LEZIONE 2 Aspetti impiantistici di un sistema geotermico integrato a pompa di calore. Principio di funzionamento delle pompe di calore geotermiche. Esempi di schemi funzionali di centrale. a cura di Simone Laprovitera e-mail: slaprovitera@trevispa.com tel.: 340.46.87.850
Una considerazione In natura il potenziale del calore di bassa temperatura per un utilizzo nel riscaldamento di locali e nei processi è enorme. Calore residuo, calore ambientale e calore geotermico di bassa profondità sono disponibili ovunque, salvo poche eccezioni. L unico scompenso è dato di regola dal livello di temperatura. Per un impiego diretto quale prestazione di servizio energetica, questo calore spesso non viene considerato. Con un processo a ciclo motorizzato questa lacuna è colmabile. A tal proposito la classica pompa di calore rappresenta una tecnologia chiave per lo sfruttamento di fonti di energia rinnovabili.
Definizione La pompa di calore è una macchina termodinamica in grado di trasferire il calore da una serbatoio a temperatura più bassa a un serbatoio a temperatura più alta.
Analogia Idraulica
La Pompa di Calore, infatti, è capace di produrre energia per il riscaldamento e per la refrigerazione e l acqua calda sanitaria, energia cioè ad alta temperatura, impiegando non oltre il 20-25% di energia elettrica ed utilizzando fino al 75% di energia prelevata dall ambiente, un energia a bassa temperatura. Se nella produzione di energia elettrica venisse inoltre impiegata una quota rilevante di energia prelevata dall ambiente (energie rinnovabili) l effetto sarebbe ancora maggiore per la protezione dell ambiente. In teoria, si potrebbe tendere a un sistema elettrico e a una Pompa di Calore completamente verde, che preleva cioè dall ambiente il 100% dell energia necessaria al suo funzionamento.
Tipologie 1 Pompe di Calore a compressione azionate da motore elettrico motore endotermico La reversibilità della macchina può essere o interna (fluido frigorifero), o esterna (circuito idraulico) 2 Pompe di Calore ad assorbimento alimentate a gas a fluidi caldi
Analisi dei componenti della PdC IL COMPRESSORE Cos è? È il cuore pulsante della pompa di calore come delle macchine frigorifere che operano con ciclo a compressione di vapore. Cosa fa? Provvede ad aspirare il vapore di refrigerante a bassa pressione e a portarlo alla pressione più elevata necessaria alla condensazione a più alta temperatura. Quali tipologie esistono? I compressori sono tradizionalmente classificati secondo due grandi famiglie: Compressori volumetrici (positive displacement) La compressione viene attuata sostanzialmente intrappolando un certo volume di gas alla pressione di aspirazione, riducendo progressivamente lo spazio a disposizione ed aumentando quindi la pressione. Compressori centrifughi l effetto di compressione è dovuto alla forza centrifuga esercitata sul gas da un elemento girante a velocità relativamente elevata. All effetto di spinta centrifuga si aggiunge la trasformazione a valle della girante dell energia cinetica acquistata dal gas in energia di pressione per progressiva riduzione di velocità in un elemento diffusore (voluta)
IL COMPRESSORE limiti di impiego
IL COMPRESSORE Modulazione di potenza On - Off Il compressore, in seguito ad un comando di avvio (ON), lavora nelle condizioni nominali fino a quando riceverà un comando di fermo (OFF). Generalmente i due comandi sono vincolati a due valori di temperatura. Questa modalità operativa presenta una serie di svantaggi. I due set point di temperatura devono essere abbastanza distanziati per evitare un numero eccessivo di partenze e fermate soprattutto in presenza di carichi ridotti. Maggiore è la distanza fra il valore di set point di partenza da quello di fermata, maggiore è l oscillazione di temperatura nell ambiente riscaldato con possibile disagio per gli occupanti. Il funzionamento in attacca-stacca riduce il valore del COP per le perdite che si realizzano nella fasi transitorie di fermata e soprattutto di ripartenza. Ogni ripartenza del compressore è un piccolo trauma per il motore elettrico del compressore con relativa microincisione sull avvolgimento e rischio di guasto precoce. Ogni ripartenza della macchina presenta una coppia di spunto con possibile momentaneo e fastidioso abbassamento della tensione.
IL COMPRESSORE Modulazione di potenza Modulazione continua variazione continua nella velocità di rotazione del compressore mediante Inverter, ovvero mediante un dispositivo elettronico in grado di modificare la frequenza della corrente elettrica alternata, sia nel senso di aumentarla rispetto ai 50 Hz della rete, sia di ridurla. I vantaggi del funzionamento con inverter si possono così elencare: Maggiore benessere degli occupanti dal momento che istante per istante si fornisce esattamente il carico richiesto. Maggiore rendimento del sistema con valori di COP ai carichi parziali addirittura migliori che a carico nominale. Infatti a carico parziale in questo caso le portate di refrigerante che devono trarre calore dall evaporatore e fornirlo al compressore sono minori e quindi con le superfici di scambio messe a disposizione le differenze di temperatura si riducono e il ciclo diventa più favorevole. La partenza della macchina può essere molto dolce senza sbalzi di tensione perché viene attuata alla minima velocità di rotazione e poi il compressore viene accelerato dall inverter alla velocità di rotazione richiesta. Gli svantaggi dell inverter sono da un lato il maggiore costo e dall altro un assorbimento di potenza dovuto alle trasformazioni sulla corrente elettrica che riduce il rendimento di qualche punto percentuale al carico nominale della macchina.
