CENTRALI FRIGORIFERE NUOVE TECNOLOGIE E RISPARMIO ENERGETICO Cagliari 8 maggio 2014 Prof. Ing. Carlo Bernardini SEER e SCOP Metodi di prova, valutazione a carico parziale e calcolo del rendimento stagionale 1
MACCHINE FRIGORIFERE Il calore Q H fluisce dal condensatore della macchina frigorifera ( fluido frigorigeno alla temperatura T H ) al serbatoio caldo ( temperatura T H < T H ) W Il calore Q C fluisce dal serbatoio freddo ( temperatura T C ) all evaporatore della macchina frigorifera ( fluido frigorigeno alla temperatura T C ) ( temperatura T C < T C ) 3 2
EER = rapporto tra la potenza frigorifera sottratta al serbatoio freddo e la potenza elettrica o termica fornita alla macchina frigorifera EER = Q C / W EER = Q C / ( Q H Q C ) COP =Rapporto tra la potenza termica ceduta al serbatoio caldo e la corrispondente potenza elettrica o termica fornita alla pompa di calore COP = Q H / W COP = (W + Q C ) / W COP= 1+ Q C / W COP = 1 + EER 4 EER c = Q C / ( Q H Q C ) 1/ EER c = (Q H - Q C )/Q C = Q H /Q C 1 = =T H /T C 1=(T H T C ) / T C EER c = T C /( T H T C ) COP C = Q H / W = Q H / ( Q H - Q C ) = T H / ( T H T C ) COP C = T H / ( T H T C ) 5 3
Q C = EER c x W = W x T C /( T H T C ) Q H = COP c x W = W x T H / ( T H T C ) 6 4
GUE( Gas Utilization Efficiency ) ( COP ) = 2 Q 2 / Q 1 EER = Q 3 / Q 1 8 9 5
10 Nel punto A il fluido. allo stato di liquido sottoraffreddato e si trova in corrispondenza dell uscita del condensatore. Il passaggio verso l evaporatore è reso possibile per effetto della diminuzione di pressione da A a B realizzata attraverso una valvola di laminazione. Per effetto della differenza di pressione tra A e B una parte del liquido evapora nel passaggio attraverso la valvola, sottraendo calore al liquido Immediatamente a monte. Nell evaporatore, il miscuglio liquido-vapore inizia a sottrarre calore dall aria da raffreddare. Così facendo tutto il refrigerante allo stato liquido passa nella condizione di vapore saturo (punto C). Si verifica quindi una rimozione di calore latente. Dal punto C a C si effettua un surriscaldamento del vapore, con lo scopo di far evaporare eventuali goccioline di liquido rimaste, che altrimenti potrebbero danneggiare il compressore. 11 6
L effetto frigorifero è dato dalla differenza di entalpia rappresentata dal tratto C B. All uscita dall evaporatore il vapore viene aspirato dal compressore nel quale subisce un aumento di pressione e temperatura (tratto C D). All uscita dal compressore il gas ha un quantitativo di calore costituito dalla somma di quello asportato nell evaporatore e di quello corrispondente al lavoro meccanico del compressore. Il gas surriscaldato ed a pressione elevata, passa dal compressore al condensatore dove inizia a cedere calore. Si verifica un abbassamento di temperatura fino alla temperatura di saturazione sulla curva (tratto DE). Successivamente il refrigerante condensa (tratto EA). Infine si effettua un sottoraffreddamento del fluido allo scopo di ottenere un maggior effetto frigorifero (tratto AA ) 12 COP MASSIMO TEORICO DI UNA POMPA DI CALORE 13 7
Nella realtà il ciclo termodinamico seguito dalle macchine frigorifere non è un ciclo di Carnot inverso ( ciclo ideale ) e pertanto il COP e EER si riducono I motivi della riduzione del COP e del EER sono diversi, come ad esempio : 1- La trasmissione di calore tra un sistema e l altro può avvenire soltanto se esiste una differenza di temperatura fra i due sistemi. La potenza termica scambiata Q è proporzionale alla differenza di temperatura tra i due sistemi Q = K S ΔT Pertanto la temperatura del fluido frigorigeno a contatto con l evaporatore dovrà essere inferiore alla temperatura della sorgente fredda ( per poter ricevere calore ) mentre la la temperatura del fluido frigorigeno a contatto con il condensatore dovrà essere superiore a quella della sorgente calda ( per poter cedere calore ). 14 15 8
