Sistemi a circuito aperto e chiuso: paragone impiantistico ... - Sinergeo

Sistemi a circuito aperto e chiuso:
paragone impiantistico, energetico ed
economico
Alberto Cavallini alcav@unipd.it
Dip. Fisica Tecnica, Università di Padova
TiFS Ingegneria s.r.l. - Padova

POMPA DI CALORE
Il principio di funzionamento di una pompa di calore a compressione
è assolutamente analogo a quello di un refrigeratore. Cambia solo
l’effetto che si sfrutta: nel refrigeratore è l’asporto di calore
all’evaporatore; nella pompa di calore è la cessione di calore al
condensatore
Sorgente
fredda Serbatoio caldo

Prestazioni ideali e reali di Pompe di Calore a trascinamento elettrico
Coefficiente di prestazione COP h [-]
15
10
5
0
COP
h
Potenza termica prodotta
Potenza elettrica assorbita
Valori di COPh
conseguibili nella pratica
Teorico massimo (Carnot)
Temperatura di
serbatoio caldo T =
h 60°C
20 30 40 50 60
Innalzamento di temperatura [°C]
(sorgente fredda serbatoio caldo)
Grandi pompe di calore elettriche moderne
Unità commerciali/residenziali ad alta efficienza
Piccole unità domestiche

COP
CA, h
CA, h
T
c
T T
c f
COPCA, h
T
T1 c
COP T
COPCA, h
T
TT f f 1
COP T T
CA, h c
Ciclo inverso di Carnot
Modalità: Pompa di Calore
Con temperatura della sorgente
fredda di 7 °C (T f = 280 K) e
ΔT=40 °C (T c =320 K), ogni grado
centigrado di aumento della
differenza di temperatura ΔT porta
rispettivamente ad una
diminuzione del coefficiente di
prestazione COP CA del 2,5 % a T c
costante, e di circa il 2,2 % a T f
costante.

COP
CA, c
T
f
T T
c f
COPCA, c
T
TT1 c c
COP T T
CA, c f
COPCA, c
T
Tf1
COP T
CA, c
Ciclo inverso di Carnot
Modalità: Refrigeratore
Potenza frigorifera prodotta
COPc
Potenza elettrica assorbita

Carbone: 0,36 kg(CO 2 )
Petrolio: 0,27 kg(CO 2 )
Gas Naturale 0,20 kg(CO 2 )

Produzione di CO 2 nella generazione di energia elettrica
0,94 kg CO2 se carbone
0,71 kg CO2 se olio combustibile
0,53 kg CO2 se gas naturale
0,00 kg CO2 se idroelettrico o nucleare
2,64 kWh t 1,07 kWh e 1,00 kWh e
(Rendimento termico dell’impianto termoelettrico η t = 0,405; perdite in rete 6,4%.
Si tratta dei dati medi della rete ENEL nel 2004)

Caldaia a condensazione
con rendimento termico
η t = 1
1 Stm 3
di gas
9,45 kWh t
9,45 kWh t 9,45
kWh t
1,86 kg
CO 2
Rendimento termico
medio anno 2004
in centrale
η t =0,405
1,86 kg
CO 2
3,83
kWh e
Perdite medie in rete
anno 2004
6,4 %
3,58
kWh e
9,45
kWh t
Pompa di calore
con COP c = 9,45/3,58
COP c =2,64
3,58 kWh e

Coefficiente di prestazione COP h * di una pompa di calore
a trascinamento elettrico corrispondente,
in termini di consumo di energia primaria,
all’alternativa tradizionale di un impianto
con generatore di calore.
Perdite rete
COP
*
h
1
R Cst 860
Consumo
specifico,
kcal/kWh e
Rendimento
generatore di calore
πR ηt Cs Riferimento COPh*
0,064 1 1870 Delibera EEN 3/08 (0,187 10 -3 tep/kWhe) 2,31
0,064 1 1898 ENEL, T.E. a gas naturale, 2004 2,35
0,064 1 2125 ENEL, T.e. medio, 2004 2,63
0,064 1 2200 Riferimento statistiche energetiche 2,72
0,064 1 2400 MICA, circolare 219/F – AT o MT 2,97
0,064 1 2500 MICA, circolare 219/F – BT 3,09

EMISSIONE DI CO 2 PER LA
GENERAZIONE ELETTRICA (kg /kWh )
Europa Ovest 0,391
Precedente USSR 0,367
Europa non OEDC 0,584
Medio Oriente 0,672
USA
0,610
Canada 0,225
Nuova Zelanda 0,167
Australia 0,885
Giappone 0,389
Africa
0,705
Asia
0,772
Cina
1,049
America Latina 0,189
co e
2
Austria 0,187 kg(CO2 )/kWhe Francia 0,078
Germania 0,512
Italia 0,527
Norvegia 0,003
Svezia 0,041
U.K. 0,507
Giappone 0,389
Sud Africa 0,941
Nuova Zelanda 0,167
In Italia, una caldaia
a condensazione (η t = 1)
ed una p. di c. elettrica
si equivalgono
in termini di emissione di CO 2
quando
COP h ≈ 2,64

