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DECARBONIZZAZIONE DEL COSTRUITO E TRANSIZIONE VERSO L’ELETTRICOModena, sede AESS (via Enrico Caruso 3)
Soluzioni per il Multi Technology Approach
Filippo Genovese (Galletti SpA)
Ing. Matteo Dongellini, Prof. Gian Luca MoriniDipartimento di Ingegneria Industriale, Alma Mater Studiorum – Università di Bologna
21 novembre 2019
Galletti - Mission
Storica azienda del settore della climatizzazione comfort, leader nei terminali idronici e in grado di offrire chiller e pompe di calore fino a 1200 kW per applicazioni comfort
Ulim (muri esterni)= 0.30 (W/m2K)
Superficie utile 1256 m2
Volume riscaldato 3590 m3
Superficie disperdente 2065 m2
Rapporto S/V 0.51 m-1
Trasmittanze (W/m2K)
Trasmittanza muri esterni 1.79
Trasmittanza pavimento 1.45
Trasmittanza tetto 0,54
Trasmittanza finestre 5.76
CARATTERISTICHE DELL’INVOLUCRO EDILIZIO
Generatore di calore: 4 caldaie a gas a bassa
efficienza (anni ’80, efficienza ≈ 90%)
Funzionamento impianto:
• Lunedì-Venerdì: 5.00-19.00
• Sabato: 7.00-16.00
• Domenica: spegnimento totale
Terminali: Fan-coil a 3 velocità
Regolazione: Compensazione climatica
Pompa di circolazione: EBARA 3ME (Pel=1550 W)
Occupazione edificio:
• Lunedì-Venerdì 8.00-19.00
• Sabato 8.00-16.00
PRINCIPALI CARATTERISTICHE DELL’IMPIANTO DI RISCALDAMENTO
• Inserimento dati climatici reali
• Inserimento gestione reale dell’impianto (Temperature di set-point)
-5
0
5
10
15
20
25
30
19/12 21/12 23/12 25/12 27/12 29/12 31/12 2/1 4/1 6/1 8/1 10/1
Tem
per
atu
ra (
°C)
Giorno
T esterna T_U6_Reale T_U6_Calibrato
TARATURA DEL MODELLO – MONITORAGGIO TEMPERATURA E UMIDITÀ RELATIVA
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Po
ten
za t
erm
ica
[kW
]
Potenza Misurata Potenza Simulata
01/02 10/02 19/02 28/02 9/03 18/03
• Cambio del set-point interno (monitoraggio condizioni ambientali interne)
• Sfasamento accensione fan-coil
• Variazione tasso di infiltrazione
TARATURA DEL MODELLO – MONITORAGGIO CONSUMI ENERGETICI
0
10
20
30
40
50
60
70
80
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-5 0 5 10 15 20 25
Pote
nza
ter
mic
a [
kW]
Temperatura aria esterna (°C)
Potenza richiesta dall'edificio (set point 22°C)
Potenza termica di progetto @-5°C= 85 kWT set point aria= 22±2 °C › Edificio scarsamente isolato
› Elevate superfici vetrate
FIRMA ENERGETICA DELL’EDIFICIO
• Caldaia con temperatura dell’acqua in mandata pari a 65°C
• Periodo di riscaldamento: 15 Ottobre-15 Aprile
• 35 fan coil utilizzati in 26 diverse zone termiche
• Fan coil serviti da motore a 3 velocità
• T set point aria= 22±2 (°C)
CASO 1 - AS BUILD - IMPIANTO CON CALDAIA E FAN COIL A 3 VELOCITÀ
T aria set point=22°C
Temperatura aria esterna Temperatura media aria ambiente Potenza totale caldaia
POTENZA TERMICA FORNITA DAL GENERATORE DI CALORE
0
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100
150
200
250
300
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0
5
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9070 9090 9110 9130 9150 9170 9190 9210 9230 9250
Pote
nza
(kW
)
Tem
per
atu
ra (
°C)
14 Gennaio-20 Gennaio (hr)
Set point
70%60%
49% 45% 51%62%
75%
23%30%
38% 40%37%
28%
19%
0%
10%
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30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
fun
zio
nam
ento
fan
co
il [%
]
