Sistemi a circuito aperto e chiuso: paragone impiantistico ... - Sinergeo
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<strong>Sistemi</strong> a <strong>circuito</strong> <strong>aperto</strong> e <strong>chiuso</strong>:<br />
<strong>paragone</strong> <strong>impiantistico</strong>, energetico ed<br />
economico<br />
Alberto Cavallini alcav@unipd.it<br />
Dip. Fisica Tecnica, Università di Padova<br />
TiFS Ingegneria s.r.l. - Padova
POMPA DI CALORE<br />
Il principio di funzionamento di una pompa di calore a compressione<br />
è assolutamente analogo a quello di un refrigeratore. Cambia solo<br />
l’effetto che si sfrutta: nel refrigeratore è l’asporto di calore<br />
all’evaporatore; nella pompa di calore è la cessione di calore al<br />
condensatore<br />
Sorgente<br />
fredda Serbatoio caldo
Prestazioni ideali e reali di Pompe di Calore a trascinamento elettrico<br />
Coefficiente di prestazione COP h [-]<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
COP<br />
h<br />
Potenza termica prodotta<br />
<br />
Potenza elettrica assorbita<br />
Valori di COPh<br />
conseguibili nella pratica<br />
Teorico massimo (Carnot)<br />
Temperatura di<br />
serbatoio caldo T =<br />
h 60°C<br />
20 30 40 50 60<br />
Innalzamento di temperatura [°C]<br />
(sorgente fredda serbatoio caldo)<br />
Grandi pompe di calore elettriche moderne<br />
Unità commerciali/residenziali ad alta efficienza<br />
Piccole unità domestiche
COP<br />
CA, h<br />
CA, h<br />
<br />
T<br />
c<br />
T T<br />
c f<br />
COPCA, h <br />
<br />
T<br />
<br />
T1 c <br />
COP T<br />
COPCA, h <br />
<br />
T<br />
<br />
TT f f 1<br />
<br />
COP T T<br />
CA, h c<br />
Ciclo inverso di Carnot<br />
Modalità: Pompa di Calore<br />
Con temperatura della sorgente<br />
fredda di 7 °C (T f = 280 K) e<br />
ΔT=40 °C (T c =320 K), ogni grado<br />
centigrado di aumento della<br />
differenza di temperatura ΔT porta<br />
rispettivamente ad una<br />
diminuzione del coefficiente di<br />
prestazione COP CA del 2,5 % a T c<br />
costante, e di circa il 2,2 % a T f<br />
costante.
COP<br />
CA, c<br />
<br />
T<br />
f<br />
T T<br />
c f<br />
COPCA, c <br />
<br />
T<br />
<br />
TT1 c c <br />
COP T T<br />
CA, c f<br />
COPCA, c <br />
<br />
T<br />
<br />
Tf1 <br />
COP T<br />
CA, c<br />
Ciclo inverso di Carnot<br />
Modalità: Refrigeratore<br />
Potenza frigorifera prodotta<br />
COPc<br />
<br />
Potenza elettrica assorbita
Carbone: 0,36 kg(CO 2 )<br />
Petrolio: 0,27 kg(CO 2 )<br />
Gas Naturale 0,20 kg(CO 2 )
Produzione di CO 2 nella generazione di energia elettrica<br />
0,94 kg CO2 se carbone<br />
0,71 kg CO2 se olio combustibile<br />
0,53 kg CO2 se gas naturale<br />
0,00 kg CO2 se idroelettrico o nucleare<br />
2,64 kWh t 1,07 kWh e 1,00 kWh e<br />
(Rendimento termico dell’impianto termoelettrico η t = 0,405; perdite in rete 6,4%.<br />
Si tratta dei dati medi della rete ENEL nel 2004)
Caldaia a condensazione<br />
con rendimento termico<br />
η t = 1<br />
1 Stm 3<br />
di gas<br />
9,45 kWh t<br />
9,45 kWh t 9,45<br />
