La filiera energetica

La filiera energetica Michele De Carli Dipartimento di Fisica Tecnica, Università di Padova LEDA S.r.l. Colle Umberto (TV) e-mail: michele.decarli@unipd.it

MACCHINE PRESENTI SUL MERCATO

Il mercato delle pompe di calore (Fonte: Lund 2005, EurObserv'ER 2006) 3

CLASSIFICAZIONE DELLE PDC Impiego stagionale: solo riscaldamento invernale (con eventuale produzione di acqua calda sanitaria con la stessa macchina, impiegando un desurriscaldatore posto a valle del compressore, applicazione diffusa specie in piccoli impianti); riscaldamento e raffrescamento: macchina reversibile operante con inversione lato fluido refrigerante o lato idronico. Una seconda classificazione può essere per taglia di impianto: si distinguono allora: piccoli impianti (fino a 30 kw); grandi impianti (oltre 30 kw). 4

Geotermia di superficie Funzionamento invernale Funzionamento estivo 5

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Temperature [ C] TEMPERATURE DI ESERCIZIO IN UN SISTEMA DI RISCALDAMENTO Working temperatures for heating purposes 1400 1200 production temperature for heating heat exchange temperature room temperature 1000 800 600 400 200 0 combustion usual system + heat pump radiant heating + heat pump 10

Caldaia a condensazione con rendimento termico η t = 1 1,86 kg CO 2 9,45 kwh t 9,45 1 Stm 3 di gas kwh t 11

Pareggio: COP = 9,45/4,35 COP=2,2 9,45 kwh t 1 Stm 3 di gas 1,86 kg CO 2 9,45 kwh t 4,35 kwhe Produzione Distribuzione 12

MIX ENERGETICO NAZIONALE Per produrre 1 kwh di energia termica si sviluppano: 0,339 kg CO2 se si brucia carbone 0,285 kg CO2 se si brucia olio combustibile 0,173 kg CO2 se si brucia gas naturale Per 1 kwh e di energia elettrico utilizzato: 1,12 kg CO2 se si brucia carbone 0,94 kg CO2 se si brucia olio combustibile 0,57 kg CO2 se si brucia gas naturale 0,00 se idroelettrico o nucleare 13

kg(co 2 )/kwhe Austria 0,22 Francia 0,09 Germania 0,61 Italia 0,52 Norvegia 0,00 Svezia 0,04 U.K. 0,64 0,44 kg(co 2 )/kwhe EuropaOvest 0,47 kg(co 2 )/kwh e Medio oriente 0,66 USA 0,65 Canada 0,24 Australia 0,82 Giappone 0,47 Cina 0,88 In Italia, in termini di emissione di CO 2, una caldaia a condensazione = una PDC elettrica quando COPh 2,7 2,3 14

COP Influenza delle temperature della sorgente fredda e del serbatoio caldo sulle prestazioni di una PDC COP medio attualmente ottenibile in pratica 12 9 unità di grande potenza 6 3 piccole unità domestiche 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 T serbatoio caldo - T sorgente fredda 15

COP COP COP per macchine in solo riscaldamento 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 A C D 1.5 1.0 0.5 0.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 potenza [kw] Prestazioni di macchine reversibili 7 6 5 4 3 2 A B C E F 1 16 0-60 -40-20 0 20 40 60 Potenza [kw]

COP COP delle pompe di calore in riscaldamento ANDAMENTO COP NOMINALI IN RISCALDAMENTO IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA IN INGRESSO ALL'EVAPORATORE 4 8 12 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 10 15 20 25 30 35 40 45 Temperatura di ingresso al condensatore 17

COP COP delle pompe di calore in raffrescamento ANDAMENTO COP NOMINALI IN RAFFRESCAMENTO N FUNZIONE DELLA TEMPERATURA IN INGRESSO ALL'EVAPORATORE 9 15 21 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 10 15 20 25 30 35 40 45 Temperatura di ingresso al condensatore 18

kwhep/(mq anno) Consumi tipici di energia primaria in edifici con soluzioni tradizionali 400 riscaldamento ACS elettricità cottura cibi 350 300 F=1.2 F=1.5 250 200 F=1.9 F=2.4 150 100 50 0 Stock edilizio Impianto ottimizzato Legge 10 Low energy Passiva 19

