Calcolo del fabbisogno di energia primaria degli impianti a pompa di calore G.L. Morini Laboratorio di Termotecnica Dipartimento di Ingegneria Industriale Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna gianluca.morini3@unibo.it
Analisi energetica Pompe di Calore
Impianti polivalenti con FER Priorità di intervento dei generatori Fattore di carico del generatore con priorità 1: FC gn1 Q Q gn, out,1 gn, out 3
PdC A-A: Balance Point Mentre le richieste termiche di riscaldamento decrescono con la temperatura esterna, la curva caratteristica di una EHP (A A) cresce con essa. La PdC non è in grado di mantenere 20 C all interno del sistema per tutta la stagione invernale.
PdC: Balance Point Nomenclatura della UNI TS 11300-4 Q [kw] 30 25 20 P BV dispersioni 15 potenza erogata W35 10 5 0 TOL q bival q H,cut-off q H,off -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 Temperatura aria esterna [ C]
PdC ad aria con inverter: Balance line n max n 1 n 2 n 3 n min
PdC: Balance Point Caldaia W-A A-A Balance Point in relazione al tipo di pompa
COP medio effettivo: SCOP COP medio effettivo (SCOP) >< COP nominale Metodi di calcolo consigliati UNI 11300-4 Sorgente fredda Sorgente calda Aria Acqua a t costante Acqua a t variabile Aria esterna Bin Bin Bin Aria di recupero Mensile Mensile Mensile (t indipendente dal clima) Aria di recupero Bin Bin Bin (t dipendente dal clima) Terreno Mensile Mensile Mensile (sonda orizzontale) Terreno Mensile Mensile Mensile (sonda verticale) Acqua di pozzo/falda Mensile Mensile Mensile Acqua di fiume Mensile Mensile Mensile
Calcolo dei BIN t bin(i),mese(k) [h] BOLOGNA q bin(i) [ C] Ott. Nov. Dic. Gen. Feb. Mar. Apr. -4 0 0 0 18.3 0 0 0-3 0 0 0 29.8 0 0 0-2 0 0 12.2 44.5 13.5 0 0-1 0 0 23.6 60.9 22.3 0 0 0 0 0 40.4 76.4 33.8 0 0 1 0 0 61.4 87.9 47.2 0 0 2 0 0 82.8 92.6 60.9 11.7 0 3 0 0 99.1 89.4 72.3 19.2 0 4 0 23.3 105.2 79.2 79.1 29.3 0 5 0 42.5 99.1 64.2 79.7 41.6 0 6 0 67.0 82.8 47.8 74.1 55.0 6.7 7 0 91.7 61.4 32.6 63.4 67.7 9.7 8 0 108.9 40.4 20.3 50.0 77.6 13.4 9 11.1 112.0 23.6 0.0 36.4 82.7 17.5 10 17.8 99.9 12.2 0.0 24.4 82.1 22.0 11 26.2 77.3 0.0 0.0 15.0 75.9 26.2 12 35.2 51.9 0.0 0.0 0.0 65.3 29.9 13 43.4 30.2 0.0 0.0 0.0 52.3 32.4 14 49.1 15.2 0.0 0.0 0.0 39.0 33.5 15 50.8 0.0 0.0 0.0 0.0 27.1 33.0 16 48.2 0.0 0.0 0.0 0.0 17.5 31.0 17 41.9 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 27.8 18 33.4 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 23.7 19 24.4 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 19.3 20 16.3 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 15.0
COP medio effettivo: SCOP BOLOGNA (dati UNI 10349)
Funzionamento Bivalente Fabbisogno per riscaldamento Bologna q ae [ C] E mese(k) [kwh] Gen 2.1 13000 Feb 4.6 10400 Mar 9.4 7900 Apr 14.2 2200 Ott 14.9 2000 Nov 8.7 8200 Dic 4 11900
Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) 35 Determinazione della Firma di progetto Mod.X2 30 25 Mod.X1 20 Mod.X0 15 10 5 0-10 -5 0 5 10 15 20 25 temperatura esterna ( C)
Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin 35 Sovrapposizione dei bin Mod.X2 400 30 25 20 15 10 Mod.X1 Mod.X0 350 300 250 200 150 100 5 50 0-10 -5 0 5 10 15 20 25 0 temperatura esterna ( C)
Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin 35 Sovrapposizione dei bin Mod.X2 400 30 25 20 15 10 Mod.X1 350 300 250 200 150 100 5 50 0-10 -5 0 5 10 15 20 25 0 temperatura esterna ( C)
