CORSO DI FORMAZIONE E AGGIORNAMENTO PROFESSIONALE … · a) pompa di calore con COP 4: per ottenere...

Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile

CORSO DI FORMAZIONE E AGGIORNAMENTO PROFESSIONALEPER ENERGY MANAGER(Legge n. 10/91 ‐ art. 19)

ePER ESPERTI IN GESTIONE DELL’ENERGIA(D.Lgs 30 Maggio 2008 ‐ n° 115, art. 16)

Settore CivileLiberi Professionisti – Pubbliche Amministrazioni

Giovedì 08 Marzo 2018ENEA: Via Martiri di Monte Sole,4 ‐ BOLOGNA

ing. Nicolandrea Calabresenicolandrea.calabrese@enea.it

PROGRAMMA DEI LAVORI Tipologie di macchine frigorifere a pompa di calore

Riscaldamento invernale con generatori a pompa di calore

La pompa di calore: una soluzione consolidata in continua evoluzione

L’influenza della temperatura delle sorgenti sulle prestazioni della PDC

Condizionamento estivo con PDC ad inversione di ciclo

Produzione di Acqua Calda Sanitaria con impianti a PDC

Dimensionamento di un impianto termico e selezione di una pompa di calore aria‐acqua

Dimensionamento dell'impianto idronico servito

TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORE:

• A COMPRESSIONE‐ Elettriche in cui il compressore è azionato damotore elettrico‐ A gas in cui il compressore è azionato da unmotore a gas

• AD ASSORBIMENTO‐ Le pompe di calore ad assorbimento, analogamente agli impianti

frigoriferi ad assorbimento, sfruttano la solubilità e l’elevata affinitàtra due sostanze, di cui una funziona da refrigerante e l’altra daassorbente, per realizzare un ciclo dove l’energia introdotta èprevalentemente termica. Il lavoro meccanico della pompa è infattipari a circa l’1% del calore introdotto nel generatore.

• AD ADSORBIMENTO‐ Il funzionamento di questi sistemi è basato sulla capacità di alcuni

solidi porosi (es. zeoliti, gel di silice, ecc.) di assorbire reversibilmentevapori non dannosi per l’ambiente (es. acqua).

• È una macchina che consente di trasferire energia termica‐ Da un corpo a bassa temperatura (sorgente fredda)‐ Ad un corpo a temperatura maggiore (sorgente calda)• Per effettuare questo trasferimento è necessario spendere, in alternativa:‐ energia meccanica (elettrica), che viene trasformata in calore

LA POMPA DI CALORE A COMPRESSIONE elettrica:

PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE

Fonte: http://www.atlantic‐comfort.it/

POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO INVERNALE

La trasmissione del calore da un sistema ad un altro può avvenire soltanto se esiste una differenza ditemperatura fra i due sistemi. La potenza termica scambiata Q è proporzionale alla differenza ditemperatura T ed all’area di scambio S:

PERCHE’ IL COP SI RIDUCE:

Nella pompa di calore si avràquindi che la sorgente freddadeve trovarsi a temperaturasuperiore a quelladell’evaporatore , perché possacedere calore ad esso e lasorgente calda deve trovarsi atemperatura inferiore a quelladel condensatore per riceverecalore. Si avrà quindi unmaggior lavoro del compressoreed una minore quantità dicalore sottratta alla sorgentefredda.

sorgente fredda

sorgente calda

Prestazioni energetiche degli edifici ‐ Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria

I FATTORI DI CONVERSIONE IN USO IN ITALIA

RACCOMANDAZIONE CTI 14 (febbraio 2013)Prestazioni energetiche degli edifici – Determinazione della prestazione energetica

per la classificazione dell’edificio

Si può tenere conto (o meno…come in questo caso) dei seguenti costi energetici aggiuntivi:• l'energia spesa per il trasporto dalla fonte al punto di consegna;• l'energia spesa per la costruzione delle infrastrutture di trasporto e delle apparecchiature.

RACCOMANDAZIONE CTI 14 (febbraio 2013)Prestazioni energetiche degli edifici – Determinazione della prestazione energetica

per la classificazione dell’edificio

UNI/TS 11300‐4:2012Prestazioni energetiche degli edifici ‐ Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di

generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria I FATTORI DI CONVERSIONE IN ENERGIA PRIMARIA

UNI/TS 11300‐4:2012Prestazioni energetiche degli edifici ‐ Parte 4: Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di

generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria

I FATTORI DI CONVERSIONE IN ENERGIA PRIMARIA

L’ultimo passo è necessario perchè, per valutare il consumo di fonti energetiche per fornire i servizi di climatizzazione dell’edificio, occorre tenere conto di ciò che succede dal punto di prelievo dell’energia alle fonti fino al punto di consegna all’impianto.

L’energia primaria è quella che viene fornita dalle “fonti”, cioè "energia che non ha (ancora) subito

alcun processo di trasformazione e conversione".