Compressori con iniezione di liquido o vapore Iniezione di liquido o di vapore di refrigerante a ridotta temperatura nella fase intermedia di compressione. Questa iniezione consente tramite la successiva evaporazione di refrigerante di attuare un raffreddamento intermedio che riduce in modo apprezzabile il lavoro di compressione, in particolare quando il compressore per valori di temperatura di evaporazione molto bassa deve operare con elevati rapporti di pressione. Al compressore arriva del vapore ad una pressione intermedia la cui temperatura è ridotta rispetto a quella del vapore compresso fino a quella pressione. Infatti dal condensatore il refrigerante ha subìto una prima laminazione con riduzione di temperatura da 1 a 2. Ne deriva una temperatura più ridotta per la successiva compressione fino al valore finale con un più limitato valore complessivo del lavoro di compressione.
Analisi dei componenti della PdC EVAPORATORE E CONDENSATORE Q = K x S x ΔT Se S aumenta, si incrementa la capacità di scambio dello scambiatore e a parità di portata diminuiscono le perdite di carico.
Analisi dei componenti della PdC ORGANO DI LAMINAZIONE Capillare
Analisi dei componenti della PdC ORGANO DI LAMINAZIONE Valvola Termostatica Valvola che può avere gradi diversi di apertura in funzione di un segnale di comando, fornito di solito dal grado di surriscaldamento all uscita dell evaporatore. Nella figura si vede appunto la valvola che può muoversi in direzione verticale verso l alto o il basso, lasciando passare una minore o una maggiore quantità di refrigerante a seconda della pressione del gas contenuto nel soffietto superiore, pressione determinata dalla temperatura all uscita dell evaporatore, dalla pressione di taratura di una molla di regolazione e dalla pressione di evaporazione. Qualora il grado di surriscaldamento tenda a crescere viene esercitata una maggiore pressione sul soffietto che fa scendere la valvola e consente l ingresso di una maggiore quantità di refrigerante. Questo fa scendere il grado di surriscaldamento. Qualora invece il grado di surriscaldamento scenda rispetto al valore prefissato, vi sarà una minore pressione sul soffietto e di conseguenza la valvola tenderà a chiudere. In questo modo una minore quantità di refrigerante passerà nell evaporatore e il grado di surriscaldamento risalirà.
Valvola Termostatica La posizione della valvola è comandata da un microprocessore con un motorino passo passo. Il deflusso di refrigerante viene regolato in funzione di una serie di parametri, il più importante dei quali potrebbe essere il grado di surriscaldamento che in questo caso si può fissare a valori molto ridotti.
Il refrigerante: le sue caratteristiche q buone proprietà termodinamiche q elevata potenza refrigerante volumetrica (piccolo compressore) q livello di pressione appropriato per il campo di utilizzo (temperatura critica sufficientemente alta e temperatura di indurimento sufficientemente bassa) q basse perdite di carico durante la circolazione q chimicamente e termicamente stabile q non velenoso q non infiammabile q buon miscelamento con lubrificanti q nessun potenziale di distruzione dell ozono e nessun o debole potenziale sull effetto serra q economico
Principio di funzionamento
Il procedimento principalmente utilizzato oggi nella tecnica delle pompe di calore é il ciclo di compressione del vapore saturo. Un refrigerante evapora in questo caso nella parte fredda del ciclo, assorbendo una quantità di calore d evaporazione più grande possibile. Dopo la compressione in un compressore, mediante la cessione di calore di condensazione nella parte calda del ciclo, il fluido ritorna nuovamente allo stato liquido. In una valvola d espansione infine il fluido viene portato di nuovo alla pressione d evaporazione. In tutti gli impianti che lavorano secondo questo principio si sfrutta la dipendenza dalla pressione delle temperature di evaporazione e condensazione.
Caso Ideale Analisi Termodinamica Prelievo a 0 C dalla sorgente fredda Produzione a 40 C
Recupero totale e desurriscaldatore Un ottima soluzione per poter produrre ACS a costo limitato (o zero) Conviene sempre?
LE POMPE DI CALORE A GAS Soluzione ricca Qc Qg Qa Qc + Qa G.U.E= Qg Gas Utilization Efficiency Soluzione povera Assorbitore: il fluido frigorigeno viene assorbito dal fluido assorbente, rendendolo nuovamente liquido. Generatore: la soluzione liquida dei fluidi frigorigeno ed assorbente (acqua e ammoniaca) viene riscaldata nel generatore per mezzo di un bruciatore a gas, separando il fluido refrigerante (ammoniaca), che evapora aumentando di temperatura e di pressione. Qe
LE POMPE DI CALORE: ELETTRICHE O A GAS? Ogni tecnologia trova il suo campo di applicazione Le pompe di calore a GAS hanno una bassissima efficienza nella produzione di freddo. Non idonee quando l impianto è sbilanciato verso la climatizzazione estiva Le pompe di calore a GAS hanno una buona efficienza quando si deve produrre acqua ad alta temperatura (ma allora installo una caldaia!) Il vantaggio nell utilizzo delle pompe di calore a gas è tanto maggiore quanto più basso è il rendimento di produzione nazionale dell energia elettrica
LE POMPE DI CALORE: ELETTRICHE O A GAS? A parità di potenza condensatore (utenza) nel caso di utilizzo delle pompe di calore a gas la potenza all evaporatore può essere fino al 30% minore rispetto a quella che si avrebbe utilizzando una PdC elettrica Si perdono tutti i benefici i termini di sicurezza e costi gestionali
Gli impianti di distribuzione Un sistema geotermico fornisce prestazioni elevate se accoppiato ad un sistema di distribuzione interno funzionante a bassa temperatura. Pannelli radianti Fan coil Travi fredde
Pannelli radianti
Q = 8,92 (Tp Ta) 1,1
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Travi fredde