TECNOLOGIE INNOVATIVE PER L EFFICIENZA ENERGETICA il solare termico nel condizionamento edifici PROBLEMATICHE TECNICHE ED ECONOMICHE DEGLI IMPIANTI ALIMENTATI CON ENERGIE RINNOVABILI: ALCUNE CASISTICHE GIORGIO BO Prodim - EP&S Delegato territoriale AiCARR Piemonte e Valle d Aosta Mercoledì 10 dicembre 2014 Environment Park Centro congressi Via Livorno, 60 TORINO
IL D.LGS 3 MARZO 2011, N 28 Obiettivi del PAN al 2010 nei tre macrosettori applicativi delle fonti rinnovabili, Mtep finali 10% 36% Riscaldamento e raffreddamento Elettricità 54% Trasporti 5% Obiettivi del PAN al 2020 nei tre macro-settori applicativi delle fonti rinnovabili, Mtep finali 11% Riscaldamento e raffreddamento 46% Elettricità Trasporti 38% Trasferimento atteso di FER da altri Stati membri e paesi terzi
ART. 11 D. LGS. 3 MARZO 2011, N.28 Obbligo di integrazione delle fonn rinnovabili negli edifici di nuova costruzione e negli edifici esistenn sopoposn a ristrupurazioni rilevann. Allegato 3 due condizioni Gli impiann termici devono garannre la contemporanea copertura, tramite fonte rinnovabile del: 1) 50 % acqua calda sanitaria 2) 20% à 31/05/2012 35% à 01/01/2014 50% à 01/01/ 2017 Somma dei consumi previsn per ACS, riscaldamento, raffrescamento
L APPLICAZIONE DEL DECRETO Abbiamo cercato di valutare: ü Quali sono le soluzioni impiannsnche di norma unlizzabili (soluzioni semplici, di basso costo per un possibile largo impiego) ü Quali sono metodi di calcolo applicabili ü Quali sono gli ordini di grandezza ( regole del pollice ) dei parametri in gioco con cui dobbiamo incominciare a prendere confidenza Due esempi applicanvi in solo regime di riscaldamento: 1. Casa unifamiliare (170 m 2 ) 2. Condominio da 29 appartamenn (2.600 m 2 )
LE FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI ü Art. 1 comma 3 Legge 10/91 Definizione superata per quanto riguarda le fonn assimilate alle rinnovabili (cogenerazione, calore recuperato, risparmi di energia conseguibili con intervenn sull involucro edilizio e sugli impiann ü Art. 2 D.Lgs n 387/2003 e art. 2 D.Lgs n 28/2011 «energia da fonn rinnovabili»: energia proveniente da fonn rinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuan dai processi di depurazione e biogas;
LE FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI RES TECNOLOGIA ENERGIA PRODOTTA SOLARE PANNELLI FOTOVOLTAICI ENERGIA ELETTRICA PANNELLI SOLARI TERMICI ENERGIA TERMICA EOLICA AEROGENERATORI A TURBINA ENERGIA ELETTRICA IDRAULICA CENTRALI IDROELETTRICHE ENERGIA ELETTRICA GEOTERMIA ALTA ENTALPIA CENTRALI GEOTERMOELETTRICHE (per es. Lardarello) ENERGIA ELETTRICA OCEANICA SISTEMI PER LO SFRUTTAMENTO DELLE ONDE, DELLE CORRENTI E DELLE MAREE ENERGIA ELETTRICA BIOMASSA GENERATORI DI CALORE ENERGIA TERMICA AEROTERMICA POMPE DI CALORE aria/acqua ENERGIA TERMICA IDROTERMICA GEOTERMICA POMPE DI CALORE acqua/acqua POMPE DI CALORE acqua/acqua ENERGIA TERMICA ENERGIA TERMICA
7 LE TECNOLOGIE DI PIÙ FACILE UTILIZZO PANNELLI SOLARI TERMICI POMPE DI CALORE ARIA- ACQUA CALDAIE A CIPPATO O PELLETS
PROCEDURA DI CALCOLO PER SOLARE TERMICO Fabbisogni energexci mensili per riscaldamento e ACS UNI TS 11300 ParX 1 e 2 Calcolo irradianza solare UNI TR 11328-1 e UNI 10349 Algoritmo di calcolo Metodo F- Chart UNI TS 11300 Parte 4 Energia rinnovabile prodo`a
PROCEDURA DI CALCOLO PER POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA Fabbisogni energexci mensili per riscaldamento e ACS UNI TS 11300 ParX 1 e 2 Determinazione profilo giornaliero (giorno medio del mese) temperatura dell aria esterna e profilo di carico ACS (Appendice G UNI TS 11300 4) Andamento COP in funzione temperatura esterna (N.B.PROBLEMA ACQUISIZIONE DEI DATI) Energia rinnovabile prodo`a Energia annualmente prodo`a e assorbita dalla pompa di calore Calcolo SPF SPF > 2,875