L’energia primaria si divide in due tipologie fondamentali dal significato evidente:

• l’energia primaria rinnovabile (radiazione solare, vento…);

• l’energia primaria non rinnovabile (combustibili fossili).

I fattori di conversione in energia primaria esprimono quindi il rapporto fra i kWh prelevati alla fonte ed i rispettivi kWh consegnati all'impianto.

Da: Andrea Calabrese [mailto:andrea.calabrese@enea.it] Inviato: martedì 12 febbraio 2013 15:25A: ‘XXXXXXXXXX'Oggetto: R: R: ENERGIA ED AMBIENTE

Gent.mo Dott. XXXXX,vediamo un nuovo caso: stufa a gas.Le allego la tabella dei fattori di conversione utilizzati per convertire i valori dei vari vettori energetici in ENERGIA PRIMARIA (Energia che non ha subito alcun processo di trasformazione).Nel caso di stufa a gas io ho un fattore di conversione in ENERGIA NON RINNOVABILE pari a 1.Significa dire che:a) pompa di calore con COP 4: per ottenere 4 kWh termici si ha un consumo di 1 kWh elettrico e quindi di 2,18 in termini di energia primaria non rinnovabile;b) stufa a gas (in allegato scheda tecnico con rendimento 92%): per ottenere 4 kWh termici si ha un consumo di 4,35 kWh di gas e quindi 4,34*1 = 4,35 in termini di energia primaria non rinnovabile.c) resistenza elettrica (COP 1): per ottenere 4 kWh termici si ha un consumo di 4 kWh elettrici e quindi di 4*2,18 = 8,72in termini di energia primaria non rinnovabile;

Il caso b) è migliore del caso c) ma sempre di gran lunga inferiore rispetto al caso a).

Saluti,

Ing. Andrea CalabreseENEA Casaccia ‐ Unità: UTTEI‐TERM

PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE

UNA SOLUZIONE CONSOLIDATA IN CONTINUA EVOLUZIONE

http://www.ntb.ch/ies/competences/heat‐pump‐test‐center‐wpz.html?L=1

CALCOLO QUOTA RINNOVABILE POMPA DI CALORE

UNI/TS 11300‐4:2012 “POMPE DI CALORE”

CALCOLO QUOTA RINNOVABILE POMPA DI CALORE

SORGENTI TERMICHE:

TerrenoAcqua

‐ Aria esterna;‐ Flusso di scarto (aria di

ventilazione).‐ Acque superficiali (laghi, mare,

corsi d’acqua);‐ Acque sotterranee.

SCHEMA IMPIANTO A POMPA DI CALORE GEOTERMICA

PARAMETRI TIPICI DI FUNZIONAMENTO DI UNA PDC R 410AModello TERRA SW HGL

IMPIANTI GEOTERMICI: scambiatori ad alta profondità

IMPIANTI GEOTERMICI: collettori geotermici orizzontali

FONTE: REHAU

IMPIANTI GEOTERMICI: scambiatori a bassa profondità

REHAU HELIX

FONTE: REHAU

IMPIANTI AD ANELLO D’ACQUA

COME FUNZIONA

L’acqua che scorre nel circuito idraulico a due tubi funge, a seconda delle esigenze,da fonte calda e/o fredda per le pompe di calore collegate all’anello la quale cedonoo sottraggono calore all’anello stesso.Da ciò nasce la necessità, per un buon funzionamento dell’impianto, di sistemicollegati allo stesso che mantengono l’acqua dell’anello entro un fissato “range” ditemperatura.Tale “range” è tra un valore minimo d’ingresso alle unità di 15 °C e massimo iningresso alle stesse di 29 °C per tutto l’anno: a tali condizioni le tubazioni d’anellonon necessitano coibentazione.L’impianto si completa con l’installazione di due pompe, una di riserva all’altra, perla circolazione dell’acqua e da un filtro dimensionato per la portata totaledell’anello.

IMPIANTI AD ANELLO D’ACQUACOME FUNZIONA

Unità di smaltimento ed apporto di calore all’anelloRispettivamente raffreddano o riscaldano l’acqua d’anello per mantenere latemperatura entro il “range” prefissato.L’anelloCollega per mezzo di due tubazioni in acciaio le pompe di calore fra loro.La temperatura dell’acqua d’anello deve essere mantenuta entro il “range”prefissato.Unità di pompaggioPermettono la circolazione dell’acqua d’anello.Accumulo d’acquaAl fine di garantire costanza di distribuzione e come accumulo energetico neiperiodi di non funzionamento delle pompe di calore.Le unitàSono i terminali del sistema che vanno a climatizzare ogni locale o zona, consentonoil controllo della temperatura ambiente indipendentemente dalla richiesta di caldoo freddo.

IMPIANTI AD ANELLO D’ACQUA

POMPE DI CALORE ARIA‐ACQUA

PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORECOP massimo teorico di una pompa di calore(macchina di Carnot a ciclo inverso):

Temperatura della sorgente fredda: 5 [⁰C ]= 268 [K].Temperatura della sorgente calda: 55 [⁰C ]= 328 [K].

PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALOREPrestazioni di una pompa di calore al variare delle temperature dicondensazione e di evaporazione

(generica sorgente fredda)

PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE AD ARIA

Curve di potenza termica, frigorifera ed assorbita, di COP invernale ed estivo e di fabbisogno in funzione della temperatura dell’aria esterna.

BALANCE POINT: punto di intersezione tra la curva di carico e la curva della potenza della macchina.

(Pompa di calore ad aria).

PUNTO BIVALENTE PER UNA POMPA DI CALORE ARIA‐ACQUALe pompe di calore aria‐acqua richiedono una configurazione particolarmente accurata. Se laPDC è configurata per un punto di temperatura troppo basso, l’apparecchio risultasovradimensionato per gran parte dell’anno con un consumo sproporzionato di elettricità.

PUNTO BIVALENTE PER UNA POMPA DI CALORE ARIA‐ACQUA

Fonte Clivet: ELFOEnergy Extended Inverter

Realizzazione impianto a PDC per riscaldamento invernale

Caldaia a gas

Pompa di calore elettrica del tipo aria ‐ acqua

Es. 1: Riscaldamento e produzione ACS con caldaia tradizionale a GPL (Sedificio=150 m2 – 2 servizi igienici)

Località: Anguillara Sabazia (ROMA)

Es. 1: Riscaldamento e produzione ACS con caldaia tradizionale a GPL (Sedificio=150 m2 – 2 servizi igienici)

Località: Anguillara Sabazia (ROMA)

Nota: il consumo di combustibilelegato al piano cottura è inclusonei consumi riportati. Ai finienergetici, il consumo dicombustibile è statoCOMPLETAMENTE imputato alsistema di riscaldamento degliambienti e di produzione ACS.

Riscaldamento e produzione ACS con caldaia tradizionale a GPL (Sedificio=150 m2 – 2 servizi igienici)

Nel 2012 sono stati consumati circa 600 [m3/anno] di GPL

Nota: il potere calorifico dei vettori energetici commerciali è molto variabile e dipende dall'origine delmateriale e dai trattamenti successivamente subiti, perciò i valori in tabella sono puramente indicativi

= 31,39 kWh/Sm3

• Si ha quindi un fabbisogno di energia primaria pari a: 600 [m3/anno] x 31,39 [kWh/Sm3]= 18.834 [kWh/anno]

• Il fabbisogno termico dell’edificio sarà pari a circa (ipotizzando ηmedio = 0,83): 15.650 [kWh/anno]

CALDAIE AD ALTO RENDIMENTOIn base alla Legge nr. 9 del 1991 e al collegato D.M. 15 Febbraio 1992, per essere classificata ad "altorendimento" una caldaia deve garantire un "rendimento a regime" almeno pari o superiore al 90%.Dette anche caldaie a temperatura scorrevole, sono progettate in modo da adeguare la temperatura diesercizio al variare del carico termico dell’impianto e, rispetto alle caldaie tradizionali, garantiscono unariduzione delle perdite passive per irraggiamento e di quelle al camino.

Da un punto di vista strettamente tecnico,risulta molto importante non solo il classico"rendimento a regime" (misurato allamassima potenza di funzionamento), maanche il "rendimento a potenza/caricoridotto": questo rendimento descrive ancormeglio la resa della caldaia nel ciclo reale diutilizzo, dato che la caldaia funziona almassimo della potenza solo nel regimeiniziale, quando i caloriferi sono freddi, e siregola automaticamente a potenza inferioreper il resto della giornata.

RENDIMENTO MEDIO ANNUALE CALDAIA

RISCALDAMENTO + ACS:ηmedio = 0,83

Es. 1: Riscaldamento e produzione ACS con caldaia tradizionale a GPL (Sedificio=150 m2 – 2 servizi igienici)Località: Anguillara Sabazia (ROMA)

NOTA: fabbisogno termico dell’edificio pari a circa (ipotizzando ηmedio = 0,83): 15.650 [kWh/anno]

Fabbisogno termico dell’edificio pari a circa (ipotizzando ηmedio = 0,83): 15.650 [kWh/anno]

RISCALDAMENTO EDIFICIO:

Riscaldamento e produzione ACS con Pompa di calore ELETTRICA(Sedificio=150 m2 – 2 servizi igienici); Località: Anguillara Sabazia (ROMA)

Il fabbisogno termico dell’edificio è pari a circa: 15.650 [kWh/anno]Considerando uno SCOP (per semplicità coincidente con il COP) della macchina pari a: SCOP = 2,88

Il fabbisogno di energia elettrica sarà pari a: 15.650 [kWh/anno] / 2,88 = 5.434 [kWhelettrici /anno]

INVERNO:

