalle autorità competenti. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 26

27 ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA 1. Pozzo di aspirazione 2. Pozzo di drenaggio 3. Direzioni di flusso dell acqua sotterranea dal pozzo di aspirazione verso il pozzo di drenaggio 4. La profondità massima dell acqua sotterranea non dovrebbe superare i 15 m 5. Posa delle tubazioni con inclinazione verso il pozzo alla profondità esente da gelo di circa 1,0-1,5 m 6. Posa delle tubazioni con inclinazione verso il pozzo alla profondità esente da gelo di circa 1,0-1,5 m 7. Copertura con sfiato, deve essere evitata la penetrazione di piccoli animali e delle acque di superficie 8. Pompa sommersa 9. Scambiatore di calore intermedio per separare i pozzi per l acqua sotterranea dalla pompa di calore 10. Valvole 11. Distanza min. dal pozzo 15 m 12. Tubo filtro 13. Tubo di salita e 14. Tubo di discesa inseriti nel livello d acqua a tenuta d aria e protetti dalla corrosione 15. Tubo filtrante con letto di ghiaia. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 27

28 IMPIANTO ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA Castellanza (VA) Schema impianto 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 28

29 IMPIANTO ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA Castellanza (VA) 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 29

30 IMPIANTO ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA Lecco (LC) Schema impianto 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 30

31 IMPIANTO ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA Cremia (CO) Schema impianto 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 31

32 IMPIANTO ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA Gravedona (CO) Schema impianto 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 32

33 ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA DIMENSIONAMENTO Per il dimensionamento di un impianto a pompa di calore con acqua sotterranea si devono tener presenti tre fattori: Il volume dell acqua sotterranea La profondità massima della vena d acqua da utilizzare La qualità dell acqua sotterranea Volume dell acqua sotterranea Il volume necessario di acqua sotterranea può essere calcolato secondo la seguente formula. V V GW GW Q Q th th T T P GW P GW el el V GW = volume necessario di acqua sotterranea (l/h) Qth = potenza termica della pompa di calore (kw) Pel = Potenza elettrica assorbita dalla pompa di calore (kw) T GW = Differenziale di temperatura tra il pozzo di prelievo e quello di drenaggio (3-5 C imposto dalle normative) Nell applicazione pratica quindi avremo bisogno di circa 250 l/h per ogni kw di potenza installata con T= 3 C e di 150 l/h con T= 5 C. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 33

34 ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA Profondità massima della vena d acqua da utilizzare A causa della potenza necessaria all azionamento della pompa immersa l acqua sotterranea per case uni- e bifamiliari non dovrebbe trovarsi ad una profondità oltre m perché l utilizzo sia economicamente conveniente. Qualità dell acqua sotterranea I fattori determinanti che influenzano la durata di un pozzo di emungimento sono: qualità dell acqua (aggressività chimica) la composizione degli elementi sospesi (limo, sabbia) e quindi il sistema di filtrazione. la corrosione è un procedimento complesso e viene influenzata da vari fattori. La tabella sottostante elenca il campo di valori ammessi per la qualità dell acqua sotterranea da considerarsi idonea all uso con un impianto a pompa di calore. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 34

35 ACQUA DI FALDA SOTTERRANEA PROGETTAZIONE DEI SISTEMI DI EMUNGIMENTO Al fine di valutare la fattibilità idrogeologica di un progetto con acqua di falda sotterranea ovvero di verificare la fattibilità del progetto e conseguentemente l opportunità di procedere alla escavazione del sistema di pozzi (emungimento e restituzione) è opportuno effettuare le seguenti indagini: studio idrogeologico reale, tramite raccolta ed elaborazione di tutta la bibliografia esistente, per ricostruire il contesto idrogeologico dell area di progetto; perforazione di un piezometro pilota finalizzato alla definizione di: stratigrafia del sottosuolo nell area di riferimento; produttività dell acquifero mediante prova di pompaggio; caratteristiche termiche della falda tramite log termico; caratteristiche idrochimiche della falda mediante prelievo di campione d acqua. Esempio di relazione 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 35

