24/04/2013 LA POMPA DI CALORE. IL CONCETTO DI POMPA DI CALORE Le pompe di calore obbediscono al primo ed al secondo principio della termodinamica.

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1 Potenza Frigorifera; 3 Potenza Assorbita; 1 Potenza Termica; 4 24/04/2013 LA POMPA DI CALORE DISPOSITIVO CHE SFRUTTANDO UN CICLO TERMODINAMICO: Impianti Geotermici : tecnologia ed esperienze (VALUTAZIONI PROGETTUALI ED ECONOMICHE SU IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CON POMPE DI CALORE E COLLETTORE GEOTERMICO) Relatore Arghittu Elvis GSI srl = > cattura un flusso di calore a BASSA temperatura (sorgente ): Q1 <= lo rende disponibile ad un livello termico più ALTO (utilizzatore): Q2 PER FARE CIO E NECESSARIO FORNIRE UN DETERMINATO LAVORO Risulta: Q2=Q1+L IL CONCETTO DI POMPA DI CALORE Le pompe di calore obbediscono al primo ed al secondo principio della termodinamica. IL CONCETTO DI C.O.P. COP (Coefficient of Performance) Potenze in kw Energia resa disponibile (Q2) COP = Lavoro speso (L) IL COP SARA TANTO PIU ELEVATO QUANTO MINORE SARA LA DIFFERENZA DI TEMPERATURA TRA LA SORGENTE FREDDA E L UTILIZZATORE LA SORGENTE FREDDA SORGENTI ALTERNATIVE ALL ARIA Elemento essenziale di ogni pompa di calore è la sorgente fredda; Questa, molto spesso, è l aria esterna per l agevole disponibilità e per la grande diffusione dei sistemi split di piccola taglia; La disponibilità è l unico vantaggio, dal momento che sono numerosi gli svantaggi: 1. i livelli di temperatura sono in discordanza di fase con le necessità 2. l impatto acustico ed ambientale non sono trascurabili 3. Sussiste il problema del brinamento della batteria esterna 4. Una adeguata movimentazione dell aria può avere costi non trascurabili Le sorgenti fredde più importanti per la pompa di calore sono: L ACQUA LA TERRA L ENERGIA ATMOSFERICA IL RECUPERO TERMICO 1

2 LE ACQUE SUPERFICIALI: (corsi di acqua, laghi, mare) L ACQUA LE ACQUE SUPERFICIALI LE ACQUE SOTTERRANEE L Italia è caratterizzata da un esteso sviluppo costiero che potrebbe consentire un frequente ricorso all acqua di mare In molte zone vi è una alta presenza di corsi di acqua e di laghi. Le temperature di queste sorgenti fredde sono generalmente favorevoli con oscillazioni contenute intorno a valori medi di circa C Esistono, tuttavia, vincoli da non sottovalutare, di carattere burocratico amministrativo, che possono limitare o impedire l uso di tali acque LE ACQUE SOTTERRANEE (acque di falda, sorgenti termali) Per queste acque la temperatura è ancora più stabile nel corso dell anno delle acque superficiali con valori di circa C. In Italia lo sfruttamento di queste acque è soggetto ad ostacoli di carattere burocratico ed amministrativo PER TUTTI I TIPI DI ACQUE ( SPECIE OVE SUSSISTA PRELIEVO) OCCORRE NON SOTTOVALUTARE TALI IMPEDIMENTI BUROCRAICI E IMPORTANTE VERIFICARE LA PRESENZA DI AGENTI INQUINANTI CHE POTREBBERO PREGIUDICARE IL FUNZIONAMENTO DELLA POMPA DI CALORE LA TERRA Il terreno, a differenza dell acqua è universalmente disponibile. Il suo livello termico è sui valori delle acque sotterranee e, non verificandosi, in generale, prelievi di fluido, anche i vincoli burocratici amministrativi non sussistono o sono alquanto ridotti I problemi