Generatori di calore: le pompe di calore

Generatori di calore: le pompe di calore

Le macchine termiche Una macchina termica utilizza un fluido in un circuito chiuso per scambiare energia meccanica e termica con l ambiente esterno Il secondo principio della termodinamica Secondo Clausius E impossibile costruire una macchina operante secondo un processo ciclico il cui unico risultato sia il trasferimento di calore da un corpo a bassa temperatura ad un corpo a temperatura superiore E impossibile operare una qualsiasi trasformazione ciclica il cui unico risultato sia il trasferimento di energia termica da un corpo a temperatura inferiore ad un corpo a temperatura superiore

Lo schema di funzionamento Sorgente a temperatura T 1 q 1 P m Macchina a ciclo inverso q 2 Sorgente a temperatura T 2 < T 1

Se l utilizzatore sfrutta l effetto termico q 2 : la macchina è un frigorifero (condizionatore) Se l utilizzatore sfrutta l effetto termico q 1 : la macchina è una pompa di calore Per il corretto funzionamento della macchina a ciclo inverso è necessario: disporre di potenza meccanica (compressore) disporre di condizioni adatte allo scambio termico (scambiatori di calore) disporre di un fluido idoneo

L utilizzazione dell energia: il compressore La funzione è quella di variare la pressione del fluido frigorigeno

I compressori Compressori aperti, ermetici o semiermetici Compressori alternativi Compressori scroll Compressori a vite R134a R22 55 1000 kw oltre 2,2 MW 50 170 kw elevate potenze frigorifere Compressori centrifughi ridotte vibrazioni e manutenzione, efficienti a carico parziale Potenze frigorifere da 500 kw a 5 MW

Il compressore scroll Vantaggi: elevato rendimento volumetrico ; bassa rumorosità; minime vibrazioni; ottima qualità del rumore buona resistenza al colpo di liquido elevata affidabilità (tipica dei compressori rotativi).

Gli scambiatori di calore: la funzione è di consentire lo scambio termico tra il fluido frigorigeno (interno) e l esterno (aria o acqua)

Il fluido frigorigeno è il fluido che deve consentire lo scambio termico a temperature idonee allo scopo. Si sfrutta il calore di scambio durante i processi di evaporazione e di condensazione del fluido, processi che avvengono a temperatura e pressione costante. Il derivati del metano e dell etano e le loro miscele consentono di operare a pressioni non troppo basse e non troppo elevate e di avere evaporazione a bassa temperatura (alcune decine di C) e condensazione a temperature dell ordine della decina di C. Possono essere usate miscele di fluidi diversi

Il ciclo termodinamico Lo schema meccanico

Funzionamento in raffreddamento Il ciclo termodinamico Lo schema meccanico = 35 C T 3 = 10 C

Funzionamento in riscaldamento Il ciclo termodinamico Lo schema meccanico Evaporatore 2 3 = 5 C T 3 = 30 C 1 Condensatore 4

Dall enunciato di Clausius, è possibile definire un indice di prestazione del frigorifero come il rapporto tra l effetto ottenuto (il calore prelevato dalla sorgente a bassa temperatura, q 2 ) e l energia spesa per ottenerlo (la potenza meccanica fornita alla macchina, P m ). Più precisamente si parla di coefficiente di prestazione (COP) della macchina frigorifera il quale corrisponde al rapporto definito dalla relazione: COPfrigorifero = q2 q1 q2 = q2 P m

Le macchine, funzionanti secondo un ciclo inverso, possono essere fatte operare avendo come scopo primario la cessione di energia termica alla sorgente a temperatura più alta. In questo caso esse sono denominate pompe di calore e, dal momento che l effetto utile è la fornitura di calore alla sorgente ad elevata temperatura, il coefficiente di prestazione viene definito dalla relazione: COPpompa di calore = q1 q1 q2 = q1 Pm Nel caso di macchina reversibile, si definisce per il funzionamento in raffrescamento il parametro: efficienza energetica (EER) come rapporto q 2 /P m

Pompa di calore ad aria riscaldamento Pompa di calore ad aria raffrescamento

Il valore massimo del coefficiente di prestazione: COP frigorifero, Carnot = T 1 T 2 T 2 COP pompa di calore,carnot = T 1 T 1 T 2 Minore è la differenza di temperatura delle due sorgenti, maggiore è l effetto utile ottenibile!!

