0605-penta21.1c-pompe di calore e geotermia

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Penta Project Modulo 2 Corso 21.1
29 maggio 2006
MODULO 2
www.pentaproject.ch
ENERGIA AMBIENTALE
Concetti base delle pompe di calore
corso 21.1
Concetti base delle
pompe di calore
PdC e geotermia
2b: after
2a: before
1500 – 1600
To
To
H
q = 0 (W/m)
Daniel Pahud, SUPSI-LEEE
To(z)
H
q = q 1 (W/m), t > 0
T(r,z,t)
Q = q 1 H = Qg(t)+Qs(t)
qgeo (W/m2)
qgeo (W/m2)
patronato
corso 21.1 Diapositiva 1
Scuola Universitaria Professionale
della Svizzera Italiana
Dipartimento
Ambiente
Costruzioni e
Design
Laboratorio
Energia
Ecologia
Economia
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Concetti base delle
pompe di calore
È permesso lo sfruttamento
dell’energia geotermica ?
patronato
Daniel Pahud / SUPSI-DACD-LEEE
1
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Basi legali
La legge federale tratta i diversi sistemi
geotermici nell‘ambito della protezione
delle acque sotterranee
Concetti base delle
pompe di calore
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► Diversi impianti – una preoccupazione: protezione delle acque sotterranee
patronato
Regolamentazione connessa alle zone di
protezione delle acque sotterranee
Concetti base delle
pompe di calore
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• Nelle zone üB non c’è una falda o non c’è un interesse per un utilizzo delle acque
sotterranee per motivi qualitativi o quantitativi. Si tratta del territorio al di fuori del
fondovalle e lontano dalle captazioni esistenti. In queste zone normalmente non ci sono
problemi per l’installazione di impianti geotermici.
• Le zone di protezione delle acque sotterranee Au indicano la presenza di una falda in
qualità d’acqua potabile. In queste zone le possibilità sono limitate: Sonde e pozzi sono
permessi in zone marginali alla Au e già edificate.
• Pali energetici, serpentine devono essere costruite sopra la falda.
• Le zone S1, S2 e S3 e Area sono le zone di protezione delle captazioni ad uso potabile
esistenti o già pianificati. In queste zone non è possibile l’installazione di impianti
geotermici.
2
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Esempio: Piano del Magadino
Zone
Captazioni attuali
o
N
*
le
i
ab
b
o i
Pr S
S1+S2
S3
Settori
Acque utilizzabili
Concetti base delle
pompe di calore
Au
Ao
Area
Riservato per
captazione
futura
Carta dei settori e delle zone
di protezione delle acque
1:50‘000
Foglio Monte Ceneri
o
N
Area
Si
Territorio restante
Üb
patronato
Domanda, formulari, concessione
Concetti base delle
pompe di calore
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patronato
Domanda preliminare: Fornendo informazioni preliminari
sull’impianto previsto tramite un formulario, rende possibile
valutare l’eventuale fattibilità dell’installazione. Questo passo
elimina subito i casi in cui la realizzazione non è possibile.
Domanda di concessione: Utilizzando i formulari (sonda, pozzo)
vengono forniti i dati precisi sull’impianto previsto.
Verifica da parte degli enti cantonali: Gli enti cantonali competenti
verificano, se la concessione può essere data. Nel caso di un
avviso positivo si procede al passo successivo.
Pubblicazione sul Foglio ufficiale e sull’Albo comunale: La
domanda di concessione viene pubblicata sul Foglio ufficiale del
Cantone e sull’Albo comunale per un mese. Scaduto questo
periodo vi è la possibilità di presentare ricorso entro 15 giorni.
Se non ci sono opposizioni si procede al prossimo passo.
Rilascio della concessione da parte dell’amministrazione
cantonale.
Procedura: durata 2 mesi
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Costruzioni e
Design
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Ecologia
Economia
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Concetti base delle
pompe di calore
Posso realizzare una sonda
geotermica ?
