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Le pompe di calore
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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 ClausiusSecondo 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”
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Sorgente a temperatura T1
Macchina a ciclo
q1
Pm
Lo schema di funzionamento
Sorgente a temperatura T2< T1
a ciclo inverso
q2
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Se l’utilizzatore sfrutta l’effetto termico q2: la macchina è un frigorifero (condizionatore)
Se l’utilizzatore sfrutta l’effetto termico q1: la macchina è una pompa di calore
Per il corretto funzionamento della macchina a ciclo inverso è 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
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L’utilizzazione dell’energia: il compressore
La funzione è quella di variare la pressione del fluido frigorigeno
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Compressori aperti, ermetici o semiermetici
Compressori alternativiR134a 55 – 1000 kWR22 oltre 2,2 MW
Compressori scroll50 – 170 kW
I compressori
50 – 170 kW
Compressori a viteelevate potenze frigorifere
Compressori centrifughiridotta vibrazioni e manutenzione, efficienti a carico parzialePotenze frigorifere da 500 kW a 5 MW
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Il compressore scroll
Vantaggi:
• elevato rendimento volumetrico ;• bassa rumorosità;• minime vibrazioni;• ottima qualità del rumore• buona resistenza al colpo di liquido• buona resistenza al colpo di liquido• elevata affidabilità(tipica dei compressori rotativi).
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Gli scambiatori di calore: la funzione è di consentire lo scambio termico tra il fluido frigorigeno (interno) e l’esterno (aria o acqua)
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Il fluido frigorigeno è il fluido che deve consentire lo scambiotermico a temperature idonee allo scopo.
Si sfrutta il calore di scambio durante i processi di evaporazione edi condensazione del fluido, processi che avvengono atemperatura e pressione costante.
Il derivati del metano e dell’etano e le loro miscele consentono dioperare a pressioni non troppo basse e non troppo elevate e diavere evaporazione a bassa temperatura (alcune decine di °C) econdensazione a temperature dell’ordine della decina di °C.
Possono essere usate miscele di fluidi diversi
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Lo schema meccanicoIl ciclo termodinamico
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Il ciclo reale
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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, q2) e l’energia spesa per ottenerlo (la potenza meccanica fornita alla macchina, Pm).
Più precisamente si parla di coefficiente di prestazione (COP) della macchina frigorifera il quale corrisponde al rapporto definito dalla relazione:dalla relazione:
mP
q
qofrigoriferCOP 2
21
2=
−
=
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21
2
TT
TCOP ereversibil,ofrigorifer
−=
1T
Il valore massimo del coefficiente di prestazione:
21
1
TT
TCOP ereversibilcalore, di pompa
−=
Minore è la differenza di temperatura delle due sorgenti, maggiore è l’effetto utile ottenibile!!
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Il refrigeratore
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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.
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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 disorgente ad elevata temperatura, il coefficiente di
prestazione viene definito dalla relazione:
mP
q
qcaloredipompaCOP 1
21
1=
−
=
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Decreto Ministero Sviluppo Economico 7 Aprile 2008
Finanziamento del 55% delle spese per gli interventi disostituzione di impianti di climatizzazione invernale conimpianti dotati di pompa di calore ad alta efficienza ovverocon impianti geotermici a bassa entalpia.
Per coefficiente di prestazione di una pompa di calore
Legislazione
Per coefficiente di prestazione di una pompa di calore(COP), si intende il rapporto tra il calore fornito e l’elettricitào il gas consumati
Per indice di efficienza energetica di una pompa di calore(EER), si intende il rapporto tra la produzione di freddo el’elettricità o il gas consumati
Il D.M. introduce limiti per i valori prestazionali
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DECRETO 28 dicembre 2012Incentivazione della produzione di energia termica dafonti rinnovabili ed interventi di efficienza energeticadi piccole dimensioni.
In attuazione dell’art. 28 del D.Lgs. n. 28/2011, il presentedecreto disciplina l’incentivazione di interventi di piccoledimensioni per l’incremento dell’efficienza energetica e per laproduzione di energia termica da fonti rinnovabili, …,realizzati a decorrere dall’entrata in vigore del presenterealizzati a decorrere dall’entrata in vigore del presentedecreto, ai fini del raggiungimento degli obiettivi specificiprevisti dai Piani di azione per le energie rinnovabili e perl’efficienza energetica di cui all’art. 3, comma 3, del D.Lgs. n.28/2011.
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Art.42. Sono incentivabili, alle condizioni e secondo le modalità dicui all’allegato II, ivi comprese le spese ammissibili di cuiall’art. 5, i seguenti interventi di piccole dimensioni diproduzione di energia termica da fonti rinnovabili e di sistemiad alta efficienza:
a) sostituzione di impianti di climatizzazione invernale esistenticon impianti di climatizzazione invernale dotati di pompe dicalore, elettriche o a gas, utilizzanti energia aerotermica,calore, elettriche o a gas, utilizzanti energia aerotermica,geotermica o idrotermica;b) sostituzione di impianti di climatizzazione invernale o diriscaldamento delle serre esistenti e dei fabbricati ruraliesistenti con impianti di climatizzazione invernaledotati di generatore di calore alimentato da biomassa;c) installazione di collettori solari termici, anche abbinati asistemi di solar cooling;d) sostituzione di scaldacqua elettrici con scaldacqua a pompadi calore.
