Aerotermia e geotermia – Dalla natura le fonti per un riscaldamento

Verona, 4 maggio 2011
Aerotermia e geotermia – Dalla
natura le fonti per un riscaldamento
ad alta efficienza energetica.
“Errori da evitare nell'installazione e
progettazione di impianti a pompa di
calore”
Ing. Fabio Minchio
LOGO ENTE
Pompe di calore
Le aspettative di chi realizza un impianto con pompa di calore
sono sempre molto elevate:
•Investimento di norma superiore rispetto a tecnologie
tradizionali
•Sensibilità elevata dell’utente ai consumi elettrici
•Grandi aspettative sui risparmi operativi (a volte «gonfiati» in
fase di vendita)
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Pompe di calore: criticità
Le caratteristiche delle pompe di calore le rendono diverse dai
sistemi di climatizzazione tradizionali:
•prestazione
energetica
sensibilmente
dipendente
dalle
temperatura
di
condensazione
(prestazioni
decrescenti
all’aumentare della stessa)
•potenza termica e frigorifera variabili in
temperature di evaporazione e condensazione
funzione
delle
•salto termico disponibile di norma inferiore
•necessità di accumulo per la produzione di acqua calda sanitaria
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Pompe di calore: criticità
Le problematiche tipiche riscontrabili in questa tipologia di
impianti sono in parte dipendenti dal tipo di sorgente termiche
scelta.
In generale 4 casi tipici:
1.prestazione energetica stagionale inferiore rispetto alle attese
(costi di esercizio più elevati)
2.potenza termica e frigorifera erogate non in grado di garantire
un adeguato livello di confort
3.pompa di calore non funzionante (blocco) in determinate
condizioni
4.incapacità di soddisfare i fabbisogni di acqua calda sanitaria
richiesti
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Pompe di calore: criticità
Tre sono le possibili origini del problema nel momento in cui si
verifica una situazione critica:
1.Progettazione
2.Installazione
3.Pompa di calore
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Livelli termici
Le prestazioni di una pompa di calore sono come noto
strettamente dipendenti dalla temperatura di condensazione: 1
°C di diminuzione comporta un incremento del COP del 2%.
In fase di progetto ma ancor più in fase di avvio impianto e
impostazione delle regolazioni è importante verificare:
•L’impiego se presente di eventuale curva climatica
•Livello termico impostato nel set dell’accumulo lato impianto
Importante è inoltre gestire separamente acqua calda sanitaria
ed impianto con accumuli (o accumulo inerziale + boiler) separati
e distinti.
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Livelli termici
Esempio: COP pompa di calore ad aria
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Produzione acqua calda sanitaria
Per tutte le pompe di calore uno degli aspetti più critici è la
produzione dell’acqua calda sanitaria nel residenziale
Errori più comuni:
•Sottostima della massima richiesta (contemporaneità): spesso il
livello di confort è più alto delle attese
•Sottodimensionamento dell’accumulo
•Sottodimensionamento del serpentino interno al boiler (non tutti
sono idonei all’accoppiamento con pompa di calore)
•Tempo di ripristino non correttamente valutato
•Deve essere considerata la potenza termica nelle condizioni
peggiori (T sorgente minima)
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Produzione acqua calda sanitaria
ACCUMULO INERZIALE + SCAMBIATORE PIASTRE ESTERNO:
Volume utile di accumulo determinato dalla differenza di
temperatura
(temperatura minima per scambio con acqua di rete 42 °C)
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Produzione acqua calda sanitaria
BOILER CON SERPENTINO INTERNO:
Non sempre la superficie è sufficiente: di norma almeno 0,3
m2/kW (Pagani, 2010)
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Aria esterna: criticità
• Il principale problema nella progettazione di impianti con pompa
di calore ad aria è il dimensionamento in ragione dell’elevata
variabilità stagionale della temperatura della sorgente termica
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Aria esterna: criticità
• ESEMPIO DI CURVA DI POTENZA TERMICA DI POMPA DI
CALORE AD ARIA
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Aria esterna: criticità
• Il brinamento è un aspetto tipico dei climi umidi con
temperatura dell’aria esterna per molte ore della stagione
invernale nell’intervallo (-2 °C --- +5°C)
• In questo caso le prestazioni e l’affidabilità dipendono di fatto
dalla macchina scelta:
• Tecnica sbrinamento adottata
• Caratteristiche batteria esterna
Si tratta di un elemento fondamentale da considerare nella
selezione del prodotto, specialmente quando la pompa di
calore è l’unico generatore di energia termica presente
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Terreno: criticità
Impianti «geotermici» funzionanti al di sotto delle attese o,
peggio, in blocco a causa di basse temperature di evaporazione:
•Sottodimensionamento campo sonde
•Errori nella progettazione o posa del circuito di collegamento
orizzontale
• Circuiti non bilanciati
• Errata scelta o dimensionamento della pompa di
circolazione
•Errata definizione
geotermiche
della
portata
di
progetto
nelle
sonde
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Terreno: sottodimensionamento
Il sottodimensionamento di un
determina in ordine di gravità:
campo
sonde
geotermiche
•Impianto funzionante, COP ed EER medi stagionali inferiori alle
attese
•Impianto funzionante, COP ed EER medi stagionali inferiori alle
attese e potenze termica e/o frigorifera erogata insufficienti
•Impianto in blocco
•Impianto in blocco e danni dovuti a formazione di ghiaccio nel
terreno
ATTENZIONE: I PROBLEMI NON EMERGONO NECESSARIAMENTE
AL PRIMO ANNO!