La pompa di calore Le pompe di calore sono macchine termiche che operano trasferendo calore da una sorgente fredda ad una calda. Le macchine presenti sul mercato hanno comunemente campi di azione tra gli 0 ed i 120 gradi e possono quindi essere impiegate per il riscaldamento ambiente, per la produzione di acqua calda sanitaria e per i processi industriali che necessitino di calore a bassa temperatura.

Tipologia Acqua acqua: si riscalda acqua (condensatore) trasferendo energia termica da altra acqua (evaporatore) Aria acqua: si riscalda acqua (condensatore) attingendo calore da aria (evaporatore) Acqua aria: si riscalda aria (condensatore) attingendo calore da acqua (evaporatore) Aria aria: si riscalda aria (condensatore) trasferendo energia termica da altra aria (evaporatore) Al posto dell acqua può essere usata salamoia (brine) Possono funzionare come macchine frigorifere (reversibilità)

Il 95% delle di pompe di calore installate in Italia utilizza come sorgente fredda l aria e in particolare l 84% dei pezzi (il 58% in termini di fatturato) è costituito dalla tipologia aria/aria. All interno di questa tipologia, lo schema più diffuso prevede l utilizzo di split. Con tale denominazione vengono classificate tutte le macchine ad espansione diretta di gas freon, costituite da una unità motocondensante (o motoevaporante in pompa di calore) e da una o più unità interne, anche variamente configurate, collegate alla unità esterna medesima. Le unità esterne, sia mono che multi, sono generalmente raffreddate ad aria ed hanno la possibilità di essere variamente collocate (a pavimento, a parete, a tetto, ecc.) direttamente all aperto. Anche i terminali interni sono ampiamente assortiti: ne esistono per essere collocati a parete (sia in basso che in alto), a soffitto da canalizzare, da incasso, ecc.

Applicazioni Fonte: Mitsubishi Electric

Applicazioni Fonte: Mitsubishi Electric

Applicazioni Fonte: Mitsubishi Electric

Legislazione Decreto Ministero Sviluppo Economico 7 Aprile 2008 Finanziamento del 55% delle spese per gli interventi di sostituzione di impianti di climatizzazione invernale con impianti dotati di pompa di calore ad alta efficienza ovvero con impianti geotermici a bassa entalpia. Per coefficiente di prestazione di una pompa di calore (COP), si intende il rapporto tra il calore fornito e l elettricità o il gas consumati Per indice di efficienza energetica di una pompa di calore (EER), si intende il rapporto tra la produzione di freddo e l elettricità o il gas consumati Il D.M. introduce limiti per i valori prestazionali

Legislazione G.Uff. della CE del 20/11/2007 Articolo 2 Per ottenere l assegnazione del marchio comunitario di qualità ecologica ai sensi del regolamento (CE) n. 1980/2000, la pompa di calore deve rientrare nel gruppo di prodotti «pompe di calore elettriche, a gas o ad assorbimento funzionanti a gas» e soddisfare ciascun criterio ecologico indicato nell allegato della presente decisione. L indice di energia primaria (PER) corrisponde a: COP 0,40 (o COP/2,5) per le pompe di calore elettriche e COP 0,91 (o COP/1,1) per le pompe di calore a gas o ad assorbimento funzionanti a gas, in cui 0,40 è l efficienza europea media di produzione elettrica, tenuto conto delle perdite di rete, e 0,91 è l efficienza europea media di gas, perdite di distribuzione comprese, in base alla direttiva 2006/32/CE del Parlamento europeo e del Consiglio, del 5 aprile 2006, concernente l efficienza degli usi finali dell energia e i servizi energetici e recante abrogazione della direttiva 93/76/CEE del Consiglio

I carichi parziali Una macchina funziona a pieno carico per meno del 5% delle ore di funzionamento stagionali SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) è l indice di prestazione energetica stagionale di una macchina frigorifera determinata in condizioni standard di riferimento PE SEER = 100% EER100% + PE75% EER75% + PE50% EER50% + PE25% EER25% 100 PE peso energetico: è un valore tabellato (vedi refrigeratori) EER è calcolato nelle condizioni standard