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Allegato II
Pompe di calore (elettriche e a gas)
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DM 7 aprile 2008
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G.Uff. della CE del 20/11/2007Articolo 2Per ottenere l’assegnazione del marchio comunitario di qualità ecologica aisensi del regolamento (CE) n. 1980/2000, la pompa di calore deve rientrarenel gruppo di prodotti «pompe di calore elettriche, a gas o ad assorbimentofunzionanti a gas» e soddisfare ciascun criterio ecologico indicato nell’allegatodella 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 (oCOP/1,1) per le pompe di calore a gas o ad assorbimento
Legislazione
COP/1,1) per le pompe di calore a gas o ad assorbimentofunzionanti a gas, in cui 0,40 è l’efficienza europea mediadi produzione elettrica, tenuto conto delle perdite di rete, e0,91 è l’efficienza europea media di gas, perdite didistribuzione comprese, in base alla direttiva 2006/32/CE delParlamento europeo e del Consiglio, del 5 aprile 2006,concernente l’efficienza degli usi finali dell’energia e i servizienergetici e recante abrogazione della direttiva 93/76/CEE delConsiglio
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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
%25%25%50%50%75%75%100%100 EERPEEERPEEERPEEERPESEER
+++=
PE peso energetico: è un valore tabellato (vedi refrigeratori)
EER è calcolato nelle condizioni standard
100%25%25%50%50%75%75%100%100SEER =
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Condizioni standard
Evaporatore Temp. uscita 7°C
Salto termico ∆T 5 K
Fattore di sporcamento
0,018 m2K/kW
Condensatore Salto termico ∆T 5 K
Fattore di sporcamento
0,043 m2K/kW
Condizioni in parzializzazione
Peso energetico PE
Tingresso Evaporatore
Aria ingresso condensatore
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
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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 – 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)
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Il 95% delle di pompe di calore installate in Italia utilizza comesorgente fredda l’aria e in particolare l’84% dei pezzi (il 58% intermini di fatturato) è costituito dalla tipologia aria/aria.All’interno di questa tipologia, lo schema più diffuso prevedel’utilizzo di split.
Con tale denominazione vengono classificate tutte le macchinead espansione diretta di gas freon, costituite da una unitàmotocondensante (o motoevaporante in pompa di calore) e dauna o più unità interne, anche variamente configurate,una o più unità interne, anche variamente configurate,collegate alla unità esterna medesima.
Le unità esterne, sia mono che multi, sono generalmenteraffreddate ad aria ed hanno la possibilità di essere variamentecollocate (a pavimento, a parete, a tetto, ecc.) direttamenteall’aperto. Anche i terminali interni sono ampiamente assortiti:ne esistono per essere collocati a parete (sia in basso che inalto), a soffitto da canalizzare, da incasso, ecc.
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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 costanomediamente 4-5 volte di più delle apparecchiature aria-aria.mediamente 4-5 volte di più delle apparecchiature aria-aria.
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Pompa di calore ad aria
riscaldamento
Pompa di calore ad aria
raffrescamento
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Le prestazioni di pompe di calore ad aria hanno prestazioni che sono variabili con la temperatura dell’aria esterna.
Per θext = 10°C, il COP è tipicamente pari a 3.
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Pompe di calore ad acqua
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IMPIANTI VRF Fonte primaria: energia elettrica
Distributore Unità interne
Unità esterne
Circuito FrigoCircuito Frigo
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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).
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I cicli ad assorbimento
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In genere si utilizza una
soluzione di acqua (solvente-
refrigerante) 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 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
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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 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
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Il ciclo ad assorbimento a gas
Gas metano
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I cicli ad assorbimento
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Macchina ad assorbimento
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D.M. 7/04/2008
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INTRODUZIONE AI SISTEMI GEOTERMICI
I sistemi geotermici sono tecnologie per il riscaldamento o ilraffrescamento che trasferiscono il calore dal terreno o daacqua di falda per la climatizzazione ambientale e per laproduzione di acqua calda sanitaria.
La prima applicazione risale al 1912, anno del deposito di unLa prima applicazione risale al 1912, anno del deposito di unbrevetto per un sistema geotermico in Svizzera.
La diffusione su larga scala risale tuttavia al 1970.
A partire dagli anni ’80 si hanno miglioramenti significativi delleefficienze e dei campi operativi delle pompe di calore,accompagnati da migliori materiali per i circuiti a terreno.
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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.
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La temperatura del terreno
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I vantaggi sono primariamente legati ai più elevati livelli termici del terreno rispetto a sorgenti termiche quali l’aria ambiente.
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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)
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Le sonde geotermiche
Lo scambio di calore con il terreno avviene tramitela sonda di captazione, installata con unaperforazione del diametro di pochi centimetri, in unforo scavato accanto all'edificio, invisibile dopo lacostruzione.
Il numero delle sonde geotermiche e la profonditàd'installazione (da 50 a 150 metri) variano infunzione dell'energia termica richiesta.funzione dell'energia termica richiesta.
Ogni sonda è formata da due moduli ciascuno deiquali costituito da una coppia di tubi in polietileneuniti a formare un circuito chiuso (un tubo di"andata" e uno di "ritorno") all'interno dei qualicircola un fluido glicolato (miscela di acqua eanticongelante non tossico).
I tubi delle sonde sono collegati in superficie ad unapposito collettore connesso alla pompa di calore.
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Pompe di calore: scambio con il terreno
La sede di TiFS Ingegneria di Padova
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Impianto a Lugano (CH)
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Caratteristiche dell’impianto considerato