36 SFRUTTAMENTO ACQUE SUPERFICIALI FIUMI LAGHI - MARE Le PdC con acque superficiali come fonte di calore sono più semplici da realizzare, ma richiedono un sistema di decontaminazione e filtraggio delle acque. In più le acque superficiali risentono in maniera più o meno sensibile del clima esterno che li circonda, e quindi la loro temperatura è variabile nel corso della stagione invernale, e però nei periodi più freddi sempre superiore a quella dell - aria: nei grandi laghi lombardi, ad esempio, si va da un minimo di 7 C di media a Febbraio, agli 11 C di Aprile, ai 12,5 di novembre e 16 C di ottobre. La loro efficienza stagionale è pertanto superiore a quella delle PdC ad aria. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 36

37 SFRUTTAMENTO ACQUE SUPERFICIALI FIUMI LAGHI - MARE Il mare costituisce la sorgente termica più diffusa. Nei mari che bagnano l'italia la temperatura varia da un minimo di 10 C in inverno ad un massimo di 25 C in estate: lo sfruttamento di acque salate amplifica però i fenomeni di corrosione. Fiumi e laghi hanno una instabilità più elevata con temperature, comunque favorevoli, che passano da un minimo di 4-6 C in inverno ad un massimo di 25 C in estate. Con queste acque diminuiscono i problemi di corrosione ma aumentano quelli di filtraggio per via del contenuto di materiale in sospensione che deve essere intercettato prima che il fluido entri in contatto con la pompa di calore. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 37

38 SFRUTTAMENTO ACQUE SUPERFICIALI FIUMI LAGHI - MARE Lo sfruttamento di acque superficiali può avvenire in modo diretto facendo passare attraverso uno scambiatore intermedio l'acqua della sorgente, oppure in modo indiretto sfruttando un circuito chiuso intermedio in cui circola un fluido termovettore. Nella maggior parte dei casi l'utilizzo è di tipo indiretto con il circuito chiuso in cui fluisce fluido glicolato che consenta all'impianto di lavorare anche a temperature inferiori a 0 C. Lo scambiatore a sua volta può avere diverse collocazioni. Una applicazione possibile prevede lo scambiatore posto direttamente nelle acque superficiali come nel caso di un fiume: si tratta di uno scambiatore a fascio tubiero con tubi distanti tra loro almeno 4 cm e protetto da una grata e da un sistema di protezione al fine di evitare intasamenti. L'acqua che fluisce attraverso di esso garantisce un ottimo scambio termico e contemporaneamente evita la formazione di ghiaccio; un'applicazione di questo tipo presenta però non poche difficoltà di realizzazione. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 38

39 SFRUTTAMENTO ACQUE SUPERFICIALI VANTAGGI DI UTILIZZO DI RISORSE SUPERFICIALI Le risorse superficiali sono facilmente accertabili Assenza o comunque riduzione del rischio minerario Minori costi di investimento per l approvvigionamento Assenza di rischio di deprimere con l emungimento altre attività(ad esempio, attività termali) Chimismo in genere meno problematico Procedure autorizzative più semplici Possibilità di compensare il minor salto termico recuperabile dalla sorgente fredda con una maggiore disponibilità di portata 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 39

40 ESEMPIO PDC ACQUA DI LAGO Schema impianto 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 40

41 ACQUA DI MARE Schema impianto 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 41

42 ACQUA DI MARE Presa mare 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 42

43 ACQUA DI MARE - Centrale tecnologica 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 43

44 POMPA DI CALORE GEOTERMICA 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 44

45 GEOTERMIA GEOTERMIA CALORE DALLA TERRA Per geotermia si intende la scienza che studia i fenomeni naturali coinvolti nella produzione e nel trasferimento di calore proveniente dall'interno della terra sulla crosta terrestre. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 45