kWh t<br />
1,86 kg<br />
CO 2<br />
Rendimento termico<br />
medio anno 2004<br />
in centrale<br />
η t =0,405<br />
1,86 kg<br />
CO 2<br />
3,83<br />
kWh e<br />
Perdite medie in rete<br />
anno 2004<br />
6,4 %<br />
3,58<br />
kWh e<br />
9,45<br />
kWh t<br />
Pompa di calore<br />
con COP c = 9,45/3,58<br />
COP c =2,64<br />
3,58 kWh e
Coefficiente di prestazione COP h * di una pompa di calore<br />
a trascinamento elettrico corrispondente,<br />
in termini di consumo di energia primaria,<br />
all’alternativa tradizionale di un impianto<br />
con generatore di calore.<br />
Perdite rete<br />
COP<br />
*<br />
h<br />
<br />
1<br />
R Cst 860<br />
<br />
Consumo<br />
specifico,<br />
kcal/kWh e<br />
Rendimento<br />
generatore di calore<br />
πR ηt Cs Riferimento COPh*<br />
0,064 1 1870 Delibera EEN 3/08 (0,187 10 -3 tep/kWhe) 2,31<br />
0,064 1 1898 ENEL, T.E. a gas naturale, 2004 2,35<br />
0,064 1 2125 ENEL, T.e. medio, 2004 2,63<br />
0,064 1 2200 Riferimento statistiche energetiche 2,72<br />
0,064 1 2400 MICA, circolare 219/F – AT o MT 2,97<br />
0,064 1 2500 MICA, circolare 219/F – BT 3,09
EMISSIONE DI CO 2 PER LA<br />
GENERAZIONE ELETTRICA (kg /kWh )<br />
Europa Ovest 0,391<br />
Precedente USSR 0,367<br />
Europa non OEDC 0,584<br />
Medio Oriente 0,672<br />
USA<br />
0,610<br />
Canada 0,225<br />
Nuova Zelanda 0,167<br />
Australia 0,885<br />
Giappone 0,389<br />
Africa<br />
0,705<br />
Asia<br />
0,772<br />
Cina<br />
1,049<br />
America Latina 0,189<br />
co e<br />
2<br />
Austria 0,187 kg(CO2 )/kWhe Francia 0,078<br />
Germania 0,512<br />
Italia 0,527<br />
Norvegia 0,003<br />
Svezia 0,041<br />
U.K. 0,507<br />
Giappone 0,389<br />
Sud Africa 0,941<br />
Nuova Zelanda 0,167<br />
In Italia, una caldaia<br />
a condensazione (η t = 1)<br />
ed una p. di c. elettrica<br />
si equivalgono<br />
in termini di emissione di CO 2<br />
quando<br />
COP h ≈ 2,64
Coefficiente di prestazione COP h ** di una pompa di calore<br />
a trascinamento elettrico corrispondente,<br />
in termini di emissione in atmosfera di CO 2 ,<br />
all’alternativa tradizionale di un impianto<br />
con generatore di calore.<br />
Intensità CO 2<br />
nella generazione elettrica<br />
kg CO2 /kWh e<br />
COP<br />
PCI <br />
<br />
** co2 t<br />
h<br />
CO2<br />
Potere calorifico utile<br />
del combustibile, kWh e /kg (o m 3 )<br />
PCI ηt βCO2 αCO2 Riferimento COPh**<br />
9,45 1 1,86 0,527 Italia, corrente 2,68<br />
9,45 1 1,86 0,59 Italia, senza importazione 3,00<br />
9,45 1 1,86 0,078 Francia 0,40<br />
9,45 1 1,86 1,049 Cina 5,33<br />
Rendimento<br />
generatore di calore<br />
CO 2 nella<br />
combustione del<br />
combustibile,<br />
kg CO2 / kg (o m 3 )
Influenza delle temperature della sorgente fredda e del<br />
serbatoio caldo sulle prestazioni di una p. di c.<br />
Coefficiente di prestazione COP h [-]<br />
COP h =2,61<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Valori di COPh<br />
conseguibili nella pratica<br />
Teorico massimo (Carnot)<br />
Temperatura di<br />