CALDAIA A GPLηmedio = 0,83

P.C.I. = 31,39 kWh/Sm3

Costo specifico = 4,3 €/m3

Fabbisogno energia Primaria: 18.834 [kWh/anno]Consumo combustibile: 600 [m3/anno]Spesa complessiva in bolletta: 2.620,00 [€/anno]Costo specifico del kWh: 0,14 [€/kWh]

CALDAIA A METANOηmedio = 0,83

P.C.I. = 9,59 kWh/Sm3

Costo specifico = 0,8638 €/m3

Fabbisogno energia Primaria: 18.834 [kWh/anno]Consumo combustibile: 1966 [m3/anno]Spesa complessiva in bolletta: 1.700,00 [€/anno]Costo specifico del kWh: 0,11 [€/kWh]

Spesa annua con tariffa dedicata per Pompe di calore D1 (0,28 €/kWh tasse incluse) = 1.521 € / anno

(Delibera n. 205/2014/R/EEL dell’8 maggio 2014 ‐ http://www.nextville.it/news/1708) )

Considerando uno SCOP = 4 si ha un costo energetico di 1.095 €/anno

E per la climatizzazione dell’Edificio?!:

LA POMPA DI CALORE CI CONSENTE, CON UN UNICO IMPIANTO, DI GARANTIRE IL RISCALDAMENTO INVERNALE DEGLI

AMBIENTI MA ANCHE LA CLIMATIZZAZIONE ESTIVA DEGLI STESSI!!!!

POMPA DI CALORE: FUNZIONAMENTO ESTIVO

CONDIZIONAMENTO EDIFICIO:

Potenzialità frigorifera Pf = 9,75 kW

Riscaldamento e produzione ACS con Pompa di calore ELETTRICA(Sedificio=150 m2 – 2 servizi igienici); Località: Anguillara Sabazia (ROMA)

Il fabbisogno termico dell’edificio è pari a circa: 15.650 [kWh/anno]Considerando uno SCOP (per semplicità coincidente con il COP) della macchina pari a: SCOP = 2,88

Il fabbisogno di energia elettrica sarà pari a: 15.650 [kWh/anno] / 2,88 = 5.434 [kWhelettrici /anno]

Il fabbisogno frigorifero dell’edificio è pari a circa: 2.691 [kWh/anno]Considerando un SEER (per semplicità coincidente con l’ ESEER) della macchina pari a: SEER = 2,88

Il fabbisogno di energia elettrica sarà pari a: 2.691 [kWh/anno] / 2,88 = 935 [kWhelettrici /anno]

INVERNO:

ESTATE:

INTERO ANNO:

Il fabbisogno di energia elettrica sarà pari a: 5.434 [kWhelettrici /anno] + 935 [kWhelettrici /anno] =

6.370 [kWhelettrici /anno]

per riscaldamento invernale, condizionamento estivo e produzione di acqua calda sanitaria

LA POMPA DI CALORE, SE CONFRONTATA CON UNA CALDAIA A GPL CONVIENE..

SEMPRE!!!!!

LA POMPA DI CALORE, SE CONFRONTATA CON UNA CALDAIA A METANO, CONVIENE COMUNQUE.. ANCHE SE C’E’ UNA FORTISSIMA INFLUENZA DELLA TARIFFA

ELETTRICA A SCAGLIONI!!!!!

LA POMPA DI CALORE CONSENTE DI OTTENERE UN RISPARMIO DI ENERGIA PRIMARIA DI…

CIRCA IL 50%..... SEMPRE!!!!

Osservazioni

PRODUZIONE DI ACQUA CALDA SANITARIA

Per produrre A.C.S. in maniera istantanea per una doccia servono circa 25kW!!!Una doccia necessita di circa 10‐12 litri al minuto, 600‐700 litri all’ora, percirca 30°C di salto termico (le caldaie a produzione istantanea sono infattida 24 kW).

Produzione ACS con sistemi a PdC

P = Q x ∆T x cp x ρdove

P = Potenza termica o frigorifera in [kcal/h];

Q = Portata d’acqua [l/h];

∆T = Differenza di temperatura tra (Tmandata – Tritorno ), [°C];

cp = Calore specifico acqua = 1 [kcal/(kg°C)] a Tacqua = 15°C e P = 1 atm;

ρ = peso specifico acqua = 1 [kg/l]

P = Q x ∆T x cp x ρP = 700 x 30 x1 x1 = 21.000 kcal/h = 24,4 kW

Produzione ACS con sistemi compatti a PdC: sistemi integrati

Produzione ACS con sistemi compatti a PdC: sistemi SPLIT

Produzione ACS con sistemi compatti a PdC

ESEMPIO APPLICATIVO POMPA DI CALORE R744 PER PRODUZIONE A.C.S.