46 GEOTERMIA Il calore terrestre proveniente dall'interno della Terra viene trasferito verso la superficie terrestre mediante convezione del magma o di acque profonde: da qui nasce la maggior parte dei fenomeni come le eruzioni vulcaniche, le sorgenti termali, i geyser, o le fumarole. Questo calore naturale proveniente dal sottosuolo può essere sfruttato per generare energia geotermica Lo sfruttamento dell energia geotermica consiste nell utilizzazione del calore contenuto nelle rocce del nostro pianeta piuttosto vicine alla superficie, dove arriva propagandosi dalle zone più profonde della Terra. Per giungere in superficie il calore ha bisogno di un vettore fluido (acqua o vapore), naturale o iniettato. In un sistema geotermico, l acqua penetra nel sottosuolo attraverso rocce permeabili formando delle falde sotterranee e, per effetto del calore trasmesso alle rocce da una fonte, quale una massa magmatica, si scalda fino a raggiungere temperature di alcune centinaia di gradi; il fluido (acqua e/o vapore) in queste condizioni risale lungo faglie o fratture dando luogo alle manifestazioni geotermiche. La risalita può anche essere indotta artificialmente tramite una perforazione meccanica (pozzo geotermico), il fluido così captato, dopo alcuni trattamenti, è inviato agli impianti di utilizzazione (produzione di energia elettrica o usi diretti). 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 46

47 SISTEMI GEOTERMICI Dal punto di vista dell utilizzazione, la geotermia si può dividere in alcuni settori: 1. Settore degli usi ad alta entalpia, con fluidi a temperature superiori ai 150 C, riguarda la produzione di energia elettrica e alcuni usi industriali; 2. Settore termale, caratterizzato da usi terapeutici e ricreativi. 3. Settore degli usi a media e bassa entalpia, con fluidi a temperature C nel pèrimo caso ed inferiori ai 100 C nel secondo, riguarda gli usi diretti: covili, agricoli, industriali. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 47

48 ALTA ENTALPIA Dai pozzi il vapore, tramite vapordotti (tubazioni in acciaio coibentato), viene trasportato alla centrale geotermoelettrica per essere immesso nella turbina (una macchina ruotante che trasforma parte del contenuto energetico del vapore in energia meccanica). È poi compito del generatore di corrente, o alternatore, trasformare l'energia meccanica di rotazione della turbina in energia elettrica. All'uscita della turbina il vapore passa nel condensatore, dove una pioggia di acqua fredda proveniente dalle torri di refrigerazione lo raffredda condensandolo. Una frazione del fluido così ottenuto viene reintrodotta nel sottosuolo mediante appositi pozzi di reiniezione. Il rimanente evapora nelle torri di refrigerazione ed è immesso nell'atmosfera. La reiniezione permette di mantenere in equilibrio l'ecosistema grazie alla restituzione di parte delle sostanze estratte; inoltre, restituendo parte del fluido, si riesce a prolungare l'efficienza del serbatoio. Dalla centrale geotermoelettrica escono quindi gli acquedotti che portano i fluidi al sistema di reiniezione ed i conduttori elettrici che portano l'elettricità alla stazione di trasformazione. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 48

49 BASSA ENTALPIA Il sistema della pompa di calore geotermica utilizza l energia solare accumulata nella crosta terrestre. L energia è trasferita giornalmente alla superficie terrestre dalla radiazione solare, dalle piogge, dai venti, etc. Come conseguenza di questo continuo scambio di energia il suolo au una profondità tra i 20 ed i 100 metri mantiene una temperatura di circa 14 C, indipendentemente dalle escursioni termiche giornaliere e stagionali. Per sfruttare il calore immagazzinato nel suolo vengono praticate una o più perforazioni del diametro di cm, fino a una profondità che dipende dal volume dell edificio da servire. All interno dei fori vengono fatte passare delle condutture in cui la pompa di calore fa circolare un fluido termovettore. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 49

50 POMPA DI CALORE GEOTERMICA Ad una profondità di 20 metri regna una temperatura costante di +10 C (nessuna fluttuazione stagionale). In inverno questa constante offre una temperatura calda ed in estate è un raffrescamento ideale. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 50

51 POMPA DI CALORE GEOTERMICA Le tecnologie attualmente disponibili per estrarre il calore dal terreno sono: Sonde geotermiche verticali Scambiatori di calore ad U inseriti nel terreno Scambiatori orizzontali Scambiatori di calore disposti orizzontalmente in scavi di modesta profondità (1,5-2,5 m) 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 51

52 FALDA SOTTERRANEA: PERFORAZIONE Indicazioni: Ø perforazione: ca. 140 mm Ø tubo sonde: 40 mm Distanza minima tra 2 perforazioni: 5 m Riempimento con Bentonite recupero calore medio: 50 W/m Esempio indagine 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 52

