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TECNOLOGIE PER LA

PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA

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POMPE DI CALOREPOMPE DI CALORE

L. Murgia - Dip.to Ingegneria del Territorio - Università degli Studi di Sassari

POMPA DI CALORE

Macchina termica che opera un trasferimento di calore da una temperatura piùbassa (T2) ad una più alta (T1)

T2

T1

La PdC consente di utilizzare fonti di energia gratuita (aria esterna, terreno, acqua di falda) o di scarto (fluidi di scarico di processi) e di riqualificare tale calore portandolo a temperature superiori e tali da renderlo utilmente impiegabile.Ciò avviene a spese di un lavoro esterno. T2

T1

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Pompe di calore a compressione

• azionate da motori elettrici o endotermici

• Circuito chiuso (circuito frigoriferocircuito frigorifero) all'interno del quale un fluido frigorigenoevapora e condensa sequenzialmente veicolando il calore da una sorgente fredda ad una calda

A) EVAPORATOREB) COMPRESSOREC) CONDENSATORED) VALVOLA DI LAMINAZIONE

• Fluido frigorigenoFluido frigorigeno::

evapora a bassa temperaturae pressionecondensa a temperatura epressione più elevata

Se la funzione principale della macchina è

Generare calore POMPA DI CALORE

Sottrarre calore

MACCHINA FRIGORIFERA

Le due funzioni possono coesistere (recuperatori di calore)oppure possono essere reversibili (riscaldamento invernale/raffrescamentoestivo)

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Un impianto a pompa di calore comprende:

1. organi di captazione che estraggono il calore dalla sorgente fredda

2. la pompa di calore propriamente detta

3. il circuito di distribuzione del calore ai punti di utenza (scambiatori,

pompe di circolazione, ventilatori, ecc.)

Il calore può essere ceduto all’utenza attraverso:

• Ventilconvettori, scambiatori con circolazione forzata di aria• Canalizzazioni, per il trasferimento dell’aria calda prodotta dalla pompadi calore• Serpentine inserite nel pavimento, nelle quali circola acqua calda

Le pompe di calore si classificano in funzione del tipo di sorgente-utenza

ARIA-ARIA ARIA-ACQUA ACQUA-ARIA

ACQUA-ACQUA SUOLO-ARIA SUOLO-ACQUA

Utenze

Riscaldamento ambientale (locali abitativi, di allevamento, serre)

Riscaldamento aria di processo (essiccazione di prodotti)

Deumidificazione aria (stalle, essiccatoi)

Riscaldamento acqua di processo (abbeverata, lavaggio,

preparazione alimenti, usi igienici)

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Sorgenti di calore

ARIA ESTERNA:disponibile ovunque senza limitazioniforte variabilità della temperaturaformazione di brina se la temperatura è vicina a 5-6°Cproblemi di funzionamento in estate con °t elevatebasse prestazioni

ARIA DI RECUPERO:livello termico superioreproblemi di disponibilitàcaratteristiche chimiche (corrosività, sporcizia)

ACQUA (di pozzo, fiume, lago):livello termico superioreTemperatura più costante (a. sotterranee)Problemi di disponibilitàCaratteristiche chimicheImpianti più costosi e complessi

TERRENO:livello termico discretotemperatura costante (a 8-10 m di profondità)impianto complesso (circuito con acqua glicolata)

Riscaldamento serre: da 200 a 400 tep/ha coltivato

solo PdCPdC + caldaia

Riscaldamento localizzato

In serie:PdC °Test>4 °CCaldaia T<0 °C

In parallelo:PdC riscald. localizzato

Caldaia aerotermi

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Pompe di calore geotermicheLa temperatura del terreno si mantiene pressochè costante tra10-15 °C a 10 m di profondità (+2-3 °C/100 m)

Sistemi direttiFluido intermedio acqua+glicole

Tubi captatori in materiale sintetico o rame

orizzontali interrati a 0,5-1,5 m fino a 3 m• superfice terreno 1,5-3 volte la superficie da riscaldare• distanza: 2 m dagli alberi; 1,5 m reti interrate non idrauliche; 3 m da fondazioni, pozzi, fosse settiche

verticali (sonde geotermiche)• tubi a U o a doppio U• profondità fino 100-200 m•> costi impianto

Captatori orizzontali collegatiin parallelo

Captatori verticali collegati in serie

Investimento 85-135 €/m2

Esercizio 2,50-3,50 €/m2

Investimento 145-185 €/m2

Esercizio 2,50-3,50 €/m2

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EuEm

EtoEm

EmCOPc

Si misura attraverso il Coefficiente di Prestazione (COPc), dato dal rapporto fra energia fornita al mezzo da riscaldare ed energia consumata