tecnici connessi alla sorgente terreno sono stati ormai risolti ed il terreno è attualmente una sorgente fredda per la pompa di calore largamente utilizzata (Francia, Germania, Svizzera ed Austria) e negli USA. In Svezia operano attualmente circa pompe di calore a terreno. L ENERGIA ATMOSFERICA Con questo termine suggestivo si intendono quelle soluzioni tecniche che traggono energia dagli eventi climatici quali la pioggia, l irraggiamento solare, i movimenti dell atmosfera ALCUNI TIPI DI COLLETTORI GEOTERMICI SFRUTTANO IN PARTE ANCHE L ENERGIA ATMOSFERICA IL RECUPERO TERMICO Il recupero termico può essere una sorgente con eccellenti caratteristiche alle seguenti condizioni: - Il refluo da cui estrarre energia sia canalizzato - Lo scarico di energia da recuperare sia sufficientemente in fase con il carico da utilizzare e di adeguata entità SORGENTI UTILIZZABILI - ventilazione forzata degli edifici con aria espulsa canalizzata - recupero del calore dei reflui sanitari TABELLA RIASSUNTIVA SULLE SORGENTI FREDDE Sorgente Accessibilità Disponibilità nel tempo Livello termico Variazioni nella temperatura Aria **** **** ** * 11* Acque sotterranee ** **** **** **** 14* Acque superficiali *** *** *** ** 11* Terreno *** **** *** *** 13* Solare ** ** *** * 8* Recupero ** ** **** *** 11* TOTALE L IMPIANTO UTILIZZATORE La scelta dell impianto utilizzatore per la climatizzazione e riscaldamento va fatta in funzione del Comfort desiderato. Comfort = Basso Consumo Energetico Gli aspetti principali da considerare in fase di scelta dell impianto con pompa di calore geotermica sono: Tipologia dell impianto di riscaldamento invernale; Tipologia dell impianto di climatizzazione estiva; Fabbisogno termico per la produzione dell acqua calda sanitaria. Questi parametri determinano la scelta della pompa di calore e di conseguenza il dimensionamento dell impianto geotermico. 2

3 TIPOLOGIA DELL IMPIANTO DI RISCALDAMENTO Differenze tra i vari sistemi di riscaldamento in ambiente: Impianti ad alta temperatura Radiatori in acciaio o alluminio temperatura di lavoro 55 C Termoconvettori o fan coils temperatura di lavoro 45 C Impianti a bassa temperatura Radiante a pavimento temperatura di lavoro 38 C Radiante a soffitto e/o parete temperatura di lavoro 32 C Gli impianti a bassa temperatura sono i più confortevoli e di conseguenza i più efficienti. TIPOLOGIA DELL IMPIANTO DI RAFFRESCAMENTO Differenze tra i vari sistemi di climatizzazione in ambiente: Impianti ad aria Ventilconvettori temperatura di lavoro 7 C Impianti misti Radiante a pavimento temperatura di lavoro 18 C Radiante a soffitto e/o parete temperatura di lavoro 22 C Gli impianti radianti sono i più confortevoli e di conseguenza i più efficienti. Questo tipo di impianto impone l installazione di deumidificatori per il controllo dell umidità nell aria e di conseguenza una regolazione più sofisticata. VANTAGGI DELLA GEOTERMIA SU NUOVI EDIFICI Soluzione con Pompe di calore Geotermiche L impiego di Pompe di calore Geotermiche ad alta efficienza con un impianto di climatizzazione e riscaldamento del tipo radiante a pavimento, permette di raggiungere di un indice di prestazione energetica superiore evitando ulteriori interventi architettonici. Nella