2- Nelle macchine frigorifere a compressione di vapore le prestazioni del compressore sono caratterizzate dal suo rendimento isentropico, che è il rapporto fra il lavoro ideale di compressione (processo isentropico) e quello reale, rendimento che è sempre inferiore ad uno 3- L energia di pressione posseduta dal fluido è degradata nel processo irreversibile che avviene nella valvola di laminazione, con una perdita netta di energia utilizzabile; 4- Si deve fornire il lavoro necessario a portare a contatto evaporatore e condensatore con le sorgenti termiche. Ad esempio, in una pompa di calore che lavora con l aria esterna, l aria viene fatta passare attraverso la batteria dell evaporatore con un ventilatore. Questo richiede un lavoro che va a sommarsi a quello del compressore, riducendo COP e EER. Se invece la sorgente fredda è acqua sotterranea, bisogna azionare una pompa di circolazione; 5- L efficienza del motore elettrico che aziona la pompa di calore non è unitaria; 6- Si ha anche un rendimento volumetrico del compressore 16 VARIAZIONI DELLE PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE AL VARIARE DELLE TEMPERATURE DI EVAPORAZIONE E CONDENSAZIONE 17 9
La quantità di calore trasferita è proporzionale alla massa di gas che viene fatta evaporare, compressa e fatta evaporare :Le Le variazioni stagionali delle temperature delle sorgenti si riperquotono sulle prestazioni della macchina. Viene pertanto definito : SCOP = SEASONAL COEFFICENT OF PERFORMENCE 18 19 10
GLI IMPIANTI ALIMENTATI A POMPA DI CALORE POSSONO ESSERE : IMPIANTI MONOVALENTI quando il fabbisogno termico stagionale coperto integralmente dalla pompa di calore IMPIANTI BIVALENTI E MONOENERGETICI quando una quota del fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa di calore e la quota di integrazione è fornita da un generatore ausiliario che utilizza lo stesso vettore energetico della pompa di calore IMPIANTI BIVALENTI E BIENERGETICI quando una quota del fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa di calore e la quota di integrazione è fornita da un generatore ausiliario che utilizza un vettore energetico diverso da quello utilizzato dalla pompa di calore 20 COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE DELLE POMPE DI CALORE COP per le macchine elettriche GUE per le macchine ad assorbimento a fuoco diretto Rapporto tra la potenza termica fornita e la corrispondente potenza elettrica o termica assorbita COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE TEORICO COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE CALCOLATO IN BASE ALLE TEMPERATURE DELLA SORGENTE FREDDA E DEL POZZO CALDO SECONDO IL CICLO TERMODINAMICO DI CARNOT COEFFICIENTE CORRETTIVO DEL COP COP AD UN DETERMINATO VALORE DEL FATTORE DI CARICOCR DIVISO PER IL COP DELLA POMPA DI CALORE ALLA POTENZA TERMICA DICHIARATA, RIFERITI ALLE STESSE TEMPERATURE DI ESERCIZIO 21 11
Coefficiente di prestazione energetica (Energy Efficiency Ratio - EER): coefficiente di prestazione di una macchina frigorifera in condizioni di riferimento. Coefficiente di prestazione energetica stagionale (Seasonal - SEER): coefficiente di prestazione medio stagionale determinato in condizioni di riferimento, definite dal pren 14825:2008. Coefficiente di prestazione medio: rapporto tra l energia frigorifera fornita dalla macchina e l energia necessaria per il suo funzionamento, valutati nell ambito di un determinato periodo di tempo. 22 Relazione tra normativa e legislazione DIRETTIVA EUROPEA 2010/31/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast) 23 12