Torre 1 Torre 2

Torre 3

Tipologia: condominio case popolari

Numero di appartamenti: 117

Struttura: tre torri da 9 piani ciascuna

Fabbisogno acs giornaliero medio annuo: 12.300 litri/giorno

Temperatura di utilizzo: 48 °C

Ricircolo: dispersioni energia stimate: 40%

Circuito esistente

Nuova Pompa di calore e serbatoi accumulo termico

Nuova rete di tubazioni

Dai rilievi fin qui effettuati si riscontrano prestazioni in linea con le aspettative.

COP puntuale (mercoledì 30 marzo 2014, 11:15)Temperatura aria esterna: 15 °CTemperatura acqua in ingresso: 15 °CTemperatura acqua prodotta: 60°CPotenza termica erogata: 31,15 kWPotenza elettrica assorbita: 7.0 kWCOP: 4.45

COP medio (da 18 gennaio 2014 a 30 marzo 2014)Temperatura acqua prodotta: 60°CTemperatura acqua in ingresso: 13 °CEnergia termica prodotta: 36.540 kWh Energia elettrica assorbita: 9.552 kWhCOPmedio: 3.83

Deco SpA: impianto di trattamento meccanico biologico per R.S.U.

Deco SpA: Str. per Popoli, 259, 66100 Chieti CH

Palazzina Uffici di tre piani

Deco SpA: impianto di trattamento meccanico biologico per R.S.U.

Deco SpA: Str. per Popoli, 259, 66100 Chieti CH

Palazzina Uffici di tre piani

Sistemi a fluido intermedio ed espansione diretta

Fig.1: Confronto tra fluido intermedio ed espansione diretta

Split: Unità interna Ventilconvettore

Scelta della soluzione impiantistica

Selezione pompa di calore aria‐acqua monoblocco BAXI

Componenti principali della pompa di calore BAXI mod. PBM

Selezione pompa di calore aria‐acqua monoblocco BAXINecessità: Ptermica = 46 kW a temperatura esterna di 2°C e temperatura acqua prodotta pari a 45°C.

Prestazioni in riscaldamento BAXI mod. PBM 15

Necessità: Ptermica = 46 kW a temperatura esterna di 2°C e temperatura acqua prodotta pari a 45°C.

Ta [°C] ‐ Temperatura aria esternaTw out [°C] ‐ Temperatura acqua uscita scambiatore lato impiantoPt [kW] ‐ Potenza termicaPass [kW] ‐ Potenza assorbita totaleQw [m³/h] ‐ Portata acqua scambiatore lato impianto'‐' Condizioni fuori dei limiti di funzionamento.Le portate degli scambiatori sono calcolate con 5°C di ΔT

Necessità: Ptermica = 46 kW a temperatura esterna di 2°C e temperatura acqua prodotta pari a 45°C.

Impianto a sola pompa di calore (NON IBRIDO)

Il system manager PBM gestisce fino a 4 pompe di calore in cascata

La pompa di calore può essere dimensionata per coprire il fabbisogno dell'edificio fino ad una determinatatemperatura esterna, a cui corrisponderà un costo energetico paritetico a quello della caldaia acondensazione. Per temperature inferiori, il System Manager PBM attiva la caldaia che provvede a soddisfarel'intero fabbisogno dell'edificio. In questo modo l'affidabilità del sistema e la sua economicità sono garantiteanche nelle condizioni più critiche. Senza dimenticare l'opportunità di risparmiare sulla taglia della pompa dicalore e del contratto di fornitura dell'energia elettrica.

Controllo sistemi ibridi attraverso il System Manager PBM

La scelta della temperatura dicommutazione pompa dicalore/caldaia deve tenere conto:• del luogo di installazione;• delle condizioni di

funzionamento dell'impianto;• dei costi dell'energia.

CALDAIA A CONDENSAZIONE

COME FUNZIONA UNA CALDAIA A CONDENSAZIONE Il fenomeno della condensazione avviene quando il vapore acqueo, contenuto nei fumi di

combustione del metano e circolante nello scambiatore‐condensatore, scende sotto ilcosiddetto “punto di rugiada”, corrispondente a circa 54 °C. Scendere sotto il punto dirugiada significa innescare quel processo di condensazione, in grado di sottrarre buonaparte del calore latente contenuto nel vapor d’acqua e di trasmetterlo all’acqua diritorno dell’impianto di riscaldamento, aumentando così il rendimento della caldaia

Uno dei fattori principali che influisce positivamente sul rendimento di una caldaia acondensazione è la temperature dell’acqua di ritorno del sistema di riscaldamento

A temperature molto basse, corrisponde un migliore sfruttamento del calore latente e diconseguenza un migliore rendimento della caldaia

Questo significa che i sistemi di riscaldamento funzionanti a basse temperature, come gliimpianti a pannelli radianti, con temperature dell’acqua circolante, mandata e ritorno, di40‐30°C, sono quelli in cui le caldaie a condensazione dimostrano la massima efficacia

CALDAIE AD ALTO RENDIMENTOIn base alla Legge nr. 9 del 1991 e al collegato D.M. 15 Febbraio 1992, per essere classificata ad "altorendimento" una caldaia deve garantire un "rendimento a regime" almeno pari o superiore al 90%.Dette anche caldaie a temperatura scorrevole, sono progettate in modo da adeguare la temperatura diesercizio al variare del carico termico dell’impianto e, rispetto alle caldaie tradizionali, garantiscono unariduzione delle perdite passive per irraggiamento e di quelle al camino.