Funzionamento Bivalente Potenza termica (kw) n ore bin Sovrapposizione dei bin e scelta della PdC 35 400 30 25 20 15 10 Mod.X1 350 300 250 200 150 100 5 50 0-10 -5 0 5 10 15 20 25 0 temperatura esterna ( C)
Funzionamento Bivalente Pompa di calore + Resistenze elettriche Funzionamento alternativo E [kwh] 6000 5000 4000 Dispersioni Pompa di Calore back-up 3000 2000 1000 q bival =q H,cut-off 0-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 Temperatura aria esterna [ C]
Funzionamento Bivalente Pompa di calore + Resistenze elettriche Funzionamento bivalente parallelo E [kwh] 6000 5000 4000 Dispersioni Pompa di Calore back-up 3000 2000 1000 q H,cut-off q bival 0-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 Temperatura aria esterna [ C]
Funzionamento Bivalente SCOP Impianto bivalente alternativo (q H,cut-off =q bival ) SCOP SCOP tot Bologna W pdc [kwh] C pdc [%] on-off 3.45 2.03 11494 71.4 inverter 3.7 2.09 10723 71.4 Impianto bivalente parallelo (q H,cut-off =-5 C) Bologna on-off 3.35 3.02 15852 95.4 inverter 3.52 3.16 15081 95.4
Esempio 1: pompa di calore elettrica Si consideri un edificio con un fabbisogno Q gn,out pari a 56.000 kwh/anno ed un fabbisogno degli ausiliari Q aux pari a 1.000 kwh/anno dotato di un impianto di riscaldamento a pompa di calore elettrica aria-acqua di tipo monovalente (ovvero in cui la pompa di calore elettrica sia l unico generatore di calore) a servizio di un edificio avente superficie energetica utile (SU) pari a 1000 m 2. Q del,i 15 Q exp,i Vettore energetico 11 (Q aux ) Energia elettrica (ausiliari) 5 6 (Q del ) Vettore energetico primario: en.elettrica 4 3 1 SU=1000m 2 (Q RN ) Vettore energetico : en.rinnovabile Q gn,out =56.000 (kwh/anno) 19
Esempio 1: pompa di calore elettrica E pdc (kwh/mese) W pdc (kwh/mese) COP mensile (E pdc /W pdc ) Ottobre 3.000 733 4,09 5 11 Novembre 8.000 2.567 3,12 6 Dicembre 15.000 5.157 2,91 Gennaio 12.000 4.700 2,55 Febbraio 10.000 3.248 3,08 Marzo 8.000 2.467 3,24 W pdc 4 3 E pdc 1 SU=1000m 2 TOTALE 56.000 18.872 2,97 Q gn,out Valore medio stagionale SCOP Verifica se sia possibile per tale impianto considerare parte dell energia termica come energia rinnovabile: 1,15 SCOP 2,97 SCOPmin 0,46 2,50 20
Esempio 1: pompa di calore elettrica Vettore: en.elettrica Vettore: en. rinnovabile Q p j Q Fabbisogno energia termica (edificio), per il mese j gn, out, j 1 Q auxel,, j f p, el Q gn, out, j 1 j j COP COP COP: Coefficiente di prestazione, per il mese j j f p, RN Vale 0 [kwh/anno] In forma compatta, usando i coefficienti prestazionali stagionali: Q p Q SCOP Seasonal COP gn, out 1 Qauxel, f p, el Qgn, out 1 SCOP Q RN f Vale 0 p, RN [kwh/anno] 21
Esempio 1: pompa di calore elettrica Q gn, out Q p Qaux, el f p, el SCOP Q p 56000 2.97 1000 1 0.46 43163 [kwh/anno] EP i Q S P U 43163 1000 43.2 [kwh/m 2 anno] 22
Esempio 2: pompa di calore elettrica + solare FV Si consideri l impianto di riscaldamento a pompa di calore elettrica dell esempio precedente a servizio di un edificio dotato di impianto solare fotovoltaico. Q del,i (Q aux ) Energia elettrica (ausiliari) 5 11 6 15 8 13 Q exp,i Energia elettrica autoprodotta (Q exp ) 13.450 (kwh/anno) (Q del ) Vettore energetico principale: Energia elettrica 4 3 1 14 (Q RN ) Vettore energetico en. rinnovabile Si ipotizzi che l impianto fotovoltaico abbia una potenza di picco pari a 12 kw p per una produzione pari a 13.450 kwh/anno 23