Condizioni standard Evaporatore Temp. uscita 7 C Salto termico T Fattore di sporcamento 5 K 0,018 m 2 K/kW Condensatore Salto termico T 5 K Fattore di sporcamento Condizioni in parzializzazione Peso energetico PE Tingresso Evaporatore Aria ingresso condensatore 0,043 m 2 K/kW Acqua ingresso Condensatore Carico 100% 3% 12 C 35 C 30,0 C Carico 75% 33% 12 C 31,3 C 26,0 C Carico 50% 41% 12 C 27,5 C 22,0 C Carico 25% 23% 12 C 23,8 C 18,0 C

Le pompe di calore di tipo aria-acqua totalizzano sul mercato italiano solamente il 12% in termini di pezzi venduti, ma, considerando il fatturato totale, realizzano una quota pari al 37%. Questo perché si tratta di macchine mediograndi (20-30 kw in media contro i 5-10 delle macchine aria-aria) che costano mediamente 4-5 volte di più delle apparecchiature aria-aria.

Le prestazioni di pompe di calore ad aria sono variabili con la temperatura dell aria esterna. Per θ ext = 10 C, il COP è tipicamente pari a 3.

Pompe di calore ad acqua

Refrigerazione ad assorbimento La macchina ad assorbimento basa il suo funzionamento sulla capacità igroscopica di soluzioni concentrate di sali quali il bromuro di litio LiBr. La macchina nella forma base è costituita da: evaporatore, assorbitore, condensatore, generatore di calore, alcune pompe. Lo scambio di calore tra sorgente bassa temperatura e sorgente ad alta temperatura avviene senza apporto di lavoro, ma con apporto di calore da una terza sorgente (caldaia gas, acqua calda da sole).

I cicli ad assorbimento

In genere si utilizza una soluzione di acqua (solventerefrigerante) e bromuro di litio (soluto), oppure ammoniaca (solvente-refrigerante) e acqua (soluto). Nell evaporatore mantenuto a bassa pressione il solvente evapora assorbendo calore dall esterno, mentre la soluzione si concentra. Il resto del ciclo ha come scopo il recupero del solvente che deve essere riusato. L igroscopicità del LiBr provoca l assorbimento di vapore d acqua da parte della soluzione concentrata presente nell assorbitore e proveniente dal generatore

Nel generatore la soluzione diluita in arrivo dall assorbitore viene concentrata mediante riscaldamento e vaporizzazione del solvente. La soluzione concentrata viene inviata all assorbitore. Il vapore prodotto nel generatore viene inviato al condensatore. L acqua liquida ottenuta viene a sua volta inviata nell evaporatore dove riprende il ciclo. Per aumentare l efficienza della trasmissione di calore l acqua nell evaporatore e la soluzione concentrata nell assorbitore vengono spruzzate sui fasci tubieri degli scambiatori

Il ciclo ad assorbimento a gas Gas metano

I cicli ad assorbimento

Macchina ad assorbimento

D.M. 7/04/2008

INTRODUZIONE AI SISTEMI GEOTERMICI I sistemi geotermici sono tecnologie per il riscaldamento o il raffrescamento che trasferiscono il calore dal terreno o da acqua di falda per la climatizzazione ambientale e per la produzione di acqua calda sanitaria. La prima applicazione risale al 1912, anno del deposito di un brevetto per un sistema geotermico in Svizzera. La diffusione su larga scala risale tuttavia al 1970. A partire dagli anni 80 si hanno miglioramenti significativi delle efficienze e dei campi operativi delle pompe di calore, accompagnati da migliori materiali per i circuiti a terreno.

In Svizzera le installazioni di impianti a sonda geotermica verticale sono attualmente circa 30.000 (2003), il 70% a profondità comprese tra 80 e 120 m. In Nord America si contano più di 40.000 unità vendute ogni anno. La più grande installazione commerciale al mondo impiega acqua di falda ed ha una capacità frigorifera di circa 16 MW.