W/persona (energia primaria) Quanto consumano effettivamente gli edifici residenziali in Italia? Consumi tipici di energia primaria in edifici con soluzioni tradizionali 1000 riscaldamento ACS elettricità cottura cibi 900 800 700 F=1.2 F=1.5 600 500 400 F=2.0 F=2.6 300 200 100 0 Stock edilizio Impianto ottimizzato Legge 10 Low energy Passiva

W/persona Suddivisione attuale dell'energia primaria in soluzioni tradizionali 1000 900 800 fossile F=1.2 non fossile 700 F=1.5 600 F=2.0 500 F=2.6 400 300 200 F=1.3 F=1.6 F=2.2 100 F=3.0 0 Stock edilizio Impianto ottimizzato Legge 10 Bassa energia Passiva 21

Energia primaria [W/persona] Fattore di riduzione (totale) Tecnologia tradizionale 1000 900 10 Fattore di riduzione (fossile) 5 3 2 50% fossile 20% fossile oggi 1 1 800 700 A Impianti ottimizzati B Legge 10 600 500 C Bassa energia 2 400 300 200 100 D Casa passiva 100% fossile 3 5 10 0 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 22

Ipotesi di lavoro Per l acqua calda sanitaria si è ipotizzato per tutte le ipotesi impiantistiche l utilizzo di collettori solari che consentano il 50% di frazione solare annuale 1. caldaia a biomassa (rendimento medio 85%) 2. PDC ad assorbimento (COP medio 1,2) 3. PDC (COP medio stagionale 4) 23

Scenari, in funzione dell'energia elettrica da fonti rinnovabili. Il risultato può essere visto come applicazione di collettori fotovoltaici, oppure come mix energetico elettrico nazionale; in quest'ultimo caso si tenga presente che 50% di produzione di energia elettrica da fonti non fossili: aumento del 20% di produzione di energia elettrica con fonti rinnovabili rispetto al valore attuale; 70% di produzione di energia elettrica da fonti non fossili : attuali standard dell'austria; 90% di produzione di energia elettrica da fonti non fossili: attuali standard della Francia. 24

Energia primaria [W/persona] Fattore di riduzione (totale) Energia primaria [W/persona] Fattore di riduzione (totale) Combinazione involucro - edificio Tecnologie innovative Ipotesi con elettricità al 50% non fossile 10 Fattore di riduzione (fossile) 5 3 2 1 10 Fattore di riduzione (fossile) 5 3 2 1 1000 900 20% fossile 50% fossile oggi 1 1000 900 20% fossile 50% fossile oggi 1 800 800 700 B Biomassa 700 B Biomassa 600 500 C B B PDC assorbimento 2 600 500 C B B PDC assorbimento 2 400 300 200 C D C D D Geotermia 100% fossile 3 5 400 300 200 D C C D D Geotermia 100% fossile 3 5 100 10 100 10 0 0 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 25

Energia primaria [W/persona] Fattore di riduzione (totale) Energia primaria [W/persona] Fattore di riduzione (totale) Ipotesi con elettricità al 70% non fossile Ipotesi con elettricità al 70% non fossile 1000 900 10 Fattore di riduzione (fossile) 5 3 2 50% fossile 20% fossile 1 oggi 1 1000 900 10 Fattore di riduzione (fossile) 5 3 2 50% fossile 20% fossile 1 oggi 1 800 800 700 Biomassa B 700 Biomassa B 600 500 400 300 200 D C B C D D C Geotermia B PDC assorbimento 100% fossile 2 3 5 600 500 B C C 400 C D 300 D D Geotermia 200 B PDC assorbimento 100% fossile 2 3 5 100 10 100 10 0 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 0 0 200 400 600 800 1000 Energia primaria fossile [W/persona] 26

