Energia da aria, acqua, terra: il ruolo delle pompe di calore Michele De Carli Dipartimento di Fisica Tecnica Università di Padova 29 April 2011 Uponor 1
POMPE DI CALORE A COMPRESSIONE COP = q c L 1 T c condensatore q c 4 L 2 evaporatore q 0 T 0 3 Uponor 2
ASSORBIMENTO GUE = q c q g 2 AP BP 3 q c 1 condensatore q g q g G 8 7 H 2 O + Li Br NH 3 + H 2 O q 0 10 evaporatore A 5 2fl fluidi: frigorigeno (a + alta tens. di vapore) solvente (a + bassa tens. di vapore) 9 6 PL 4 Compressione equivalente q a Uponor 3
Sorgenti di calore: Tipologie: Aria Acqua Terreno Bacini superficiali 29 April 2011 Uponor 4
POMPE DI CALORE CHE SFRUTTANO IL TERRENO COME SORGENTE TERMICA 1. impianti accoppiati con il terreno attraverso un sistema di tubazioni a circuito chiuso al cui interno scorre il fluido termovettore 2. impianti che utilizzano l acqua di falda come fluido termovettore, con o senza reimmissione nella falda stessa dopo l uso 3. impianti che sfruttano l acqua dei laghi e dei bacini come sorgente termica attraverso un circuito che può essere sia aperto che chiuso Uponor 5
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Confronto tra pompe di calore sul mercato Air-Water Heat Pumps Water-Water Heat Pumps Uponor 8
Tecnologia tradizionale 1000 900 10 Fattore di riduzione (fossile) 5 3 2 50% fossile 20% fossile oggi 1 1 Ene rgia prima aria [W/pers sona] 800 700 600 500 400 300 200 D A Impianti ottimizzati B Legge 10 C Bassa energia Casa passiva 100% fossile 2 3 5 Fa attore di rid duzione (to otale) 100 10 0 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 29 April 2011 Uponor 9
Tecnologie innovative 1000 900 10 Fattore di riduzione (fossile) 5 3 20% fossile 2 50% fossile oggi 1 1 Energ gia primaria a [W/person na] 800 700 600 500 400 300 200 B Biomassa B PDC C assorbimento B C D C D 100% fossile D Geotermia 2 3 5 zione (tota le) Fatt tore di ridu 100 10 0 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 29 April 2011 Uponor 10
Ipotesi con elettricità al 50% non fossile 10 Fattore di riduzione i (fossile) 5 3 2 1 1000 900 20% fossile 50% fossile oggi 1 Ene ergia prima aria [W/pers sona] 800 700 600 500 400 300 200 B Biomassa C B B D C C D D Geotermia PDC assorbimento 100% fossile 2 3 5 Fattore di ri iduzione (to otale) 100 10 0 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 29 April 2011 Uponor 11
Ipotesi con elettricità al 90% non fossile 1000 900 10 Fattore di riduzione (fossile) 5 3 20% fossile 2 50% fossile oggi 1 1 a [W/perso ona] Energ gia primari 800 700 600 500 400 300 200 B C Biomassa B C C D D D Geotermia B PDC assorbimento 100% fossile 2 3 5 Fatt tore di ridu uzione (tota ale) 100 10 0 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 29 April 2011 Uponor 12
Geotermia di superficie Funzionamento invernale Funzionamento estivo Uponor 13
Tre parti principali di un impianto geotermico Impianti geotermici: 1. Pompa di calore geotermica (reversibile) 2. Piping orizzontale di collegamento tra centrale e sonde 3. Sonda geotermica Uponor 14
CIRCUITI APERTI CON ACQUA DI FALDA
TECNOLOGIA ATES (AQUIFER THERMAL ENERGY STORAGE) Uponor 16
VANTAGGI Utilizza solo due pozzi (uno di presa e uno di reiniezione) Ingombro limitato Minor costo della sorgente fredda SVANTAGGI Problemi di natura normativa per la reiniezione dell acqua nel sottosuolo Variazione i dell equilibrio i della falda con prelievo eccessivo Uponor 17
Un esempio di analisi carico estivo - carico invernale = carico termico accumulato (23,25x10 6 MJ) (7,04x10 6 MJ) (16,21x10 6 MJ) Pozzi freddi Pozzi caldi Uponor 18
Mese 12 Mese 6 Mese 1 Mese 9 Mese 3 Uponor 19
Mesee 9 Mese 3 Mese 12 Mese 6 Uponor 20
BACINI SUPERFICIALI
GEOTERMIA DA ACQUA DI LAGO Uponor 22
La profondità di installazione è di almeno 3 m rispetto al valore medio del livello stagionale minimo La potenza per unità di lunghezza della spirale varia da 45 W/m a 95 W/m in funzione della voluta temperatura di esercizio Come valori indicativi per un dimensionamento di massima si possono prendere come riferimento 17,5 W/m 2 in pianta qualora il sistema funzioni prevalentemente in raffrescamento, mentre si può considerare 8,5 W/m 2 in pianta per un sistema che lavori prevalentemente in pompa di calore Uponor 23
