Pompe di Calore Parte 1

Pompe di Calore Parte 1 a cura di: ING. STEFANO MARIANI 1

Agenda 1. Nozioni di base 2. Una valida proposta alternativa? 3. Le pompe di calore geotermiche - Tipologie e componenti principali 2

Definizione Le pompe di calore sono macchine termiche che operano trasferendo calore da una sorgente fredda ad una calda. Lo schema di funzionamento è quello di un condizionatore che lavora a rovescio. Le macchine presenti sul mercato hanno comunemente campi di azione tra gli 0 ed i 120 e possono quindi essere impiegate per: 1. il riscaldamento ambiente 2. per la produzione di acqua calda sanitaria 3. per i processi industriali che necessitino di calore a bassa temperatura 4

Con il termine gruppi refrigeratori d acqua e a pompa di calore si classificano tutte le macchine frigorifere che sono in grado di produrre acqua refrigerata per uso commerciale sino a +5 C e/o acqua calda sino alla temperatura di +45 C/48 C. I circuiti frigoriferi più diffusi e utilizzati appartengono a due grandi classi: Circuiti a ciclo di compressione meccanica Circuiti a compressione termica o ad assorbimento I due tipi di ciclo differiscono per il modo con cui viene loro fornita l energia per l innalzamento della pressione del fluido refrigerante: meccanica nel ciclo comunemente detto a compressione, termica nel ciclo indicato ad assorbimento 5

Ciclo a Compressione Nel ciclo a compressione meccanica si distinguono due rami: uno ad alta pressione (scarico del compressore, condensatore, prima della valvola regolatrice) uno a bassa pressione (a valle della valvola regolatrice, evaporatore, aspirazione del compressore) Alta P, T Bassa P, T 6

Compressori Si possono distinguere in: 1. Semiermetici Alternativi Rotativi (vite, scroll ) 2. Ermetici Alternativi Rotativi (vite, scroll ) Compressore e motore elettrico sono alloggiati nello stesso contenitore ispezionabile. Potenze fino a 250 kw Compressore e motore elettrico sono alloggiati nello stesso contenitore. Piccole potenze (fino a 50 kw) 7

Ciclo ad Assorbimento Il ciclo ad assorbimento ha in comune con quello a compressione meccanica tre componenti: il condensatore, la regolatrice, l evaporatore, ma ne differisce profondamente per il modo di trasferimento del fluido frigorifero e quindi del calore dall evaporatore al condensatore e, in certi casi per il livello delle pressioni in gioco Nella macchina ad assorbimento sono presenti i cicli di due fluidi: quello del frigorigeno (ammoniaca, acqua ) quello del liquido assorbitore (acqua, bromuro di litio) 8

Alta P, T Bassa P, T 9

Le pompe di calore ad assorbimento sono molto meno diffuse rispetto a quelle a compressione, a causa dei seguenti fattori: Costo iniziale superiore rispetto alle macchine a compressione Dimensioni della macchina superiori di circa 20-25% su utenze medio grandi Manutenzione molto più complessa con conseguente difficoltà di reperire personale qualificato Le pompe di calore ad assorbimento rispetto a quelle a compressione: Hanno più alti rendimenti specialmente in condizioni esterne critiche Comportano dei consumi inferiori nel periodo estivo visto il costo inferiore del gas metano rispetto all energia elettrica Sono particolarmente adatte ad applicazioni in impianti di trigenerazione o in realtà industriali in cui si dispone di cascami di calore gratuito da processo industriale 10

Tipologie di pompe di calore Si usa classificare le pompe di calore secondo la natura della sorgente fredda e di quella calda 11

Coefficiente di Performance COP Indicatore della resa di una pompa di calore pari all energia fornita diviso l energia assorbita 17

Il COP di una pompa di calore varia in funzione della temperatura della sorgente fredda e del pozzo caldo Il valore del COP viene in genere fornito dai costruttori in condizioni standard: Temperatura sorgente fredda = 7 C Temperatura pozzo caldo = 45 E la T di mandata dell impianto di riscaldamento 18