Coefficiente di prestazione COP h ** di una pompa di calore
a trascinamento elettrico corrispondente,
in termini di emissione in atmosfera di CO 2 ,
all’alternativa tradizionale di un impianto
con generatore di calore.
Intensità CO 2
nella generazione elettrica
kg CO2 /kWh e
COP
PCI
** co2 t
h
CO2
Potere calorifico utile
del combustibile, kWh e /kg (o m 3 )
PCI ηt βCO2 αCO2 Riferimento COPh**
9,45 1 1,86 0,527 Italia, corrente 2,68
9,45 1 1,86 0,59 Italia, senza importazione 3,00
9,45 1 1,86 0,078 Francia 0,40
9,45 1 1,86 1,049 Cina 5,33
Rendimento
generatore di calore
CO 2 nella
combustione del
combustibile,
kg CO2 / kg (o m 3 )

Influenza delle temperature della sorgente fredda e del
serbatoio caldo sulle prestazioni di una p. di c.
Coefficiente di prestazione COP h [-]
COP h =2,61
15
10
5
0
Valori di COPh
conseguibili nella pratica
Teorico massimo (Carnot)
Temperatura di
serbatoio caldo T =
h 60°C
20 30 40 50 60
Innalzamento di temperatura [°C]
(sorgente fredda serbatoio caldo)
Grandi pompe di calore elettriche moderne
Unità commerciali/residenziali ad alta efficienza
Piccole unità domestiche
COP h =3

Energia geotermica
Definizione: è l’energia estraibile in forma di calore sotto la superficie
della crosta terrestre (VDI 4640)
Temperature
nella Terra
Temperatura
in gradi
Celsius
Temperatura nella Terra
Profondità in
kilometri

GCHP
Ground Coupled Heat Pumps
Aka: closed loop heat pumps
GWHP
Ground Water Heat Pumps
Aka: open loop heat pumps
SWHP
Surface Water Heat Pumps
Aka: pond loop heat pumps
POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
verticale orizzontale
stagno
doppio
pozzo
singolo
pozzo
POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
indiretto
diretto
PRESE IN CONSIDERAZIONE
stagno
a spirale
scarico in
acque
superficiali

Scambiatore a terreno a sonda verticale singola
ACS
Pompa di
calore
Scambiatore
a terreno
Pannello
radiante a
pavimento

Sonda: verticale, a singolo U
Flusso fluido termovettore: in parallelo
Tipica dimensione tubo: ¾ , 1 in
collettore: 1½, 2 in
Lunghezza pratica sonda: 15 - 20 m/kW
Lunghezza pratica tubo: 30 - 40 m/kW

Pompa
Pompa di calore geotermica GCHP ibrida
PdC
interne
PdC
perimetro
Edificio
Torre evaporativa
a circuito chiuso
Campo sonde
geotermiche

Pali energetici
Parete del palo
Tubazioni per
scambio
termico
Gabbia
(armatura)

Palo energetico

Sistemi antighiaccio nei viadotti stradali
Pompe
Scambiatori di
calore a
terreno
Viadotto
stradale

Pozzo di
produzione
Impianto a pompe di calore
/ refrigeratori d’acqua
distribuiti
Pompe di
calore
Scambiatore di
calore
Pompa di circolazione
Pozzo di
iniezione

Impianto centralizzato a pompa di
calore/refrigeratore d’acqua

Scambiatore di calore a piastre

POMPE DI CALORE AD ACQUA DI FALDA - STRATEGIE
Preparazione: scavare e fare le prove sui pozzi come attività preliminare
Informazione: analisi chimica dell’acqua, dati di deflusso dei pozzi,
esperienze locali con l’acqua di falda
Disaccoppiamento: separare i circuiti di pozzo e di macchina con
scambiatore a piastre (a guarnizioni) con approccio 1 - 2 °C
Ottimizzazione: determinare le portate di progetto sulla base
dell’ottimizzazione delle prestazioni energetiche dell’impianto (tipicamente
0,018 - 0,030 L/(s kW)
Pressurizzazione: mantenere il circuito dell’acqua di pozzo pieno in tutte le
circostanze: impiego di valvola di pressurizzazione sullo scarico
Filtrazione: rimuovere il particolato trasportato, almeno fino al 90%, con
filtri meccanici
Reimmissione: il pozzo di restituzione con tubazione sotto il livello di falda
Separazione: opportuna distanza tra il pozzo di presa e quello di mandata,
col pozzo di restituzione a valle rispetto al pozzo di presa in relazione al
moto naturale della falda

Distanza [m] tra pozzo di presa e pozzo di iniezione per
evitare importante interferenza termica
Spessore falda, m 6 12
Tempo, giorni 100 140 200 280 100 140 200 280
Portata media, L/s
1,3 40 47 54 60 33 38 46 54
3,8 72 82 95 107 58 66 80 93
6,3 94 108 125 140 75 87 103 120
12,6 - - - - 108 125 148 170
Spessore falda, m 24 30
Tempo, giorni 100 140 200 280 100 140 200 280
Portata media, L/s
1,3 25 30 36 42 24 27 32 37
3,8 45 52 63 74 40 47 56 66
6,3 58 67 81 95 52 60 73 85
12,6 81 94 115 136 73 86 105 123
32 128 150 178 205 116 136 162 187
63 180 208 252 296 165 193 230 268
I dati di tabella si riferiscono a terreno con porosità 20 %.
Per terreni con valori di porosità 10 % oppure 30 %, rispettivamente aumentare e diminuire le
distanze di cui sopra del 5 %.