POMPE DI CALORE - PROFILI GIORNALIERI APPENDICE G UNI TS 11300-4 Potenza [kw] 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Potenze villa unifamiliare Milano mese di gennaio 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Ore [h] Potenza per riscaldamento Potenza per produzione ACS Potenza totale Temperatura [ C] 5 4 3 2 1 0-1 Temperature esterne Milano mese di gennaio 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Temperature esterne Ore [h]
POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA Energia rinnovabile E RES E SPF RES = E = E E c c,anno s,anno (1 1 ) SPF 1,15 > η = 2,875 E RES = E c,anno E s,anno NON SI CONSIDERA LA TRASFORMAZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA IN ENERGIA PRIMARIA
CALDAIE A PELLETS CARICAMENTO AUTOMATICO ü 100 % energia rinnovabile ü Rendimento termico = 90%
CALDAIE A PELLETS CARICAMENTO AUTOMATICO
CASI STUDIO Villa unifamiliare S=170 m 2 Fabbisogni energetici [kwh/a] Milano Roma Palermo kwh/a % kwh/a % kwh/a % Riscaldamento 11.285 73% 4.290 51% 1.425 26% ACS 4.070 27% 4.070 49% 4.070 74% Totale 15.355 100% 8.360 100% 5.495 100% Condominio 29 appartamenx da 90 m 2 Fabbisogni energetici [kwh/a] Milano Roma Palermo kwh/a % kwh/a % kwh/a % Riscaldamento 125.462 64% 50.577 42% 16.755 19% ACS Totale 70.563 36% 70.563 58% 70.563 81% 196.025 100% 121.140 100% 87.318 100%
CRITERI UTILIZZATI PER LE VALUTAZIONI ECONOMICHE ü CosN degli impiann valutan in prima approssimazione con snme di Npo budgepario ü Parametri di calcolo unlizzan per le analisi economiche: Soluzione base di riferimento: caldaia a condensazione Rendimento termico caldaia a condensazione = 1 Potere calorifico inferiore gas metano = 9,6 kwh/sm 3 Costo gas metano = 0,79 /Sm 3 Costo energia eleprica = 0,18 /kwh Rendimento caldaia a pellets = 0,9 Potere calorifico pellets = 4,9 kwh/kg Costo pellets = 0,25 /kg
VILLA UNIFAMILIARE S u = 170 m 2
COLLETTORI SOLARI PIANI MILANO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superficie colle`ori solari piani [mq] Percentuale superficie colle`ori solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budge`ario [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/ m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 3,2 6,7 20 54 1,8 3,8 11,4 30,7 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale 5.000,0 9.000,0 20.000,0 54.000,0 27 52 115 306 28 36 45 84
COLLETTORI SOLARI PIANI ROMA 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colle`ori solari piani [mq] Percentuale superficie colle`ori solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budge`ario [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 2 2 3,6 8,1 1,1 1,1 2,0 4,6 50% ACS 30% Totale 35% Totale 50% Totale 3.000,0 3.000,0 5.500,0 11.000,0 17 17 30 61 18 18 22 31
COLLETTORI SOLARI PIANI PALERMO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colle`ori solari piani [mq] Percentuale superficie colle`ori solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budge`ario [euro] 1,8 1,8 1,8 3,2 1,0 1,0 1,0 1,8 50% ACS 37% Totale 37% Totale 50% Totale 2.700,0 2.700,0 2.700,0 5.000,0 Incremento di costo/m 2 [euro/m 2 ] 15 15 15 27 Tempo di ritorno semplice [anni] 16 16 16 21
COLLETTORI SOLARI PIANI Area collettori [m2] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Copertura 50% ACS MILANO ROMA PALERMO Varia solo l insolazione Milano 40 1430 kwh/m 2 Roma 40 1780 kwh/m 2 Palermo 40 1950 kwh/m 2 Area collettori [m 2 ] 60 50 40 30 20 10 Copertura 50% ACS e 50% totale Varia l insolazione e il fabbisogno energenco 0 MILANO ROMA PALERMO