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Dipartimento
Ambiente
Costruzioni e
Design
Laboratorio
Energia
Ecologia
Economia
Come si posa una sonda geotermica ?
Perforazione
diametro:
Sonde geotermiche
10 – 15 cm
profondità:
20 – 300 m
4
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Costruzioni e
Design
Laboratorio
Energia
Ecologia
Economia
Sonda geotermica a doppio-U
polietilene PE
diametro esterno
tubo
Sonde geotermiche
20 - 25 - 32 - 40
mm
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Costruzioni e
Design
Laboratorio
Energia
Ecologia
Economia
Materiale di riempimento
Sonde geotermiche
Idealmente un materiale
- facilmente inseribile nella
perforazione
- buon contato tubo-terreno
- buon conduttore termico
- poco permeabile all’acqua
In pratica
- miscela cemento-bentonite
Materiali più conduttore
- ThermoCem© Stüwatherm®
- sabbia di quarzo ?
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Costruzioni e
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Ecologia
Economia
Sonda geotermica => scambiatore di calore con il
terreno
Resistenza termica effettiva della sonda Rb* = (Tf-Tb) / q
ground
-
+
+ upward fluid
channel
- downward fluid
channel
borehole wall
Sonde geotermiche
pipes
-
+
spacer
filling material
0.1 m
Rb* ~ 0.1 K/(W/m);
Importanza
- diametro perforazione
- distanza tra i tubi
- conduttività termica del
materiale di riempimento
- regime di flusso del
fluido termovettore
- portata e lunghezza
ΔT=Tf-Tb = 5 K con potenza di 50 W/m
Allacciamenti orizzontali
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Sonde– nessun ingombro visibile
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Concetti base delle
pompe di calore
Come dimensionare una
sonda geotermica ?
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Costruzioni e
Design
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Ecologia
Economia
Dimensionamento di una sonda geotermica
Piccole installazioni di riscaldamento < 20 – 30 kW
Pfabbisogno =>
Pestrazione =>
H sonda
H
Sonde geotermiche
• chiave di dimensionamento
=> potenza specifica d’estrazione
=> geologia locale, ecc…
- 50 W/m ?!
- VDI 4640 (2001)
- Documentazioni SIA D025, SIA D0136
- ecc.
Fabbisogno di calore
• potenza termica
Determinazione del fabbisogno di calore
riscaldamento edificio
(norma SIA 384.201)
acqua calda (aggiungere
circa 0.2 kW/persona per
edifici di abitazione)
correzione se N ore al giorno
senza elettricità (fattore
moltiplicativo di 24/(24-N) )
• energia termica
bilancio energetico (norma SIA 380/1)
acqua calda (secondo SIA 380/1: 830 kWh/persona/anno per edifici
di abitazione)
• distribuzione del calore
alla più bassa temperatura possibile: riscaldamento a pavimento –
solette termoattive – ecc.