Schema Norme UNI e CEN 24 Prestazione energetica globale dell edificio (UNI EN 15603:2008 Prestazione energetica degli edifici Consumo energetico globale e definizione dei metodi di valutazione energetica ) La valutazione della prestazione energetica globale annuale degli edifici deve comprendere i seguenti usi finali: Riscaldamento e umidificazione; Raffrescamento e deumidificazione; Ventilazione e umidificazione; Acqua calda sanitaria; Illuminazione (opzionale per gli edifici); Altri servizi (opzionale). L energia fornita al sistema edificio-impianto può provenire da fonti diverse. I metodi di calcolo per aggregare il contributo di più fonti devono essere basati su: Energia Primaria; Emissioni di CO 2 ; Parametri definiti a livello nazionale. 25 13
Parte 1: Parte 2: Parte 3: Parte 4: Parte 5: STRUTTURA DELLE UNI/TS 11300 PRESTAZIONI ENERGETICHE DEGLI EDIFICI Determinazione del fabbisogno di energia termica dell edificio per la climatizzazione estiva ed invernale. Pubblicata nel 2008, attualmente in revisione, l inchiesta pubblica è scaduta il 29 settembre 2013. Energia primaria e rendimenti per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda per usi igienico-sanitari. Pubblicata nel 2008, l inchiesta pubblica è scaduta il 29 settembre 2013 con il titolo: Prestazioni energetiche degli edifici - Parte 2: Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria. Energia primaria e rendimenti per la climatizzazione estiva. Pubblicata nel 2010, attualmente in revisione. Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per riscaldamento di ambienti e preparazione acqua calda sanitaria. Pubblicata nel 2012. Determinazione della prestazione enrgetica per la classificazione dell edificio. Attualmente in fase di realizzazione. 26 Struttura delle UNI/TS 11300 Prestazioni energetiche degli edifici Scopo La specifica tecnica fornisce precisazioni ai fini della determinazione della prestazione energetica per la classificazione degli edifici e metodi di calcolo per determinare: il fabbisogno di energia primaria degli edifici in modo univoco e riproducibile applicando la normativa tecnica citata nei riferimenti normativi; la quota di energia da fonti rinnovabili. Tali precisazioni e metodi di calcolo riguardano, in particolare: 1. le modalità di valutazione dell apporto di energia rinnovabile nel bilancio energetico; 2. la valutazione dell energia elettrica esportata; 3. la definizione delle modalità di compensazione dei fabbisogni con energia elettrica attraverso energia elettrica prodotta da rinnovabili; 4. la valutazione dell energia elettrica prodotta da unità cogenerative. 27 14
La UNI/TS 11300-4 : Scopo e campo di applicazione La 11300-4 fornisce gli strumenti per il calcolo del fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale e la produzione di acqua calda sanitaria in presenza di generatori termici non convenzionali, in particolare quelli che utilizzano fonti rinnovabili di energia. La TS considera le seguenti fonti rinnovabili di energia: per la produzione di energia termica utile: solare termico; biomasse; fonti aerauliche, geotermiche e idrauliche nel caso di pompe di calore per la quota considerata rinnovabile; per la produzione di energia elettrica: solare fotovoltaico. 28 La UNI/TS 11300-4 : Scopo e campo di applicazione Per quanto riguarda la generazione con processi diversi dalla combustione a fiamma la TS prende in considerazione: sistemi che convertono l'energia chimica di combustibili fossili per produzione combinata di energia elettrica ed energia termica (cogenerazione); sistemi che riqualificano energia termica a bassa temperatura in energia termica a più elevata temperatura mediante cicli termodinamici alimentati da energia elettrica o da combustibili fossili (pompe di calore); sistemi che impiegano energia termica utile derivante da generazione remota esterna al confine energetico dell'edificio (teleriscaldamento). 29 15
