CORSO DI FORMAZIONE E AGGIORNAMENTO PROFESSIONALE …. Calabrese/2018_11_22_PDC... · Hotel Cavour...

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 Industriale

Giovedì 22 Novembre 2018Hotel Cavour ‐ Via Fatebenefratelli 21, Milano

ing. Nicolandrea [email protected]

Responsabile Laboratorio efficienza energetica negli Edifici e Sviluppo Urbano

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

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

Da: Andrea Calabrese [mailto:[email protected]] 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

CALCOLO QUOTA RINNOVABILE POMPA DI CALORE

UNI/TS 11300‐4:2012 “POMPE DI CALORE”

Aria

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

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

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

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

Dimensionamento dell'impianto idronico servito

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

H ≈ 25 [kPa] = 2,5 m.c.a.

Qreale = 9.357 [l/h]

Tubazione: 2" (DN 50)

9,4

25

2" (DN 50)

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

11/2" (DN 40)

11/2" (DN 40)

11/4" (DN 32)

SPLIT

11/2" (DN 40)

11/4" (DN 32)

11/2" (DN 40)

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).


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

Integrazione perPt= 22 kW

Integrazione perPt= 15 kW

8 kW

10 kW

12 kW

15 kW

22 kW

27 kW

33 kW

‐16°C

RIFERIMENTI:

Quaderni CaleffiLe reti di distribuzione

‐Pompe di caloreProf. Renato Lazzarin

Grazie per la vostra attenzione !

ing. Nicolandrea [email protected]

Responsabile Laboratorio efficienza energetica negli Edifici e Sviluppo Urbano (DUEE‐SPS‐ESU)

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