La temperatura del terreno

I vantaggi sono primariamente legati ai più elevati livelli termici del terreno rispetto a sorgenti termiche quali l aria ambiente.

Sistemi impiantistici: a terreno Caratteristiche Temperatura media del terreno (8-10 C) Pompa di calore (COP 3-4) Sonda a terreno (anche 100 m)

Le sonde geotermiche Lo scambio di calore con il terreno avviene tramite la sonda di captazione, installata con una perforazione del diametro di pochi centimetri, in un foro scavato accanto all'edificio, invisibile dopo la costruzione. Il numero delle sonde geotermiche e la profondità d'installazione (da 50 a 150 metri) variano in funzione dell'energia termica richiesta. Ogni sonda è formata da due moduli ciascuno dei quali costituito da una coppia di tubi in polietilene uniti a formare un circuito chiuso (un tubo di "andata" e uno di "ritorno") all'interno dei quali circola un fluido glicolato (miscela di acqua e anticongelante non tossico). I tubi delle sonde sono collegati in superficie ad un apposito collettore connesso alla pompa di calore.

Pompe di calore: scambio con il terreno La sede di TiFS Ingegneria di Padova

Impianto a Lugano (CH)

Caratteristiche dell impianto considerato

La cogenerazione di calore e energia elettrica Nella produzione di energia elettrica con cicli diretti a vapore o gas in turbine o in motori alternativi, si ha come sottoprodotto calore da smaltire a bassa temperatura. Questo può essere utilizzato nel riscaldamento di processo nell industria o nel riscaldamento degli edifici. In questo modo si aumenta notevolmente l efficienza globale e si parla di cogenerazione. Si ha un risparmio dal 60% al 100% di combustibili fossili.

Uno dei limiti di questo tipo di produzione di energia è la necessità di un consumo contemporaneo di calore e energia elettrica. E necessario avere nello stesso edificio o a breve distanza sia l utilizzatore di calore che quello di elettricità. L industria (carta, acciaio, alimentare), gli alberghi, gli ospedali o l aggregazione di un produttore di elettricità e un quartiere residenziale sono dei possibili esempi di applicazione. Un ulteriore problema è legato al fatto che l utilizzo di calore deve essere presente durante tutto il corso dell anno. Negli ultimi anni si sono messi a punto sistemi che nel periodo estivo utilizzano il calore per far funzionari gruppi di refrigerazione ad assorbimento. Realizzando la cosiddetta trigenerazione.

Un esempio storico: il TOTEM Nell ambito delle piccole taglie una delle primissime realizzazioni di piccoli sistemi di cogenerazione si deve alla FIAT alla fine degli anni 70. Si tratta del TOTEM (TOTal Energy Module). Basato sul diffusissimo motore 903, 4 cilindri ad aste e bilancieri che equipaggiava una serie di vetture dalla 127 all A112. Il sistema viene fatto lavorare al regime di rotazione di 3000 rpm con produzione di una potenza elettrica di 15 kw.

Il TOTEM può lavorare con metano, GPL, biogas. Il rendimento elettrico è del 27% e quello termico del 70%.

La micro-cogenerazione Negli ultimi 5 anni si sono messi a punto cogeneratori di piccolissime dimensioni 1-5 kw elettrici, da installare in singole abitazioni e di piccole dimensioni per condomini 50-100 kwe. Si tratta di turbine, motori alternativi e celle a combustibile. Stirling WhisperGen 5 kwe. Microturbina Capstone 30 kwe. celle a combustibile 1,5 kwe.

Il motore Stirling

La microgenerazione Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica con ingombri limitati Utilizzo: gas metano o idrogeno con reforming Ciclo Stirling

Microgeneratori La pila a combustibile e' un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore. Il combustibile (idrogeno) e i gas ossidanti (ossigeno dato semplicemente dall'aria) lambiscono rispettivamente l'anodo e il catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con l'elettrolito). I rendimenti delle celle a combustibile vanno dal 40-48% per gli impianti con celle a bassa temperatura, fino al 60% per quelli con celle ad alta temperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizza anche il calore da esse prodotto.

Emissioni Il contenuto di CO 2 di 1kWh (termico) di metano è circa 200g.

