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Prima edizione: gennaio 2012

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ISBN 97888-7398-073-5

XI Prefazionea cura di Climgas

XIII Prefazione

1 Cap. 1 Principi generali, ambiti applicativi e benefi ci energetico-ambientali della climatizzazione ad azionamento termico

1 1.1 Principi energetici della generazione di calore e freddo, cogenerazione e trigenerazione

6 1.2 Scenario energetico di riferimento e ambiti applicativi 6 1.2.1 I consumi di energia in Italia

8 1.2.2 I consumi di energia nel settore civile

12 1.3 Benefi ci energetici e ambientali, impatto sulla rete elettrica e del gas

20 1.4 Mercato attuale e potenzialità 20 1.4.1 Esame dei dati statistici sul mercato dei refrigeratori a

gas naturale 21 1.4.1.1 Classifi cazione di numero, potenza e tipologia delle unità

installate

25 1.5 Normativa di riferimento: certifi cazione energetica degli edifi ci, cogenerazione e trigenerazione

26 1.5.1 La certifi cazione energetica degli edifi ci e gli incentivi per la riqualifi cazione energetica

26 1.5.1.1 Evoluzione del sistema legislativo italiano

28 1.5.1.2 Incentivi per la riqualifi cazione energetica degli edifi ci

29 1.5.2 La normativa sugli impianti di microcogenerazione e trigenerazione

30 1.5.2.1 Defi nizione e parametri caratteristici

33 1.5.2.2 Il contesto legislativo e gli incentivi alla cogenerazione

37 1.5.2.3 Valorizzazione dell’energia elettrica ceduta alla rete

44 1.5.2.4 Defi scalizzazione del combustibile per cogenerazione

45 1.5.2.5 Titoli di effi cienza energetica

III

Indice

01-Indice.indd III01-Indice.indd III 12/01/12 17.2212/01/12 17.22

IV

48 1.5.2.6 Il caso dell’alimentazione a biomasse: certifi cati verdi e tariffa onnicomprensiva

51 1.5.3 Le normative di installazione e certifi cazione rilevanti

52 1.5.4 Le barriere non tecniche 52 1.5.4.1 La fi scalità del gas naturale nei sistemi di generazione di

freddo

54 1.5.4.2 Il percorso autorizzativo dei sistemi di micro-cogenerazione

56 Riferimenti bibliografi ci

59 Cap. 2 Frigoriferi a compressione

59 2.1 Cicli termodinamici a compressione e parametri operativi

60 2.1.1 Il ciclo frigorifero ideale

62 2.1.2 Frigoriferi e pompe di calore a compressione

66 2.1.3 Fluidi di lavoro: i fl uidi frigoriferi

70 2.2 Componenti di un impianto frigorifero a compressione 70 2.2.1 Compressori

73 2.2.2 Scambiatori di calore (in relazione alle sorgenti termiche ambientali)

82 2.3 Pompe di calore geotermiche 88 2.3.1 Sistemi di riscaldamento a pannelli radianti

91 2.4 Prestazioni e costi delle macchine frigorifere a compressione


99 Cap. 3 Pompe di calore azionate da motori endotermici

101 3.1 Considerazioni teoriche e vantaggi energetici

108 3.2 Confi gurazioni di impianto 109 3.2.1 Impianti a espansione diretta a due tubi

117 3.2.2 Impianti a espansione diretta a tre tubi

119 3.2.3 Impianti con distribuzione idraulica (chiller)

121 3.2.4 Modelli con cogenerazione di energia elettrica

122 3.3 Prestazioni energetiche

129 3.4 Pompe di calore a gas presenti sul mercato italiano 129 3.4.1 Maya (Yanmar)

132 3.4.2 Sanyo Airconditioners

134 3.4.3 Tecnocasa Srl (Aisin – Toyota)


