III Indice XI Prefazione a cura di Climgas 1 Cap. 1 Principi generali, ambiti applicativi e benefici energetico-ambientali della climatizzazione ad azionamento termico 1 1.1 Principi energetici della generazione di calore e freddo, cogenerazione e trigenerazione 6 1.2 Scenario energetico di riferimento e ambiti applicativi 6 1.2.1 I consumi di energia in Italia 8 1.2.2 I consumi di energia nel settore civile 12 I consumi del settore terziario 12 1.3 Benefici energetici e ambientali, impatto sulla rete elettrica e del gas 20 1.4 Mercato attuale e potenzialità 20 1.4.1 Esame dei dati statistici sul mercato dei refrigeratori a gas naturale 21 1.4.1.1 Classificazione di numero, potenza e tipologia delle unità installate 25 1.5 Normativa di riferimento: certificazione energetica degli edifici, cogenerazione e trigenerazione 26 1.5.1 La certificazione energetica degli edifici e gli incentivi per la riqualificazione energetica 26 1.5.1.1 Evoluzione del sistema legislativo italiano 29 1.5.2 La normativa sugli impianti di microcogenerazione e trigenerazione 30 1.5.2.1 Definizione e parametri caratteristici 33 1.5.2.2 Il contesto legislativo e gli incentivi alla cogenerazione 37 1.5.2.3 Valorizzazione dell energia elettrica ceduta alla rete 43 1.5.2.4 Defiscalizzazione del combustibile per cogenerazione 44 1.5.2.5 Titoli di efficienza energetica 48 1.5.2.6 Il caso dell alimentazione a biomasse: certificati verdi e tariffa onnicomprensiva 50 1.5.3 Le normative di installazione e certificazione rilevanti 51 1.5.4 Le barriere non tecniche 01-Indice.indd III 10/11/11 14.48
IV 52 1.5.4.1 La fiscalità del gas naturale nei sistemi di generazione di freddo 54 1.5.4.2 Il percorso autorizzativo dei sistemi di microcogenerazione 56 Riferimenti bibliografici 59 Cap. 2 Frigoriferi a compressione 59 2.1 Cicli termodinamici a compressione e parametri operativi 60 2.1.1 Il ciclo frigorifero ideale 62 2.1.2 Frigoriferi e pompe di calore a compressione 66 2.1.3 Fluidi di lavoro: i fluidi frigoriferi 70 2.2 Componenti di un impianto frigorifero a compressione 70 2.2.1 Compressori 73 2.2.2 Scambiatori di calore (in relazione alle sorgenti termiche ambientali) 74 Sorgente termica aria 74 Sorgente termica acqua in circuito aperto 75 Sorgente termica costituita da acqua di torre 81 Sistemi wet & dry 82 Sorgente geotermica 82 2.3 Pompe di calore geotermiche 88 2.3.1 Sistemi di riscaldamento a pannelli radianti 91 2.4 Prestazioni e costi delle macchine frigorifere a compressione 96 Riferimenti bibliografici 99 Cap. 3 Pompe di calore azionate da motori endotermici 101 3.1 Considerazioni teoriche e vantaggi energetici 108 3.2 Configurazioni di impianto 109 3.2.1 Impianti a espansione diretta a due tubi 113 Recupero dell acqua di raffreddamento del motore 117 3.2.2 Impianti a espansione diretta a tre tubi 119 3.2.3 Impianti con distribuzione idraulica (chiller) 121 3.2.4 Modelli con cogenerazione di energia elettrica 122 3.3 Prestazioni energetiche 125 Prestazioni in riscaldamento 127 Prestazioni in raffreddamento 129 3.4 Pompe di calore a gas presenti sul mercato italiano 129 3.4.1 Maya (Yanmar) 01-Indice.indd IV 10/11/11 14.48
