Applicazione di un sistema di scambio termico a bassa entalpia integrato con pannelli solari

Workshop CISA s.c.a.r.l. Progetto ex dormitorio FF.SS. Porretta Terme (BO), 1 marzo 2006 Applicazione di un sistema di scambio termico a bassa entalpia integrato con pannelli solari Fisica Tecnica Ambientale Facoltà di Architettura L. Quaroni Università La Sapienza Roma

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La macchina termica in funzione della quale il geoscambio venne ideato è la pompa di calore, e specificamente quella condensata (nel funzionamento estivo) ad acqua. Le pompe di calore possono funzionare: ad elettricità a gas 17

1. Le pompe di calore elettriche. Il principio di funzionamento delle pompe di calore elettriche è noto ed è basato sul ciclo termodinamico di Carnot, nel quale il fluido refrigerante preleva calore da un fluido nella fase di evaporazione e lo cede durante la fase di compressione. In questo modo è possibile prelevare calore da un fluido freddo e trasferirlo ad un fluido più caldo. (La figura è tratta da un opuscolo dell ENEA) 18

1. Le pompe di calore elettriche. Efficienza. Nel ciclo di funzionamento, la pompa di calore: consuma energia elettrica, nel compressore assorbe calore nell evaporatore, dal mezzo circostante cede calore al mezzo, da riscaldare nel condensatore In tale ciclo essa fornisce più energia termica (caldo o freddo) di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dal mezzo di scambio (acqua del circuito di geoscambio). 19

1. Le pompe di calore elettriche. Efficienza. L efficienza di una pompa di calore elettrica è misurata dal coefficiente di prestazione "C.O.P." che è il rapporto tra energia termica prodotta ed energia elettrica consumata. Il COP è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori compresi tra 2,5 e 3 in quelle condensate ad aria, e tra 4 e 6 per quelle condensate ad acqua. Ciò perché il COP è tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui in estate il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene assorbito (nell evaporatore), e viceversa in inverno. 20

2. Le pompe di calore a gas. Il principio di funzionamento delle pompe di calore a gas è basato sull assorbimento. In esse viene impiegata una sorgente di calore per far evaporare il fluido (tipicamente ammoniaca o bromuro di litio) che poi compie il ciclo termodinamico. (La figura è tratta dal materiale tecnico della ROBUR) 21

2. Le pompe di calore a gas. Efficienza. Nel ciclo di funzionamento, la pompa di calore: consuma gas (metano o gpl), nel generatore assorbe calore nell evaporatore, dal mezzo circostante cede calore al mezzo, da riscaldare nel condensatore In tale ciclo essa fornisce più energia termica (caldo o freddo) di quella primaria impiegata per il suo funzionamento, sia per l efficienza del processo, sia in quanto estrae calore dal mezzo di scambio (acqua del circuito di geoscambio). 22

2. Le pompe di calore a gas. Efficienza. L efficienza di una pompa di calore a gas è misurata dal fattore di efficienza di utilizzazione del gas GUE, che è il rapporto tra l energia termica prodotta e quella consumata dal bruciatore. Il GUE è variabile in funzione del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento, tuttavia in genere raggiunge valori pari a circa 1,5. Una comparazione tra i valori di COP e GUE può essere effettuata solamente sulla base di quantità di energia primaria. 23

3. Elementi di costo di realizzazione 1. Perforazioni. Le perforazioni sono l elemento economicamente più delicato in quanto sono l elemento che provoca la differenza di costo rispetto agli altri impianti. Per questa ragione il dimensionamento deve essere ottimale e richiede una grande esperienza. Gli elementi di variabilità progettuale sono molteplici, tra essi: la stratigrafia del terreno le condizioni climatiche e microclimatiche della zona l interdistanza delle perforazioni la profondità delle perforazioni le caratteristiche dell impianto e dei suoi componenti 24

3. Elementi di costo di realizzazione 1. Perforazioni. Il costo attuale, in Italia, varia tra 50 e 80 /m in rapporto, soprattutto, al tipo di terreno e alla quantità delle perforazioni. Ciò significa che scambiare un kw può costare da 500 a 2.400. Questo costo è comprensivo delle tubazioni (fino alla centrale), del riempimento con il cls bentonilico, degli scavi per i percorsi orizzontali e del loro riempimento. Nei paesi dove questa tecnologia è più diffusa il costo medio è attualmente di circa 30-35 /m (300-700 /kw). 25