53 SONDE GEOTERMICHE Parametri per il dimensionamento delle sonde: Tipo di terreno: il fattore essenziale da rispettare per la progettazione di un sistema a sonde geotermiche, è la conducibilità termica del sottosuolo. La potenza d'estrazione è proporzionale alla conducibilità termica. Umidità naturale del suolo: essa migliora la conducibilità termica e garantisce un buon contatto tra sonda e sottosuolo. Acque sotterranee: quando una sonda geotermica penetra in una falda freatica che presenta una velocità di scolo eccedente di qualche centimetro al giorno, la quantità di calore utilizzabile aumenta sensibilmente. Materiale per la sonda: grazie alla loro maneggevolezza, alla buona resistenza alla corrosione ed al prezzo vantaggioso, i tubi in polietilene si sono imposti quale materiale costituente le sonde. La parete dovrebbe essere il più sottile possibile (aspetto termico) e resistere all'azione del terreno. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 53

54 SONDE GEOTERMICHE Sonde geotermiche: dimensionamento sommario Sottosuolo Conducibilità termica Potenza d'estrazione Lunghezza della sonda geotermica per kw di potenza di riscaldamento (m) (W/m K) (W/m) COP = 3 COP = 3,5 Sottosuolo di cattiva qualità (rocce mobili secche) Rocce indurite o rocce mobili sature d'acqua meno di 1, ,5 a 3, Rocce indurite a conducibilità termica elevata superiore a 3, ,5 10 Ghiaia, sabbia, secco 0,4 meno di 20 superiore a 33 superiore a 36 Ghiaia, sabbia, acquifero 1,8 a 2,4 55 a a a 13 Argilla, limo, umido 1,7 30 a a a 24 Calcare, massiccio 2,8 45 a a a 16 Arenaria 2,3 55 a a a 13 Granito 3,4 55 a 70 9,5 a a 13 Basalto 1,7 35 a a a 20 Gneiss 2,9 60 a 70 9,5 a a 16 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 54

55 DIMENSIONAMENTO Le fasi da seguire per il dimensionamento dell impianto sono: Valutazione delle dispersioni dell edificio potenza termica complessiva necessaria all edificio Potenza termica complessiva del collettore da suolo: Pot. termica riscaldamento x coeff. di sovredimensionamento Scelta della pompa di calore in base alla potenza di riscaldamento e del collettore da suolo Profondità di trivellazione complessiva: Pot. termica complessiva di dimensionamento del collettore da suolo (kw/m) x Potenza termica specifica del suolo (kw/m) 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 55

56 POMPA DI CALORE GEOTERMICA Schema di un impianto con pompa di calore e sonda geotermica verticale 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 56

57 POMPA DI CALORE GEOTERMICA Schema impianto 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 57

58 VANTAGGI POMPA DI CALORE GEOTERMICA Rende indipendenti dal prezzo del petrolio e del gas. E' ecologica dal punto di vista dell'inquinamento, poiché non emette CO2 E' ecologica dal punto di vista dell'impatto ambientale poiché non ci sono installazioni visibili all'esterno. Non necessita di manutenzione L' impianto e' molto silenzioso Non ci sono pericoli di incendio o di emissioni gassose poiché non si ha a che fare con alcun tipo di combustibile (gas, petrolio o derivati) Fornisce riscaldamento, acqua calda e raffreddamento 24 ore al giorno, 365 giorni all'anno I campi di applicazione sono molteplici : abitazioni, impianti industriali, magazzini, serre, scuole, hotel, uffici, palestre, piscine, marciapiedi senza ghiaccio, terreni sportivi in erba etc. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 58

59 POSSIBILI APPLICAZIONI Climatizzazione degli ambienti È ormai attuale l'applicazione della pompa di calore per la climatizzazione degli ambienti nel settore residenziale e industriale, in alternativa ai sistemi convenzionali composti da refrigeratore più caldaia. La stessa macchina infatti, mediante una semplice valvola di inversione, è in grado di scambiare tra loro le funzioni dell'evaporatore e del condensatore, fornendo così calore in inverno e freddo in estate (tipo reversibile). L'applicazione della pompa di calore nella climatizzazione ambientale (riscaldamento+raffrescamento) è la più conveniente poiché comporta un minor tempo di ammortamento del costo d'impianto grazie ai maggiori risparmi sul costo dell'energia. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 59