Il confine dell edificio 1 Utenza 9 Energia termica utile da rete 2 Accumulo 10 Energia termica utile asportata 3 Generatore 11 Sistema di dissipazione dell energia termica 4 Combustibile 5 Energia elettrica 12 Energia elettrica da cogenerazione 6 Energia degli ausiliari 13 Energia elettrica da fotovoltaico 7 Collettori solari termici 14 Rete elettrica 8 Pannelli fotovoltaici 15 Confine del sistema 30 Pompe di calore La UNI/TS definisce i dati d'ingresso e le modalità di calcolo per la determinazione: - del fabbisogno mensile dei vettori energetici dei sottosistemi di generazione con pompe di calore per riscaldamento e/o produzione di acqua calda sanitaria; - della quota di fabbisogno di energia utile della distribuzione a carico di sistemi di integrazione da calcolarsi con le pertinenti parti della UNI/TS. La specifica tecnica si applica a pompe di calore a compressione di vapore azionate da motore elettrico e a pompe di calore ad assorbimento. 31 16
Tipo di servizio e di fluido termovettore lato utenza Si considerano i seguenti tipi di servizio: - riscaldamento; - acqua calda sanitaria; - combinato riscaldamento/acqua calda sanitaria. Non viene trattato il raffrescamento. Rispetto al fluido termovettore impiegato nel circuito di distribuzione all utenza, gli impianti a pompa di calore possono essere: - ad aria; - ad acqua; - a condensazione diretta (il fluido termovettore è lo stesso fluido refrigerante). 32 Tipo di fonte energetica sfruttata Fonte di energia Tipologia della fonte di energia sfruttata Modalità di estrazione Aria esterna Rinnovabile aerotermica Raffreddamento e deumidificazione dell aria esterna Aria interna Non rinnovabile se proveniente da sistemi che impiegano combustibili fossili, esclusa l aria espulsa Raffreddamento e deumidificazione dell aria espulsa in sistemi di recupero Roccia Rinnovabile geotermica Raffreddamento del sottosuolo Terreno Rinnovabile geotermica Raffreddamento del sottosuolo Acqua di falda Rinnovabile geotermica Raffreddamento del sottosuolo Acqua di mare Rinnovabile idrotermica Raffreddamento acque superficiali Acqua di lago Rinnovabile idrotermica Raffreddamento acque superficiali Acqua di fiume Rinnovabile idrotermica Raffreddamento acque superficiali Acqua di risulta e liquami di Non rinnovabile Raffreddamento acque e/o liquami processi tecnologici di processo Liquami urbani Assimilabile a rinnovabile Raffreddamento liquami urbani 33 17
34 Tipologia del sistema di generazione Gli impianti alimentati da pompa di calore possono essere: monovalenti quando tutto il fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa di calore; bivalenti monoenergetici quando una quota del fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa di calore ed una quota di integrazione è fornita da un generatore ausiliario che utilizza lo stesso vettore energetico della pompa di calore; bivalenti e bienergetici quando il fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa di calore e da un generatore ausiliario che utilizza un vettore energetico diverso da quello utilizzato dalla pompa di calore. 35 18
Generalità sul metodo di calcolo Il metodo di calcolo descritto nella UNI/TS 11300-4 si basa sui seguenti dati: 1- potenza termica utile erogata nominale e alle diverse possibili temperature di esercizio; 2- il coefficiente di prestazione alla potenza nominale, COP o GUE o, in alternativa, la potenza nominale richiesta, alle diverse possibili temperature di esercizio; 3- coefficiente correttivo del COP e del GUE ai carichi parziali. 36 PRESTAZIONI DELLE POMPE DI CALORE CR (Fattore di Carico Macchina ) = P potenza termica richiesta / P pdc, out PLR (Fattore di Carico Climatico ) = ( T esterna 16 ) / ( T progetto 16 ) Per il calcolo dell energia riferita alle pompe di calore la UNI/TS 11300-4 richiede i seguenti dati: prestazioni a pieno carico (nominali, ossia a fattore di carico macchina, CR capacity ratio, pari a 1) in funzione delle temperature di sorgente fredda e pozzo caldo; prestazioni a carico parziale, cioè con Fattore di Carico Climatico PLR (Part Load Ratio) PLR diverso da 1, 37 19
