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Le pompe di calore e l’effetto serra


ISIS A. Malignani, Udine, 21.12.2016

Cristiano Gillardi

Comune di Udine e ISIS A. Malignani

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Le pompe di calore

• Cosa sono e come funzionano

• A cosa servono

• Confronto tra tipologie

• Problemi e Vantaggi ambientali

• Costi e Vantaggi economici

• Cosa succede se . . . (pillole di esperienze personali)

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Cosa sono

2° principio della Termodinamica

E’ impossibile realizzare una trasformazione di energia il cui unico

risultato consista nel trasferire calore da un corpo freddo a uno più

caldo (Clausius)

Come faccio per realizzare questo trasferimento di calore?

Uso un fluido speciale (frigorigeno)

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Se l’”ambiente” è l’interno di un frigorifero, l’effetto è quello di

raffreddare l’ambiente interno al frigo scaricando il calore

nell’ambiente in cui si trova il frigo.

Per sottrarre calore a un fluido qualsiasi devo:

1. trasformarlo possibilmente in gas facendolo espandere

rapidamente (laminazione, valvola di espansione). L’espansione

provoca anche il raffreddamento del gas.

2. comprimerlo (in questa fase immetto dell’energia primaria

da fonte esterna al ciclo) e riscaldarlo di conseguenza

3. raffreddarlo (sottoraffreddarlo) mentre si trova compresso

fino a ritrasformarlo in liquido compresso

� Il ciclo a pompa di calore

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Il ciclo frigorifero a compressione

Schema di circuito frigorifero reale con condensatore raffreddato ad acqua ed

evaporatore con batteria ad espansione diretta per il raffreddamento dell’aria

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calore di risulta da

processi agricoli,

industriali e del

terziario

Il fluido raffreddato per espansione

rapida è in grado di assorbire calore da

una fonte gratuita nell’evaporatore.

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Modalità di Suddivisione in base alla sorgente e al pozzo

Ciò vale per PdC elettriche e a gas

monoblocco o split o

multisplit

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• COP, EER

� Il COP (Coefficiente di Prestazione) è definito come rapporto adimensionato tra l’energia trasferita all’evaporatore e l’energia spesa al compressore,

� L’EER (Energy Efficiency Ratio) rappresenta il rapporto tra frigorie rese e energia (J) assorbita

• CICLO FRIGORIFERO

Calore sottratto all’evaporatore� EER = —————————————————————————— = ε

Energia spesa al compressore

• CICLO A POMPA DI CALORE (pdc)

Calore sottratto all’evaporatore + lavoro di compressione� COP = ———————————————————————————————————— = ε + 1

lavoro (energia) di compressione

Efficienza di un circuito frigorifero

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� L'EER, acronimo per Energy Efficiency Ratio, è un parametro che indica l’efficienza

elettrica di un climatizzatore mentre funziona in raffreddamento. La sua

formulazione è analoga al COP di una pompa di calore (quindi: calore trasferito

diviso per l'energia spesa per il trasferimento del calore) con l'unica differenza che

l'EER, riferendosi ai cicli frigoriferi, pone la sua attenzione sul calore asportato dalla

sorgente fredda (all’evaporatore)

)( TeTc

Te

L

QfEER

−

≤=

Il coefficiente di effetto utile ε per un ciclo inverso di tipo frigorifero è dato dal

rapporto fra il calore, per unità di massa di fluido operativo, sottratto alla sorgente a

temperatura inferiore e il valore assoluto del lavoro speso per fare ciò:

L

Q0

=ε Nella pratica tecnica, tale coefficiente ε è solitamente chiamato E.E.R.