01-Indice.indd IV01-Indice.indd IV 12/01/12 17.2212/01/12 17.22

VIndicce

137 Cap. 4 Macchine ad assorbimento

138 4.1 Principi termodinamici e parametri operativi

143 4.2 Fluidi di lavoro 144 4.2.1 L’acqua come refrigerante

145 4.2.2 Il bromuro di litio come assorbente

146 4.2.3 L’ammoniaca come refrigerante

148 4.3 Macchina H2O/LIBR

151 4.4 Macchina NH3/H2O

153 4.5 Macchine a doppio effetto 154 4.5.1 Funzionamento in refrigerazione

157 4.5.2 Funzionamento in riscaldamento

158 4.6 Prestazioni nominali e durante l’esercizio

161 4.7 Macchine ad assorbimento presenti sul mercato italiano

162 4.7.1 Dynamis Srl

163 4.7.2 IBT Srl

164 4.7.3 Maya SpA

168 4.7.4 Riello SpA

169 4.7.5 Systema SpA

175 4.8 Macchine ad alimentazione indiretta

176 4.9 Pompe di calore geotermiche ad assorbimento

181 4.10 Assorbitori azionati da energia solare

184 4.11 Assorbitori alimentati a biomassa

185 4.12 Produzione periferica in impianti di teleriscaldaento

187 4.13 Assorbitori azionati da cascami termici

189 4.14 Accorgimenti operativi legati all’esercizio degli assorbitori

197 4.15 Costi delle macchine


201 Cap. 5 Motori primi per impianti di climatizzazione

202 5.1 Motori alternativi a combustione interna 202 5.1.1 Principi di funzionamento e tecnologia

209 5.1.2 Modelli disponibili, prestazioni e costi

218 5.1.3 Prospettive di sviluppo

01-Indice.indd V01-Indice.indd V 12/01/12 17.2212/01/12 17.22

VI

218 5.2 Motori a ciclo stirling 218 5.2.1 Principi di funzionamento e tecnologia



224 5.3 Microturbine a gas 224 5.3.1 Principi di funzionamento e tecnologia



232 5.4 Celle a combustibile 233 5.4.1 Principi di funzionamento delle fuel cells

236 5.4.2 Classifi cazione delle fuel cells

238 5.4.3 Celle a combustibile a membrana polimerica

241 5.4.4 Celle a combustibile ad acido fosforico

243 5.4.5 Celle a combustibile a carbonati fusi

246 5.4.6 Celle a combustibile ad ossidi solidi

250 5.5 Altre tecnologie 250 5.5.1 Cicli ibridi

251 5.5.2 La tecnologia termo-fotovoltaica.

252 5.5.3 La tecnologia dei micro-cicli Rankine.


257 Cap. 6 Fabbisogni energetici, curve di carico

258 6.1 Utenze residenziali 261 6.1.1 Utenze monofamigliari

261 6.1.2 Utenze condominiali

262 6.1.3 Diagrammi di carico

265 6.2 Utenze del settore terziario 265 6.2.1 Centro commerciale

266 6.2.2 Ospedale

268 6.2.3 Albergo

269 6.2.4 Struttura Polisportiva

270 6.2.5 Palazzo Uffi ci

272 6.3 Utenze indistriali 272 6.3.1 Industria tessile

274 6.3.2 Industria meccanica

276 6.3.3 Industria elettronica

277 6.4 Confronti fra le varie utenze


01-Indice.indd VI01-Indice.indd VI 12/01/12 17.2212/01/12 17.22

VIIIndicce

283 Cap. 7 Schemi di impianto e analisi di casi rappresentativi

283 7.1 Impianti di trigenerazione 285 7.1.1 Impianto con motore primo e frigorifero ad assorbimento

288 7.1.2 Impianto con motore primo e gruppi refrigeratori a compressione

290 7.1.3 Impianto con motore primo, gruppo refrigeratore a compressione e ad assorbimento

292 7.2 Un modello di simulazione per l’analisi di impianti di cogenerazione e trigenerazione