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Determinazione della potenza d’estrazione
• selezione del tipo di sistema
(STASCH 1, 2, 3, … o 7)
• selezione del modello di PdC secondo
metodo STASCH
• dimensionamento della sonda
geotermica in funzione di Pestrazione,
determinato con il punto di
funzionamento B0 / W35 della PdC
Dimensionamento della sonda geotermica
• un dimensionamento semplice (per piccoli impianti)
si basa su:
la potenza
d’estrazione della pompa di calore (Pevap)
=> determinata alle condizioni B0 / W35
la geologia
locale
=> determinare la conducibilità della roccia
le ore
di funzionamento annuali dell’impianto
=> determinano l’energia annuale geotermica
estratta
• permette di stabilire la lunghezza necessaria H
della sonda geotermica
H (m) = Pevap (W) / qestrazione (W/m)
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29 maggio 2006
Proprietà termica del terreno
fonte: VDI Richtlinien 4060, Blatt 1 (p.10)
VDI Richtlinien – valori di qestrazione (W/m) possibili
Underground
q estrazione (W/m)
fino a 1800 ore/a
fino a 2400 ore/a
25 W/m
20 W/m
60 W/m
50 W/m
84 W/m
70 W/m
General guideline values
Poor underground (dry sediment)
(λ<1.5 W/mK)
Normal rocky underground and water saturated sediment
3 W/mK)
Consolidated rock with high thermal conductivity
(λ= 1.5 –
(λ>3.0 W/mK)
Individual rocks
Gravel, sand, dry
<25 W/m
<20 W/m
Gravel, sand, water saturated
65 – 80 W/m
55 – 65 W/m
For strong groundwater flow in gravel and sand
80 – 100 W/m
80 – 100 W/m
Clay, loam, damp
35 – 50 W/m
30 – 40 W/m
Limestone (massif)
55 – 70 W/m
45 – 60 W/m
Sandstone
65 – 80 W/m
55 – 65 W/m
Siliceous magmatite (e.g. granite)
65 – 85 W/m
55 – 70 W/m
Basic magmatite (e.g. basalt)
40 – 65 W/m
35 – 55 W/m
Gneiss
70 – 85 W/m
60 – 70 W/m
fonte: VDI Richtlinien 4060, Blatt 2 (p.10)
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29 maggio 2006
Programmi di calcolo per sistemi con sonde geotermiche
VDI Richtlinien – valevole per
• piccoli impianti (potenza < 30 kWth e meno di 2’400
ore di funzionamento all’anno)
• riscaldamento con o senza acqua calda sanitaria
• sistema con una sonda geotermica unica
• nessuna densità elevata di sonde geotermiche
(non per quartieri in cui ogni casa ha la sua sonda
geotermica)
• pianura (temperatura media terreno di circa 10°C)
• temperatura minima del fluido nelle sonde
inferiore a +0/-3°C dopo 25 anni di funzionamento
http://www.vdi.de/
e cercare VDI 4640
Alcuni programmi di calcolo
• calcoli necessari per sistemi grandi o
applicazioni particolari
=>
EED Earth Energy Designer
www.buildingphysics.com/earth1.htm
=>
EWS Erdwärmesonden Software
contattare Huber Energietechnik, [email protected]
=>
PILESIM stoccaggio con sonde geotermiche
http://www.leee.supsi.ch/ > software > PILESIM
=>
TRNSYS con TRNSBM o TRNVDSTP
contattare D. Pahud, [email protected]
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Costruzioni e
Design
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Ecologia
Economia
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Concetti base delle
pompe di calore
Esempio di calcolo con il
programma EED
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Esempio di utilizzo di EED
- casa di abitazione a Lugano, SRE 240 m2, 3x1 sonda di 80 m, PdC di 14 kWth1)
- conducibilità termica terreno 4 W/(mK), temperatura iniziale terreno 14 °C
- produzione annuale di calore di 32 MWh con un COP annuale di 4
- ricarica parziale del terreno con collettori solari (circa 5 MWh/anno)
1) B0/W35
Temperatura media
minima del fluido dopo
25 anni
Tfmin = 1.1 °C
Temperatura minima rilevata
(Tfin= -0.4°C e Tfout=2.6°C)
Caratteristiche estrazione
46 W/m
80 kWh/m/anno
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Dimensionamento con EED
dimensionamento delle sonde geotermiche, senza ricarica solare, e per:
Tfmin = -1.5 °C (Tfin= -3°C e Tfout = 0 °C) dopo 25 anni
Calcoli con EED permettono di stabilire:
3 x 1 sonda1)
1 x 1 sonda
lunghezza totale delle sonde
205 m
175 m
potenza d’estrazione specifica
54 W/m
63 W/m
energia annuale estratta
115 kWh/m/anno
135 kWh/m/anno
ore di funzionamento all’anno
2’100 ore/anno
2’100 ore/anno
VDI Richtlinien (conducibilità termica terreno di 4 W/(mK) e durata di
funzionamento dell’impianto compresa tra 1’800 e 2’400 ore all’anno):
70 W/m
=> valore ottimistico, e non vale per più di una sonda
1) distanza
tra le sonde: 8.2 m
Programmi di calcolo sono importanti per
=>
convalidare un predimensionamento
=>
valutare gli effetti a lungo termine
=>
analizzare la sensibilità ai principali parametri
=>
valutare alcune varianti
=>
ottimizzare l’impianto
Programmi di calcolo sono indispensabili per grandi
impianti
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Energia
Ecologia
Economia
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Concetti base delle
pompe di calore
Dimensionamento della
pompa di circolazione
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Dimensionamento della pompa di circolazione per il
circuito delle sonde geotermiche
se troppo piccola
=> portata troppo bassa
=> penalizza prestazione PdC
=> abbassa il CLA (coefficiente di lavoro
annuale)
Pompa di circolazione
se troppo grande
=> consumo elettrico troppo
elevato
=> abbassa il CLA
la pompa di circolazione deve essere dimensionata per superare le perdite
di carico del circuito delle sonde alla portata di dimensionamento.
