Pompe di Calore e Solare Termico

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Università degli Studi di Torino

Facoltà di Scienze MFN Corso di Laurea in FisicaAnno accademico 2008/2009

Relatore: Paolo Gambino Candidato: Marco Pecoraro

Sommario Introduzione

Obbiettivi Impianto Simulazione

Pompa di Calore Ciclo termodinamico Prestazioni Energetiche

Collettore Solare Calcolo Irraggiamento Solare Rendimento

Fabbisogno Termico Abitazione

Mathematica Simulazione con 5 mq di Collettori solari Simulazione con 10 mq di Collettori solari

Conclusioni

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Pompa di Calore e Solare Termico La pompa di calore: trasferimento di calore da un corpo a

temperatura più bassa (sorgente fredda) ad un corpo a temperatura più alta (detto pozzo caldo).

Il principio di funzionamento è lo stesso principio di un normale frigorifero

Combinazione con solare termico: il sole riduce il conto energetico e la dipendenza da fonti fossili.

Problema: In inverno il sole è sufficiente?

Pannelli radianti: temperature più basse, ulteriore vantaggio energetico e minori dispersioni termiche

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Simulazione Scritta con MathematicaCaratteristiche e Obbiettivi:

Input: Coordinate Inclinazione Superficie Fabbisogno

Simulazione con dati ambientali reali, istantanei (no medie)

Andamento della temperatura del serbatoio in un dato periodo

Dimensionamento dell’impianto

Bilancio energetico4

Schema Impianto

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Pompa di Calore Pompa di Calore: Ciclo di Carnot in

senso inverso

CompressioneVapore bassa pressione Vapore alta pressione

CondensazioneVapore alta pressione Liquido

Valvola di Espansione (Laminazione):Liquido Liquido

Evaporazione:Liquido Vapore bassa pressione

1. Fornendo energia con il compressore al fluido questo, nell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.

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Prestazioni Energetiche

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nel ciclo della pompa di calore il fluido compie un intero ciclo termodinamico di Carnot

Il calore fornito da una pompa di calore è idealmente la somma del calore estratto dalla sorgente e l’energia necessaria a far funzionare il ciclo.

Si Definisce C.O.P. (dall’inglese Coefficient of Performance) il rapporto tra l’energia utile e l’energia in ingresso

COP ideale: determinato solo dalle temperature di condensazione ed evaporazione:Più queste temperature sono vicine, più alto è il COP

Da qui nasce l’importanza di utilizzare una fonte gratuita, il solare, come preriscaldatore e un sistema di riscaldamento a bassa temperatura

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2

12

22)(..TT

T

QQ

Q

L

QidealePOC

−=

−==

LQQ += 12

2Q

1Q

Prestazioni Energetiche

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Il COP di una pompa di calore attuale varia da 0.3 a 0.5 volte il COP ideale per piccoli modelli e da 0.5 a 0.7 per sistemi grandi e molto efficienti

Al variare della temperatura di condensazione, il rapporto tra il COP ideale e quello reale rimane all’incirca costante

Nella simulazione, il COP è stato stimato come 0.5 volte il COP di una pompa di calore ideale

Collettore Solare

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Il collettore solare cattura l'energia solare irradiata per riscaldare direttamente l’acqua contenuta in un serbatoio

Il rendimento teorico è dato dall’equazione di Bliss:

Curva di efficienza collettore in esame:

Conoscendo il rendimento e l’irraggiamento solare, si può calcolare il calore utile fornito dal collettore all’acqua del serbatoio come:

IS

TTba

Sai

⋅−

−=⋅

=)(

IQuη

C

QT u=Δ

Radiazione Diretta Incidente su una Superficie Inclinata

Radiazione diretta intercettata dalla superficie: I0 = radiazione diretta su superficie orizzontale θ= di incidenza che i raggi solari formano

con la normale alla superficie

Cos(θ) dipende da molteplici fattori: inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale σ

azimut γ (positivo verso est , negativo verso ovest, nullo per orientazione a sud)

Angolo orario (nullo a mezzogiorno, positivo al mattino e negativo la sera, variando di 15° ogni ora)

Declinazione (Il suo valore, positivo in estate e negativo in inverno, varia fra +23° 26' e -23° 26'.)