Efficienza di un circuito frigorifero, COP, EER

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in cui:

Tc = temperatura di condensazione, assoluta (K)

Te = temperatura di evaporazione, assoluta (K)

Ne deriva che più sono vicine Tc e Te, più alto è l’EER;

Quanto più si riducono le temperature (pressioni) di

condensazione e si elevano le temperature (pressioni) di

evaporazione, tanto più aumenta l’EER

)(KTeTc

Te

−

=EER teorico o di Carnot:

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Funzionamento estivo

Da pompa di calore a frigorifero

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Funzionamento invernale

notare l’inversione

di ruolo tra

evaporatore e

condensatore

Da frigorifero a pompa di calore

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Quelli “del mestiere” usano molto le BTU

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Le pompe di calore e l’effetto serraPdC aria-acqua

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motore

endotermico

Pompe di calore con motore a gas

(GHP = Gas Heat Pump)

Aisin-Toyota

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A cosa servono

• riscaldamento ambienti (residenziali, terziario, industriali, serre)

• riscaldamento cicli produttivi

• recupero calore per essiccazione derrate, vernici, ecc.

• raffrescamento (e deumidificazione) ambienti civili e industriali

• ambienti a bassa temperatura per lavorazione e conservazione di derrate

alimentari:

� celle di refrigerazione e surgelazione

� banchi ed espositori a bassa temperatura per alimenti

• ambienti a bassa temperatura per industrie chimiche e farmaceutiche

• produzione di gas tecnici liquefatti

• criogenia industriale (vedi slide successiva)

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Le pompe di calore e l’effetto serraImpianti automatizzati per celle frigorifere e forni

Caroselli di cottura o refrigerazione per alimenti

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Criogenia industriale

• Produzione di gas tecnici liquefatti

• Abbattimento e recupero COV

• Calettamento di organi meccanici

• Recupero gomma/metallo, tempra sottozero, recupero cavi

• Criomacinazione nella Chimica e nella Farmaceutica

• Cristallizzazione e liofilizzazione nella Farmaceutica

• Pelletizzazione criogenica

• Pulizia di superfici con ghiaccio secco

• Raffreddamento nella Farmaceutica

• Recupero gas ODP e GWP

• Sverniciatura criogenica

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L’efficienza nelle PdC

Elettricità o calore, sempre di energia si tratta;

dal punto di vista ambientale la partita si gioca sulle

efficienze a parità di sorgente ed a parità di domanda

Confronto tra PdC elettriche (EHP) e a gas (GHP)

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Variazione del COP al variare della temperatura della sorgente fredda

e del tipo di PdC

L’efficienza nelle PdC

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Curve di potenza calorifica di

due pdc aria/acqua di

potenza differente per

temperature di mandata di

35 °C e fabbisogno termico

dell'edificio in funzione della

temperatura esterna

La taglia “giusta”

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Variazione di Potenza assorbita e

di COP al variare della temperatura

dell’aria e della temperatura di

mandata dell’acqua

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Confronto tra EHP e GHP

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GHP in funzionamento riscaldamento

aria ambiente

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GHP in funzionamento raffrescamento con recupero calore

aria ambiente

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Vi è poi la possibilità di cogenerare, tramite un alternatore collegato al

motore endotermico, parte dell’elettricità necessaria all’alimentazione

delle unità interne e degli ausiliari.

Benefici energetici delle pompe di calore a gas

Una pompa di calore a gas consta in un compressore , accoppiato

meccanicamente (più raramente per via elettrica) a un motore endotermico; il

circuito percorso dal fluido frigorifero si compone di una valvola di inversione “a

quattro vie” di inversione del ciclo, di uno scambiatore posizionato

all’esterno uno scambiatore posizionato all’interno dei locali da condizionare che

fungono alternativamente da evaporatore o da condensatore secondo la modalità

di funzionamento (pompa di calore o raffreddamento).

Il motore è raffreddato mediante un circuito di raffreddamento percorso da acqua

e glicole, l’acqua in uscita dal motore attraversa uno scambiatore in cui si

riscalda ulteriormente prelevando calore dai gas combusti del motore, che

vengono quindi raffreddati prima di essere espulsi al camino.

Il calore recuperato dal motore può essere utilmente impiegato per la produzione

di acqua calda sanitaria mediante un opportuno boiler.