293 7.2.1 I componenti dell’impianto e il metodo di simulazione

295 7.2.2 Possibili logiche di funzionamento

298 7.2.3 Strategia di ottimizzazione

300 7.2.4 Simulazione dei componenti dell’impianto

303 7.2.5 Analisi economica

304 7.3 Analisi di casi di esempio

305 7.4 Caso di esempio 1 305 7.4.1 Descrizione dell’utenza e dei carichi

309 7.4.2 Descrizione dell’impianto

313 7.4.3 Descrizione dei componenti di impianto 313 7.4.3.1 Cogeneratori

314 7.4.3.2 Macchina frigorifera ad assorbimento

315 7.4.3.3 Pompa di calore elettrica geotermica

316 7.4.3.4 Caldaia a condensazione

316 7.4.3.5 Accumulatori di calore e altri componenti

317 7.4.4 Parametri economici e tariffe

318 7.4.5 Emissioni e prestazioni energetiche degli scenari di riferimento

319 7.4.6 Analisi Tecnico-Economica

322 7.4.7 Confronti e considerazioni conclusive

323 7.5 Caso di esempio 2 323 7.5.1 Descrizione dell’utenza e dei carichi

326 7.5.2 Descrizione dell’impianto

327 7.5.3 Descrizione dei componenti di impianto 327 7.5.3.1 Cogeneratore

328 7.5.3.2 Macchina frigorifera ad assorbimento

329 7.5.3.3 Caldaia

329 7.5.3.4 Accumulo termico

329 7.5.3.5 Collettori solari

330 7.5.4 Parametri economici e tariffe

331 7.5.5 Emissioni e prestazioni energetiche degli scenari di riferimento

01-Indice.indd VII01-Indice.indd VII 12/01/12 17.2212/01/12 17.22

VIII

331 7.5.6 Analisi Tecnico-Economica

332 7.5.7 Sistema senza accumulo termico

334 7.5.8 Sistema con accumulo termico

336 7.5.9 Confronti e considerazioni conclusive

339 7.6 Rassegna di casi rappresentativi 339 7.6.1 Una installazione di grande taglia con macchine ad

assorbimento

340 7.6.2 Una installazione con pompe di calore a gas a motore endotermico presso una casa di riposo

341 7.6.3 Una installazione di pompe di calore a gas a motore endotermico con 30.000 ore di esercizio

342 7.6.4 Una installazione con microturbina a gas e macchina ad assorbimento

342 7.6.5 Una installazione con recupero termico di calore da processi industriali e macchina ad assorbimento

343 7.6.6 Una installazione con macchina ad assorbimento a gas per la climatizzazione di una piscina

344 7.6.7 Una installazione con pompe di calore a gas a motore endotermico per la climatizzazione di un albergo

345 7.6.8 Una installazione con pompa di calore ad assorbimento a fi amma diretta per il contemporaneo raffreddamento del processo industriale e il riscaldamento degli ambienti produttivi

346 7.6.9 Una installazione con macchina ad assorbimento alimentata ad energia solare – l’impianto solar cooling a Città del Vaticano

347 7.6.10 Una installazione con macchine ad assorbimento a fi amma diretta alimentate a gas naturale presso un ospedale

348 7.6.11 Una installazione con macchine ad assorbimento alimentate ad acqua calda prelevata dalla rete di teleriscaldamento cittadina

349 7.6.12 Una installazione con macchina ad assorbimento alimentata dai fumi di scarico di una cella a combustibile MCFC

350 7.6.13 Una installazione di pompe di calore a gas a motore endotermico per la climatizzazione di un palazzo uffi ci di grandi dimensioni

351 7.6.14 Una installazione di pompe di calore a gas a motore endotermico per la climatizzazione di un palazzo uffi ci con sistema di distribuzione misto

352 7.6.15 Una installazione che comprende una macchina ad assorbimento, una pompa di calore elettrica, sonde geotermiche, una caldaia a biomassa, pannelli solari termici e fotovoltaici per la climatizzazione di un palazzo uffi ci

