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- Teodora Vacca
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1 (92/8=,21(1250$7,9$(1(5*(7,&$'(*/,,03,$17,1(*/,(',),&, /XLJL6FKLEXROD 'LSDUWLPHQWRGL&RVWUX]LRQHGHOO $UFKLWHWWXUD &RUVRGL/DXUHD LQ3URGX]LRQHGHOO (GLOL]LD 8QLYHUVLWj IUAV GL 9HQH]LD 6DQ'RQj GL 3LDYH ± PDJJLR
2 &HUWLILFD]LRQHHQHUJHWLFDH HQRUPHWHFQLFKH - Necessità di norme tecniche per procedere al calcolo dei consumi di un edificio. - Il calcolo è sequenziale. - Si valuta anzitutto il fabbisogno per mantenere le condizioni interne richieste. - Viene quindi calcolato il fabbisogno di energia primaria richiesto dall impianto per produrre tale energia.
3 /DQRUPD QRUPD81, -Calcola il fabbisogno di energia primaria dividendo successivamente il fabbisogno dell edificio per quattro rendimenti. - Ciascuno di essi quantifica l efficienza con cui viene svolta una delle funzioni primarie dell impianto. - Essi sono quattro: 1 rendimento di emissione η H 2 - rendimento di regolazione η F 3 - rendimento di distribuzione η G 4 - rendimento di produzione η S
4 ,UHQGLPHQWL - 5HQGLPHQWRGLHPLVVLRQH: aumenti di dispersioni dovuti a disuniformità di temperatura. - 5HQGLPHQWR GL UHJROD]LRQH: aumenti di dispersioni dovuti ad inerzia e mancanza di un controllo perfetto. - 5HQGLPHQWRGLGLVWULEX]LRQH: dispersioni termiche della rete di distribuzione. -5HQGLPHQWR GL SURGX]LRQH: è il rendimento del generatore di calore.
5 &DOFRORGHOO HQHUJLDSULPDULD4 4 = ] M=1 4 KM ηhm η η η G S FM -I rendimenti di emissione e regolazione scelti per ciascuna zona termica, il rendimento di distribuzione per l edificio. Tutti e tre sono costanti e presi da tabelle. - il rendimento di produzione è calcolato su base mensile.
6 &DOFRORGHO GHOUHQGLPHQWRGLSURGX]LRQH η S ( 1 )&) 3 G = 1 + ) EU 3 I IEV )& )& /100 - dove: - ) EU è la frazione recuperata percentuale dell energia elettrica assorbita dal bruciatore. - 3 I sono le perdite termiche percentuali al camino a bruciatore funzionante - 3 G sono le perdite termiche percentuali disperse attraverso l involucro - 3 IEV sono le perdite termiche percentuali al camino a bruciatore spento - )& è il fattore di carico al focolare calcolato con la seguente formula: )& = 3 G ( 1 + ) EU ) I ( 1+ ) EU ) I 3 IEV IEV [ 3 ] G &3 -Il fattore di carico CP è calcolato per ogni mese
7 6YLOXSSLQRUPDWLYDHQHUJHWLFDLPSLDQWL - Metodo di calcolo del rendimento di produzione per generatori a condensazione (raccomandazione CTI/2003). - Metodo di calcolo del rendimento medio dei sistemi di produzione acqua calda sanitaria (raccomandazione CTI/2003). - Metodo di calcolo dell efficienza media stagionale delle macchine frigorifere per la climatizzazione (CTI 5/540) - Metodo di calcolo prestazioni delle macchine frigorifere a carico parziale (UNI 10963)
8 &LFORLQYHUVR - Trasferimento di calore da una temperatura inferiore ad una superiore mediante somministrazione di calore.