Il COP di una pompa di calore aumenta al diminuire della differenza tra la temperatura della sorgente fredda e del pozzo caldo Il COP di una pompa di calore diminuisce all aumentare della temperatura di mandata dell impianto di riscaldamento e al diminuire della temperatura della sorgente fredda (es. aria esterna) Condizioni di funzionamento ideali: Basse temperature di mandata impianto riscaldamento (es. sup. radianti) Alte temperature della sorgente fredda (nelle pompe di calore ad aria clima invernale mite) 19

Fenomeno attuale Attualmente, grazie anche agli incentivi in Conto Energia (validi fino al raggiungimento di 1200 MW o comunque fino al 31/12/2010), si sta osservando una buona diffusione degli impianti fotovoltaici sia in ambito industriale che residenziale Tra gli operatori del settore si sta diffondendo nei confronti del cliente finale una proposta che sembra molto vantaggiosa: istallare un impianto fotovoltaico e sostituire l impianto di climatizzazione a gas metano o GPL con un impianto di climatizzazione elettrico (pompa di calore o caldaia elettrica) per sfruttare l energia gratuita proveniente dai moduli solari. 21

La proposta sarà realmente vantaggiosa? Osservazione n 1: 1000 W/m 2 η = 15% η = 85% 150 W e /m 2 127,5 W t /m 2 Utilizzare un sistema fotovoltaico per produrre ad es. acqua calda sanitaria ha un rendimento pari al 12,7%. Nella stessa applicazione un impianto solare termico avrebbe un rendimento superiore all 80%! 24

Osservazione n 2: Le pompe di calore presenti in commercio e proposte per questo tipo di applicazioni (in prevalenza pompe di calore aria/acqua) hanno in genere rendimenti molto alti in condizioni standard (aria esterna 7 C e mandata impianto di riscaldamento 45 C), COP = 3,5-4 Quando rende effettivamente la pompa di calore in condizioni diverse da quelle standard? 25

COP = 3,6 26

COP = 2,6 27

Risultato La pompa di calore mantiene rendimenti ottimi (COP > 3,5) se non ci si discosta troppo dalle condizioni standard Nelle regioni con climi invernali rigidi o molto rigidi (Italia centro settentrionale o zone di montagna) la pompa di calore ha ottimi rendimenti solo quando il fabbisogno per il riscaldamento è molto basso (T esterna di 7 C) La soluzione fotovoltaico + pompa di calore per la climatizzazione invernale e la produzione di ACS non è una soluzione energeticamente efficiente. I consumi si azzerano solo dopo aver realizzato un impianto fotovoltaico di taglia 3-5 volte superiore al reale fabbisogno per i consumi elettrici La pompa di calore rimane un ottima soluzione come integrazione al riscaldamento nella mezza stagione o in applicazione in climi invernali miti (Italia meridionale), a meno che non sia geotermica! 28

Uno sguardo all Estero 30

Componenti principali Pavimento Radiante Pompa di calore Accumulo Sanitario/Riscaldamento Sezione Geologica 31

Sezione Geologica SONDE VERTICALI SCAMBIATORE ORIZZONTALE SCAMBIO AD ACQUA DI FALDA 32

Valutazione Geologica Attenzione:fino ad una profonditàdi circa 15 m, la temperatura del sottosuolo è fortemente influenzata dalle condizioni climatiche esterne Impianti che lavorano principalmente in questa fascia di terreno hanno un rendimento inferiore Il committente non può avere alcuna garanzia sui rendimenti delle pompe di calore 33

Valutazione Geologica Attenzione:I terreni hanno diverse caratteristiche di scambio termico. A seconda del tipo di terreno presente e del tipo di stratigrafia, avremo flussi energetici diversi. Sottosuolo Rendimento [W/m] Sottosuolo cattivo (terreno asciutto) 20 Roccia o terreno umido 50 Roccia con alta conducibilità 70 Ghiaia, sabbia, asciutta < 20 Ghiaia, sabbia, satura 55-65 Argilla, limo, umido 30-40 Roccia calcare 45-60 Arenaria 55-65 Granito 55-70 Gneiss 60-70 Valori approssimativi di rendimenti specifici per diversi tipi di sottosuolo per sonde geotermiche. VDI 4610 34