Energia geotermica sfruttata in Svizzaera nel 1998 (600 GWh) sonde terrestri Registri nelle palificazioni Registri terrestri Acquq del sottosuolo Geotermia idrotermale Geotermia dell'acqua dei tunnel Uponor 24
EDIFICIO A BREGENZ (AUSTRIA) Parallelepipedo: 100 m di lunghezza, due piani Peso limitato, poggia su 115 pali di fondazione con tubi in plastica a circolazione d acqua. Senza macchine, potenza frigorifera 62 kw Il lago permette di avere una temperatura di mandata dalle tubazioni in estate di 16 C Uponor 25
Room 404 Skylight Windo w Pipes Hall Windo w Room 304 Steel support Uponor 26
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CIRCUITI CHIUSI
CONFIGURAZIONI DEI SISTEMI GSHP Diverse disposizioni possibili per le sonde geotermiche: A sviluppo orizzontale A sviluppo verticale Uponor 30
ILFLUIDO TERMOVETTORE NELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE Impianto ad acqua semplice: il fluido in uscita dall evaporatore (in ingresso alle sonde) non deve scendere al di sotto dei 4 C (per avere un margine di sicurezza sul congelamento); il flusso termico specifico estraibile è limitato it t Impianto a glicole etilenico: la pompa di calore può mandare in sonda un fluido a temperatura inferiore a 0 C; il flusso termico specifico è più elevato Uponor 31
Differenze tra le due tipologie Glicole etilenico: corrosivo e inquinante, soluzioni impiantistiche più complesse (maggiori costi di impianto); limitato i scambio termico convettivo sia in sonda che nello scambiatore lato terreno (velocità superiori rispetto al caso di acqua semplice a parità di coefficiente di scambio convettivo); maggior costo iniziale e costi di manutenzione più alti; Uponor 32
EVENTUALI SISTEMI INTEGRATIVI In relazione al rapporto tra carico massimo estivo e carico massimo invernale e alle curve di carico dell impianto può essere necessario un sistema integrativo i per la stagione invernale Il sistema integrativo può essere caratterizzato da rendimento basso a vantaggio del costo ridotto, se il suo funzionamento è limitato a brevi periodi Alimentazione del sistema integrativo - resistenza (maggiore impegno di energia elettrica) - caldaie a gas o gasolio - caldaia a legna (impianti domestici, o legname di scarto) negli edifici i già esistenti ti il sistema integrativo ti non presenta grossi problemi, in quanto solitamente si sfrutta l alimentazione del precedente impianto di riscaldamento Uponor 33
E NELLA STAGIONE ESTIVA? Se in relazione al rapporto tra carico massimo estivo e carico massimo invernale e alle curve di carico dell impianto risulta necessario un sistema integrativo per la stagione estiva la soluzione può essere accoppiare una torre evaporativa Uponor 34
DIMENSIONAMENTO
COMPORTAMENTO INVERNALE ED ESTIVO Lavoro di compressione L comp. Q edificio = L comp. + Q terreno PDC Q terreno Lavoro di compressione L comp. Q edificio PDC Q terreno Q terreno = L comp. + Q edificio Uponor 36
MODELLIZZAZIONE DELLE SONDE Ipotesi del terreno Analisi dell energia Termica Analisi dell energia per raffrescamento Ipotesi di temperatura del fluido caldo Ipotesi di temperatura del fluido freddo COP/GUE medio caldo EER/GUE medio freddo Calore dal terreno Calore al terreno Lunghezza inv. Lunghezza est. Lunghezza scelta Uponor 37
Sonde verticali: Soluzione analitica Metodo ASHRAE Implementato in appendice (con esempio di calcolo) Soluzione mediante funzioni i di trasferimento Soluzione numerica Sonde orizzontali: Soluzione numerica Soluzione analitica Implementata in appendice (IGSHPA) Uponor 38
Dimensionamento: La norma UNI TS 11300-4 prevede 2 metodologie di calcolo: Valutazione preliminare (per una verifica del dimensionamento) Valutazione energetica (per la certificazione) Uponor 39
PDC Scambiatore di calore a terreno Edificio + impianto + ACS Uponor 40