maggior parte dei casi un edificio in classe B, sale di classe energetica, A, grazie all impianto Geotermico. L impiego delle Pompe di calore Geotermiche ad alta efficienza con un impianto di riscaldamento con radiatori dimensionati a bassa temperatura permette ugualmente il raggiungimento della classe energetica A. EPI (Indice di Prestazione Energetica) è determinato dalla classe di isolamento termico e dall impiantistica ad alta efficienza energetica. EFFICIENZA DEGLI EDIFICI Da data 31 Maggio 2012, è obbligo integrare gli impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili negli edifici nuovi o «sottoposti a ristrutturazioni rilevanti», pena il mancato rilascio del titolo edilizio. Lo stabilisce l'art. 11 del Dlgs 28/2011 (attuativo della direttiva 2009/28/CE sulla «Promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili»), secondo il quale nel 2017, a regime, nelle nuove costruzioni i consumi di energia termica (acqua calda sanitaria, riscaldamento e raffrescamento) dovranno essere coperti da fonti «verdi» per il 50 per cento. Un processo che avverrà gradualmente, il testo normativo infatti stabilisce che tale obbligo sarà: 1. del 20% in caso di «richiesta del pertinente titolo edilizio» presentata dal 31 maggio 2012 al 31 dicembre 2013, 2. del 35% dal 1 gennaio 2014 al 31 dicembre 2016 e, infine, 3. del 50% a partire dal 1 gennaio I progetti particolarmente virtuosi che garantiscano, cioè, una copertura dei consumi termici superiore di almeno il 30% ai valori minimi obbligatori potranno beneficiare, in sede di rilascio del titolo edilizio, di «un bonus volumetrico del 5%». COLLETTORI A SCAMBIO GEOTERMICO A CIRCUITO CHIUSO A seconda della tipologia si distinguono: SONDE VERTICALI costituite da perforazioni di circa ml. di profondità con due tubi di captazione e riempimento di bentonite COLLETTORI ORIZZONTALI costituiti da trincee superficiali a sezione ml. 0.60x1.80(h) con quattro tubi di captazione e riempimento con terra dello scavo. DATI FONDAMENTALI PER IL DIMENSIONAMENTO DEGLI IMPIANTI GEOTERMICI Il dimensionamento di un impianto di tipo GEOTERMICO, è strettamente legato alla tipologia e all uso dell edificio. Diventa fondamentale quindi conoscere in modo dettagliato le caratteristiche della struttura e il suo impiego (es. Residenziale, Commerciale, Industriale, ecc.) Dati energetici: P.T. - Potenza termica di picco (relativa alla temperatura minima invernale); P.F. - Potenza Frigorifera di picco (relativa alla temperatura massima estiva); E.T. E.F. E.ACS. - Fabbisogno energetico invernale (kwh mq annuo in riscaldamento) - Fabbisogno energetico estivo (kwh mq annuo in raffrescamento) - Fabbisogno energetico per produzione acqua calda sanitaria In funzione di questi dati è possibile stimare l impegno termico e frigorifero destinato al campo sonde geotermico, di fatto più le energie termiche e frigorifere di equiparano, maggiore risulta essere la resa del campo geotermico e quindi l efficienza del sistema. 3