COLLETTORI SOLARI PIANI Tempo di ritorno semplice dell' investimento Villetta unifamiliare 90 80 84 70 60 Anni 50 40 30 28 36 45 31 MILANO ROMA PALERMO 20 22 18 16 18 16 16 21 10-50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA A MEDIA E AD ALTA TEMPERATURA Le pompe di calore devono essere idonee per produzione ACS, così depe pompe di calore a media (55 ) e ad alta temperatura (60 65 C) Impiego di pompe di calore in grado di consennre il funzionamento con doppio set point di regolazione (per es. riscaldamento 40 C, produzione ACS 60 C) ü Pompe di calore mulnfunzione con doppi scambiatori di calore uno per riscaldamento e uno per produzione ACS ü Pompe di calore con produzione ACS in priorità mediate valvola deviatrice a tre vie (soluzione meno correpa se la pompa di calore a inversione di ciclo viene unlizzata in estate come gruppo frigorifero )
POMPE DI CALORE ARIA/ACQUA DOPPIO SCAMBIATORE Scambiatore ACS Scambiatore climaxzzazione
POMPA DI CALORE ARIA/ACQUA: VALVOLA A TRE VIE Valvola a tre vie
COP POMPE DI CALORE Esempio variazione COP (compressore scroll - R407C - con iniezione di vapore) 6 5 y = 0,0701x + 3,7924 4 COP 3 2 y = 0,0423x + 2,7202 COP condensazione 60 C 1 0-15 -10-5 0 5 10 15 20 Temperatura esterna [ C] COP condensazione 40 C
POMPA DI CALORE - 100% DEL CARICO LOCALITA' Temperatura condensazione unica = 60 C Temperatura condensazione produzione ACS = 60 C riscaldamento = 40 C SPF verifica REP %RES SPF verifica REP %RES MILANO 2,7 NEGATIVA 1,1% 0,00% 3,58 POSITIVA 1,43 72,07% ROMA 3,15 POSITIVA 1,3% 68,24% 3,54 POSITIVA 1,42 71,77% PALERMO 3,19 POSITIVA 1,3% 68,66% 3,19 POSITIVA 1,28 68,66% LOCALITA' Potenza nominale pompa di calore [kw] Incremento di costo budge`ario [euro] Tempo di ritorno semplice [anni] MILANO 30 12.000 24 ROMA 20 10.000 38 PALERMO 20 10.000 64
VILLA UNIFAMILIARE: CONFRONTO NEL CASO COPERTURA MINIMA FABBISOGNI 50% (ANNO 2017) LOCALITA' CALDAIA A CONDENSAZIONE costo costo C.T. C.T./m [ ] 2 [ /m 2 ] COLLETTORI SOLARI costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] P.B.P [anni] POMPA DI CALORE ( Potenza 100%) (1) costo costo C.T. C.T./m 2 P.B.P [ ] [ /m 2 [anni] ] CALDAIA A PELLETS (Potenza 100%) costo C.T./m 2 [ /m 2 ] costo C.T. [ ] P.B.P [anni] MILANO ROMA PALERMO 5.000 28 59.000 335 84 17.000 97 24 23.000 131 43 5.000 28 16.000 91 31 15.000 85 38 20.000 114 65 5.000 28 10.000 57 21 15.000 85 64 20.000 114 85 (1) Naturalmente l extracosto e gli anni al punto di pareggio si azzerano se la pompa di calore viene unlizzata in estate come gruppo frigorifero
CONDOMINIO S u = 2.600 m 2
COLLETTORI SOLARI PIANI MILANO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colle`ori solari piani [mq] Percentuale superficie colle`ori solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budge`ario [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/ m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 46 62 178 440 1,8 2,4 6,8 16,8 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale 46.000,0 62.000,0 178.000,0 440.000,0 17,8 23,6 68,1 169,8 16 19 32 54
COLLETTORI SOLARI PIANI ROMA 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colle`ori solari piani [mq] Percentuale superficie colle`ori solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budge`ario [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/ m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 34 34 43 86 1,3 1,3 1,6 3,3 50% ACS 29% Totale 35% Totale 50% Totale 34.000,0 34.000,0 43.000,0 86.000,0 13,2 13,2 16,4 32,8 12 12 12 17
COLLETTORI SOLARI PIANI PALERMO 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale Superificie colle`ori solari piani [mq] Percentuale superficie colle`ori solari - superficie dell' edificio [%] Copertura del fabbisogno energexco [5] Incremento di costo budge`ario [euro] Incremento di costo/m 2 [euro/m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 31 31 31 40 1,2 1,2 1,2 1,5 50% ACS 45% Totale 45% Totale 50% Totale 30.800,0 30.800,0 30.800,0 40.000,0 11,8 11,8 11,8 15,2 9 9 9 11