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Se non ho disponibile l’energia elettrica . . .

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PdC ad assorbimento

monostadio

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Tecneuropa Srl

Freddo da recupero di calore

Ciclo bistadio ad H20 e LiBr

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L'efficienza di una PdC a gas è misurata dal valore di efficienza di utilizzazione del

gas "G.U.E." (Gas Utilization Efficiency), che è il rapporto tra l'energia fornita

(calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia consumata dal bruciatore.

Il G.U.E. è variabile in funzione del tipo di pompa di calore e delle condizioni di

funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 1,5.

Questo vuol dire che per 1 kWh di gas consumato fornirà 1,5 kWh di calore al

mezzo da riscaldare.

Il confronto corretto prevede di riferirsi in entrambi i casi all’energia

primaria consumata.

Si definisce un fattore denominato coefficiente di utilizzo del combustibile,

C.U.C. (in inglese spesso denominato fuel utilization efficiency, F.U.E.), per indicare

l’efficienza di utilizzo del combustibile, riferendosi quindi alla fonte primaria di

energia: dove QU rappresenta l’effetto utile prodotto dalla macchina,

rispettivamente calore in inverno ed energia frigorifera in estate, mentre QF è

l’energia del combustibile impiegato per ottenere quell’effetto.

CUC = QU / QF

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Confronto tra tecnologie

Emissioni CO2 eq.

g/kWh termico reso

Energia elettrica

mix. rete106 3,5

Metano 147 1,5

GPL 179 1,4

Biogas (x en. el.) 60 3,5

Biogas (x termico) 127 1,65

Fotovoltaico 11 3,675

Idroelettrico (mini) 5 3,675

VettoreC.U.C.

primario

Problemi e vantaggi ambientali

Le emissioni x kWh elettrico sono in calo; il CUC è

molto variabile soprattutto per le EHP

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EFFETTO SERRA

• USO FONTI FOSSILI (energia e produzioni chimico-

industriali)

• ALLEVAMENTI INTENSIVI

• DEFORESTAZIONE

• DISTRUZIONE SUOLO FERTILE

Un problemino da niente . . .

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Il nostro “cappottino”:

1.1. Vapore acqueo Vapore acqueo

2. CO2

3. CH4

4. Ossido nitroso N2O

5. Idrofluorocarburi HFCs (Pompe di calore, quasi tutte)

6. Perfluorocarburi PFCs

7. Esafluoruro di zolfo SF6

Ossido nitroso: l’ossido nitroso (N2O) è emesso naturalmente dagli oceani, dalle foreste pluviali e dai

batteri presenti nel suolo. Le fonti ascrivibili alle attività umane comprendono i fertilizzanti a base di

nitrati, la combustione di combustibili fossili e la produzione di prodotti chimico-industriali con uso di

azoto, per esempio nel trattamento dei liquami. Nei paesi industrializzati, l'N2O è responsabile del 6%

circa delle emissioni ad effetto serra. Ha una capacità di assorbimento del calore 310 volte più elevata

del CO2. Dall’inizio della rivoluzione industriale, le concentrazioni di ossido nitroso nell’atmosfera sono

aumentate del 16% circa, contribuendo per un 4 - 6% all’accelerazione dell’effetto serra

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RIDUZIONE (MITIGAZIONE):

• EFFICIENZA

• RIDUZIONE SPRECHI

• USO FONTI RINNOVABILI

• RIDUZIONE CONSUMO CARNE, LATTICINI, UOVA (da

allevamenti intensivi)

• RIFORESTAZIONE

• RECUPERO AREE ANTROPIZZATE

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Per quanto riguarda le PdC:

a) Elementi costruttivi di un impianto a PdC >>> Efficienza

b) Fluidi frigorigeni (ODP = 0, GWP . . . .) e oli compatibili

c) Energy saving nella climatizzazione

1. MANUTENZIONE!

2. Regolazione e gestione impianti : temperature limite, umidità

relativa

3. Impianti a portata variabile

4. Freddo da recupero di calore

5. Free cooling

6. Raffrescamento adiabatico (metropolitana Milano)

7. Accumulo del freddo (del caldo) – differimento del

carico frigorifero (termico)

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Il Free Cooling

Quando l’entalpia dell’aria esterna è minore dell’entalpia dell’aria ambiente,

l’aria esterna è utilizzabile per raffreddare gratuitamente l’ambiente.