Indice V 132 3.4.2 Sanyo Airconditioners 134 3.4.3 Tecnocasa Srl (Aisin Toyota) 136 Riferimenti bibliografici 137 Cap. 4 Macchine ad assorbimento 138 4.1 Principi termodinamici e parametri operativi 143 4.2 Fluidi di lavoro 144 4.2.1 L acqua come refrigerante 145 4.2.2 Il bromuro di litio come assorbente 146 4.2.3 L ammoniaca come refrigerante 148 4.3 Macchina H 2 O/LIBR 151 4.4 Macchina NH 3 /H 2 O 153 4.5 Macchine a doppio effetto 154 4.5.1 Funzionamento in refrigerazione 157 4.5.2 Funzionamento in riscaldamento 158 4.6 Prestazioni nominali e durante l esercizio 161 4.7 Macchine ad assorbimento presenti sul mercato italiano 162 4.7.1 Dynamis Srl 163 4.7.2 IBT Srl 164 4.7.3 Maya SpA 168 4.7.4 Riello SpA 169 4.7.5 Systema SpA 175 4.8 Macchine ad alimentazione indiretta 176 4.9 Pompe di calore geotermiche ad assorbimento 181 4.10 Assorbitori azionati da energia solare 184 4.11 Assorbitori alimentati a biomassa 185 4.12 Produzione periferica in impianti di teleriscaldaento 187 4.13 Assorbitori azionati da cascami termici 189 4.14 Accorgimenti operativi legati all esercizio degli assorbitori 197 4.15 Costi delle macchine 199 Riferimenti bibliografici 201 Cap. 5 Motori primi per impianti di climatizzazione 202 5.1 Motori alternativi a combustione interna 01-Indice.indd V 10/11/11 14.48
VI 202 5.1.1 Principi di funzionamento e tecnologia 209 5.1.2 Modelli disponibili, prestazioni e costi 218 5.1.3 Prospettive di sviluppo 218 5.2 Motori a ciclo stirling 218 5.2.1 Principi di funzionamento e tecnologia 220 5.2.2 Modelli disponibili, prestazioni e costi 223 5.2.3 Prospettive di sviluppo 224 5.3 Microturbine a gas 224 5.3.1 Principi di funzionamento e tecnologia 228 5.3.2 Modelli disponibili, prestazioni e costi 231 5.3.3 Prospettive di sviluppo 232 5.4 Celle a combustibile 233 5.4.1 Principi di funzionamento delle fuel cells 236 5.4.2 Classificazione delle fuel cells 238 5.4.3 Celle a combustibile a membrana polimerica 239 Esempi realizzativi 240 Problematiche e prospettive di sviluppo 241 5.4.4 Celle a combustibile ad acido fosforico 241 Esempi realizzativi 242 Problematiche e prospettive di sviluppo 243 5.4.5 Celle a combustibile a carbonati fusi 244 Esempi realizzativi 246 Problematiche e prospettive di sviluppo 246 5.4.6 Celle a combustibile ad ossidi solidi 247 Esempi realizzativi 250 Problematiche e prospettive di sviluppo 250 5.5 Altre tecnologie 250 5.5.1 Cicli ibridi 251 5.5.2 La tecnologia termo-fotovoltaica. 252 5.5.3 La tecnologia dei micro-cicli Rankine. 254 Riferimenti bibliografici 257 Cap. 6 Fabbisogni energetici, curve di carico 258 6.1 UTENZE RESIDENZIALI 261 6.1.1 Utenze monofamigliari 261 6.1.2 Utenze condominiali 262 6.1.3 Diagrammi di carico 265 6.2 Utenze del settore terziario 265 6.2.1 Centro commerciale 01-Indice.indd VI 10/11/11 14.48
Indice VII 266 6.2.2 Ospedale 268 6.2.3 Albergo 269 6.2.4 Struttura Polisportiva 270 6.2.5 Palazzo Uffici 272 6.3 Utenze indistriali 272 6.3.1 Industria tessile 274 6.3.2 Industria meccanica 276 6.3.3 Industria elettronica 277 6.4 Confronti fra le varie utenze 281 Riferimenti bibliografici 283 Cap. 7 Schemi di impianto e analisi di casi rappresentativi 283 7.1 Impianti di trigenerazione 285 7.1.1 Impianto con motore primo e frigorifero ad assorbimento 288 7.1.2 Impianto con motore primo e gruppi refrigeratori a compressione 290 7.1.3 Impianto con motore primo, gruppo refrigeratore a compressione e ad assorbimento 292 7.2 Un modello di simulazione per l analisi di impianti di cogenerazione e trigenerazione 293 7.2.1 I