serbatoio caldo T =<br />
h 60°C<br />
20 30 40 50 60<br />
Innalzamento di temperatura [°C]<br />
(sorgente fredda serbatoio caldo)<br />
Grandi pompe di calore elettriche moderne<br />
Unità commerciali/residenziali ad alta efficienza<br />
Piccole unità domestiche<br />
COP h =3
Energia geotermica<br />
Definizione: è l’energia estraibile in forma di calore sotto la superficie<br />
della crosta terrestre (VDI 4640)<br />
Temperature<br />
nella Terra<br />
Temperatura<br />
in gradi<br />
Celsius<br />
Temperatura nella Terra<br />
Profondità in<br />
kilometri
GCHP<br />
Ground Coupled Heat Pumps<br />
Aka: closed loop heat pumps<br />
GWHP<br />
Ground Water Heat Pumps<br />
Aka: open loop heat pumps<br />
SWHP<br />
Surface Water Heat Pumps<br />
Aka: pond loop heat pumps<br />
POMPE DI CALORE GEOTERMICHE<br />
verticale orizzontale<br />
stagno<br />
doppio<br />
pozzo<br />
singolo<br />
pozzo<br />
POMPE DI CALORE GEOTERMICHE<br />
indiretto<br />
diretto<br />
PRESE IN CONSIDERAZIONE<br />
stagno<br />
a spirale<br />
scarico in<br />
acque<br />
superficiali
Scambiatore a terreno a sonda verticale singola<br />
ACS<br />
Pompa di<br />
calore<br />
Scambiatore<br />
a terreno<br />
Pannello<br />
radiante a<br />
pavimento
Sonda: verticale, a singolo U<br />
Flusso fluido termovettore: in parallelo<br />
Tipica dimensione tubo: ¾ , 1 in<br />
collettore: 1½, 2 in<br />
Lunghezza pratica sonda: 15 - 20 m/kW<br />
Lunghezza pratica tubo: 30 - 40 m/kW
Pompa<br />
Pompa di calore geotermica GCHP ibrida<br />
PdC<br />
interne<br />
PdC<br />
perimetro<br />
Edificio<br />
Torre evaporativa<br />
a <strong>circuito</strong> <strong>chiuso</strong><br />
Campo sonde<br />
geotermiche
Pali energetici<br />
Parete del palo<br />
Tubazioni per<br />
scambio<br />
termico<br />
Gabbia<br />
(armatura)
Palo energetico
<strong>Sistemi</strong> antighiaccio nei viadotti stradali<br />
Pompe<br />
Scambiatori di<br />
calore a<br />
terreno<br />
Viadotto<br />
stradale
Pozzo di<br />
produzione<br />
Impianto a pompe di calore<br />
/ refrigeratori d’acqua<br />
distribuiti<br />
Pompe di<br />
calore<br />
Scambiatore di<br />
calore<br />
Pompa di circolazione<br />
Pozzo di<br />
iniezione
Impianto centralizzato a pompa di<br />
calore/refrigeratore d’acqua
Scambiatore di calore a piastre
POMPE DI CALORE AD ACQUA DI FALDA - STRATEGIE<br />
Preparazione: scavare e fare le prove sui pozzi come attività preliminare<br />
Informazione: analisi chimica dell’acqua, dati di deflusso dei pozzi,<br />
esperienze locali con l’acqua di falda<br />
Disaccoppiamento: separare i circuiti di pozzo e di macchina con<br />
scambiatore a piastre (a guarnizioni) con approccio 1 - 2 °C<br />
Ottimizzazione: determinare le portate di progetto sulla base<br />
dell’ottimizzazione delle prestazioni energetiche dell’impianto (tipicamente<br />
0,018 - 0,030 L/(s kW)<br />
Pressurizzazione: mantenere il <strong>circuito</strong> dell’acqua di pozzo pieno in tutte le<br />
circostanze: impiego di valvola di pressurizzazione sullo scarico<br />