TERMINALI DI IMPIANTO IDONEI

TEMPERATURE USUALI NEL RISCALDAMENTO DEGLI EDIFICI Riscaldamento 28

E NEL CASO DI RAFFRESCAMENTO? Bassa qualità Temperatura ambiente Fluido a 20 C Fluido a 15 C Fluido a 10 C Fluido a 5 C Fluido a 0 C Fluido a -5 C Alta qualità 29

I TERMINALI DI IMPIANTO Impianti radianti Ventilconvettori Travi attive 30

I ventilconvettori a soffitto a pavimento 31 ad incasso

Dimensionamento: Inverno: mandata a 50 C Estate: mandata a 7 C Il dimensionamento si riferisce ad una velocità media di passaggio della batteria che comporta una portata pari a 5 Vol./h Questi valori si riferiscono alla possibilità di dover mandare velocemente in temperatura l ambiente. Normalmente le potenze sono minori. 32

La velocità influisce sulla silenziosità. Uffici: velocità media Camere di albergo: velocità minima Se c e aria primaria si può lavorare con acqua 10-15 C 11-16 C Se non c e aria primaria si lavora con acqua 7-12 C Il ventilconvettore lavora anche sul latente. Il carico sensibile influenza il carico latente. 33

Travi attive ARIA PRIMARIA Ugelli per generare induzione e richiamare aria ambiente attraverso la batteria di scambio termico 34

Ugelli intercambiabili Alette con passo 4 mm 35

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Installazione a soffitto, con o senza il controsoffitto Travi aperte Travi chiuse 37

Aria primaria (l/s,m) 18 O C Alta percentuale di induzione Aria indotta (l/s,m) 24 O C aria miscelata (l/s,m) 20 O C Potenza Batteria Aria primaria Aria indotta Aria miscelata 250 W/m 15 l/s,m 30 l/s,m 45 l/s,m 350 W/m 15 l/s,m 45 l/s,m 60 l/s,m 500 W/m 15 l/s,m 60 l/s,m 75 l/s,m 700 W/m 15 l/s,m 90 l/s,m 105 l/s,m 38

39 Travi fredde attive ad induzione di tipo aperto

Accorgimenti progettuali L aria di mandata deve essere completamente deumidificata dall unità di trattamento La temperatura dell acqua di mandata (15 16 C) deve essere costante e maggiore della temperatura di rugiada dell aria ambiente (per es. se aria a 25 C e 50% U.R. t rugiada = 14 C) Sensore di condensa su tubazioni AR Sensore per le finestre se sono apribili Più alta temperatura dell acqua di mandata (negli spazi dove l aria non è deumidificata) 40

41 Impianti radianti

Temperature e flussi termici in casi tipici invernali un ambiente poco isolato 42

l ambiente con finestra di medie dimensioni FINESTRA: K = 3 W/(m 2 K); PARETE: K = 0,56 W/(m 2 K); T est = -5 C senza ricambi d aria o aria neutra pannello a pavimento pannello a soffitto 43 con ricambio d aria di 0,5 Vol./h

Esempio di simulazione con HEAT 2 Passo 10 cm e temperatura sottostante di 20 C legno naturale parquet 44 ceramica

LA NORMATIVA SUI PANNELLI RADIANTI EN 1264-99 parte 1 a Riscaldamento a pavimento. Impianti e componenti. Definizioni e simboli. EN 1264-99 parte 2 a Riscaldamento a pavimento. Impianti e componenti. Determinazione della potenza termica. EN 1264-99 parte 3 a Riscaldamento a pavimento. Impianti e componenti. Dimensionamento. EN 1264-99 parte 4 a Riscaldamento a pavimento. Impianti e componenti. Installazione. EN 1264 parte 5 a Raffrescamento per pavimento radiante. Riscaldamento e raffrescamento per pareti e soffitti radianti. EN 15377 Metodologie semplificate per impianti radianti con legno. Metodologie dettagliate (FEM, FDM). Attivazione termica della massa 45