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)cos(0 ϑII =

Andamento Temperatura Tc Simulazione scritta con Mathematica: ciclo che ad ogni step

calcola usando

Come controllo si è calcolato l’andamento analitico di del solo sistema collettore-cisterna (Ta , I costanti)

Confronto con l’ andamento ottenuto dalla simulazione

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1)( CeB

AT tBt

−+=

)(tTc

)( dttTc + )(tTc

)()(

)])(([11

))()((

tt

a

TBAdt

dT

dtSTtTbIaC

dtSIC

tTdttT

−=

⋅⋅−⋅−⋅=⋅⋅⋅=−+ η

Fabbisogno Termico Abitazione

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Classe energetica A: < 30 Kwh/mq annuo = < 3 litri gasolio/mq annuo Classe energetica B: tra 31-50 Kwh/mq annuo = 3,1-5 litri gasolio/mq annuo Classe energetica C: tra 51-70 Kwh/mq annuo = 5,1-7 litri gasolio/mq annuo Classe energetica D: tra 71-90 Kwh/mq annuo = 7,1-9 litri gasolio/mq annuo Classe energetica E: tra 91-120 Kwh/mq annuo = 9,1-12 litri gasolio/mq annuo Classe energetica F:tra 121-160 Kwh/mq annuo = 12,1-16 litri gasolio/mq annuo Classe energetica G: > 160 Kwh/mq annuo = > 16 litri gasolio/mq annuo

Classificazione energetica degli edifici: consente di attribuire alle abitazioni una classe, dalla più virtuosa energeticamente, e quindi economicamente, alla più dispendiosa

Nella simulazione si è considerata un abitazione media, di 100 m2 in classe D, con un fabbisogno annuo Fa di 85 kWh/m2

Stima del fabbisogno energia istantaneo F:

con c costante di proporzionalitàstimata su temperatura media mesi invernali

)( ambapp TTcF −=

)( ambapp

a

TThn

SFc

−⋅⋅⋅

=

Dicembre 2008 – Febbraio 2009 Input:

Pannelli: 5 mq Cisterna: 1500 l Inclinazione: 55° Step: 1 minuto

Energia totale speso: 944.598 kWh

Energia totale spesa solo pompa di calore:1051.99 kWh

Irraggiamento medio: 252.051 W/mq

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][ CTc °

Dicembre 2008 Input:


Energia spesa: 220.791 kWh

Energia spesa solo pompa di calore: 297.486 kWh


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][ CTc °

Gennaio 2009 Input:



Energia spesa solo pompa di calore: 403.739 kWh


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][ CTc °

Febbraio 2009 Input:



Energia spesa solo pompa di calore:

300.307 kWh

Irraggiamento medio: 275.01 W/mq 16

][ CTc °

Febbraio 2009 Input:



Energia spesa solo pompa di calore:

300.307 kWh

Irraggiamento medio: 275.01 W/mq 17

Totale 3 mesi: Energia totale spesa: 701.504 kWh Solo pompa di calore: 1001.532 kWh Irraggiamento medio: 254.50 W/mq

][ CTc °

Confronto con altre Fonti di Energia

Stima costi: Costo Elettricità: circa 0,135 € /kWh Energia Totale consumata : 701.504 kWh ~ 95 € Solo pompa di calore: 1001.532 kWh ~ 135 €

Fabbisogno 3 mesi: 4250 kWh (normali termosifoni)

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Fonte di Energia

Prezzo per kWh

Costo totale per i 3 mesi considerati

Gasolio 0,093 € 395 €

Gas metano 0,067 € 285 €

Elettricità 0,135 € 574 €

Teleriscaldamento

0,086 € 365€

Pellets 0,048 € 204€

Conclusioni Impianto Pompa di calore + Pannelli Radianticosto: ~ 280 € /anno

Collettori da 10 mq Energeticamente efficiente: i collettori soddisfano ~ 1/3

dell’ energia richiesta dalla pompa di calore Prezzo collettori: ~ 300 € /mq Risparmio annuale ~ 100 €/anno

Limiti Programma : Ipotesi semplificative

Irraggiamento diretto Rendimento ideale Fabbisogno

Mancanza Metodo di Calcolo Dimensionamento Impianto Codice non ottimizzato: Alti tempi di Elaborazione Elaborazione su più inverni

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BibliografiaHeat pump performance

Ref: http://www.heatpumpcentre.org/About_heat_pumps/HP_performance.asp

Confronto prezzi combustibili per riscaldamento Ref: http://www.centroconsumatori.it/40v26395d28081.html

Calcolo Irraggiamento solare, efficienza collettoreRef: Dispense Prof. Ing. Bernardo Fortunato, Politecnico di Bari

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