ACS secondo UNI TS 11300-2 Prestazioni secondo UNI EN 14825 UNI TS 11300-33 UNI TS 11300-4 Soluzione analitica, numerica o con funzioni di trasferimento t PDC Scambiatore di calore a terreno Calcolo dinamico per il picco di potenza frigorifera Edificioi Residenziale i + impianto Terziario Rendimenti secondo UNI TS 11300-2 e 11300-3 Simulazione dinamica. < 20 kw Energie mensili invernali ed estive secondo UNI TS 11300-1 >20kW Per la parte invernale le energie mensili con UNI TS 11300-1 Simulazione dinamica per le energie mensili estive e per il picco di potenza frigorifera Uponor 41
Relazione con UNI TS 11300-3 e 11300-4: La presente norma fornisce alle normative 11300-3 e 11300-4 la temperatura media mensile del fluido termovettore per i calcoli di certificazione energetica La presente norma fornisce inoltre la potenza elettrica della pompa lato terreno Uponor 42
Aspetto relativo all asset rating (edifici ed impianti esistenti): In presenza di documentazione di progetto si applica il calcolo secondo norma In assenza di documentazione di progetto il progettista deve effettuare i calcoli con la temperatura di utilizzo lato edificio pari a 35 C (per pavimento radiante), 45 C (per ventilconvettori), 55 C (per radiatori). Inoltre deve essere valutata la percentuale e la natura di miscela anticongelante, in modo da determinare la temperatura di cambiamento di fase per la miscela stessa. In questo caso viene presa una temperatura costante pari al limite della temperatura di congelamento + 2 C per le condizioni invernali e una temperatura costante di 35 C di mandata al terreno durante il periodo di raffrescamento. Uponor 43
SOTTOSISTEMI ALL'INTERNO DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE Centrale termica (UNI EN 15450) Contabilizzatore di calore per valutare il COP Collegamento orizzontale Profondità di posa Inclinazione Eventuale isolamento termico dei tubi Scambiatore di calore al terreno Pressione all interno dei tubi e temperature raggiungibili Uponor 44
IMPATTO TERMICO Metodologia di impatto termico in assenza di acqua di falda in movimento Metodologia di impatto termico in presenza di acqua di falda in movimento Uponor 45
Thermal Response Test Permette di: Ricavare la temperatura indisturbata del terreno Ricavare le caratteristiche termofisiche medie del terreno Verificare un modello Avere informazioni utili sulla stratigrafia del terreno Avere informazioni utili sulla perforazione Uponor 46
Misure Determinazione della conducibilità termica equivalente del terreno logaritmo naturale del tempo Uponor 47 adimensionale )
DUE ESEMPI DI DIMENSIONAMENTO In relazione al rapporto tra carico massimo estivo e carico massimo invernale e alle curve di carico dell impianto può essere necessario un sistema integrativo i per la stagione invernale Uponor 48
mbre dicem mbre 160 140 120 100 80 60 Energia mensile termica e frigorifera dell'edificio en. termica en. frigorifera aprile mag aggio giug ugno luglio ago gosto settem mbre otto tobre novem marzo ma braio febbr Energia [MWh] 40 20 0 Uponor 49 genn nnaio 29 April 2011
MODELLO CARM (CApacity Resistance Model) CARM (CApacity Resistance Model) HEAT EXCHANGER Uponor 50
Temperatura dell'acqua all'ingresso e all'uscita dal campo di pali energetici Twin Twout Tg_1m 40 35 30 Temper ratura [ C] 25 20 15 10 5 0 0 744 1488 2232 2976 3720 4464 5208 5952 6696 7440 8184 Ora [h] 29 April 2011 Uponor 51
Flusso termico lato terreno Potenza scambiata con il terreno 700 600 500 400 300 [kw] Flus sso Termico 200 100 0-100 -200-300 -400-500 -600-700 0 744 1488 2232 2976 3720 4464 5208 5952 6696 7440 8184 Ora [h] 29 April 2011 Uponor 52
Potenza resa dalla pompa di calore e fabbisogno dell'edificio Potenza richiesta alla PDC Potenza mancante Potenza resa dalla PDC 700 600 500 Flu usso Termico o [kw] 400 300 200 100 0-100 -200-300 -400-500 -600-700 00 0 744 1488 2232 2976 3720 4464 5208 5952 6696 Ora [h] 29 April 2011 Uponor 53 7440 8184
Borehole field Double U pipe PE100 Ø32x2.9 mm with spacer 125 m depth Thermal conductivity of the ground: 2.03 W/(m K) first 120 m 1.2 W/(m K) for the last 5 m (clay) Average: 1.86 W/(m K) Tground= 13.9 C
Year loads 2500 2000 1500 Energy load ds [kwh] 1000 500 0-500 -1000-1500 -2000-2500 31/12 25/1 19/2 16/3 10/4 5/5 30/5 24/6 19/7 13/8 7/9 2/10 27/10 21/11 16/12 Uponor 55
Peak power
Energy demand