354 7.6.16 Due impianti solar-cooling con macchine ad assorbimento per il condizionamento di uffi ci (Varese e Treviso)

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IXIndicce

356 7.6.17 Impianto combinato di solar-cooling e riscaldamento presso la Casa di cura Santa Margherita a Pavia

358 7.6.18 Trigenerazione presso una grande struttura Ospedaliera


361 Appendice

361 Elementi di analisi economica dell’investimento

361 Flusso di cassa

362 I principali indici di redditività

363 Metodologia di analisi di un investimento in un impianto di cogenerazione o trigenerazione

368 Bibliografi a

01-Indice.indd IX01-Indice.indd IX 12/01/12 17.2212/01/12 17.22

XIII

Prefazione

Come noto, la modalità di gran lunga più diff usa – ma non l’unica, né necessariamente la più razionale – per generare freddo è l’utilizzo di un ciclo termodinamico inverso a compressione di vapore, in cui l’energia necessaria per la compressione del fl uido di lavoro è otte-nuta dalla rete elettrica. In questo volume, vogliamo descrivere altri modi per produrre il freddo, che utilizzano quale forza motrice il calore, generato da una molteplicità di soluzioni: dalla combustione “diretta” di combustibili fossili (il candidato naturale e più utilizzato è il gas naturale) o rinnovabili (ad esempio, la biomassa), dal recupe-ro termico (in primis, da cicli di potenza in assetto cogenerativo, ma anche da processi industriali), da fonti rinnovabili (solar cooling, fl uidi geotermici).

I motivi che ci hanno indotto ad aff rontare quest’opera sono molteplici: dai grandi progressi registrati nello scorso decennio dalle tecnologie dei cicli inversi ad azionamento termico, tecnologie che meritano una trattazione che ne evidenzi pregi e potenzialità, ai mu-tamenti in atto nel panorama energetico, conseguenti all’aumentata sensibilità verso il risparmio energetico e le tematiche ambientali.

È incontestabile che il modo più razionale per sfruttare appieno le potenzialità energetiche di un combustibile sia la cogenerazione, ma è altrettanto vero che la diff usione nel settore civile e terziario trova grandi ostacoli nell’assenza di un’adeguata domanda di calore per buona parte dell’anno, soprattutto nelle regioni caratterizzate da climi miti. L’utilizzo del calore recuperabile da un ciclo motore per produrre freddo, la cosiddetta “trigenerazione”, consente, amplian-do l’arco temporale di utilizzo del calore, di superare questo grave handicap e apre nuove prospettive di grande interesse per la gene-razione distribuita. Sia le normative nazionali, sia quelle internazio-nali, valorizzano nel computo degli indici di risparmio di energia primaria il calore recuperato a fi ni trigenerativi alla stessa stregua del calore utilizzato per fi ni termici: questo consente di ottenere analo-ghi indici energetici (l’indice IRE – Indice di Risparmio di Energia primaria – nell’attuale normativa italiana, l’analogo PES – Primary Energy Saving – nella normativa europea) durante il funzionamen-to invernale ed estivo ed aiuta i sistemi trigenerativi a conseguire

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XIV

la qualifi ca di impianto di cogenerazione ad alta effi cienza, con i benefi ci normativi che ne conseguono.

Una particolare attenzione è rivolta al contesto nazionale, nella convinzione che una forte penetrazione della produzione di freddo per via termica porterebbe benefi ci importanti al settore energetico italiano. Citiamo alcune circostanze che supportano questa aff er-mazione:• La progressiva diff usione, tuttora in atto, degli impianti di cli-

matizzazione ha portato a un continuo incremento della doman-da elettrica estiva alla rete italiana. Diversamente dal passato, la massima richiesta di potenza (circa 55 GW) è localizzata in estate e deve essere soddisfatta per circa il 70% (quasi 40 GW) con il parco termoelettrico (vedi Fig.1 per la situazione caratteristica delle giornate di massima richiesta dell’estate 2008, caratterizzate da un picco di fabbisogno particolarmente elevato). Nonostante la grande diff usione dei cicli combinati, questo comporta inevi-tabilmente l’utilizzo in estate di centrali a vapore datate, poco brillanti in termini sia di rendimento, sia di emissioni.