Filtrazione: rimuovere il particolato trasportato, almeno fino al 90%, con<br />
filtri meccanici<br />
Reimmissione: il pozzo di restituzione con tubazione sotto il livello di falda<br />
Separazione: opportuna distanza tra il pozzo di presa e quello di mandata,<br />
col pozzo di restituzione a valle rispetto al pozzo di presa in relazione al<br />
moto naturale della falda
Distanza [m] tra pozzo di presa e pozzo di iniezione per<br />
evitare importante interferenza termica<br />
Spessore falda, m 6 12<br />
Tempo, giorni 100 140 200 280 100 140 200 280<br />
Portata media, L/s<br />
1,3 40 47 54 60 33 38 46 54<br />
3,8 72 82 95 107 58 66 80 93<br />
6,3 94 108 125 140 75 87 103 120<br />
12,6 - - - - 108 125 148 170<br />
Spessore falda, m 24 30<br />
Tempo, giorni 100 140 200 280 100 140 200 280<br />
Portata media, L/s<br />
1,3 25 30 36 42 24 27 32 37<br />
3,8 45 52 63 74 40 47 56 66<br />
6,3 58 67 81 95 52 60 73 85<br />
12,6 81 94 115 136 73 86 105 123<br />
32 128 150 178 205 116 136 162 187<br />
63 180 208 252 296 165 193 230 268<br />
I dati di tabella si riferiscono a terreno con porosità 20 %.<br />
Per terreni con valori di porosità 10 % oppure 30 %, rispettivamente aumentare e diminuire le<br />
distanze di cui sopra del 5 %.
Tecnologia ATES – Aquifer Thermal Energy Storage<br />
Pozzo<br />
Freddo<br />
STAGIONE ESTIVA STAGIONE INVERNALE<br />
RAFFREDDAMENTO RISCALDAMENTO<br />
Falda Falda<br />
Pozzo<br />
Caldo<br />
Pozzo<br />
Freddo<br />
Pozzo<br />
Caldo
Non è naturalmente possibile generalizzare in senso<br />
assoluto il confronto tra sistemi a <strong>circuito</strong> <strong>aperto</strong> ed a<br />
<strong>circuito</strong> <strong>chiuso</strong>, molto dipendendo dalla particolare<br />
situazione esaminata e dai criteri progettuali e di gestione<br />
adottati, per non parlare dei vincoli normativi localmente<br />
esistenti.<br />
È comunque possibile delineare tendenze per alternative<br />
impiantistiche GCHP (sonde verticali) / GWHP finalizzate<br />
allo stesso obiettivo ed in equivalente favorevole situazione<br />
di fattibilità
Temperatura dell’acqua (o<br />
soluzione incongelabile) del<br />
<strong>circuito</strong> esterno che alimenta la<br />
pompa di calore (1)<br />
Per impianti GCHP una soluzione di compromesso, derivante<br />
da considerazioni di ottimizzazione globale, suggerisce di<br />
fissare il valore della temperatura di progetto dell’acqua del<br />
<strong>circuito</strong> esterno all’ingresso della pdc t wi da 10 a 16 K<br />
superiore alla temperatura indisturbata del terreno per la<br />
stagione del raffreddamento (estate), e da 6 a 11 K più bassa<br />
della temperatura indisturbata del terreno per la stagione di<br />
riscaldamento (inverno). Questi dati si applicano<br />
naturalmente al funzionamento nelle condizioni di progetto, e<br />
si attenuano ai carichi parziali.<br />
Per impianti GCWP l’approccio di temperatura nello<br />
scambiatore di separazione tra acqua di falda e acqua di<br />
alimentazione alla pdc è di 1,5 – 2 K.