Cogenerazione di grossa taglia Si hanno a disposizione diversi tipi di motori alternativi dual fuel (gas e gasolio)

Cogenerazione di grossa taglia Si hanno a disposizione diversi tipi di turbine a gas o vapore

Il teleriscaldamento Il calore viene prodotto in un impianto centrale, ad esempio una centrale termica a legna o un impianto di incenerimento dei rifiuti o dei trucioli di legna, e successivamente distribuito agli utenti attraverso una rete di condutture sotto forma di acqua calda destinata al riscaldamento degli edifici e alla produzione di acqua calda. Con la cogenerazione è possibile produrre contemporaneamente energia elettrica e termica. un solo camino di emissione controllato in centrale caldaia dell impianto alimentata da rifiuti o biomasse

Il teleriscaldamento Il teleriscaldamento porta direttamente nelle case il calore per il riscaldamento e l'acqua calda sanitaria senza bisogno di avere caldaie, bruciatori, serbatoi per il combustibile e canne fumarie.

Il teleriscaldamento da biomasse La cogenerazione è possibile con combustibili rinnovabili quali il biogas o biomasse in genere. Un esempio di centrale per cogenerazione a biomasse è a Tirano, in Valtellina, trattasi di un impianto tra i migliori 5 in Europa, caratterizzato da un elevato rendimento (80%) grazie alla contemporanea produzione d elettricità e calore, totalmente da fonti rinnovabili.

Il teleriscaldamento da fonti geotermiche Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura (80-100 C). Si utilizzano scambiatori di calore che permettono di riscaldare l'acqua circolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori o pannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni. Un impianto del genere è quello di Ferrara nel quale si utilizza un pozzo geotermico situato a 2000 metri di profondità, sviluppa una potenza di 14 MW con i quali vengono riscaldati circa 500.000 m 3 di alloggi collegati alla rete.

Il teleriscaldamento Ferrara Geotermico Portata complessiva: 400m 3 /h Temperatura fluido geotermico: 100-105 C Temperatura fluido teleriscaldamento in mandata: 90-95 C Temperatura fluido teleriscaldamento in ritorno: 60-65 C Potenza termica nominale: 14 MW t Disponibilità di utilizzazione: continua Energia termica fornita: 77.490 MW t /anno (il dato è relativo all'anno 2003)

Tubazioni acqua calda Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6% Efficienza totale ((30+55)/100) = 85,0% Gas di scarico 15 unità Calore 55 unità Caldaia Recupero Carichi Termici Calore + gas di scarico Combustibile 70 unità Energia elett. 30 unità 100 unità Macchina produzione energia Generatore Carichi Elettrici

La rete Tubazioni DN = 50 DN = 350 Lunghezza 22 km

La sottocentrale: scambiatore; filtro; valvola di regolazione; valvola di intercettazione; sfiati; pozzetti di ispezione; scarichi

Uso di RSU (Ferrara) Capacità nominale dell'impianto di smaltimento: 50.000 t/anno Carico termico nominale della linea di incenerimento: 15,6 Gcal/h (forno a "griglia") Produzione nominale di vapore: 18t/h Sistema depurazione fumi: a semisecco Potenza nominale turboalternatore: 3,3 MW e Potenza termica in assetto cogenerativo massimizzato: 6,4 MW t Potenza elettrica in assetto cogenerativo massimizzato: 1,5 MW e Potenza elettrica in assetto a tutta condensazione: 2,7 MW e L'impianto, fin dalla sua realizzazione, è stato dotato di uno scambiatore avente una potenzialità di 8,4 MWt che, nel 1999, venne posto in parallelo al turboalternatore.

Dati principali d'esercizio dell'impianto (anno 2003) Giorni d'esercizio: 290 Rifiuti termovalorizzati: 36.128 tonnellate Potere calorifero medio dei rifiuti: 2.497 kcal/kg Energia elettrica netta: 6.445,2 MWh e Energia termica prodotta: circa 21.467 MWh t Scorie avviate allo smaltimento: 10.278 tonnellate (circa il 28,5% su RSU) Polveri avviate allo smaltimento: 1.408,7 tonnellate (circa il 3,9% su RSU)