Da un punto di vista strettamente tecnico,risulta molto importante non solo il classico"rendimento a regime" (misurato allamassima potenza di funzionamento), maanche il "rendimento a potenza/caricoridotto": questo rendimento descrive ancormeglio la resa della caldaia nel ciclo reale diutilizzo, dato che la caldaia funziona almassimo della potenza solo nel regimeiniziale, quando i caloriferi sono freddi, e siregola automaticamente a potenza inferioreper il resto della giornata.

PRESTAZIONI DI UNA POMPA DI CALORE AD ARIA

Curve di potenza termica, frigorifera ed assorbita, di COP invernale ed estivo e di fabbisogno in funzione della temperatura dell’aria esterna.

BALANCE POINT: punto di intersezione tra la curva di carico e la curva della potenza della macchina.

(Pompa di calore ad aria).

PUNTO BIVALENTE PER UNA POMPA DI CALORE ARIA‐ACQUA

Differenti taglie di PDC aria‐acqua8 kW ≤ Pt≤ 33 kW

Integrazione perPt= 22 kW

Integrazione perPt= 15 kW

‐16°C

Ta [°C] ‐ Temperatura aria esternaTw out [°C] ‐ Temperatura acqua uscita scambiatore lato impiantoPt [kW] ‐ Potenza termicaPass [kW] ‐ Potenza assorbita totaleQw [m³/h] ‐ Portata acqua scambiatore lato impianto'‐' Condizioni fuori dei limiti di funzionamento.Le portate degli scambiatori sono calcolate con 5°C di ΔT

Qw = Portata acqua scambiatore lato impianto: 2,36 [m³/h] per singola PDCQwTOT = 2,36x4 = 9,44 [m³/h] = 9.440 [l/h]

P = Q x ∆T x cp x ρdove

P = Potenza termica o frigorifera in [kcal/h];

Q = Portata d’acqua [l/h];

∆T = Differenza di temperatura tra (Tmandata – Tritorno ), [°C];

cp = Calore specifico acqua = 1 [kcal/(kg°C)] a Tacqua = 15°C e P = 1 atm;

ρ = peso specifico acqua = 1 [kg/l]

Qw = PtTOT / ∆T = (13,6x4)*0,86*1000/(45‐40) = (54,4*0,86*1000)/5 = 46784/5 = 9.357 [l/h]

Dimensionamento circuitro idraulico e selezione elettropompa di circolazione

Grandezze fondamentali per il progetto delle reti idrauliche

∙ Portata;

∙ Prevalenza.

Portata: quantità d’acqua che attraversa i vari rami della rete nell’unità di tempo. Si misura in [l/s], comeindicato dal S.I. oppure, per comodità, in litri l’ora [l/h];

Prevalenza: è la pressione dell’acqua nella sezione considerata del circuito. Si misura in chilopascal [kPa],come indicato dal S.I. oppure, per comodità, in millimetri di colonna d’acqua [mm.c.a.].

• La prevalenza è data all’acqua dalla pompa che fa circolare l’acqua all’interno del circuito vincendo le perdite di caricoincontrate;

•Esistono vari tipi di pompe, ma nel campo della climatizzazione si usano solo le pompe centrifughe;

• La parte operatrice di questo tipo di pompe è costituita da un rotore palettato che manda l’acqua in pressione sfruttandola forza centrifuga.

IMPORTANTE:

Dimensionamento dei sistemi idroniciDimensionamento dei diversi tipi d’impianto

Grandezze fondamentali per il progetto delle reti idrauliche

La Potenza termica o frigorifera che deve essere erogata dai vari terminali d’impianto è strettamente legataalla portata d’acqua che attraversa i terminali stessi. I vari rami della rete saranno attraversati da differentiportate d’acqua, in funzione della potenza che i terminali d’impianto alimentati dai differenti rami della retedovranno erogare.