FAN COIL OFF FAN COIL ON VEL MIN FAN COIL ON VEL MAXFAN COIL ON VEL MED
ottobre novembre dicembre marzogennaio febbraio aprile
TEMPO DI UTILIZZO FAN COIL
T aria set point=22°C
FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO - RINNOVABILE [kWh]FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO - NON RINNOVABILE [kWh]
124.269 124.269
792
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
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4500
5000
0
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40000
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80000
100000
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140000
Ener
gia
elet
tria
asso
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afa
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oil
(kW
h)
Ener
gia
pri
mar
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pia
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(kW
h)
DATI CONSUMO EDIFICIO/IMPIANTO
ENERGIA ELETTRICA ASSORBITA FAN COIL [kWh]FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO TOTALE [kWh]
› 3 compressori/1 circuito frigorifero
› Potenza termica nominale: 125 kW
› Portata acqua nominale: 21800 litri/ora
• Sostituzione del generatore di calore con una pompa di calore idronica con compressori scroll
Potenza Termica [kW]
T air (°C) 1/3 2/3 3/3
-7 29.6 59.7 87.1
2 39.8 75.1 109.0
7 45.8 86.5 125.2
12 52.2 99.1 142.1
20 65.5 120.2 167.2
COP
T air (°C) 1/3 2/3 3/3
-7 2.07 2.34 2.,36
2 2.75 2.90 2.91
7 3.15 3.31 3.31
12 3.57 3.75 3.73
20 4.53 4.52 4.34
CASO 2: SOSTITUZIONE CALDAIA CON POMPA DI CALORE
› Pompa di calore da 125 kW nominali: EXTRA-POTENZA limitata
› Accumulo idronico da 2500 litri (20 litri/kW)
0
50
100
150
200
-10 -5 0 5 10 15 20 25
Po
ten
za (
kW
)
Temperatura esterna (°C)
POTENZA TERMICA RICHIESTA DALL’EDIFICIO [kW] POTENZA TERMICA PDC (@ W40/45°C 3/3 CP) [kW]
T set point aria=22°C
DIMENSIONAMENTO POMPA DI CALORE
Pompa di calore con temperatura dell’acqua in mandata pari a 45°C
Periodo di riscaldamento: 15 Ottobre-15 Aprile
35 fan coil utilizzati in 26 diverse zone termiche
Accumulo da 2500 litri sulla mandata della PDC
Fan coil serviti da motore a 3 velocità
T set point aria= 22 (°C)
CASO 2.1: POMPA DI CALORE CON SPEGNIMENTO NOTTURNO
TEMPERATURA MEDIA ARIA ZONEPOTENZA TERMICA PDCT ARIA ESTERNA [°C]
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
-5
0
5
10
15
20
25
9070 9090 9110 9130 9150 9170 9190 9210 9230 9250
Pote
nza
(kW
)
Tem
per
atu
ra(°
C)
Data
POTENZA TERMICA TOTALE FORNITA DALLA POMPA DI CALORE
T aria set point=22°C
Set point
Necessario il regime di funzionamento attenuato dell’impianto di climatizzazione nelle ore notturne per garantire il comfort termo-igrometrico all’interno degli uffici
TEMPERATURE MEDIE ZONE TERMICHE
TEMPO DI UTILIZZO DEI FAN COIL
FAN COIL OFF FAN COIL ON VEL MIN FAN COIL ON VEL MAXFAN COIL ON VEL MED
ottobre novembre dicembre marzogennaio febbraio aprile
Caldaia PDC
-36% fan coil OFF a gennaio
42%27%
13% 9% 15%30%
53%
39%
42%
38%34%
37%
40%
33%
12%18%
25%27%
24%
17%
10%7% 13%
24% 30% 24%13%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Perc
entu
ale
uti
lizzo
fan
-co
ilT aria set point=22°C
› Numero massimo di cicli: 894
› Numero massimo di cicli in un ora: 2
0
2
4
6
8
10
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0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