9 /DSUHVWD]LRQHGHOODPDFFKLQD DFLFORLQYHUVR -Viene valutata mediante un coefficiente di prestazione &23(Coefficient of Performance). - Per l impiego frigorifero viene definito come: &23 = 4 / 0 -Per l impiego come pompa di calore: &23 = 4 / 1
10 &LFORD DFRPSUHVVLRQHGLYDSRUH
11 6FKHPDGL GLXQVLVWHPDVSOLWVSOLW
12 &RQILJXUD]LRQH SRPSDGLFDORUHUHYHUVLELOH
13 3UHVWD]LRQHGHO GHOFLFORLQYHUVRLGHDOH - Dal teorema di Carnot discende che la prestazione massima che si può ottenere da un ciclo ideale (ciclo di Carnot) inverso dipende solo dalle temperature 7 e 7 - Per l impiego frigorifero &23 (o ε) viene definito come: &23 = Per l impiego come pompa di calore: &23 =
14 3UHVWD]LRQH LQUDIIUHGGDPHQWR H Reale 0 C Reale 2 C Reale 4 C Reale 6 C Carnot 0 C Carnot 2 C Carnot 4 C Carnot 6 C WFRQGHQVD]LRQHƒ&
15 3UHVWD]LRQHLQ LQULVFDOGDPHQWR & WHYDSRUD]LRQHƒ& Reale 40 C Reale 45 C Reale 50 C Reale 55 C Carnot 40 C Carnot 45 C Carnot 50 C Carnot 55 C
16 /DSUHYLVLRQHGHOOHSUHVWD]LRQLVWDJLRQDOL - Una corretta previsione del comportamento stagionale delle macchine a ciclo inverso usate nella climatizzazione è indispensabile per un ottimizzazione energetica degli impianti. - Recentemente è cresciuta la consapevolezza della importanza dell influenza del funzionamento a potenza ridotta sulle prestazioni a lungo termine. - Di conseguenza si stanno elaborando nuovi algoritmi per una sua valutazione più precisa. Essi vengono presentati qui con riferimento a condizionatori e refrigeratori d acqua. - I risultati ottenuti con questi modelli nella simulazione dinamica sono infine riportati per alcuni casi tipici.
17 0RGHOOLGLFDOFROR -Si parte dalla valutazione del coefficiente di prestazione (COP) a pieno carico in funzione delle temperature dei fluidi esterni con cui la macchina scambia calore. -Tale COP va moltiplicato per un coefficiente correttivo Y che tiene conto del funzionamento a potenza ridotta. - Recentemente è stata introdotta la norma UNI Condizionatori d aria, refrigeratori d acqua e pompe di calore. Determinazione delle prestazioni a potenza ridotta.
18 ,OIDWWRUHFRUUHWWLYR IDWWRUHFRUUHWWLYR<VHFRQGR$5, - Il coefficiente Y viene ricavato in funzione di X pari al rapporto tra la potenza termica ridotta effettivamente fornita e la potenza termica piena a parità di temperature operative. - Per il calcolo di Y le norme ARI suggeriscono un uso generalizzato della seguente equazione: < = 1 & G 1 ( ; ) -dove Cd è un coefficiente di degrado specificato dal costruttore oppure posto pari a 0,25.
19 0RGHOOR$5, < = ( ; ) 1 < &23U&23D 0,75 0,5 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 ; 3FU3FD
20 /DQRUPD QRUPD81, - Prevede una procedura sistematica per misurare i dati minimi che si ritengono necessari per una stima dell efficienza stagionale. - Propone poi una presentazione dei risultati in termini di modelli di calcolo da utilizzare nello studio del sistema edificio-impianto. - Distingue tra macchine monostadio, modulanti e pluristadio. - Ha il merito della novità in ambito normativo.
21 /DQRUPD QRUPD81, - Data l incredibile penuria di dati sperimentali, si basa su prove di laboratorio appositamente svolte inizialmente solo con condizionatori d aria con regolazione on-off o modulante con inverter. -Per i refrigeratori d acqua successivamente sono stati dapprima utilizzati dati sperimentali ottenuti dal monitoraggio di edifici reali e oggi si sta procedendo ai test di laboratorio. - Per le pompe di calore con sorgente aria esterna le prove andrebbero estese nel campo di funzionamento interessato da sbrinamenti.