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Terreno: sottodimensionamento
In generale le principali problematiche si riscontrano nella
stagione di riscaldamento.
SEGNALE PREOCCUPANTE:
•Fin dal primo anno le temperature del fluido termovettore di
ritorno dal terreno sono molto prossime a 0 °C o anche inferiori:
se i primi anni l’impianto regge con ogni probabilità non sarà così
negli anni successivi
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Terreno: sottodimensionamento
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Terreno: sottodimensionamento
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Terreno: sottodimensionamento
Principale errore: abusa della nozione di «RESA TERMICA»
Il dimensionamento di un campo di sonde geotermiche
dipende da:
•
•
•
•
Tipologia di terreno e relative proprietà termofisiche
Caratteristiche della sonda geotermica
Caratteristiche del sistema edificio impianto
Obiettivi prestazionali
LA PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO GEOTERMICO E’ UN PROCESSO
COMPLESSO NON RICONDUCIBILE SEMPLICEMENTE AD UN
PARAMETRO DI “RESA TERMICA”
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Terreno: sottodimensionamento
QUANTI W/m?
RISPOSTA: Dipende dalla tipologia di sistema che vado a
servire.
A parità di pompa di calore, di terreno e di tipo di sonda
applicazioni con curve di carico diverse avranno bisogno di un
numero di sonde diverso!!
La resa termica (o meglio potenza specifica di estrazione di
progetto) è il risultato non l’input del processo di
dimensionamento.
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Terreno: collegamenti orizzontali
Come per qualsiasi circuito idraulico è fondamentale che
anche il circuito geotermico sia perfettamente bilanciato
secondo le portate di progetto:
•
Ritorno inverso (da realizzare e progettare accuratamente,
ma in ogni caso devo assicurare la possibilità di intercettare
ogni circuito)
•
Collettore con valvole di bilanciamento
Il mancato bilanciamento delle portate «esclude» le sonde più
sfavorite dalla distanza dallo scambio termico!
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Terreno: collegamenti orizzontali
Grande importanza hanno gli ausiliari elettrici (pompa di
circolazione lato circuito geotermico):
•
Adottare sezioni adeguate per i collegamenti
•
Scelta di pompe di circolazione in classe A
•
Valutare l’utilizzo di acqua e non acqua-glicole come fluido
termovettore
I consumi di pompaggio a volte vanificano un ottimo COP!
SPF =
QH , hp + QW , hp
E HW , hp,in + Wgen, aux, sc + Wgen, aux , sby
=
1+
COPHW , seas
Wgen, aux , sc + Wgen, aux, sby
E HW , hp,in
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Terreno: scelta della portata
La scelta della portata nelle sonde è di grande importanze:
•
Portata minima: regime di deflusso non laminare (ASHRAE:
2500<Re<3000), pena l’incremento della resistenza termica
della sonda
•
Portata da limitare per ridurre i consumi di pompaggio:
• Se la portata mimina scelta è incompatibile con
l’evaporatore della pompa di calore è necessario
disaccoppiare i circuiti! Altrimenti le perdite di carico
aumentano moltissimo
•
Non sempre va bene utilizzare la pompa installata a
bordo macchina
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Terreno: scelta della portata
Sonda singola U – 40 mm SDR 11 – Soluzione 28% etanolo – acqua
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Terreno: scelta della portata
Sonda singola U – 40 mm SDR 11 – Soluzione 28% etanolo – acqua
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Conclusioni
•
Progettare impianti con pompe di calore richiede massima
attenzione
•
La cura dei particolari può fare la differenza fra un buon
risultato e un ottimo risultato
•
Errori di progettazione causano problemi tangibili e «pesanti»
per il cliente
•
Sempre consigliabile che l’installatore si faccia affiancare da
un progettista
•
Centri assistenza importanti in particolare in fase di avvio e
collaudo
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