Temperatura dell’acqua (o<br />
soluzione incongelabile) del<br />
<strong>circuito</strong> esterno che alimenta la<br />
pompa di calore (2)<br />
Ne consegue che gli impianti GWHP presentano in genere<br />
condizioni di lavoro più favorevoli, sotto il profilo del consumo<br />
d’energia della sola pompa di calore. Nella stagione estiva<br />
inoltre si può ricorrere al free cooling in più numerose<br />
circostanze di quanto sia possibile con impianti GCHP<br />
(preraffreddamento dell’aria primaria, attivazione termica<br />
della massa…)<br />
Sotto questo profilo possono essere particolarmente<br />
penalizzati gli impianti GCHP che per ragioni di valori di<br />
temperatura locale e scelta progettuale devono operare con<br />
acqua glicolata nel <strong>circuito</strong> sonde, o per cui la deriva positiva<br />
di temperatura del terreno è particolarmente elevata (carichi<br />
termici stagionali fortemente squilibrati)
Energia di pompaggio<br />
(<strong>circuito</strong>/i esterno/i)<br />
L’energia di pompaggio dell’acqua / acqua glicolata del<br />
<strong>circuito</strong> (o circuiti) esterni non è mai trascurabile rispetto<br />
all’energia richiesta dalla pompa di calore, e deve sempre<br />
essere considerata nella valutazione globale energetica<br />
dell’impianto, in particolare quando i circuiti esterni sono<br />
strutturati a portata costante.<br />
Sotto questo aspetto sono in genere penalizzati gli impianti<br />
GWHP (doppio <strong>circuito</strong> esterno), in particolare per quanto<br />
riguarda il <strong>circuito</strong> dell’acqua di falda, quando le condizioni<br />
non sono favorevoli (basso livello naturale della falda, elevato<br />
ribassamento all’estrazione, posizionamento dello<br />
scambiatore in quota).
Energia di pompaggio<br />
(<strong>circuito</strong>/i esterno/i)<br />
In condizioni sfavorevoli, il vantaggio energetico degli<br />
impianti GWHP per più vantaggiose condizioni di<br />
temperatura di alimentazione della pdc, possono essere<br />
fortemente attenuate od anche completamente sovvertite<br />
dalla maggior necessità di energia di pompaggio per i circuiti<br />
esterni.<br />
In queste circostanze, deve sempre essere presa in<br />
considerazione la portata variabile per il <strong>circuito</strong> dell’acqua di<br />
falda.<br />
La pianura veneta presenta condizioni in genere favorevoli<br />
agli impianti GWHP.
Costi di investimento<br />
Il vantaggio sostanziale degli impianti GWHP si<br />
manifesta usualmente nella drastica riduzione delle<br />
spese di investimento, tanto più marcata quanto<br />
maggiore è la taglia dell’impianto. Per la sola parte<br />
esterna dell’installazione, i costi di impianti GWHP sono<br />
da un terzo fino a quattro volte inferiori a quelli di un<br />
equivalente impianto GCHP, sostanzialmente in<br />
funzione della potenza di progetto (dati recenti US).<br />
Per questa sezione d’impianto, il costo GCHP è<br />
fondamentalmente proporzionale alla potenza di<br />
progetto, mentre per GWHP il costo unitario diminuisce<br />
drasticamente con la potenza di progetto.
<strong>Sistemi</strong> a <strong>circuito</strong> <strong>aperto</strong> e <strong>chiuso</strong>:<br />
<strong>paragone</strong> <strong>impiantistico</strong>, energetico ed<br />
economico<br />
Alberto Cavallini alcav@unipd.it<br />
Dip. Fisica Tecnica, Università di Padova<br />
TiFS Ingegneria s.r.l. - Padova