P = Q x ∆T x cp x ρ

doveP = Potenza termica o frigorifera in [kcal/h];Q = Portata d’acqua [l/h];∆T = Differenza di temperatura tra (Tmandata – Tritorno ), [°C];cp = Calore specifico acqua = 1 [kcal/(kg°C)] a Tacqua = 15°C e P = 1 atm;ρ = peso specifico acqua = 1 [kg/l]

‐ PtTOT = 54,4 kW ≈ 46.784 [kcal/h]; (per convertire i kW in kcal/h: 1 kW = 860 kcal/h )

‐ ∆T = 5[°C] (temperatura di mandata: 45°C; temperatura di ritorno: 40°C;)

Qw = PtTOT / ∆T = (13,6x4)*0,86*1000/(45‐40) = (54,4*0,86*1000)/5 = 46.784/5 = 9.357 [l/h]

Curva caratteristica di una pompa centrifuga

•Per circuito idraulico utilizzatore si intende la seriedelle tubazioni, dei terminali d’impianto e dei dispositiviidraulici;• La curva caratteristica del circuito utilizzatore forniscela perdita di carico che l’acqua subisce nel percorrere ilcircuito al variare della portata;

Curva caratteristica del circuito idraulicoGrandezze fondamentali per il progetto delle reti idrauliche

Punto di lavoro della pompa inserita nel circuito idraulico

Il punto di lavoro o di funzionamento indica l’effettiva portata Q e l’effettiva prevalenza H che la pompafornirà al circuito utilizzatore. Il punto di lavoro si ottiene semplicemente sovrapponendo la curva dellapompa e quella del circuito:

Esempio di scelta della pompa

Sia quella mostrata in figura la curva diresistenza del circuito e sia data la portatarichiesta:

Tra le pompe disponibili in commerciooccorrerà scegliere quelle la cui curvacaratteristica interseca la curva del circuitoproprio nel punto di lavoro voluto:

Esempio di scelta della pompa – Le perdite di carico

Perdite di carico distribuite (o continue) ‐ r:

Le perdite di carico si misurano in [kPa] oppure in [mm.c.a.]. Vale la seguente formula di conversione:

1 mm.c.a. ≈ 10 Pa

1 m.c.a. ≈ 10 kPa

Perdite di carico concentrate (o localizzate) ‐ z:

Sono dovute all’attrito tra l’acqua e lepareti interne dei tubi; sono dettedistribuite perché sono distribuite lungotutto il circuito.

Sono quelle che l’acqua incontra laddove visono particolarità come la presenza didispositivi idraulici e terminali d’impiantooppure laddove vi sono variazioni bruschedel diametro del tubo, curve, derivazionietc…r = (F / D) X (ρ v² / 2) [kPa/m; mm.c.a./m]

•F un fattore adimensionale che dà conto della rugositàdella parete del tubo;

•D è il diametro interno del tubo [m];

•ρ è la densità dell’acqua alla temperatura media diesercizio [kg/m³];

•v è la velocità media dell’acqua [m/s].

z = ξ ρ v² / 2 [kPa; mm.c.a.]

• ξ è detto “coefficiente di perdita localizzata” e dipendedalla geometria della particolarità che ha creato laresistenza (accidentalità).

Parametro tabellato.

Esempio di scelta della pompa – Le perdite di carico distribuite

Scelta dei diametri dei tubi e calcolo delle perdite di carico distribuite:

•Calcolo delle perdite di carico distribuite: solo dopo avere definito i diametri dei tubi.

• Scelta dei diametri dei tubi: si pongono limitazioni alla velocità dell’acqua.

• Acqua troppo lenta: formazione di sacche d’aria all’interno dei tubi, conseguenti gorgoglii e irregolare

flusso dell’acqua (inoltre la presenza d’aria all’interno delle tubazioni favorisce la corrosione);

• Acqua troppo veloce: perdite di carico inaccettabili, pompe molto costose ed ingombranti (l’eccessiva

velocità dell’acqua produce rumorosità e può addirittura portare a rottura le tubazioni per erosione).

Le velocità consigliate per i vari tipi di tubazioni sono quelle riportate nella tabella seguente:

Scelta dei diametri dei tubi e calcolo delle perdite di carico distribuite:

Poiché le perdite distribuite dipendono dal quadrato della velocità dell’acqua, porre limiti alla velocitàequivale a porre limiti alle perdite di carico continue.

Per gli impianti di climatizzazione si impongono alle perdite continue i seguenti limiti inferiore e superiore:

r = 20÷30 [mm.c.a./m]

Usando tabelle come quella mostrata di seguito, sarà possibile determinare il diametro del tubo a partire

dalla conoscenza della portata d’acqua: la tabella fornisce la perdita di carico distribuita per metro di tubo:

Dimensionamento dei sistemi idroniciEsempio di scelta della pompa – Le perdite di carico distribuite

Dimensionamento dei diversi tipi d’impianto

(temperatura media circa pari a 10°C: la PDC funzionerà da gruppo frigo durante il periodo estivo)

Lunghezza L del circuito: 60 [metri]

Determinare il diametro del tubo (che supponiamo dover essere in acciaio) e, calcolare la perdita di caricodistribuita lungo il circuito.