Valutazione Tecnico-Amministrativa Tutti gli impianti che utilizzano acqua di falda devono essere costruiti in modo tale che l acqua prelevata sia restituita alla falda senza comprometterne l equilibrio iniziale in termini di temperatura, composizione 2 pozzi La realizzazione di tali impianti comporta la richiesta di innumervoli permessi agli organi competenti con conseguente dilatazione dei tempi di intervento Numerose Pubbliche Amministrazioni stanno in questi ultimi tempiprocedendo al censimento dei pozzi presenti sul territorio; se l emungimento di acqua di falda fosse tassato? L andamento del livello delle falde acquifere èinfluenzato dalle stagioni e dai periodi storici; se la falda su cui èstato costruito un impianto svanisse in modo permanente o addirittura definitivo? 35

Perchégli impianti a sonde verticali sono la migliore soluzione Attraverso la perforazione di sonde profonde fino a 100-150 m, tali impianti attingono ad un bacino di calore costante nel tempo e indipendente dalle condizioni climatiche sul piano campagna Le pompe di calore hanno elevati rendimenti costantiper tutto l arco dell anno che possono essere garantiti alla committenza Dal punto di vista amministrativo si richiede solamente una DIA o un Permesso a Costruire Essendo costruite con materiali inerti ed attingendo da un bacino costante di calore, le prestazioni delle sonde verticali saranno costanti per almeno 100 anni Ridotto ingombro e spazio occupato dalle sonde (diametro 13 cm circa, interasse 6 m circa). Attenzione: un sistema orizzontale occupa circa 1,5 volte la superficie da riscaldare! 36

La pompa di calore 37

Durante il funzionamento della pompa di calore si hanno: 1. Un consumo di energia elettrica al compressore 2. Un assorbimento di calore dall ambiente circostante all evaporatore 3. Una cessione di calore all ambiente da riscaldare nel condensatore Unità fondamentali in gioco: calore/energia Q = m x c x T 38

COP COefficiente di Performance IL COP del sistema a pompa di calore geotermica èelevatissimo: può arrivare anche al 450% di rendimento, quando la caldaia più tecnologica oggi disponibile sul mercato (con bruciatore a condensazione) raggiunge al massimo il 110% di rendimento (calcolato sul P.C.I. del combustibile gassoso). In pratica una pompa di calore geotermica preleva mediamente dal terreno oltre il 75% dell energia che utilizzeràper riscaldare (o raffrescare) l ambiente domestico, mentre per il restante 25% l energia viene fornita dalla rete elettrica e consumata per alimentare il compressore 40

Attenzione: Le prestazioni di una pompa di calore variano sensibilmente in funzione delle temperature di sorgente fredda (ambiente da cui si estrae il calore) e pozzo caldo (fluido vettore da scaldare). In particolare, più queste temperature sono vicine migliori sono le prestazioni, sia in termini di potenza fornita che in termini di COP, o rapporto tra energia termica fornita ed energia elettrica assorbita. Per questo motivo è consigliabile adottare sistemi di distribuzione del calore funzionanti a temperatura più bassa possibile (superfici radianti). 41

La sonda geotermica può essere utilizzata indifferentemente per prelevare energia nel periodo invernale e per dissipare energia nel periodo estivo Riscaldamento ambiente e ACS Raffrescamento 42

Riscaldamento ambiente e produzione ACS 43

Attenzione:mentre la temperatura di mandata per un pavimento radiante èdi circa 40 C, la temperatura di produzione dell acqua calda sanitaria è di circa 50 C COP riscaldamento > COP ACS 4,0 4,2 3,4 3,6 Un aiuto alla pompa di calore per produrre ACS èsicuramente ben gradito, specialmente laddove la richiesta è alta SOLARE TERMICO 44

Riscaldamento ambiente e produzione ACS con integrazione solare 45

Natural Cooling 46

l energia più pulita in assoluto è indubbiamente quella che non viene consumata Grazie per la Vostra Attenzione!!! Riferimenti: e-mail: stefano.mariani78@virgilio.it skypename: ing_stefano.mariani 47