4 MJ/mese - C MJ/mq 24/04/2013 DIMENSIONAMENTO DEGLI IMPIANTI GEOTERMICI VERTICALI Il dimensionamento dell impianto GEOTERMICO VERTICALE, parte dai dati energetici dell edificio come per gli impianti di tipo tradizionale. Gli altri elementi che definiscono il dimensionamento sono: Caratteristiche del sottosuolo; Presenza di falde acquifere; Spazi esterni in caso di edificio esistente. PER GLI IMPIANTI GEOTERMICI DI TIPO VERTICALE IL SOTTOSUOLO PESA IN MODO DETTERMINANTE. A SECONDA DELLA TIPOLOGIA DI SOTTOSULO LA VARIAZIONE DI POTENZA SCAMBIATA PUO VARIARE FINO AD UN 70%. SONDE GEOTERMICHE VERTICALI capacità di estrazione specifica A ML DI SONDA (*) SOTTOSUOLO Cattiva qualità Rocce mobili secche Conducibilità Termica (Wh/ml.K) < Rocce indurite o rocce mobili sature di acqua Rocce indurite a conducibilità termica elevata > Ghiaia sabbia secca 0.4 < 20 Ghiaia sabbia acquifero Argilla, limo umido Calcare massiccio Arenaria Granito, granodiorite Basalto Gneiss Potenza di estrazione (Wh/ml) DIMENSIONAMENTO DEGLI IMPIANTI GEOTERMICI ORIZZONTALI Caratteristiche tipologiche e rese ESEMPIO: capacità di estrazione specifica A ML DI TRINCEA (W) - Località : Italia centrale - Superficie orizzontale, soleggiamento libero SOTTOSUOLO Cattiva qualità Rocce mobili secche Conducibilità Termica (W/ml.K) < Rocce indurite o rocce mobili sature di acqua Rocce indurite a conducibilità termica elevata > Ghiaia sabbia secca 0.4 < 60 Ghiaia sabbia acquifero Argilla, limo umido Calcare massiccio Arenaria Potenza di estrazione (W/ml) RADIAZIONE SOLARE E importante che un collettore orizzontale sia dimensionato in modo che l estrazione superficiale specifica non sia superiore all irraggiamento medio orario nel mese peggiore (Tabelle ENEA) novembre dicembre RADIAZIONE SOLARE SU SUPERFICIE ORIZZONTALE gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre Rad.diretta Rad.diffusa Totale COLLETTORI GEOTERMICI ORIZZONTALI GRAFICO CARICHI - TEMPERATURE COLLETTORE SPERIMENTAZIONE SISTEMI ORIZZONTALI CARICHI-TEMPERATURE COLLETTORE 25,00 20,00 15,00 10,00 CARICHI MENSILI TEMPERATURA COLLETTORE 5,00 0,00 NOVEMBRE DICEMBRE GENNAIO FEBBRAIO MARZO APRILE mese 4

5 24/04/2013 SCOPO DELLA SPERIMENTAZIONE I sistemi orizzontali inizialmente venivano realizzati attraverso lo sbancamento del terreno su cui poi venivano distesi le tubazioni in materiale plastico. SOLUZIONE TRINCEA 4 TUBI Tubo polietilene reticolato GEOPEX PE 100 DN 28 PN12,5 - SOHNER Sezione di posa SBANCAMENTO Lo sbancamento risulta comunque costoso poiché comporta la movimentazione di notevoli quantità di terreno Allo scopo di ridurre i costi risulta indubbiamente preferibile anziché provvedere allo sbancamento, realizzare una trincea nella quale collocare gli scambiatori. Un ulteriore passo per ridurre i costi e cercare di ridurre la superficie complessivamente occupata dal loop a terreno consiste nel ricercare quelle configurazioni che assicurano il miglior rapporto fra costi di installazione e resa termica specifica per metro di trincea o metro quadrato di superficie occupata. Scopo della sperimentazione è confrontare 6 possibili soluzioni. CONSIDERAZIONI DI CONVENIENZA ECONOMICA DI IMPIANTI CON POMPE DI CALORE E COLLETTORI GEOTERMICI DIMENSIONAMENTO CAMPO SONDE ORIZZONTALI L INTERASSE DELLE TRINCEE può essere DETERMINATO IN FUNZIONE DELLA RADIAZIONE SOLARE ASSORBITA DALLA SUPERFICIE DEL COLLETTORE PER LA LOCALITA IN PROGETTO dalla seguente relazione: dl = (Wx24/Is)x1.25 Ove: dl = interasse