60 RAFFRESCAMENTO Direct-Cooling Viene utilizzato direttamente il freddo del terreno o della falda. Siccome l acqua freatica ed il terreno sono nella maggior parte dei casi più freddi in estate rispetto alla temperatura dell ambiente è possibile raffrescare un locale tramite il riscaldamento a pavimento o a parete. Nel circuito d acqua freatica viene installato uno scambiatore di calore a piastre, la temperatura di raffrescamento minima (punto di rugiada) viene regolata tramite un miscelatore a 3 vie. La pompa viene accesa o spenta a seconda del bisogno tramite una sonda di temperatura ambiente. Indirect-Cooling Raffrescamento con processo reversibile. Nella pompa di calore è installata una valvola di commutazione a 4 vie, in modo che la pompa di calore possa servire da apparecchio di raffrescamento in estate. Occorre prevedere un accumulatore per acqua fredda. Tramite il miscelatore a 3 vie si regola la temperatura minima di raffrescamento, e tramite una sonda a temperatura ambiente si accende o si spegne la pompa a seconda del fabbisogno. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 60

61 RISCALDAMENTO DEGLI AMBIENTI Riscaldamento degli ambienti e dell acqua calda sanitaria La pompa di calore può essere utilizzata anche per la sola produzione di calore per il riscaldamento degli ambienti e dell acqua calda sanitaria. In questi casi vanno attentamente valutati gli aspetti economici rispetto ai sistemi tradizionali quali caldaie ad acqua ad alto rendimento e a condensazione. Per il riscaldamento degli ambienti gli impianti possono essere di tipo: - monovalente: si utilizza quando la pompa di calore è in grado di coprire interamente il fabbisogno termico necessario al riscaldamento degli ambienti. Se la pompa di calore usa come sorgente l'aria esterna, tale configurazione può essere adottata nelle zone climatiche in cui la temperatura esterna scende raramente sotto ai 0 C. - bivalente: costituito dalla pompa di calore e da un sistema di riscaldamento ausiliario, cioè una caldaia tradizionale che copra il fabbisogno termico quando la temperatura dell'aria scende al di sotto di 0 C. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 61

62 COSTO IMPIANTO POMPA DI CALORE I costi sono molto variabili in funzione del fabbisogno di energia termica dell edificio da servire e della sorgente termica utilizzata. Ad esempio se consideriamo una pompa di calore geotermica i costi vengono influenzati anche dal tipo di sottosuolo a disposizione. In generale si può assumere che il costo di un impianto completo per un abitazione di 150 m 2 ben isolata si aggira intorno a d un valore di circa In tale costo sono comprese: Indagini geologiche due perforazioni ad una profondità di 100 m. le sonde geotermiche A cui vanno aggiunti gli impianti interni: la pompa di calore il sistema di accumulo il sistema di circolazione 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 62

63 TECNOLOGIE INNOVATIVE L IDROGENO 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 63

64 PERCHE L IDROGENO? L idrogeno non è una fonte di energia ma un vettore energetico Permette di mettere da parte l energia quando è disponibile partendo dall acqua L energia messa da parte può essere riconvertita sia in elettricità che in calore Non si emettono emissioni inquinanti durante il processo La disponibilità di idrogeno è illimitata Indagini geologiche 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 64

65 MODULO DI PRODUZIONE IDROGENO CON CELLA A COMBUSTIBILE Il modulo di produzione idrogeno tramite elettrolisi dell acqua H2ydrogem Box consente di stoccare energia elettrica sfruttando l idrogeno stesso come vettore e per poterla poi riconvertire in energia elettrica tramite cella a combustibile nel momento in cui si desidera o nel caso di black out. 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 65

66 IDROGENO E FOTOVOLTAICO Perché è interessante l abbinamento dell idrogeno al fotovoltaico? L energia usata per produrre l idrogeno è gratuita Negli impianti connessi alla rete, a seconda delle dimensioni, aumenta l efficienza energetica dell impianto stesso In caso di black-out della rete l impianto fotovoltaico non svolge funzione di back-up 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 66

67 LE POMPE DI CALORE GRAZIE PER L ATTENZIONE! Giarba Per. Ind. Cesare 29/04/2011 Il lago, una riserva di energia - Varenna 67