COLLETTORI SOLARI PIANI Copertura 50% ACS Area collettori [m2] 50 40 30 20 10 0 MILANO ROMA PALERMO Varia solo l insolazione Milano 40 1430 kwh/m 2 Roma 40 1780 kwh/m 2 Palermo 40 1950 kwh/m 2 Copertura 50% ACS e 50% totale Area collettori [m 2 ] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 MILANO ROMA PALERMO Varia l insolazione e il fabbisogno energenco
COLLETTORI SOLARI PIANI 60 Tempo di ritorno semplice dell' investimento Condominio 50 54 40 Anni 30 32 MILANO ROMA 20 10 19 16 12 12 12 9 9 9 17 11 PALERMO - 50% ACS 20% Totale 35% Totale 50% Totale
POMPA DI CALORE Potenza nominale [kw] (t e = 7 C ; t AC = 40/45 C) MILANO 20% Totale 35% Totale 50% Totale 10 15 30 % RES 24,9 35,3 53,3 Incremento costo budge`ario [ ] 12.000 14.000 17.000 Incremento costo/m 2 [ /m 2 ] 4,6 5,4 6,5 Tempo di ritorno semplice [anni] 5,2 3,9 3,1
POMPA DI CALORE Potenza nominale [kw] (t e = 7 C ; t AC = 40/45 C) ROMA 20% Totale 35% Totale 50% Totale 10 10 15 % RES 36,8 36,8 50,2 Incremento costo budge`ario [ ] Incremento costo/m 2 [ / m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 12.000 12.000 14.000 4,6 4,6 5,4 5,8 5,8 4,4
POMPA DI CALORE Potenza nominale [kw] (t e = 7 C ; t AC = 40/45 C) PALERMO 20% Totale 35% Totale 50% Totale 10 10 16 % RES 44,9 44,9 58,3 Incremento costo budge`ario [ ] Incremento costo/m 2 [ /m 2 ] Tempo di ritorno semplice [anni] 12.000 12.000 14.000 4,6 4,6 5,4 6,7 6,7 5,2
CONDOMINIO - COPERTURA MINIMA FABBISOGNI 50% (ANNO 2017) CALDAIA A CONDENSAZIONE COLLETTORI SOLARI POMPA DI CALORE CALDAIA A PELLETS (100% FABBISOGNI) LOCALITA' costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] P.B.P [anni] costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] P.B.P [anni] costo C.T. [ ] costo C.T./m 2 [ /m 2 ] P.B.P [anni] MILANO 28.000 11 468.000 179 54 29.700 11 3 90.000 34 12 ROMA 25.000 10 111.000 42 17 39.000 15 4 84.000 32 19 PALERMO 22.000 8 62.000 24 11 36.000 14 5 72.000 28 22
CONSIDERAZIONI FINALI Seppur la presente analisi sia stata per il momento limitata alle casisnche più semplici (solo riscaldamento di piccole unità abitanve si possono fare le seguenn considerazioni: ü L applicazione del decreto non potrà se non comportare rilevanx ripercussioni nel sepore delle costruzioni sia in termini tecnici, sia in termini economici. ü Le unità abitaxve più piccole sono maggiormente sfavorite dal punto di vista economico per problemi di taglia delle apparecchiature installabili ü Il solare termico specie nel lungo periodo può essere preso in considerazione solo nel centro e sud Italia dove l insolazione è maggiore e dove i fabbisogni energenci sono minori
CONSIDERAZIONI FINALI ü Le pompe di calore sono la soluzione più interessante, che diventa di gran lunga la soluzione base se è previsto anche il raffrescamento esnvo. ü Sono da approfondire e diffondere le conoscenze relanve all impiego dei sistemi a biomassa oggi poco note in quanto tali soluzioni impiannsnche sono poco diffuse. In parncolare sono da approfondire gli aspeq legan all inquinamento ambientale. ü Le problemanche relanve al rispepo del decreto diventano sicuramente molto più complesse nel caso di edifici dotan di impianto di condizionamento, per i quali quasi certamente si renderà necessario cercare di coprire tupa la quota RES in inverno, essendo molto più difficile e oneroso produrre RES in estate.
CONSIDERAZIONI FINALI ü Per determinan edifici molto energivori specie in regime esnvo (per es. centri commerciali, ospedali, palazzi uffici) la soluzione del problema potrebbe risultare molto molto difficile. Sarebbe pertanto interessante se si cominciassero a fare verifiche in tal senso prima che sia troppo tardi. ü Vi è infine certamente l esigenza di definire procedure di calcolo certe e uguali per tuq, in assenza delle quali i possibili diversi modelli di simulazione adopabili potrebbero portare a risultan anche fortemente disomogenei, il che è incompanbile in un ambito di rispepo legislanvo.