6880 7380 7880 8380 8880 9380 9880 10380 10880 11380 11880
Tem
per
atu
ra m
edia
me
nsi
le (
°C)
Nu
mer
i di O
N/O
FF P
om
pa
di c
alo
re
Stagione di riscaldamento (hr)
T ARIA ESTERNA [°C]NUMERI CICLI ON/OFF
CICLI ON/OFF DELLA POMPA DI CALORE
𝑆𝐶𝑂𝑃 =𝑄𝑡ℎ
𝐸𝑒𝑙= 2.99
Rispetto al caso studio con caldaia:› -35% energia primaria› +200% energia elettrica assorbita dai fan coil65.448
15.775
81.222
1.583
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
Ener
gia
elet
tric
a ve
nto
le f
an-c
oil
(kW
h)
Ener
gia
pri
mar
ia im
pia
nto
(kW
h)
CONSUMI ENERGETICI EDIFICIO/IMPIANTO
FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO - RINNOVABILE [kWh]FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO - NON RINNOVABILE [kWh]
ENERGIA ELETTRICA ASSORBITA FAN COIL [kWh]FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO TOTALE [kWh]
T aria set point=22°C
Pompa di calore 125 kW con temperatura dell’acqua in mandata pari a 45°C
Attenuazione notturna - T aria set point minima=19,5°C
Periodo di riscaldamento: 15 Ottobre-15 Aprile
35 fan coil utilizzati in 26 diverse zone termiche
Accumulo da 2500 litri sulla mandata della PDC
Fan coil serviti da motore a 3 velocità
T set point aria= 22 (°C)
CASO 2.1: POMPA DI CALORE CON ATTENUAZIONE NOTTURNA
TEMPERATURA MEDIA ARIA ZONEPOTENZA TERMICA PDCT ARIA ESTERNA [°C]
POTENZA TERMICA TOTALE FORNITA DALLA POMPA DI CALORE
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
-5
0
5
10
15
20
25
9070 9090 9110 9130 9150 9170 9190 9210 9230 9250
Pote
nza
(kW
)
Tem
per
atu
ra (
°C)
Data
Set point
TEMPERATURE MEDIE ZONE TERMICHE
-5
0
5
10
15
20
25
9070 9090 9110 9130 9150 9170 9190 9210 9230 9250
Tem
per
atu
ra (
°C)
Data
TEMPERATURA MEDIA ARIA ZONE – FUNZIONAMENTO ATTENUATO
TEMPERATURA MEDIA ARIA ZONE – FUNZIONAMENTO INTERMITTENTE
49%34%
21% 17% 24%40%
57%
41%
51%
56%55%
54%
48%
35%
10% 15%23% 28% 22%
14% 8%
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Per
cen
tual
e u
tiliz
zo f
an-c
oil
T set point aria=22°C
FAN COIL OFF FAN COIL ON VEL MIN FAN COIL ON VEL MAXFAN COIL ON VEL MED
ottobre novembre dicembre marzogennaio febbraio aprile
PDC INTERMITTENTE PDC ATTENUATA
-8% fan coil OFF a gennaio
TEMPO DI UTILIZZO DEI FAN COIL
T set point aria=22°C
CONSUMI ENERGETICI EDIFICIO/IMPIANTO
FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO - RINNOVABILE [kWh]FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO - NON RINNOVABILE [kWh]
ENERGIA ELETTRICA ASSORBITA FAN COIL [kWh]FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO TOTALE [kWh]
Rispetto al caso studio con pompa di calore con funzionamento intermittente › +37% energia primaria› +16% energia elettrica assorbita dai fan coil
𝑆𝐶𝑂𝑃 =𝑄𝑡ℎ
𝐸𝑒𝑙= 2.73
89.759
21.634
111.393
1.840
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
Non rinnovabile Rinnovabile Totale Ventole fan-coil
Ener
gia
elet
tric
a ve
nto
le f
an-c
oil
(kW
h)
Ener
gia
pri
mar
ia im
pia
nto
(kW
h)
Pompa di calore 95 kW con in mandata pari a 45°C accoppiata a caldaia esistente
Caldaia usata come heating booster dalle 06:00 alle 08:00
Periodo di riscaldamento: 15 Ottobre-15 Aprile
35 fan coil utilizzati in 26 diverse zone termiche
Accumulo da 2500 litri sulla mandata della PDC
Fan coil serviti da motore a 3 velocità
T set point aria= 22 (°C)
CASO 2.3: IMPIANTO BIVALENTE CON PDC DI TAGLIA RIDOTTA