Temperatura bivalente: sorgente aria In un sistema bivalente a pompa di calore, nel quale la richiesta termica dell utenza non viene esclusivamente soddisfatta dalla pompa di calore ma intervengono sistemi ausiliari di generazione, la temperatura bivalente q bival viene definita come la temperatura della sorgente fredda alla quale la pompa di calore funziona con fattore di carico CR = 1, cioè quando le condizioni termiche della sorgente fredda consentono di coprire la richiesta esclusivamente con la pompa di calore. Impianto a pompa di calore (riscaldamento di ambienti) 1 Carico termico dell impianto 2 Potenza termica pompa di calore ( aria ) 3 Potenza termica della pompa di calore ( acqua ) Temperatura bivalente CR = 1 CR = 1 Q PdC,out = Q richiesto 38 CONDIZIONI CLIMATICHE DI RIFERIMENTO La UNI EN 14825 definisce 3 condizioni climatiche di riferimento: Average (A) Warmer (W) Colder (C) cui corrispondono 3 coppie di temperature, di progetto, q des, e interna: Average : condizioni di temperatura a bulbo secco -10 C temperatura esterna e 20 C interna; Colder : condizioni di temperatura a bulbo secco -22 C temperatura esterna e 20 C interna; Warmer : condizioni di temperatura a bulbo secco +2 C temperatura esterna e 20 C interna. 3 temperatura bivalenti, q bival : per la stagione di riscaldamento in condizioni A la temperatura a bulbo secco bivalente è pari a +2 C o minore; per la stagione di riscaldamento in condizioni C la temperatura a bulbo secco bivalente è pari a -7 C o minore; per la stagione di riscaldamento in condizioni W la temperatura a bulbo secco bivalente è pari a +7 C o minore. 39 20
Condizioni climatiche di riferimento Condizioni di riferimento fornite dalla UNI/TS per i dati prestazionali forniti dal costruttore. Pompe di calore per solo riscaldamento o funzionamento combinato. Sorgente fredda Temperatura della sorgente fredda Temperatura del pozzo caldo 1 (riscaldamento ad aria) Temperatura del pozzo caldo 2 (riscaldamento idronico) Temperatura del pozzo caldo 3 (produzione ACS) Aria -7 2 7 12 20 35 45 55 45 55 Acqua 5 10 15 20 35 45 55 45 55 Terreno/roccia -5 0 5 10 20 35 45 55 45 55 1 Temperatura di ripresa. 2 Per almeno una delle temperature indicate. Altri dati suggeriti: 25 C, 65 C. 3 Per almeno una delle temperature indicate. 40 Condizioni climatiche di riferimento Condizioni di riferimento previste dalla UNI/TS per i dati prestazionali forniti dal costruttore. Pompe di calore per sola produzione di ACS Temperatura della sorgente fredda (aria) Temperatura del pozzo caldo 1 (produzione ACS) Sola produzione ACS 7 15 20 35 55 1 Per almeno una delle temperature indicate. Altri dati suggeriti: 45 C, 65 C. 41 21
Prestazioni a pieno carico a condizioni diverse dalle nominali Nel caso di pompe di calore a compressione di vapore ad azionamento elettrico e di pompe di calore ad assorbimento, la determinazione delle prestazioni a pieno carico in condizioni diverse da quelle dichiarate si effettua con interpolazione lineare tra i dati dichiarati o con ricorso al rendimento di secondo principio. Per le pompe di calore a compressione di vapore azionate con motore endotermico, il calcolo del GUE a pieno carico per valori di temperature di sorgente fredda e di pozzo caldo diverse da quelle cui fanno riferimento i dati diciarati dal costruttore si effettua per interpolazione lineare fra i valori forniti. 42 Rendimento di secondo principio Per le pompe di calore elettriche, il COP massimo teorico è dato dalla relazione: COP dove: q f = temperatura della sorgente fredda; q c = temperatura del pozzo caldo (mandata della pompa di calore). Rendimento di secondo principio: COP II COP max max qc 273, 2 q q c COP qc qf COP qc 273, 2 qc 273, 2 q q c f f 43 22