Il principio alla base del “free-cooling” è la capacità dell’aria di “catturare”

l’umidità: il contatto tra l’acqua di torre e l’aria ambiente “non satura”

all’interno della torre evaporativa porta a evaporazione parte dell’acqua di

torre che “carica” l’aria d’umidità fino alla quasi-saturazione (95%):

l’evaporazione sottrae calore al refrigerante.

Affinché ciò sia possibile occorre:

1. che il sistema di trattamento dell’aria disponga anche di un ventilatore di

espulsione, di un gruppo-plenum di espulsione/ricircolo e camera di

miscelazione.

2. che il sistema di controllo sia dotato di uno strumento in grado di rilevare

l’entalpia dell’aria in ambiente e dell’aria esterna.

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Una configurazione tipica di un impianto per “free-cooling” è la seguente:

Il “sistema indiretto”

Il “sistema indiretto” prevede l’installazione di uno scambiatore di calore acqua di torre/acqua refrigerata.

Date le temperature modeste e le pressioni basse dei due circuiti, gli scambiatori a piastre sono particolarmente idonei per questa applicazione.

Il dimensionamento dello scambiatore è di fondamentale importanza.

Il “sistema indiretto”, pur non essendo particolarmente efficiente (la presenza dello scambiatore di calore impone, a paritàdi condizioni al contorno, temperature di bulboumido dell’aria più basse), è, tuttavia, ritenuto la soluzione più efficace e affidabile, in quanto consente di isolare il circuito dell’acqua di torre dal circuito del chiller, preservando le caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua refrigerata.

Configurazione di un impianto per “free-cooling”

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Utilizzo delle FER (Fonti Energetiche Rinnovabili):

Energia elettrica da:

1. Fotovoltaico (l’accumulo o storage domestico, per il momento, non

comporta una riduzione dell’effetto serra);

2. Biomasse (biogas) e biometano (con parziale beneficio per la riduzione del CO2);

3. Eolico (pochissimo in FVG)

4. Idroelettrico (mini e micro)

Utilizzo di Energia termica da:

1. cascami termici di processi produttivi

2. aria viziata espulsa

3. Solare termico

4. fluidi di chiusura cicli di refrigerazione: centrali termoelettriche

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L’utilizzo diretto di energia da FV consente un drastico

abbattimento della CO2eq.

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Costi e vantaggi economici

� Maggiori investimenti o minor risparmio energetico annuo?

� Meglio investire prima in riduzione del fabbisogno di riscaldare o

raffreddare?

Opportunità di finanziamenti/agevolazioni

� Detrazione fiscale 50% o 65%

� Conto Termico

� Finanziamenti POR-FESR (non per privati cittadini)

� Finanziamenti regionali prima casa ex Legge regionale 19/02/2016, n.1

Interventi di manutenzione volti all’efficientamento energetico o messa a norma di impianti, anche se

realizzati su parti comuni degli edifici:

Installazione di impianti solari termici o fotovoltaici

Installazione o sostituzione di caldaie per il riscaldamento con installazione o rifacimento dei

relativi impianti . . . .

Installazione impianti geotermici.

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Costi e vantaggi economici

� Il risparmio annuo è legato al COP (EER) dell’impianto adottato e

dovrebbe oscillare tra il 50% e l’80% della spesa precedente.

� Un impianto nuovo in un’abitazione nuova – a parità di fabbisogno –

consente risparmi maggiori (temperatura di mandata inferiore) rispetto

ad un semplice retrofitting.