• Anche sul fronte della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica, i picchi di richiesta elettrica estivi sono fortemente pe-nalizzanti: i ricorrenti black-out che si verifi cano nelle aree me-tropolitane nei giorni più caldi sono il più evidente sintomo della diffi coltà delle reti di distribuzione di far fronte all’incremento di domanda estiva.

• L’andamento annuale a “vasca da bagno” della domanda di gas naturale (elevata nei primi e ultimi mesi dell’anno, limitata nei mesi centrali) obbliga a un forte utilizzo degli stoccaggi: oltre alle inevitabili penalizzazioni energetiche legate agli stoccaggi, i mo-desti prelievi estivi dei settori civile e terziario limitano la capacità di trasporto della rete di trasmissione nazionale, saturando nel periodo estivo alcune tratte vitali della rete di trasporto nazionale con le portate destinate agli stoccaggi. Un aumento dei prelievi estivi consentirebbe una maggiore fl essibilità operativa nelle reti di trasporto e sarebbe pienamente compatibile con le infrastrut-ture di distribuzione cittadine, largamente sottoutilizzate nel pe-riodo estivo.

Ci auguriamo che la lettura di quest’opera invogli chi progetta gli impianti di climatizzazione – da applicazioni residenziali di piccola taglia alle grandi taglie del settore terziario - a considerare, fra le pos-sibili opzioni ad alta effi cienza, anche quelle illustrate nel volume. Speriamo altresì che gli indubbi benefi ci energetici, strategici e am-bientali conseguibili con le soluzioni qui illustrate possano favorire

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XVPrefazione

una serie di provvedimenti da lungo attesi: un regime fi scale meno penalizzante dell’attuale per il gas naturale utilizzato per produrre freddo, l’introduzione di sconti sul costo del gas naturale utilizzato in estate e di incentivi economici a favore degli impianti cogenera-tivi e trigenerativi, una semplifi cazione negli iter autorizzativi e nella normativa di gestione.

Lo sviluppo del settore energetico è fortemente condizionato dal quadro normativo-tariff ario: lo testimoniano numerosi esempi: il grande sviluppo della cogenerazione industriale negli anni ’90 a se-guito di una serie di provvedimenti (il più noto dei quali, ma non l’unico, è il provvedimento CIP 6/92), quello delle tecnologie verdi (fotovoltaico, eolico, biomassa), diretta conseguenza della lunga se-rie di provvedimenti incentivanti rivolti alla produzione elettrica (ancora CIP 6/92, certifi cati verdi, conto energia, priorità di dispac-ciamento, scambio sul posto, ecc.). Nulla di tutto ciò è avvenuto a favore della generazione effi ciente di calore e di freddo, un settore che pure è fortemente energivoro e la cui razionalizzazione potrebbe fornire contributi fondamentali al raggiungimento agli ambiziosi obiettivi di risparmio energetico e di abbattimento di emissioni di gas clima-alteranti assunti dall’Italia in sede internazionale.

Si ringrazia Climgas, l’associazione nazionale dei costruttori e dei distributori di apparecchiature per la climatizzazione a gas, per il concreto supporto dato alle pubblicazione del presente volume.

Figura 1Diagramma di fabbisogno elettrico nel giorno di punta del mese di luglio 2008 (fonte: Terna). I picchi di richiesta elettrica sulla rete italiana si verifi cano in corrispondenza della domanda di climatizzazione estiva. Per soddisfarli, si fa in parte ricorso a centrali termoelettriche datate, caratterizzate da rendimenti modesti e da elevate emissioni specifi che di inquinanti e di gas serra. Una maggiore penetrazione delle tecnologie illustrate in questo volume consentirebbe di conseguire signifi cativi risparmi energetici e ambientali.

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