Esempio 2: pompa di calore elettrica + solare FV E pdc (kwh/mese) W pdc (kwh/mese) COP mensile (E pdc /W pdc ) Ottobre 3.000 733 4,09 Novembre 8.000 2.567 3,12 Dicembre 15.000 5.157 2,91 Gennaio 12.000 4.700 2,55 Febbraio 10.000 3.248 3,08 Marzo 8.000 2.467 3,24 TOTALE 56.000 18.872 2,97 Qe exp,fv (kwh/mese) Q aux,el (kwh/mese) Ottobre 998 180 Novembre 575 197 Dicembre 494 201 Gennaio 507 250 Febbraio 740 229 Marzo 1086 193 TOTALE 4400 1250 Q gn,out Valore medio stagionale SCOP Verifica se sia possibile per tale impianto considerare parte dell energia termica come energia rinnovabile: 1,15 SCOP 2,97 SCOPmin 0,46 2,50 24
Esempio 2: pompa di calore elettrica + solare FV Q gn, out, j Q p ( Qaux, el, j Qexp, PV, j ) f p, el j COPj W pdc (kwh/mese) Q exp,fv (kwh/mese) Q aux,el (kwh/mese) Q P (kwh/mese) Ottobre 733 998 180 0(-85) Novembre 2567 575 197 4759 Dicembre 5157 494 201 10574 Gennaio 4700 507 250 9659 Febbraio 3248 740 229 5950 Marzo 2467 1086 193 3422 TOTALE 18872 4400 1250 34363 4315 L impianto FV produce 85 kwh in più di quelli consumati. Rimangono a disposizione per altri servizi energetici (ad es. illuminazione) [kwh/anno] 25
Esempio 2: pompa di calore elettrica + solare FV W pdc (kwh/mese) Q exp,fv (kwh/mese) Q aux,el (kwh/mese) Q P (kwh/mese) Ottobre 733 998 180 0(-85) Novembre 2567 575 197 4759 Dicembre 5157 494 201 10574 Gennaio 4700 507 250 9659 Febbraio 3248 740 229 5950 Marzo 2467 1086 193 3422 TOTALE 18872 4400 1250 34363 [kwh/anno] EP i Qp SU 34363 1.000 34,4 [kwh/m 2 anno] 26
Esempi numerici: edificio di riferimento Palazzina residenziale (E.1.1), 12 unità immobiliari, a Bologna (2259 GG), S=1200.23m 2, V=3169.18m 3, S/V=0.38, Sue=758.98m 2, Sq=253m 2.
Edificio di riferimento Riscaldamento: Fabbisogni termici ed elettrici.
Edificio di riferimento Acqua calda sanitaria: Fabbisogni termici ed elettrici.
1. Caldaia a condensazione 1. Caldaia a Condensazione Impianto di riscaldamento con caldaia a condensazione (rendimento stagionale 1.01) con produzione combinata Riscaldamento e ACS.
7.a PdC (A/W)+resistenze el. 7.a PdC elettrica (A/W), Resistenza elettrica di integrazione Pdc ad A/W funz. bivalente-alternativo, Q b =3.8 C, Q cut-off =3.8 C.
7.b PdC (A/W)+resistenze el. 7.b PdC elettrica (A/W), Resistenza elettrica di integrazione Pdc ad A/W funz. bivalente-parallelo, Q b =3.8 C, Q cut-off =-5 C.
7.c PdC (A/W)+resistenze el.+fv 7.c PdC elettrica (A/W), Resistenza Elettrica e Fotovoltaico Pdc ad aria bivalente parallelo, Q b =3.8 C, Q cut-off =-5 C, PV da 12 kwp per 80 m 2.
5. PdC (A/W)+caldaia 5. PdC elettrica (A/W) e Caldaia a Condensazione Pdc aria-acqua bivalente-alternativo, Q b =3.8 C, Q cut-off =3.8 C. Caldaia a condensazione (rendimento 1.01).
6. PdC (A/W)+caldaia+FV 6. PdC elettrica (A/W), Caldaia a Condensazione e Fotovoltaico Come caso 5. + PV da 12 kwp (80 m 2 ), Si monocristallino, moduli molto ventilati, azimuth 0 e inclin. 25.
Confronto dei Risultati 61.12 Configurazione QR (%) EP tot (kwh/m 2 anno) EP tot,lim (kwh/m 2 anno) Caldaia a Condensazione 0 54.97 62.28 PdC elettrica (A/W) + integrazione elettrica (funz. alternativo) PdC elettrica (A/W) + integrazione elettrica (funz. parallelo) PdC elettrica (A/W) + integrazione elettrica (parallelo) + 12 kwp PV 17.03 70.27 39.11 24.40 55.54 41.99 54.00 33.79 62.28