� Gli impianti più efficienti possono essere più ingombranti e richiedere

maggiore cura nella gestione.

� Si possono realizzare ottime soluzioni a livello condominiale con

impianto tradizionale centralizzato

� La possibilità di installare accumuli di calore (o di freddo) consentono

di utilizzare le PdC con le migliori efficienze (ore + calde o + fredde della

giornata)

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PARAMETRO “R” PER DEFINIRE IL VALORE MINIMO DEL COP

PER LA CONVENIENZA ECONOMICA DELLE POMPE DI CALORE

Esempio:

Costo elettrico = 0,25 [€/kWh]

Costo gas metano = 0,9 [€/m3]

PCI metano = 9,59 [kWh/m3]

Rendimento caldaia = 0,99 (Caldaia condensazione)

Una PdC deve avere quindi un COP > R

C’è convenienza finchè COP > 2,63

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Secondo contatore per pompa di calore

elettrica

I Distributori di energia elettrica sono tenuti a fornire un

secondo contatore dedicato per le pdc, anche trifase, con

costi inferiori del kWh, ma costi di nolo e allaccio molto alti!

Informarsi bene (insistere!) e valutare le varie opzioni per

utenze Domestiche e diverse dalle domestiche.

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• Come per ottenere i migliori (o attesi) risultati ambientali

(= risparmio di energia fossile), anche per ottenere i migliori

“payback” si deve:

� usare tecnologie e componenti affidabili;

� curare la gestione e la manutenzione (pulizia) degli impianti.

• Banale dirlo, ma questo è vero anche per gli impianti più

tradizionali: stufe a legna, caldaie a condensazione,

condizionatori split, frigo-congelatori.

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Cosa succede se . . . (pillole di esperienze personali)

� Scambiatore caldaietta a condensazione (la mia): la mancata

pulizia per 2 anni ha comportato lo smontaggio, la

disincrostazione a spazzola e poi con liquido speciale ed il

rimontaggio: 6 ore di lavoro, invece di 1 h ogni anno

� Unità interna dello split di un barbiere = condizionatore in blocco

e filtro antipolvere intasato al punto da dover essere sostituito

� guarnizioni di un congelatore a pozzetto indurite e parzialmente

sbriciolate = il compressore lavorava h 24 e l’interno era un

blocco di ghiaccio!

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Tubazioni glicole senza più isolante

Scambiatori sporchi,

tubazioni non isolate

Cosa succede se . . .

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Cosa succede se . . .

Vecchi banchi espositori di tipo mobile

I progettisti edili devono collaborare con gli

impiantisti per ottimizzare l’installazione e la

MANUTENZIONE degli impianti tecnologici!

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Riferimenti bibliografici (alcuni scaricabili da internet)

• Antonio Briganti ”Il condizionamento dell÷aria‘ (2000) — Tecniche Nuove_Milano

• Karl Breidenbach ”Manuale del freddo‘ (2004) Tecniche Nuove_Milano

• ENEA-FIRE ”Uso razionale dell÷energia — Edifici residenziali e del terziario‘ Corso per

energy manager 2006_Bologna

• Giuseppe Bisagno ”Come si costruisce un buon impianto frigorifero‘ Centro Studi

Galileo

• Aermec ”Il circuito frigorifero e le macchine per la climatizzazione‘

• AiCARR - Milano 2000 - Condizionamento, Riscaldamento, Refrigerazione: innovazioni e

tendenze - sessione: Refrigerazione: ”L'efficienza media ponderata dei gruppi

frigoriferi a compressione: la proposta AICARR per un metodo di calcolo‘ E.

Bacigalupo, C. Vecchio, M. Vio, M. Vizzotto

• ing. Roberto Savoldelli ”Pompe di calore‘ in corso per Energy Manager‘ AFOR Sas,

Milano, 2011

• www.interfred.it

• www.robur.it

• www.dimplex.de

• www.anima.it

• http://www.tecno-casa.com/it/default.aspx?level0=home (Aisin-Toyota)

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