trincee in ml. W = estrazione specifica trincea in W/ml Is = minima radiazione totale su superficie orizzontale nella stagione di riscaldamento (Wh/mq.) (Dicembre) COP di equivalenza economica (FASE INVERNALE) pompa di calore terreno/acqua/caldaia a condensazione a metano: pm = 0.90 (rendimento produzione caldaia) pci metano = 9.5 Kwh/mc ( fornitura commerciale) costo metano = 0.80 Euro/mc costo energia elettrica = 0.22 Euro/Kwh COPeq. = 9.5 x 0.90 x 0.22 / 0.85 = 2.21 Si evince che per COP >2.21 l impiego di pompe di calore (per quanto attiene la spesa per i consumi) è più conveniente di un generatore a metano a condensazione ALTA EFFICIENZA NELLA PRODUZIONE ACQUA CALDA SANITARIA LA POMPA DI CALORE GSI Alta efficienza in Riscaldamento e Condizionamento FUNZIONAMENTO INVERNALE AQUA MAGIS: Unità POLIVELENTE Pompa di calore dimensionata per avere Alta efficienza in funzionamento invernale, con reversibilità sul lato gas per funzionamento raffreddamento estivo; -AQUA MAGIS GSI: Produzione ACS con 3 scambiatore che ha doppia funzione: FUNZIONAMENTO INVERNALE Produzione contemporanea di fluido freddo per il raffreddamento e la deumidificazione in fase estiva; FUNZIONAMENTO ESTIVO Produzione contemporanea su 2 livelli termici in fase di riscaldamento con sistemi a bassa temperatura (es. radianti) e su secondo circuito ad alta temperatura per ACS o altri (es. Post Riscaldamento UTA, ecc.) DESURRISCALDATORE: Recupera parte della produzione del calore invernale per funzionamento contemporanea assieme al riscaldamento con raggiungimento alte temp fino a 65 C (COP MAX) RECUPERO TOTALE: lo scambiatore per il sanitario è comunque in grado di scambiare tutta la potenza della PDC. LA produzione ACS estiva è gratuita perché sfrutta il calore che altrimenti andrebbe buttato via al geotermico FUNZIONAMENTO ESTIVO FUNZIONAMENTO INVERNALE FUNZIONAMENTO ESTIVO /ACS /ACS 5

6 ALLEGATO H DEL DM 7/4/ 2008 Caratteristiche tecniche dei prodotti: Conformità dei valori minimi del coefficiente di prestazione (COP) dell indice di efficienza energetica (EER) secondo l'allegato H del DM 7/4/ Documentazione da compilare su sito internet ENEA entro 90 giorni dalla fine dei lavori - Scheda informativa (allegato E). - Attestato di Qualificazione Energetica (allegato A). Documentazione da conservare ed esibire su richiesta all Agenzia delle Entrate - Fatture dei fornitori. - Ricevute comprovanti i pagamenti a mezzo bonifico. - Copie sottoscritta da professionista abilitato dell Attestato di Qualificazione Energetica. Dal 15 agosto 2009 (si suppone per interventi terminati dopo questa data) non è più necessario inviare questo documento. Si è in attesa di conoscere la nuova procedura. Vedere FAQ ENEA n Copia della Scheda Informativa. - Ricevuta rilasciata da ENEA dell avvenuta compilazione su sito internet dell Attestato di Qualificazione Energetica e della Scheda Informativa. - Dichiarazioni del costruttore della pompa di calore di conformità dei prodotti ai requisiti della normativa. ALLEGATO H DEL DM 7/4/ 2008 PRESTAZIONI DELLE POMPE DI CALORE IN RISCALDAMENTO Valori minimi del coefficiente di prestazione (COP) per pompe di calore elettriche Tipo di pompa di calore Ambiente esterno/interno aria/aria aria/acqua