22 (VHPSLRGLDSSOLFD]LRQHDLFRQGL]LRQDWRULG DULD - Si parte dalla valutazione a pieno carico in funzione delle temperature dei fluidi esterni con cui la macchina scambia calore. - La norma prevede un minimo di due prove a pieno carico con aria interna a 27 C b.s. (19 C b.u.) : aria esterna a 35 C (condizione nominale) e a 28 C (condizione ausiliaria). - Interpolando o estrapolando tra questi due punti si può ottenere la potenza resa e il COP a pieno carico per altre condizioni. - Tale COP va moltiplicato per un coefficiente correttivo Y che tiene conto del funzionamento a potenza ridotta.
23 &RQGL]LRQDWRUHPRQRVWDGLR - La norma introduce anche un parametro Z pari al rapporto tra la potenza elettrica assorbita (Per) a potenza ridotta e quella assorbita a piena potenza. 1,1 1 Monostadio 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0RGHOOR8 1, = 3HU3HD 0RGHOOR8 1, < &23U&23D 9DORULGDSURY H = 3HU3HD 9DORULGDSURY H < &23U&23D 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 ; 3FU3FD Fig. 1 Modelli UNI dei parametri Z e Y in funzione di X e alcuni valori sperimentali ricavati per una macchina monostadio.
24 ,OPRGHOORPDWHPDWLFR GHOPRQRVWDGLR -Le prove svolte suggeriscono una correlazione lineare tra Z e X e quindi un semplice modello di Y in funzione di X: 3FU 3FD &23 r = &23D = Z = D ; + E 3HU 3HD < = &23r &23D = 3FU 3HU 3HD 3FD = ; 3HU 3HD = ; = = D ; ; + E - Una sola prova a potenza ridotta e quella ausiliaria a pieno carico sono sufficienti per trovare Y in funzione di X.
25 &RQGL]LRQDWRUHPRGXODQWH 1,60 1,40 Modulante 1,20 1,00 0,80 0,60 0RGHOOR8 1, < &23U&23D 9DORULGDSURY H < &23U&23D 0,40 0,20 0,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ; 3FU3FD Fig. 2 Modello UNI del parametro Y in funzione di X e alcuni valori sperimentali ricavati per una macchina modulante. - Sono sufficienti tre punti di prova nella condizione ausiliaria: piena potenza alla frequenza massima (X=1), piena potenza ma frequenza minima (X=0,64), attacca e stacca a frequenza minima (X=0,3).
26 3URYHLQODERUDWRULR - Un circuito di prova espressamente realizzato per stabilizzare le temperature dei fluidi esterni che scambiano calore con la macchina. A sketch of the test circuit in laboratory
27 5HIULJHUDWRUH G DFTXD - Macchina bistadio con potenza nominale di 33 kw 0DFKLQH&+,//(5 1 PLF Test values Z Test values PLF model Z model Z=0.9421PLR PLR
28 8QHVHPSLRDSSOLFDWLYR - Un calcolo stagionale mediante simulazione con passo orario. Ad ogni passo si applicano i modelli introdotti. - Si sono considerati alcuni casi tipici: un abitazione e un ufficio. Il condizionamento è intermittente (14 e 12h) nella giornata. - Varie località climatiche ben distribuite in Europa: Copenhagen, Nancy, Milano, Roma, Crotone, Trapani. - Il comportamento stagionale del sistema edificio-impianto è stato simulato con un codice di calcolo sofisticato quale il DOE 2.1E.
