IMPIANTI DI RISCALDAMENTO. Ing. Guglielmo Magri Dipartimento di Energetica-Ancona

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1 IMPIANTI DI RISCALDAMENTO Ing. Guglielmo Magri Dipartimento di Energetica-Ancona

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5 SISTEMI DI GENERAZIONE Tipologie più diffuse o in sviluppo Generatori a combustione Caldaie atmosferiche Caldaie a condensazione Pompe di calore ad assorbimento Generatori elettrici Pompe di calore aria-acqua Pompe di calore acqua-acqua Pompe di calore aria-aria Sistemi solari

6 GENERATORI A COMBUSTIONE Caldaie atmosferiche Sono caldaie dotate di bruciatori alimentati da aria a pressione atmosferica Parte dell aria è convogliata in ugelli dove si miscela col gas prima della combustione (aria primaria) Altra aria partecipa alla combustione a valle del fronte di fiamma (aria secondaria)

7 GENERATORI A COMBUSTIONE Caldaie con bruciatore pressurizzato Sono caldaie dotate di bruciatori a gas o a gasolio che possono essere scelti indipendentemente dalla caldaia Il bruciatore miscela nelle giuste proporzioni aria e combustibile completamente a monte della combustione La miscela è spinta in pressione dentro la camera di combustione anche per vincere le peridte di carico lungo il percorso fumi

8 GENERATORI A COMBUSTIONE Temperature di ritorno Le caldaie tradizonali non sono in grado di funzionare con basse temperature di ritorno a causa della possibile formazione di condensa A causa di ciò si possono avere formazioni di condensa acida e schock termici Per questo motivo devono essere adottati accorgimenti impiantistici adeguati Esistono tuttavia caldaie tradizionali (dette a bassa temperatura) che adottano sistemi che impediscono il contatto diretto dell acqua di ritorno con lo scambiatore di calore

9 GENERATORI A COMBUSTIONE Caldaie a condensazione Sono caldaie che sono in grado di recuperare il calore ottenuto dalla condensazione del vapore acqueo presente nei fumi Differiscono dalle caldaie tradizionali per la forma e i materiali con cui sono costituiti il bruciatore e lo scambiatore di calore Sono inoltre dotate di sistemi per la raccolta e lo smaltimento della condensa

10 CALDAIE A CONDENSAZIONE Schemi funzionali

11 CALDAIE A CONDENSAZIONE Generalità sulla condensazione

12 CALDAIE A CONDENSAZIONE

13 CALDAIE A CONDENSAZIONE

14 CALDAIE A CONDENSAZIONE

15 CALDAIE A CONDENSAZIONE

16 CALDAIE A CONDENSAZIONE

17 CALDAIE A CONDENSAZIONE

18 CALDAIE A CONDENSAZIONE Diagramma di stato

19 CALDAIE A CONDENSAZIONE

20 CALDAIE A CONDENSAZIONE

21 CALDAIE A CONDENSAZIONE

22 CALDAIE A CONDENSAZIONE

23 CALDAIE A CONDENSAZIONE

24 CALDAIE A CONDENSAZIONE

25 CALDAIE A CONDENSAZIONE

26 CALDAIE A CONDENSAZIONE Differenza temperatura fumi-acqua di ritorno

27 CALDAIE A CONDENSAZIONE

28 CALDAIE A CONDENSAZIONE

29 CALDAIE A CONDENSAZIONE

30 CALDAIE A CONDENSAZIONE

31 CALDAIE A CONDENSAZIONE

32 CALDAIE A CONDENSAZIONE

33 CALDAIE A CONDENSAZIONE

34 CALDAIE A CONDENSAZIONE

35 CALDAIE A CONDENSAZIONE

36 CALDAIE A CONDENSAZIONE

37 CALDAIE A CONDENSAZIONE

38 CALDAIE A CONDENSAZIONE

39 CALDAIE A CONDENSAZIONE

40 GENERATORI ELETTRICI Pompe di calore

41 Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot Il ciclo di Carnot è il più semplice fra i motori termici Si tratta di un ciclo ideale con ipotesi di gas perfetto e trasformazioni senza attrito e quasi statiche (reversibili) Esso fornisce il limite teorico alle prestazioni di un qualunque ciclo reale

42 Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot

43 Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot

44 Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot Il rendimento del ciclo di Carnot dipende unicamente dalle temperature tra le quali avviene il ciclo Non dipende quindi ne dal tipo di gas impiegato, ne dai volumi e pressioni considerati

45 Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot Il ciclo di Carnot è reversibile Se viene percorso in senso inverso, le energie scambiate cambiano segno Viene assorbito lavoro meccanico L Viene assorbita dalla sorgente fredda una quantità di calore Qf Viene ceduta alla sorgente calda una quantità di calore Qc Il ciclo diventa un ciclo frigorigeno e il sistema viene detto Macchina Frigorifera o Pompa di Calore

46 Generalità sulle pompe di calore Il ciclo di Carnot

47 Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche Il motore termico sfrutta il ciclo di Carnot per fornire lavoro utile, tramite scambi di calore con due sorgenti (calda e fredda) La macchina frigorigena sfrutta il ciclo di Carnot inverso e assorbe calore da un ambiente per raffreddarlo e cedere calore a un pozzo esterno. La pompa di calore sfrutta il ciclo di Carnot inverso e assorbe lavoro da un pozzo freddo esterno per riscaldare un ambiente Il campo di temperature di impiego è ovviamente diverso fra le due macchine

48 Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche

49 Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche

50 Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche

51 Generalità sulle pompe di calore Macchine termiche Un valore del COP pari a 4 significa che per ogni kwh di energia meccanica consumata la pompa di calore renderà 4 kwh di energia termica all ambiente da riscaldare Ciò non costituisce una violazione del principio di conservazione dell energia perchè parte del calore viene solo spostata da T1 a T2