TEMPERATURA MEDIA ARIA ZONEPOTENZA TERMICA CALDAIAT ARIA ESTERNA [°C]
POTENZA TERMICA TOTALE FORNITA DALL’IMPIANTO
-150
-50
50
150
250
350
450
-5
0
5
10
15
20
25
9070 9090 9110 9130 9150 9170 9190 9210 9230 9250
Po
ten
za (
kW)
Tem
per
atu
ra (
°C)
Data
POTENZA TERMICA PDC
Set point
T set point aria=22°C
FAN COIL OFF FAN COIL ON VEL MIN FAN COIL ON VEL MAXFAN COIL ON VEL MED
ottobre novembre dicembre marzogennaio febbraio aprile
PDC ATTENUATA PDC + CALDAIA
+4% fan coil OFF a gennaio
TEMPO DI UTILIZZO DEI FAN COIL
49%
32%
17% 13%19%
36%
58%
42%
52%
51%49%
51%
49%
35%
6%10%
20%24%
19%
9%
5%3% 6%
12% 14% 11%6% 2%
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Tito
lo a
sse
T set point aria=22°C
CONSUMI ENERGETICI EDIFICIO/IMPIANTO
FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO - RINNOVABILE [kWh]FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO - NON RINNOVABILE [kWh]
ENERGIA ELETTRICA ASSORBITA FAN COIL [kWh]FABBISOGNO TERMICO DELL’EDIFICIO TOTALE [kWh]
Rispetto al caso studio con pompa di calore con attenuazione› -12% energia primaria› -28% energia elettrica assorbita dai fan coil
𝑆𝐶𝑂𝑃 =𝑄𝑡ℎ
𝐸𝑒𝑙= 2.64
87.905
10.676
98.582
1.326
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
Non rinnovabile Rinnovabile Totale Ventole fan-coil
Ener
gia
elet
tric
a ve
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le f
an-c
oil
(kW
h)
Ener
gia
pri
mar
ia im
pia
nto
(kW
h)
CONFRONTO ENERGETICO
• Soluzione solo pompa di calore: più conveniente energeticamente, ma NON garantisce il comfort termico nelle settimane più fredde
• Soluzione con attenuazione: garantisce il comfort ma con una convenienza minima rispetto alla caldaia
• Soluzione bivalente: garantisce il comfort ed è energeticamente conveniente
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
Solo caldaia Caso standard Solo PdC big Solo PdC big con attenuazione PdC small + caldaia booster
kWh
Caso studio
Consumo di energia primaria annuo
CONFRONTO ECONOMICO PRELIMINARE: COSTO DELL’ENERGIA
• Soluzione solo pompa di calore: più conveniente economicamente, ma NON garantisce il comfort termico nelle settimane più fredde
• Soluzione con attenuazione: garantisce il comfort ma con una convenienza minima rispetto alla caldaia
• Soluzione bivalente: garantisce il comfort ed è economicamente conveniente
0,00
2000,00
4000,00
6000,00
8000,00
10000,00
12000,00
Solo caldaia Caso standard Solo PdC big Solo PdC big conattenuazione
PdC small + caldaiabooster
€/a
nn
o
Caso studio
Costo energetico annuo
0,22 €/kWh : costo energia elettrica 0,85 €/mc : costo gas
Ing. Matteo Dongellini, Prof. Gian Luca Morini Dipartimento di Ingegneria Industriale, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
AS BUILD - Edificio ad uso ufficio, impianto con caldaia e fan coil 3 velocità
Revamping light dell’impianto (sostituzione/implementazione del solo generatore):
• Necessario considerare anche il comfort termico del sistema
• Soluzione bivalente migliore compromesso energetico/economico con caldaia usata come booster
PROSSIMI SVILUPPI
• Limitazione uso della caldaia come booster nelle sole giornate più fredde
• Revamping totale di impianto con re-design fan coil e scelta della strategia di bivalenza ottimale
• Revamping dell’involucro e verifica delle prestazioni energetiche dei sistemi mono e bivalenti
CONCLUSIONI