Ambiente esterno [ºC] Bulbo secco all entrata : 7 Bulbo umido all entrata : 6 Bulbo secco all entrata : 7 Bulbo umido all entrata : 6 salamoia/aria Temperatura entrata: 0 salamoia/ acqua Temperatura entrata: 0 acqua/aria Temperatura entrata: 15 Temperatura uscita: 12 acqua/acqua Temperatura entrata: 10 Ambiente interno [ºC] Bulbo secco all entrata: 20 Bulbo umido all entr.: 15 Bulbo secco all entrata: 20 Bulbo umido all entr.: 15 Bulbo secco all entrata: 20 Bulbo umido entrata: 15 COP COP ,8 3,9 3,9 4,1 4,0 4,3 4,0 4,3 4,3 4,7 4,4 5,1 Valori minimi del coefficiente di prestazione (COP) per pompe di calore elettriche UNI EN 14511:2004 Al momento della prova la pompa di calore deve funzionare a pieno regime, nelle condizioni indicate nella tabella. ALLEGATO H DEL DM 7/4/ 2008 PRESTAZIONI DELLE POMPE DI CALORE IN RAFFRESCAMENTO Valori minimi dell efficienza energetica (EER) per pompe di calore elettriche Tipo di pompa di calore Ambiente esterno/interno aria/aria Ambiente esterno [ºC] Bulbo secco all entrata : 35 Bulbo umido all entr.: 24 Ambiente interno [ºC] Bulbo secco all entrata: 27 Bulbo umido all entr.: 19 EER EER ,3 3,4 ZONA RESIDENZIALE Località Grosseto 4 Blocchi condominiali asserviti da 3 centrali termiche da 52kW termici nominali; 48 unità abitative totali per una superficie di circa 2900mQ; campo sonde verticale composto da 38 sonde da 100mt lineari; Classe Energetica Nazionale A aria/acqua Bulbo secco all entrata : 35 Bulbo umido all entr.: 24 Temperatura entrata: 23 Temperatura uscita: 18 3,4 3,8 salamoia/aria Bulbo secco all entrata: 27 Bulbo umido all entr.: 19 4,2 4,4 salamoia/ acqua Temperatura entrata: 23 Temperatura uscita: 18 4,2 4,4 acqua/aria Bulbo secco all entrata: 27 Bulbo umido all entr.: 19 4,2 4,4 acqua/acqua Temperatura entrata: 23 Temperatura uscita: 18 4,6 5,1 Valori minimi del coefficiente di prestazione (COP) per pompe di calore elettriche UNI EN 14511:2004 Al momento della prova la pompa di calore deve funzionare a pieno regime, nelle condizioni indicate nella tabella. MENSA PUBBLICA Zona Industriale San Vito al Tagliamento (Pordenone) Ristrutturazione dell edificio con ampliamento; Potenza termica 100kW; Potenza frigorifera 90kW; Fabbisogno ACS 850lt/ora (50 C) Campo sonde orizzontali, numero 28 trincee da 80mt circa cadauna Classe Energetica Nazionale A+ MENSA PUBBLICA Zona Industriale San Vito al Tagliamento (Pordenone) Impianto di climatizzazione Estiva e Invernale di tipo radiante a Soffitto; Sistema di deumidificazione e ricambio aria primaria tramite UTA da m3h 6

7 EDIFICIO COMMERCIALE TERZIARIO Sede CNA FAENZA (Rimini) Uffici amministrativi, locale commerciale a piano terra, e locali a servizio di una banca per un totale di 3200mQ Campo sonde verticali profondità 100mt, numero sonde totali 25 Classe Energetica Nazionale A+ RISTRUTTURAZIONE EDFICIO STORICO CON DESTINAZIONE ALBERGHIERA Potenza termica totale 120kW, copertura con pompa di calore geotermico circa 40% (50kW); Superficie totale 1300mQ, impianto radiante a pavimento per riscaldamento e raffreddamento con terminali Fan Coil, SPA e fitness tramite unità trattamento aria; Campo sonde orizzontale sviluppo totale 480mt; Classe Energetica Nazionale E GRAZIE PER L ATTENZIONE 7