3. Elementi di costo di realizzazione 2. Macchine termiche. Il costo delle macchine termiche a pompa di calore è assai variabile in funzione della potenzialità, della tecnologia e del produttore. Ciò che si può evidenziare in questa sede è che in genere le pompe di calore condensate ad acqua costano un po meno di quelle condensate ad aria di pari potenzialità. Le pompe di calore a gas risultano ancora più convenienti. 26

3. Elementi di costo di realizzazione 3. Componenti di centrale. L ultimo elemento di costo è costituito dai componenti di centrale (collettori, vasi di espansione, sistemi di pressurizzazione dei circuiti, sistemi di regolazione, valvole, ecc.), i quali sono pressoché equivalenti a quelli di qualsiasi altro impianto, con l eccezione delle pompe, che sono necessarie in numero superiore e ad inverter (per i vari circuiti del geoscambiatore). Questo elemento dipende anche dalla concezione e dalla tipologia dell impianto (concentrato, localizzato, ad anello d acqua, ecc.). 27

3. Elementi di costo di realizzazione Valutazione complessiva del costo di realizzazione. In Italia non abbiamo ancora impianti tali da poter effettuare valutazioni sulla base di dati rilevati. Per gli studi di fattibilità si utilizzano simulazioni che impiegano modelli di calcolo di vario tipo e software, normalmente nordamericano. Il grafico è relativo appunto alla situazione nordamericana. 28

4. Elementi di economia. 1. Energia. Si intende l energia in se, intesa sia come energia primaria (ad es. il gas), sia come energia prodotta (ad es. l elettricità). Il risparmio energetico è, anche a prescindere dal risparmio economico, un fattore di grande rilevanza dal punto di vista dell impatto ambientale, della macro-economia, della politica. Il geoscambio è una tecnologia che assicura un considerevole risparmio energetico, in generale tra il 25 e il 50%. 29

4. Elementi di economia. 1. Energia. Il risparmio energetico nel geoscambio è legato al fatto che il sistema estrae energia dal terreno e che tale energia è totalmente gratuita e rinnovabile. L energia estratta dal terreno contribuisce a migliorare l efficienza delle macchine termiche impiegate, fino a raddoppiarla e oltre. Nella simulazione condotta l efficienza è stata valutata in funzione del COP. 30

4. Elementi di economia. 2. Costo dei consumi energetici. Il risparmio energetico è anche un risparmio di natura economica. L energia ha un costo (a kwh quella elettrica, a MJ e/o m 3 il gas). Il risparmio non è proporzionale rispetto al calo dei consumi, ma maggiore in quanto diminuiscono anche le quote fisse relative all impegno di energia. 31

4. Elementi di economia. 3. Gestione. I costi di gestione sono generalmente ridotti. L impianto è di per se piuttosto semplice. Il geoscambiatore è composto essenzialmente di tubazioni e pompe, pertanto la manutenzione è minima. Le macchine termiche sono tutte normalmente più affidabili e con vita più lunga rispetto a quelle convenzionali, in particolare quelle a gas quasi non hanno parti in movimento. 32

4. Spazio. 4. Elementi di economia. Lo spazio disponibile all interno degli edifici ha un costo. Con le soluzioni impiantistiche adottabili con macchine elettriche (alcuni tipi) e con le pompe di calore a gas è possibile risparmiare lo spazio della centrale termica, essendo sufficiente un piccolo spazio per i componenti della distribuzione dell acqua verso/da il geoscambiatore e del fluido caldo/freddo verso/da la rete di distribuzione nell edificio. 33

4. Elementi di economia. 5. Valutazione complessiva degli elementi di risparmio. Il grafico si riferisce alla situazione nordamericana, ma è sperabile che in breve tempo i costi italiani si allineino e quindi si ottenga questo stesso rapporto tra costi e vantaggi. 34

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5. Elementi della progettazione. Temperature medie mensili ( C) 25 20 15 10 5 - gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic 37

5. Elementi della progettazione. Irraggiamento solare 25 20 15 10 5 0 gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic N NE E SE S SW W NW Oriz. 38

5. Elementi della progettazione. Umidità relativa mensile (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic 39

5. Elementi della progettazione. Precipitazioni medie mensili BO (mm) 100 80 60 40 20 0 gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic 40

5. Elementi della progettazione. Occupazione 140 120 100 Numero persone 80 60 40 Feriali Festivi 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Orari 42

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5. Elementi della progettazione. All'impianto Pompa di calore Scambiatore geotermico Soluzione 1 - Schema di principio 45

5. Elementi della progettazione. Pompa di calore Pompa di calore Pompa di calore Pompa di calore Soluzione 2 - Schema di principio condizionamento Scambiatore geotermico 46

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