Tecnologia ATES – Aquifer Thermal Energy Storage
Pozzo
Freddo
STAGIONE ESTIVA STAGIONE INVERNALE
RAFFREDDAMENTO RISCALDAMENTO
Falda Falda
Pozzo
Caldo
Pozzo
Freddo
Pozzo
Caldo

Non è naturalmente possibile generalizzare in senso
assoluto il confronto tra sistemi a circuito aperto ed a
circuito chiuso, molto dipendendo dalla particolare
situazione esaminata e dai criteri progettuali e di gestione
adottati, per non parlare dei vincoli normativi localmente
esistenti.
È comunque possibile delineare tendenze per alternative
impiantistiche GCHP (sonde verticali) / GWHP finalizzate
allo stesso obiettivo ed in equivalente favorevole situazione
di fattibilità

Temperatura dell’acqua (o
soluzione incongelabile) del
circuito esterno che alimenta la
pompa di calore (1)
Per impianti GCHP una soluzione di compromesso, derivante
da considerazioni di ottimizzazione globale, suggerisce di
fissare il valore della temperatura di progetto dell’acqua del
circuito esterno all’ingresso della pdc t wi da 10 a 16 K
superiore alla temperatura indisturbata del terreno per la
stagione del raffreddamento (estate), e da 6 a 11 K più bassa
della temperatura indisturbata del terreno per la stagione di
riscaldamento (inverno). Questi dati si applicano
naturalmente al funzionamento nelle condizioni di progetto, e
si attenuano ai carichi parziali.
Per impianti GCWP l’approccio di temperatura nello
scambiatore di separazione tra acqua di falda e acqua di
alimentazione alla pdc è di 1,5 – 2 K.

Temperatura dell’acqua (o
soluzione incongelabile) del
circuito esterno che alimenta la
pompa di calore (2)
Ne consegue che gli impianti GWHP presentano in genere
condizioni di lavoro più favorevoli, sotto il profilo del consumo
d’energia della sola pompa di calore. Nella stagione estiva
inoltre si può ricorrere al free cooling in più numerose
circostanze di quanto sia possibile con impianti GCHP
(preraffreddamento dell’aria primaria, attivazione termica
della massa…)
Sotto questo profilo possono essere particolarmente
penalizzati gli impianti GCHP che per ragioni di valori di
temperatura locale e scelta progettuale devono operare con
acqua glicolata nel circuito sonde, o per cui la deriva positiva
di temperatura del terreno è particolarmente elevata (carichi
termici stagionali fortemente squilibrati)

Energia di pompaggio
(circuito/i esterno/i)
L’energia di pompaggio dell’acqua / acqua glicolata del
circuito (o circuiti) esterni non è mai trascurabile rispetto
all’energia richiesta dalla pompa di calore, e deve sempre
essere considerata nella valutazione globale energetica
dell’impianto, in particolare quando i circuiti esterni sono
strutturati a portata costante.
Sotto questo aspetto sono in genere penalizzati gli impianti
GWHP (doppio circuito esterno), in particolare per quanto
riguarda il circuito dell’acqua di falda, quando le condizioni
non sono favorevoli (basso livello naturale della falda, elevato
ribassamento all’estrazione, posizionamento dello
scambiatore in quota).

Energia di pompaggio
(circuito/i esterno/i)
In condizioni sfavorevoli, il vantaggio energetico degli
impianti GWHP per più vantaggiose condizioni di
temperatura di alimentazione della pdc, possono essere
fortemente attenuate od anche completamente sovvertite
dalla maggior necessità di energia di pompaggio per i circuiti
esterni.
In queste circostanze, deve sempre essere presa in
considerazione la portata variabile per il circuito dell’acqua di
falda.
La pianura veneta presenta condizioni in genere favorevoli
agli impianti GWHP.

Costi di investimento
Il vantaggio sostanziale degli impianti GWHP si
manifesta usualmente nella drastica riduzione delle
spese di investimento, tanto più marcata quanto
maggiore è la taglia dell’impianto. Per la sola parte
esterna dell’installazione, i costi di impianti GWHP sono
da un terzo fino a quattro volte inferiori a quelli di un
equivalente impianto GCHP, sostanzialmente in
funzione della potenza di progetto (dati recenti US).
Per questa sezione d’impianto, il costo GCHP è
fondamentalmente proporzionale alla potenza di
progetto, mentre per GWHP il costo unitario diminuisce
drasticamente con la potenza di progetto.

Sistemi a circuito aperto e chiuso:
paragone impiantistico, energetico ed
economico
Alberto Cavallini alcav@unipd.it
Dip. Fisica Tecnica, Università di Padova
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