componenti dell impianto e il metodo di simulazione 295 7.2.2 Possibili logiche di funzionamento 298 7.2.3 Strategia di ottimizzazione 300 7.2.4 Simulazione dei componenti dell impianto 303 7.2.5 Analisi economica 304 7.3 Analisi di casi di esempio 305 7.4 Caso di esempio 1 305 7.4.1 Descrizione dell utenza e dei carichi 309 7.4.2 Descrizione dell impianto 313 7.4.3 Descrizione dei componenti di impianto 313 7.4.3.1 Cogeneratori 314 7.4.3.2 Macchina frigorifera ad assorbimento 315 7.4.3.3 Pompa di calore elettrica geotermica 316 7.4.3.4 Caldaia a condensazione 316 7.4.3.5 Accumulatori di calore e altri componenti 317 7.4.4 Parametri economici e tariffe 318 7.4.5 Emissioni e prestazioni energetiche degli scenari di riferimento 319 7.4.6 Analisi Tecnico-Economica 01-Indice.indd VII 10/11/11 14.48
VIII 322 7.4.7 Confronti e considerazioni conclusive 323 7.5 Caso di esempio 2 323 7.5.1 Descrizione dell utenza e dei carichi 326 7.5.2 Descrizione dell impianto 327 7.5.3 Descrizione dei componenti di impianto 327 7.5.3.1 Cogeneratore 328 7.5.3.2 Macchina frigorifera ad assorbimento 329 7.5.3.3 Caldaia 329 7.5.3.4 Accumulo termico 329 7.5.3.5 Collettori solari 330 7.5.4 Parametri economici e tariffe 331 7.5.5 Emissioni e prestazioni energetiche degli scenari di riferimento 331 7.5.6 Analisi Tecnico-Economica 332 7.5.7 Sistema senza accumulo termico 334 7.5.8 Sistema con accumulo termico 336 7.5.9 Confronti e considerazioni conclusive 339 7.6 Rassegna di casi rappresentativi 339 7.6.1 Una installazione di grande taglia con macchine ad assorbimento 340 7.6.2 Una installazione con pompe di calore a gas a motore endotermico presso una casa di riposo 341 7.6.3 Una installazione di pompe di calore a gas a motore endotermico con 30.000 ore di esercizio 342 7.6.4 Una installazione con microturbina a gas e macchina ad assorbimento 342 7.6.5 Una installazione con recupero termico di calore da processi industriali e macchina ad assorbimento 343 7.6.6 Una installazione con macchina ad assorbimento a gas per la climatizzazione di una piscina 344 7.6.7 Una installazione con pompe di calore a gas a motore endotermico per la climatizzazione di un albergo 345 7.6.8 Una installazione con pompa di calore ad assorbimento a fiamma diretta per il contemporaneo raffreddamento del processo industriale e il riscaldamento degli ambienti produttivi 346 7.6.9 Una installazione con macchina ad assorbimento alimentata ad energia solare l impianto solar cooling a Città del Vaticano 347 7.6.10 Una installazione con macchine ad assorbimento a fiamma diretta alimentate a gas naturale presso un ospedale 348 7.6.11 Una installazione con macchine ad assorbimento alimentate ad acqua calda prelevata dalla rete di teleriscaldamento cittadina 01-Indice.indd VIII 10/11/11 14.48
Indice IX 349 7.6.12 Una installazione con macchina ad assorbimento alimentata dai fumi di scarico di una cella a combustibile MCFC 350 7.6.13 Una installazione di pompe di calore a gas a motore endotermico per la climatizzazione di un palazzo uffici di grandi dimensioni 351 7.6.14 Una installazione di pompe di calore a gas a motore endotermico per la climatizzazione di un palazzo uffici con sistema di distribuzione misto 352 7.6.15 Una installazione che comprende una macchina ad assorbimento, una pompa di calore elettrica, sonde geotermiche, una caldaia a