52 Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale Nell espansione 1-2 il lavoro di espansione non viene recuperato e viene dissipato in attrito

53 Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale Nella vaporizzazione 2-3 il fluido viene completamente evaporato

54 Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale

55 Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale La trasformazione 3-4 non avviene più in maniera isotermica ma all inizio solo isobara e successivamente diventa una condensazione alla temperatura di 45 C

56 Generalità sulle pompe di calore Ciclo reale Il lavoro di espansione non viene recuperato Il lavoro di compressione è più grande rispetto a quello ideale Le temperature di evaporazione e condensazione sono più bassa e più alta di quelle degli ambienti in cui si trovano. La differenza di temperatura tra condensatore e evaporatore sarà sempre più alta di quella fra sorgente calda e sorgente fredda

57 Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Vantaggi di installazione Sorgente fredda ad aria Rumorosità per elevate quantità aria da trattare Cali critici di rendimento sotto i 5-6 C

58 Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda ad acqua di superficie Vantaggi di installazione Poca rumorosità Cali critici di rendimento sotto i 5-6 C Possibili problemi di ghiacciamento

59 Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda ad acqua di falda Poca rumorosità Temperatura della sorgente fredda più costante Necessità di richiesta di permessi

60 Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda a collettori orizzontali Temperatura della sorgente fredda più costante Costo elevato della installazione Necessità di spazio

61 Applicazioni delle pompe di calore Sorgenti fredde Sorgente fredda a sonde geotermiche Temperatura della sorgente costante Sfruttamento del calore geotermico Costo elevato della installazione

62 Applicazioni delle pompe di calore Pompe di calore reversibili Sono pompe in cui può essere invertito il senso di circolazione del fluido In tale maniera possono produrre sia caldo che freddo all interno di un ambiente

63 Applicazioni delle pompe di calore Pompe di calore reversibili Componenti: Valvola a 4 vie Valvola a 3 vie Seconda valvola di espansione

64 Applicazioni delle pompe di calore Temperature ottenibili Realizzabile con sorgenti esterne che d estate sono a temperature basse

65 Applicazioni delle pompe di calore Temperature di lavoro La maggior parte delle pompe di calore arriva a una temperatura max di 55 C a causa dei fluidi utilizzati Pompe di calore con temp. max di 65 C sono realizzabili con dispositivi di reiniezione del fluido di lavoro (sistema EVI) Tali macchine sono anche realizzabili utilizzando due cicli in cascata

66 Applicazioni delle pompe di calore Temperature di lavoro

67 Applicazioni delle pompe di calore Produzione di acqua calda sanitaria L ACS come per il solare non può essere prodotta in funz. Istantaneo per problemi di potenza e di salto termico Vengono perciò utilizzati bollitori analoghi a quelli utilizzati per il solare

68 Applicazioni delle pompe di calore Bollitori tampone per riscaldamento Funzione di separazione idraulica Funzione di volano termico Impianti a pannelli radianti: 20/25 l ogni kw Impianti a radiatori e ventilconvettori: 40/45 l ogni kw

69 Generalità sulle pompe di calore Prestazioni Il COP della pompa di calore varia con le temperature di condensazione e evaporazione Lo stesso accade con la potenza resa (rispetto a quella nominale) A carico parziale il valore del COP viene ulteriormente ridotto secondo un coefficiente (PLF)

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73 Generalità sulle pompe di calore Confronto con caldaie Il confronto energetico va fatto considerando il consumo di energia primaria Per ottenere questo consumo si utilizza il COP e il rendimento del sistema elettrico nazionale (in Italia circa 0,36) Rendimento COP Caldaie normali 0,75-0,88 2,08-2,44 Caldaie media eff. 0,9-0,93 2,5-2,58 Caldaie alta efficienza 0,93-1,06 2,58-2,94

74 Generalità sulle pompe di calore Confronto con caldaie Il confronto economico va fatto considerando i costi di elettricità e gas A seconda di questi costi si può ricavare il COP limite di convenienza L analisi economica completa va però effettuata tenendo conto degli investimenti e dei tassi di interesse e di inflazione col metodo del VAN

75 Generalità sulle pompe di calore Confronto con caldaie Tipo di utenza Costo kwhe (eurocent/kwh) COP limite Te limite ( C) Usi domestici > 3kW 17,17 2,62 +3 Altri usi BT alta utilizzazione Altri usi MT alta utilizzazione 10,15 1,87-9 9,82 1,77-11 Confronto per utilizzi residenziali o terziari con tariffa elettrica semplice

76 Generalità sulle pompe di calore Confronto con caldaie Tipo di utenza Media utilizzazione ore di punta Media utilizzazione ore di alto carico Media utilizzazione ore di medio carico Media utilizzazione ore vuote Costo kwhe (eurocent/kwh) COP limite Te limite ( C) 17,14 3, ,3 2,09-3 9,5 1, ,37 1,36-12 Confronto per utilizzo terziario con tariffa elettrica multioraria

77 CONFRONTO CALDAIA-PdC Prestazioni stagionali

78 Generalità sulle pompe di calore Fluidi refrigeranti I primi fluidi refrigeranti sono stati ammoniaca e CO2 Dal 1930 vengono introdotti I CFC (clorofluorocarburi o Freon), poco aggressivi, ma dannosi per l ozono e l effetto serra Fluidi alternativi sono gli HCPC (idroclorofluorocarburi) con minore capacità di combinarsi con l ozono Fluidi inerti per l ozono sono gli HFC (idrofluorocarburi)

79 Generalità sulle pompe di calore Fluidi refrigeranti

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