INDUSTRIAL SYSTEM Pipes distance 20 cm with and without insulation 46

PARTE 4: INSTALLAZIONE RESISTENZE TERMICHE MINIME SOTTOSTANTI: Per resistenze minime si intendono solo quelle dell isolante senza considerare il solaio sottostante Ambiente sottostante Resistenza dell isolante m 2 K/W Riscaldato 0.75 Non riscaldato o riscaldato in modo non continuativo o direttamente sul suolo* 1.25 Temperatura esterna di progetto ta>0 C 1.25 Temperatura esterna di progetto -5 C <ta<0 C 1.50 Temperatura esterna di progetto -15 C <ta<-5c 2.00 47 Con livello di acque freatiche < 5 m, il valore dovrebbe essere aumentato

Spessore richiesto in mm Resistenza dell isolante m 2 K/W l 0.025 W/(m K) l 0.036 W/(m K) l 0.041 W/(m K) 0.75 19 27 31 1.25 31 45 51 1.50 38 54 62 2.00 50 72 82 poliuretano polistirene Isolante naturale 48

E per il bugnato? Occorre considerare lo spessore minimo 49

Parete radiante senza isolante direttamente poggiata su laterizio U = 0.5 W/(m2 K) Diametro estero 10 mm 8 cm di passo intonacato Perdite 50% 50

SISTEMI RADIANTI AD ELEVATA INERZIA TERMICA I sistemi ad elevata inerzia termica consentono il peakshaving con conseguente riduzione della potenza della pompa di calore e soprattutto riduzione del campo geotermico 51

Principio di funzionamento del sistema TABS (Thermo-Active Building System) Overall heat gain TABS Primary air Peak load reduction 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 52

TEMPERATURE [ C] PREDICTED MEAN VOTE Parametri dell edificio durante una tipica giornata estiva EXAMPLE OF INTERNAL CONDITIONS WITH THERMAL SLAB 30 1 29 28 27 PMV 0.5 26 T floor T mr T air 25 0 24 23 22 T ceiling -0.5 21 T water return 20-1 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 0.00 53 M. De Carli - Progettazione e gestione di impianti geotermici a pompa di calore

Vantaggi Basse differenze di temperatura tra fluido vettore ed ambiente Limitazione della potenza impegnata Possibilità di lavorare con una macchina su due livelli di temperatura (COP elevati in regime notturno) Nel caso di geotermia riduzione del campo sonde Funzionamento notturno: tariffe elettriche minori Aspetti critici Ottimizzazione dell involucro (max. heat gain circa 55-60 W/mq) Pesantezza delle strutture Necessità di simulare il sistema con codici dedicati in modo iterativo per ottimizzare il dimensionamento del chiller 54 Michele De Carli, Markus Koschenz, Bjarne W. Olesen, Massimiliano Scarpa

Confronto tra diversi sistemi Tipo di impianto Caldaia a condensazione e gruppo split. Caldaia a condensazione, gruppo split e collettori solari per ACS. Caldaia a condensazione, gruppo split e collettori solari per ACS e per l integrazione al riscaldamento. Pompa di calore geotermica con collettori solari per ACS. Costi installazione - macchinari Costi di gestione 12.000,00 1.259,00 Pay- back time (anni) Ricavo annuo dopo il pay-back time VAN (20 anni) 15.795,00 1.113,00 26 146,00-1.895,84 20.500,00 763,00 17,1 496,00-2.048,06 19.345,00 566,00 10,6 693,00 1.669,50 Pompa di calore geotermica. 15.550,00 650,00 5,8 609,00 4.371,83 Pompa di calore geotermica con fotovoltaico. 38.300,00 0,00 9,7 2.701,00 8.834,44 55

Emissioni [kg CO 2 ] 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Tradizionale Tradizionale + solare termico - 8% Tradizionale + solare termico abbondante Geotermia - 21% - 32% Geotermia + solare termico - 36% Tradizionale + solare termico + fotovoltaico - 44% Geotermia + solare termico + fotovoltaico - 71% 56