Eu = Energia termica utile ceduta al condensatoreEm = Energia meccanica o elettrica assorbita e trasformata in caloreEto = Energia termica assorbita dalla sorgente a bassa temperatura

EtoEm

COP 1

efficienzafrigorifera

In assenza di perdite, nelle macchine a compressione

Eu = Eto + Em

Em Eu

Eto

Energia elettrica /meccanica

Energia termica utile

Energia termica gratuita

EFFICIENZA DELLE POMPE DI CALORE

COPc COPf

Il valore max teorico del COP di una macchina reversibile che opera secondo un Ciclo di Carnot,

indicando con COPc e COPf i coefficienti di prestazione riferiti rispettivamente alla produzione di caldo

e di freddo, è

Le prestazioni di una pompa di calore risultano tanto più elevate

quanto minore è la differenza fra la temperatura (T1) del pozzo caldo ela temperatura (T2) della sorgente fredda (valore minimo 5-10°C)

ovvero, quanto minore è il livello termico del mezzo a cui va fornito calore(al condensatore) e quanto più alto quello della sorgente da cui viene assorbitocalore (all'evaporatore)

T1

T1 T2

T2

T1 T2

(T = °K)

Il COP reale è circa il 4040--70%70% di quello max teorico a causa della minor efficienza termodinamica del ciclo reale, del rendimento meccanico ed elettrico della macchina, delle variazioni dei valori di T2, del funzionamento a carichi parziali

PdC acqua/aria COP = 3,5 ÷ 7PdC aria/aria COP = 1,5 ÷ 2,5

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UTENZA

CALDAIA GASOLIO c = EU/EP = 0,75

EU= 100

EP= 133

Ed= 33

EU = Energia Utile

EP = Energia Primaria

Ed = Energia Dispersa

EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA PRIMARIA (EP)

IN SISTEMI PER LA PRODUZIONE DI CALORE

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EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA PRIMARIA (EP)CON POMPA DI CALORE

Coefficiente conversione termoelettrica

el = Eel / EP = 0,37

Coefficiente di prestazione

COP = EU / Eel

Efficienza conversione energia primaria

ep = EU/EP = COP * el

EU = Energia UtileEP = Energia Primaria

Eel = Energia elettrica

Eg = Energia gratuita

EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA PRIMARIA CON POMPA DI CALORE

Con rendimenti di caldaia Con rendimenti di caldaia cc > 0,8 la pompa di calore > 0,8 la pompa di calore èè conveniente con COP conveniente con COP ≥≥ 3 3

EU= 100

Eg= 50

EP= 135

Ed= 85

Eel=

50

COP = 2

ep = 0,74

Eel=

29

EP= 78

Eg= 71

EU= 100

Ed= 49

ep = 1,29

COP = 3,5

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VALUTARE IL CONSUMO MENSILE DI ENERGIA PRIMARIA PER IL RISCALDAMENTO DI ACQUA CALDA SANITARIA CON LE SEGUENTI TECNOLOGIE

SCALDA ACQUA ELETTRICOCALDAIA AUTONOMA A GAS METANOPOMPA DI CALORE ARIA-ACQUA CON ALIMENTAZIONE ELETTRICA

Fabbisogni: 200 l/giorno di acqua da riscaldare da 10 a 45 °C

Energia termica richiesta mensilmente:

Qmese = Qg.Cs

. T . n . 10-3= (l/g) (kJ/l °C) (°C) (g/mese) = MJ/mese

Qmese = 200 . 4,186 . (45-10) . 30 . 10-3 = 879 MJ/mese

SCALDA ACQUA ELETTRICO

Efficienza di conversione termica sa = 0,9

Consumo energia elettrica Eel = 879 / 0,9 = 976,7 MJ/mese

= 976,7/3,6 = 271 kWh/mese

Rendimento di conversione termoelettrica el = 0,37(energia primariae. elettrica)

Consumo Energia Primaria EP = 976,7 / 0,37 = 2.639,7 MJ/mese

CALDAIA A METANO

Efficienza di conversione termica c = 0,8

Consumo Energia Primaria = 879 / 0,8 = 1.098,7 MJ/mese

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- 28 %- 70 %

POMPA DI CALORE

Coefficiente di prestazione COPc = 3 (medio)

Consumo energia elettrica Eel = 879 / 3 = 293 MJ/mese

= 293/3,6 = 81,4 kWh/mese

Rendimento di conversione termoelettrica

el = 0,37 (energia primariae. elettrica)