Esempio Pompa di calore Aria-Acqua di cui vengono fornite le seguenti condizioni: q f -7 2 7 12 q c 35 C COP 1 3,6 4,5 5,4 6,5 DC 1 [kw] 8,8 10,2 12,0 13,6 q c 45 C COP 2 3 3,6 4,1 4,8 DC 2 [kw] 7,8 9,3 11,2 13,2 Dati forniti dal costruttore q f -7 2 7 12 II,@35 0,49 0,48 0,49 0,49 II,@45 0,49 0,49 0,50 0,50 Rendimento di secondo principio calcolato partendo dai dati del costruttore DC = potenza termica dichiarata (potenza termica massima della pompa di calore nelle condizioni di funzionamento specificate dal costruttore) 44 Correzione in base alla temperatura della sorgente fredda/pozzo caldo l valori del COP e quelli del GUE per temperature della sorgente fredda/ pozzo caldo diverse da quelle per le quali sono stati forniti i dati dal costruttore (a parità di temperatura del pozzo caldo) si calcolano come segue: all'interno del campo di dati fornito dal costruttore: per interpolazione lineare tra i valori del rendimento di secondo principio calcolati a partire dai dati forniti, in funzione della temperatura della sorgente fredda/ pozzo caldo; al di fuori del campo di dati fornito dal costruttore, con scostamento massimo di 5 K: a partire dal valore del rendimento di secondo principio calcolato con i dati forniti dal costruttore più vicini al caso reale. 45 23
Esempio: variazione della temperatura del pozzo caldo Per interpolazione si calcolano DC e COP in condizioni di pieno carico, DC e COP, per una temperatura del pozzo caldo (di mandata) di 38, 40 e 42 C: q f -7 2 7 12 q c 38 C COP 3,4 4,2 4,9 5,9 DC [kw] 8,5 9,9 11,8 13,5 q f -7 2 7 12 q c 40 C COP 3,3 4,05 4,75 5,65 DC [kw] 8,3 9,75 11,6 13,4 q f -7 2 7 12 q c 42 C COP 3,2 3,87 4,49 5,31 DC [kw] 8,1 9,57 11,5 13,3 DC = potenza termica utile a pieno carico, cui corrisponde COP 46 Prestazioni a fattore di carico CR ridotto CR < 1 La condizione a carico ridotto si ha quando CR risulta minore di 1, ossia quando il carico applicato è minore della potenza massima che la pompa di calore può fornire. In questo caso il COP e il GUE variano e per determinare le prestazioni della pompa di calore deve essere usato un fattore correttivo, il cui valore può essere stabilito: 1- in base ad una elaborazione di dati forniti dal costruttore; 2- in base a modelli di calcolo di default quando tali dati non siano forniti. 47 24
48 Il potere calorifero inferiore (p.c.i.) di 1 m3 di gas metano è di circa 9,5 kwh η caldaia a condensazione = 1,05 Energia resa all acqua = p.c.i. x η caldaia a condensazione = 9,5 x 1,05 = 9,97 kwh Fattore di Conversione ( produzione e trasmissione ) da energia termica a elettrica η fattore di conversione = 0,36 Energia elettrica = p.c.i. x η fattore di conversione = 9,5 x 0,36 = 3,42 kwh L equivalenza energetica si ottiene per un certo valore del COP limite p.c.i. x η caldaia a condensazione = p.c.i. x η fattore di conversione x COP limite COP limite = η caldaia a condensazione / η fattore di conversione = 1,05 / 0,36 = 2,91 49 25
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto Procedura di calcolo Il fattore di correzione del COP determinato in funzione del fattore di carico CR con il metodo qui descritto è indipendente dalla temperatura di annullamento del carico, in quanto dipende solo dal fattore di carico CR e quindi può essere applicato in tutte le condizioni di funzionamento nel calcolo secondo UNI/TS 11300. 50 Prestazioni a fattore di carico CR ridotto Calcolo di CR a carico ridotto (CR < 1) a partire dai dati forniti dal costruttore Per il calcolo sono richiesti (UNI EN 14825, condizioni climatiche A Average ) i seguenti dati: - temperatura di progetto: - 10 C - PLR per le temperature di riferimento -7 (A), 2 (B), +7(C), +12 (D) - temperatura bivalente considerata e potenza a pieno carico alla temperatura bivalente - DC ( Potenza a pieno carico ) e COP alle 4 temperature (A), (B), (C), (D). 51 26