biomassa, pannelli solari termici e fotovoltaici per la climatizzazione di un palazzo uffici 354 7.6.16 Due impianti solar-cooling con macchine ad assorbimento per il condizionamento di uffici (Varese e Treviso) 356 7.6.17 Impianto combinato di solar-cooling e riscaldamento presso la Casa di cura Santa Margherita a Pavia 358 7.6.18 Trigenerazione presso una grande struttura Ospedaliera 359 Riferimenti bibliografici 361 Appendice 361 Elementi di analisi economica dell investimento 361 Flusso di cassa 362 I principali indici di redditività 363 Metodologia di analisi di un investimento in un impianto di cogenerazione o trigenerazione 368 Bibliografia 01-Indice.indd IX 10/11/11 14.48
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XI Prefazione È possibile, con processi termodinamici efficienti, trasformare l energia chimica di un combustibile in energia frigorifera. Tali processi presentano concreti vantaggi in termini energetici ed ecologici rispetto ai tradizionali sistemi per produrre freddo che utilizzano energia elettrica come fonte energetica. La tecnologia delle macchine frigorifere a gas e più in generale di quelle ad azionamento termico, ha recentemente registrato sostanziali progressi, vuoi in termini di proposte, vuoi in termini di prestazioni. Oggi l industria è matura per offrire al mercato una vasta gamma di componenti e sistemi di caratteristiche operative vantaggiose. Climgas è l associazione nazionale dei costruttori e dei distributori di apparecchiature del settore. Fra gli scopi dell Associazione vi è anche quello di divulgare le conoscenze tecnologiche, fornire informazioni, dati tecnici e ragguagli atti a facilitare il corretto impiego delle macchine proposte. Climgas ha assolto questo compito affidando al Politecnico di Milano l incarico di redigere una pubblicazione sullo stato dell arte, sui principi tecnico scientifici e sulle modalità ottimali di applicazione dei sistemi disponibili. Ne è risultata la realizzazione di questo volume, che illustra con dovizia di informazioni le varie tecnologie attualmente disponibili per la produzione di freddo, che utilizzano quale energia primaria, in sostituzione di quella elettrica, il calore comunque generato, in primo luogo mediante la combustione di gas. Va sottolineata la validità culturale di questo strumento di divulgazione, il primo nel suo genere e la sua concreta utilità per ogni tecnico che operi nel settore degli impianti di climatizzazione, termotecnici ed energetici, a cui le proposte illustrate sono destinate. Particolare beneficio potranno trarne i giovani, in via di formazione professionale, attenti allo sviluppo di tecnologie di sicuro avvenire. Questa pubblicazione, che ci auguriamo venga in futuro opportunamente aggiornata, approfondita ed ampliata, risulta un elemento importante di consolidamento dell identità dell Associazione. 02-Prefazione.indd XI 04/11/11 14.03
XII Climgas ringrazia perciò il Politecnico di Milano, Dipartimento di Energia, ed in particolare il Professor Ennio Macchi e i suoi collaboratori Stefano Campanari e Paolo Silva per il qualificato lavoro effettuato in un settore strategico per il Paese, quale quello della climatizzazione, del risparmio energetico e dell energia più in generale. Milano, novembre 2011 Paolo Colaiemma Presidente Climgas 02-Prefazione.indd XII 04/11/11 14.03