Consumo Energia Primaria EP = 293/ 0,37 = 791,9 MJ/mese

SA EL 2.639,7 MJ/mese

C GAS 1.098,7 MJ/mese

PdC El 791,9 MJ/mese

Vantaggi ambientali riduzione emissioni CO2

Coefficiente specifico di emissione energia elettrica 0,58 kg Co2/kWh elettrico

SCALDACQUA ELETTRICO 271 * 0,58 = 157 kg/Co2 mese

POMPA DI CALORE 87,2* 0,58 = 50,6 “ “

Coefficiente specifico di emissione gas 0,25 kg Co2/kWh termico

CALDAIA A GAS 305,2 * 0,25 = 76,3 kg/Co2 mese

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approfondimentiapprofondimenti--

recuperatori di calorerecuperatori di calore

Durante la refrigerazione si disperdono nell’aria esterna circa 200 kJ (48 kcal) per ogni kg di latte raffreddato

Col recupero di calore è possibile riscaldare 1 litro di acqua caldada 10 55 °C ogni 2 litri di latte refrigerato

RECUPERO DI CALORE DALLA REFRIGERAZIONERECUPERO DI CALORE DALLA REFRIGERAZIONE

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1) gruppo frigorifero2) circuito frigorifero3) compressore4) ricevitore liquido5) ingresso acqua fredda6) uscita acqua calda7) resistenza elettrica ausiliaria

INSTALLAZIONE DEL RECUPERATORE DI CALORE INSTALLAZIONE DEL RECUPERATORE DI CALORE IN SOSTITUZIONE DEL CONDENSATOREIN SOSTITUZIONE DEL CONDENSATORE

totale recupero calore disponibilenecessita di un prelievo continuo acqua calda

INSTALLAZIONE DEL RECUPERATORE DI CALORE TRA INSTALLAZIONE DEL RECUPERATORE DI CALORE TRA COMPRESSORE E CONDENSATORE AD ARIACOMPRESSORE E CONDENSATORE AD ARIA

1. Tank refrigerante ad espansione diretta2. Compressore3. Valvola termostatica4. Condensatore ad aria5. Scambiatore di calore6. Boiler dell’acqua calda

soluzione più frequentesi recupera il 50% del caloremigliora le prestazioni del gruppo frigo

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STIMA DELL’ENERGIA RECUPERABILE

La quantità di calore teoricamente recuperabile da un litro di latte è data dalla somma del calore sottratto al latte (Ql) e di quello prodotto dal lavoro di compressione (Qc).

Ql = csl * (tlf - tli)

dove:csl = calore specifico del latte (3,9 kJ/kg °C = 0,93 kcal/kg °C)tlf = temperatura finale del latte, 4 °Ctli = temperatura iniziale del latte, 35 °C

Per ogni litro di latte refrigerato da 35 a 4°C si possono recuperare

Ql = 3,9 * 31 = 121 kJ/l

Considerando che la spesa di energia elettrica relativa alla refrigerazione si può stimare mediamente in 20 Wh/l di latte,cioé 72 kJ/l, e che circa il 13-15% del calore viene disperso infase di compressione, la quantità di energia teoricamente recuperabile dal lavoro del compressore sarà pari a:

Qc = 72 * 0,85 = 61,2 kJ/l

L’energia totale disponibile sarà data da:

QT = (Ql + Qc) * s

s rappresenta il rendimento del sistema di recupero, il cui valore si aggira in media intorno ad un valore di 0,4- 0,5.

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Si può quindi stimare l’energia realmente utilizzabile, per ogni litro di

latte refrigerato, per il riscaldamento dell’acqua:

QT = (121 + 61,2) * 0,45 = 82 kJ/l

Dato QT, possiamo calcolare il volume di acqua riscaldabile (Va)

dove: csa = calore specifico dell'acqua, pari a 4,186 kJ/l (1 kcal/l)t2 = temperatura finale dell'acqua (°C)t1 = temperatura iniziale dell'acqua (°C)

Va varia in funzione della temperatura finale che vogliamo ottenere)t - ( t c

T 12sa

QVa = (litri)

Va varia in funzione della temperatura finale t2 che vogliamo ottenere

Se la temperatura iniziale dell’acqua è t1=10°C e dobbiamo refrigerare 500 l di

latte, possiamo disporre di 41.000 kJ di energia, sufficienti a riscaldare un

volume d‘acqua pari a:

se t2 = 40°C

Va = 41000 kJ/ (4,186 kJ/l °C . 30 °C) = 326 litri di acqua

se t2 = 50 °C

Va = 244 litri di acqua

Nel primo caso si riuscirà ad ottenere 1 litro di acqua a 40°C ogni 1,5 l di latte

refrigerato, nel secondo otterremo 1 litro di acqua a 50°C ogni 2 l di latte.