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto Calcolo di CR a CARICO RIDOTTO in base a modelli di calcolo di default quando non si dispone dei dati forniti dal costruttore In questo caso si procede nel modo seguente: 1. Per le pompe di calore a potenza fissa con funzionamento on/off si utilizzano le equazioni previste dalla UNI EN 14825: Pompe di calore aria/aria, antigelo/aria, acqua/aria COP A,B,C,D COP 1 C dove: COP A,B,C,D = COP nelle condizioni (A), (B), (C) e (D); COP DC = COP a pieno carico dichiarato nelle condizioni di temperatura a cui sono riferite le prestazioni a carico parziale; C d = fattore di correzione dichiarato. Se non noto, si assume pari a 0,25. DC d 52 Prestazioni a fattore di carico CR ridotto Calcolo di CR a carico ridotto in base a modelli di calcolo di default quando non si dispone dei dati forniti dal costruttore Pompe di calore aria/acqua, antigelo/acqua, acqua/acqua COP A,B,C,D COPDC CR 1 C CR C dove: COP A,B,C,D = COP nelle condizioni (A), (B), (C) e (D); COP DC = COP a pieno carico dichiarato nelle condizioni di temperatura a cui sono riferite le prestazioni a carico parziale; C c = fattore di correzione dichiarato. Se non noto, si assume pari a 0,9; CR = fattore di carico macchina (capacity ratio). c c Nota AiCARR: L equazione contiene un palese errore al denominatore, dove C c rappresenta un coefficiente di peso. L equazione corretta è: COPDC CR COPA,B,C,D 1 C CR C c c 53 27
Prestazioni a fattore di carico CR ridotto Calcolo di CR a carico ridotto in base a modelli di calcolo di default quando non si dispone dei dati forniti dal costruttore 2. Per le pompe di calore con parzializzazione a gradini come definite dalla UNI EN 14825 si utilizzano le stesse equazioni viste in precedenza e con le modalità specificate nella UNI EN 14825. 3. Per le pompe di calore a potenza variabile in mancanza dei dati previsti dalla UNI EN 14825 si assume un coefficiente correttivo pari a 1 sino al fattore di carico CR = 0,5 (o sino al valore minimo di modulazione se questo è diverso da 0,5). Al di sotto di tale valore di CR si procede come al punto 1. 54 Dati per il calcolo La procedura di calcolo del fabbisogno dei vettori energetici dei sottosistemi di generazione con pompe di calore per riscaldamento e/o produzione di acqua calda sanitaria richiede la definizione dei seguenti dati: intervallo di calcolo; temperatura della sorgente fredda nell'intervallo di calcolo; temperatura del pozzo caldo nell'intervallo di calcolo; fabbisogno di energia termica utile nell'intervallo di calcolo; potenza termica utile massima della pompa di calore nell'intervallo di calcolo; fattore di carico della pompa di calore; ausiliari elettrici. 55 28
Intervallo di calcolo L intervallo di calcolo assunto dalla UNI/TS 11300-4 è il mese. Nei casi in cui un'unica coppia di temperature della sorgente fredda e del pozzo caldo medie sull'intero intervallo di calcolo non sia adeguata per effettuare una valutazione sufficientemente corretta, il periodo di calcolo viene suddiviso in intervalli di durata minore, definiti bin. 56 Intervallo di calcolo Sorgente fredda Aria 1 Pozzo caldo Acqua a temperatura costante 2 Bin mensili Acqua a temperatura variabile 2 Aria esterna Bin mensili 3 Bin mensili Aria interna (recupero) a temperatura Bin Bin mensili Bin mensili dipendente dalle condizioni climatiche mensili Aria interna (recupero) a temperatura Mese Mese Mese indipendente dalle condizioni climatiche Terreno/roccia climaticamente perturbato Mese Mese Mese Terreno/roccia climaticamente non perturbato Mese Mese Mese Acqua di mare, fiume, lago Mese Mese Mese Acqua di risulta e liquami dei processi Mese Mese Mese tecnologici Liquami urbani Mese Mese Mese 1 Si assume che la temperatura sia costante e pari a quella ambiente di set point 2 La temperatura costante o variabile è riferita alla temperatura del fluido termovettore nel generatore di calore durante l'intervallo di calcolo considerato. Per esempio, la temperatura è costante nel caso di generatore di calore che alimenta la rete a temperatura variabile con una valvola miscelatrice, mentre è variabile nel caso in cui il generatore alimenti direttamente la rete a temperatura scorrevole. Generalmente la temperatura variabile si ha solo nel caso di riscaldamento. 3 l bin mensili sono riferiti alle temperature dell'aria esterna. 57 29