29 5HIULJHUDWRUHG DFTXD 6 COP resid. UNI COP resid. ARI COP resid. senza COP uffici UNI COP uffici ARI COP uffici senza Copenhagen Nancy Milano Roma Crotone Trapani Confronto tra coefficienti di prestazione (COP) stagionali ottenuti utilizzando diversi modelli: modello UNI, modello ARI o senza penalizzazione. - L influenza sul COP stagionale del funzionamento a potenza ridotta risulta notevole. Non può quindi essere trascurata e va valutata con un modello corretto.
30 0DFFKLQDDULDDULD&RQGL]LRQDPHQWR 5 COP resid. senza COP resid. ARI COP resid. UNI COP resid. mod. COP uffici senza COP uffici ARI COP uffici UNI COP uffici mod Copenhagen Nancy Milano Roma Crotone Trapani Confronto tra coefficienti di prestazione (COP) stagionali ottenuti utilizzando diversi modelli: senza penalizzazione, modello ARI o UNI per la monostadio, modello UNI per la modulante. -Un attenta valutazione dell influenza del funzionamento a potenza ridotta permette di evidenziare il rilevante incremento di prestazioni con la regolazione modulante.
31 0RGHOOLSHUOH SHUOHPDFFKLQHDULDDFTXDDFTXD - Dati sperimentali provenienti dal monitoraggio quindi punti non riproducibili, elevata dispersione, inutilizzabili per valutazioni istantanee. - Più efficace il riferimento alle prestazioni medie orarie anche più attendibili delle prove in laboratorio per una valutazione stagionale. - Una difficoltà nuova può essere la penuria di dati di funzionamento a pieno carico visto che le curve fornite dai costruttori sono a volte poco affidabili. -Vengono qui presentati i risultati di 4 macchine.
32 3RPSDGLFDORUHDULD DULDDFTXDGDN: - Risultati del monitoraggio di una piccola p.d.c. reversibile con compressore scroll e regolazione on-off a servizio di un unità residenziale DFFKLQDQƒ&RQGL]LRQDPHQWR 1 0DFFKLQDQƒ&RQGL]LRQDPHQWR = 3HU3HO Z = 1,126X+ 0,1673 R 2 = 0,988 < &23U& Valori orari Y=X/1,126X+0, ; 3FU3F ; 3FU3F Valori medi orari e modelli UNI dei parametri Z e Y in funzione di X per la macchina n 1 in condizionamento.
33 1 0DFFKLQDQƒ5LVFDOGDP HQWR 1 0DFFKLQDQƒ5LVFDOGDPHQWR = 3HU3H z= 1,0269x + 0,1035 R 2 = 0,962 < &23U& Valori orari Y=X/(1,0269X+0,1035) ; 3FU3F ; 3FU3F Valori medi orari e modelli UNI dei parametri Z e Y in funzione di X per la macchina n 1 in riscaldamento. - L inevitabile dispersione dei punti non impedisce la sostanziale conferma della validità delle curve introdotte dalla norma UNI.
34 RPSDGLFDORUH DULDDFTXDGD DFTXDGDN: 0DFFKLQDQƒ&RQGL]LRQDPHQWR DFFKLQDQƒ&RQGL]LRQDPHQWR = 3HU3H Y= 0,9451X + 0,2822 R 2 = 0,731 < &23U& Valori orari Y=X/(0,9451X+0,2822) ; 3FU3F ; 3FU3FU Valori medi orari e modelli UNI dei parametri Z e Y in funzione di X per la macchina n 2 in condizionamento. -Si osservi la differenza dei coefficienti numerici per le due macchine e anche per funzionamento estivo ed invernale della stessa macchina.
35 5HIULJHUDWRUL DULDDFTXDGD DFTXDGDN: - Refrigeratori da 500 kw con 4 circuiti frigoriferi indipendenti con compressori alternativi e quindi 4 gradini di parzializzazione. Schema della centrale termofrigorifera
36 % % $ # "! " 1.2 5HIULJHUDWRUH DULDDFTXDGD DFTXDGDN: 0DFFKLQDQƒ&RQGL]LRQDPHQWR 1.2 0DFFKLQDQƒ&RQGL]LRQDPHQWR = 3HU3H & Y = 0,9434X + 0,0893 R 2 = 0,972 < &23U& Valori orari Y=X/(0,9434X+0,0893) ; 3FU3F ; 3FU3F Valori medi orari e modelli UNI dei parametri Z e Y in funzione di X per la macchina n 3. -E di nuovo evidente la correlazione sperimentale tra i valori medi orari del fattore di carico X ed il coefficiente correttivo Y.