Facendo uso della tabella si entra con il valore della portata e si ottiene in verticale il diametro da assegnareal tubo ed in orizzontale la perdita di carico distribuita per ogni metro di tubo:

Esempio:

‐ PtTOT = 54,4 kW ≈ 46.784 [kcal/h]; (per convertire i kW in kcal/h: 1 kW = 860 kcal/h )

‐ ∆T = 5[°C] (temperatura di mandata: 45°C; temperatura di ritorno: 40°C;)

Qw = PtTOT / ∆T = (13,6x4)*0,86*1000/(45‐40) = (54,4*0,86*1000)/5 = 46.784/5 = 9.357 [l/h]

Dimensionamento dei sistemi idroniciEsempio di scelta della pompa – Le perdite di carico distribuite

Dalla tabella si ottiene:

∙ Diametro nominale tubo: D = 2";

∙ Perdita di carico distribuita al metro: r = 30 [mm.c.a. per metro di tubazione]

∙ Velocità dell’acqua: 1,09 [m/s]

La perdita di carico continua per l’intero circuito è data da:

R = r x L = 30 [mm.c.a./m] x 60 [m] = 1.800 [mm.c.a.] ≈ 18,0 [kPa]

Nota: Le perdite effettive saranno leggermente superiori poichè in tabella si è selezionata una portata pari a Qtabella= 8.695 [l/h] che risulta essere più bassa della portata reale Qreale = 9.357 [l/h]

Esempio di scelta della pompa – Le perdite di carico concentrate

Dipendono dalla particolare accidentalità: curva, derivazione, variazione di diametro, valvola, batteria delventilconvettore, scambiatore a piastre….

Vale la formula:

z = ξ ρ v² / 2 [kPa; mm.c.a.]

Per le perdite concentrate si dispone di tabelle di calcolo come le due tabelle seguenti:

•la prima fornisce il valore del coefficiente di perdita concentrata ξ relativo al tipo di accidentalità;

•la seconda fornisce il valore della perdita concentrata in [mm.c.a.]

Esempio di scelta della pompa – Le perdite di carico concentrateDimensionamento dei sistemi idronici

Esempio:

Diametro tubazione 2" (DN50)

•N°2 curve normali a 90°;

•N°1 valvola a sfera apassaggio ridotto.

•N°1 valvola a 3 vie;

ξ (adimensionale)

Esempio

Supponiamo che per il caso del circuito precedente (ved. esempio sul calcolo delle perditedistribuite) si vogliano ora calcolare le perdite concentrate dovute alla presenza di:

•N°2 curve normali a 90°;

•N°1 valvola a sfera a passaggio ridotto.

•N°1 valvola a 3 vie;

Dalla tabella calcolo la sommatoria Σ ξ (ricordiamo che è D = 2", tubo d’acciaio):

Σ ξ = 0,5*2+0,8+8,0 = 9,8 ≈ 10 (approssimare sempre per eccesso)

EsempioΣ ξ = 0,5*2+0,8+8,0 = 9,8 ≈ 10

(approssimare sempre per eccesso)

Dalla seconda tabella, ricordando che la velocità dell’acqua all’interno della tubazione era v = 1,09 [m/s],

si determina la perdita di carico concentrata in [mm.c.a.]: z = 600 [mm.c.a.] con acqua a T=80°C.

Essendo la temperatura media dell’acqua pari a T=10°C si ha z = 600*1,029 = 617,4 [mm.c.a.]

Essendo quindi:

1) R = r x L = 30 [mm.c.a./m] x 60 [m] = 1.800 [mm.c.a.] ≈ 18,0 [kPa]

2) z = 600*1,029 = 617,4 [mm.c.a.] ≈ 6,174 [kPa]La perdita di carico totale è data allora da:

R + z = 18 +6,174 ≈ 25 [kPa] = 2,5 m.c.a.

Per una portata d’acqua pari a, ricordiamo, Qreale = 9.357 [l/h]

Esempio di scelta della pompa

Curva caratteristica del circuito utilizzatore: Curva caratteristica pompa–circuito utilizzatore:

La pompa dovrà poter fornire la prevalenza di 25 [kPa] allaportata di 9.357 [l/h]. La curva caratteristica della pompadovrà passare per il punto di lavoro (9.357; 25). In questecondizioni il punto di lavoro sarà quello voluto: saràsmaltita la portata richiesta pari a 9.357 [l/h] vincendo laperdita di carico pari a 25 [kPa].

Il circuito utilizzatore avrà pertanto la curva caratteristicasopra riportata.

9.357 9.357

H ≈ 25 [kPa] = 2,5 m.c.a.

Qreale = 9.357 [l/h]

Tubazione: 2" (DN 50)

2" (DN 50)

Schema altimetrico:Distribuzione rete acqua termostatata 2" (DN 50)

11/2" (DN 40)

11/4" (DN 32)

11/2" (DN 40)

11/4" (DN 32)

11/2" (DN 40)

RIFERIMENTI:

Quaderni CaleffiLe reti di distribuzione

‐Pompe di caloreProf. Renato Lazzarin

Grazie per la vostra attenzione !

ing. Nicolandrea Calabresenicolandrea.calabrese@enea.it

Settore Civile.Le macchine a Pompa di calore: tipologie, selezione e dimensionamento impianto

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