Le pompe di calore 1

Le pompe di calore 1

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 2

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 3

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 4

L utilizzazione dell energia: il compressore La funzione è quella di variare la pressione del fluido frigorigeno 5

I compressori Compressori aperti, ermetici o semiermetici Compressori alternativi R134a R22 Compressori scroll Compressori a vite 55 1000 kw oltre 2,2 MW 50 170 kw elevate potenze frigorifere Compressori centrifughi ridotta vibrazioni e manutenzione, efficienti a carico parziale Potenze frigorifere da 500 kw a 5 MW 6

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). 7

Gli scambiatori di calore: la funzione è di consentire lo scambio termico tra il fluido frigorigeno (interno) e l esterno (aria o acqua) 8

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 9

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Il ciclo termodinamico Lo schema meccanico 14

Il ciclo reale 15

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 16

Il valore massimo del coefficiente di prestazione: COP frigorifero,reversibile = T 1 T 2 T 2 COP pompa di calore,reversibile = T 1 T 1 T 2 Minore è la differenza di temperatura delle due sorgenti, maggiore è l effetto utile ottenibile!! 17

Il refrigeratore 18

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. 19

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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: COP q q pompa di calore = 1 = 1 q1 q2 P m 21

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 22

DECRETO 28 dicembre 2012 Incentivazione della produzione di energia termica da fonti rinnovabili ed interventi di efficienza energetica di piccole dimensioni. In attuazione dell art. 28 del D.Lgs. n. 28/2011, il presente decreto disciplina l incentivazione di interventi di piccole dimensioni per l incremento dell efficienza energetica e per la produzione di energia termica da fonti rinnovabili,, realizzati a decorrere dall entrata in vigore del presente decreto, ai fini del raggiungimento degli obiettivi specifici previsti dai Piani di azione per le energie rinnovabili e per l efficienza energetica di cui all art. 3, comma 3, del D.Lgs. n. 28/2011. 23

Art.4 2. Sono incentivabili, alle condizioni e secondo le modalità di cui all allegato II, ivi comprese le spese ammissibili di cui all art. 5, i seguenti interventi di piccole dimensioni di produzione di energia termica da fonti rinnovabili e di sistemi ad alta efficienza: a) sostituzione di impianti di climatizzazione invernale esistenti con impianti di climatizzazione invernale dotati di pompe di calore, elettriche o a gas, utilizzanti energia aerotermica, geotermica o idrotermica; b) sostituzione di impianti di climatizzazione invernale o di riscaldamento delle serre esistenti e dei fabbricati rurali esistenti con impianti di climatizzazione invernale dotati di generatore di calore alimentato da biomassa; c) installazione di collettori solari termici, anche abbinati a sistemi di solar cooling; d) sostituzione di scaldacqua elettrici con scaldacqua a pompa di calore. 24

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Allegato II Pompe di calore (elettriche e a gas) 26

DM 7 aprile 2008 27

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 28

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% EER 100% + PE 75% EER 75% + PE 50% EER 50% + PE 25% EER 25% 100 PE peso energetico: è un valore tabellato (vedi refrigeratori) EER è calcolato nelle condizioni standard 29

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 30

Tipologie (pompe di calore) 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) 31

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. 32

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. 33

Pompa di calore ad aria riscaldamento Pompa di calore ad aria raffrescamento 34

Le prestazioni di pompe di calore ad aria hanno prestazioni che sono variabili con la temperatura dell aria esterna. Per θ ext = 10 C, il COP è tipicamente pari a 3. 35

Pompe di calore ad acqua 36

IMPIANTI VRF Fonte primaria: energia elettrica Unità esterne Distributore Unità interne Circuito Frigo 37

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). 38

I cicli ad assorbimento 39

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 40

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 41

Il ciclo ad assorbimento a gas Gas metano 42

I cicli ad assorbimento 43

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Macchina ad assorbimento 45

D.M. 7/04/2008 46

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. 47

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. 48

La temperatura del terreno 49

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I vantaggi sono primariamente legati ai più elevati livelli termici del terreno rispetto a sorgenti termiche quali l aria ambiente. 51

Sistemi impiantistici: a terreno Caratteristiche Temperatura media del terreno (8-10 C) Pompa di calore (COP 3-4) Sonda a terreno (anche oltre 100 m) 52

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. 53

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Pompe di calore: scambio con il terreno La sede di TiFS Ingegneria di Padova 55

Impianto a Lugano (CH) 56

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Caratteristiche dell impianto considerato 58