37 Refrigeratore aria-acqua da 186 kw 5()5,*(5$725('$N: -Due circuiti frigoriferi indipendenti e compressori semiermetici. Convegno Int ernazionale AICARR 1.4 0DFFKLQDQƒ&RQGL]LRQDPHQWR 1.2 0DFFKLQDQƒ&RQGL]LRQDPHQWR Z Y Z = 1,0018X + 0,1314 R 2 = 0, Valori medi orari Y=X/(1,0018X+0,1314) X X - Valori medi orari e modelli UNI dei parametri Z e Y in funzione di X per la macchina n 5 in condizionamento. Prof. Luigi Schibuola IUAV Venezia
38 2VVHUYD]LRQL - Il solo parametro X è effettivamente in grado di individuare l influenza del funzionamento a potenza ridotta. - A parità di X medio orario, differenti distribuzioni orarie della domanda termofrigorifera certamente presenti nel periodo monitorato non causano differenze a livello di Y medio orario. - Questo risultato convalida l uso dei modelli introdotti per le simulazioni dinamiche con passo orario.
39 - Partendo dai carichi orari misurati e usando i modelli si è calcolato il COP stagionale. Convegno Int ernazionale AICARR &23 PLVXUDWR &23 FDOFRODWR (UURUH Macchina n 1 condizionamento 2,469 2,463-0,24 Macchina n 1 riscaldamento 3,041 3,073 1,05 Macchina n 2 condizionamento 1,516 1,514-0,13 Macchina n 2 riscaldamento 2,053 2,051-0,10 Macchina n 3 condizionamento 2,580 2,581 0,4 Macchina n 4 condizionamento 2,618 2,617-0,04 Macchina n 5 condizionamento 4,228 4,216-0,28 Confronto tra COP reale misurato e COP calcolato Luigi Schibuola, Università IUAV di Venezia
40 0HWRGR GL FDOFRORSURSRVWD &7, Convegno Int ernazionale AICARR - Il metodo si applica anche a livello di medie mensili - Un fabbisogno dell edificio può essere calcolato con procedure semplificate basate su un calcolo dinamico nei giorni medi mensili (Carrier, ASHRAE) - Oppure con approcci stazionari come previsto dai decreti applicativi della 10/91. - Alla fine il COP medio stagionale viene calcolato come rapporto tra l energia fornita e l energia consumata nell intera stagionale. Luigi Schibuola, Università IUAV di Venezia
41 &RQGL]LRQDWRUHDULDDULD Convegno Int ernazionale AICARR &23VWDJLRQDOH Residenziale simulato Residenziale stimato Residenziale semplificato Ufficio simulato Ufficio stimato Ufficio semplificato 1 Copenhagen Nancy Milano Roma Crotone Trapani - Le differenze ottenute con la stima e con il metodo semplificato sono certamente accettabili per applicazioni professionali. Luigi Schibuola, Università IUAV di Venezia
42 &RQFOXVLRQL Convegno Int ernazionale AICARR - La normativa in via di elaborazione è in grado di fornire strumenti affidabili ed efficaci per il calcolo delle prestazioni stagionali delle unità di condizionamento. - Questi metodi possono essere usati per la simulazione dinamica a lungo termine del sistema edificio-impianto oppure con procedure più semplici basate sull uso del giorno tipo o su approcci stazionari. - Possono quindi essere impiegati nell ambito della certificazione energetica del sistema edificio-impianto. Luigi Schibuola, Università IUAV di Venezia
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