Intervallo di calcolo: il metodo bin Il metodo bin, utilizzato per tener conto della variabilità della temperatura esterna, consente di calcolare il fabbisogno di energia tenendo conto della distribuzione oraria di tale temperatura. Ciascun bin rappresenta un intervallo di temperatura di ampiezza Δθ bin pari a 1 K ed è centrato sul valore di temperatura media nell intervallo, considerato intero. I valori estremi dell intervallo sono dati dalle relazioni: θ bin,min = θ bin - Δθ bin /2 = θ bin 0,5 θ bin,max = θ bin + Δθ bin /2= θ bin + 0,5 58 Intervallo di calcolo: il metodo bin La ripartizione in bin si può applicare: all'intervallo di calcolo stagionale (solo per valutazioni su base annua generalmente finalizzate per determinare le prestazioni di una determinata pompa di calore in particolari condizioni di esercizio, per esempio come nella UNI EN 14825 per il calcolo del coefficiente di prestazione medio stagionale SCOP); all'intervallo di calcolo mensile (il COP medio stagionale può essere calcolato in base ai COP medi mensili come specificato nella UNI EN 14825). 59 30
Intervallo di calcolo: il metodo bin Si ricorre ai bin mensili: per la determinazione delle temperature di alcune sorgenti fredde; per la determinazione della temperatura del pozzo caldo se questa è variabile anche quando la temperatura della sorgente fredda sia assunta costante nel mese. 60 61 31
Valutazioni di calcolo fabbisogno di energia termica utile nell intervallo di calcolo Nel caso in cui la sorgente fredda sia aria, va applicato il bin method. La procedura è la seguente: si definiscono i Gradi/Ora, GH bin,mese, in riferimento alla durata totale di attivazione dell impianto, scartando i bin a temperatura maggiore di q H,off. GH bin,mese t bin,mese,on si calcola l energia richiesta per il riscaldamento all uscita della pompa di calore per ciascun bin: GHbin,mese QH,hp,out,bin QH,hp,out GH q H,off q bin,mese bin si calcola la potenza richiesta per il riscaldamento all uscita della pompa di calore per ciascun bin: QH,hp,out,bin H,hp,out,bin t bin,mese,h 62 63 32
64 65 33
Valutazioni di calcolo fattore di carico Il fattore di carico è dato dal rapporto tra la potenza termica richiesta per il riscaldamento nel bin e la potenza massima della pompa di calore per le temperature dell intervallo di calcolo: FCH,hp,th H,hp,out,bin bin,max,h 66 Pompe di calore: esempio Si supponga di trovarsi a Milano con le seguenti ipotesi progettuali q bival -5 C q H,off 16 C P prog,h 8,69 kw Q H,hp,out 15962 kwh 67 34
Pompe di calore Calcoli: Andamento di tipo lineare tra le temperature di 16 e -5 C interpolazione θ bin -5-4 -3-2 -1 0 1 2 da 3 a 14 15 16 bin, giorno 0 1,5 19 34,5 46 58 81 135 139,5 149 GH bin, mese 0 30 361 621 782 928 1215 1890 139,5 0 19688 P edificio 8,69 8,28 7,86 7,45 7,04 6,62 6,21 5,79 0,41 0 DC' 8,69 8,95 9,22 9,48 9,74 10,00 10,26 10,52 13,93 14,19 CR 1,00 0,92 0,85 0,79 0,72 0,66 0,60 0,55 0,03 0,00 COP' 3,50 3,63 3,76 3,89 4,01 4,14 4,27 4,39 6,05 6,18 Fp 1,00 0,98 0,96 0,95 0,93 0,92 0,90 0,89 0,76 0,75 COP 3,50 3,56 3,62 3,68 3,73 3,79 3,85 3,90 4,58 4,63 Q H,hp,out,bin 0,00 24,32 292,69 503,49 634,02 752,39 985,08 1532,35 113,10 0,00 15962 Φ H,hpout,bin 0,00 16,22 15,40 14,59 13,78 12,97 12,16 11,35 0,81 0,00 Q H,hp,el,bin 0 6,83 80,85 136,91 169,78 198,50 256,14 392,82 24,68 0,00 3943 SPF 4,05 68 35