Quest’ultima è data dalle caratteristiche tecniche della pompa di calore (e
in particolare anche della sua potenza termica)
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29 maggio 2006
Tool per aiutare a dimensionare la pompa di circolazione
=>
EWSDruck
www.igjzh.com/huber/download/
(foglio EXCEL gratuito)
Dimensionierungshilfe für Umwälzpumpen in geschlossenen Erdwärmesonden:
Programm E W S D R U C K
Hergestellt im Rahmen des UAW-Forschungsprojektes: "Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe"
Berechnung nach:
Blasius
Prandl
Prandtl-Colebrook
Nikuradse
Hergestellt von:
Arthur Huber
Huber Energietechnik, Zürich
Michael Wetter
Hochschule Technik+Architektur Luzern (HTA)
Felix Kaufmann
Hochschule Technik+Architektur Luzern (HTA)
Version:
2.1
set.02
Diese Arbeit ist im Auftrag des Bundesamtes für Energie entstanden. Für den Inhalt
und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich der Autor dieses Berichts verantwortlich.
Pompa di circolazione della casa d’abitazione di Lugano
punto di funzionamento
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29 maggio 2006
Applicazione di EWSDruck per l’impianto di Lugano
caso reale, 3 sonde
- 3 sonde in parallelo a doppio-U (diametro tubo 32mm) di 80 m
- portata totale di 3.7 m3/h (differenza in-out evaporatore di 3 K)
- acqua con 33% di propilene glicolo
=> potenza elettrica pompa 240 W (circa il 7% del compressore PdC)
caso ipotetico, 1 sonda
- 1 sonda a doppio-U (diametro tubo 40mm) di 240 m
- portata totale di 2.8 m3/h (differenzia in-out evaporatore di 4 K)
- acqua con 33% di propilene glicolo
- a titolo indicativo: acqua senza antigelo
In sintesi
progettazione
+
pompa di calore
?
impianto
+
sonda geotermica
=
garanzia di qualità e soddisfazione del committente
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Costruzioni e
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Energia
Ecologia
Economia
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Concetti base delle
pompe di calore
Esercizio
patronato
Esercizio
Dimensionare la sonda geotermica di un
futuro proprietario di casa che desidera
costruire la sua casa secondo lo standard
Minergie.
Esercizio
=> lunghezza sonda
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29 maggio 2006
Fabbisogno di potenza termica
Casa, SRE di 200 m
5 persone
2
Fabbisogno di
potenza per il
riscaldamento
(SIA 384/2)
Esercizio
30 W/m
2
fabbisogno 6 kW+1 kW, macchina di 7 kW
alle condizioni B0 / W35
35 °C
0 °C
5.4 kW
7 kW
1.6 kW
Esercizio
COP B0 / W35 di 4.4
1)
Sonda
geotermica
Potenza d’estrazione 5.4 kW (geotermia)
1)vedere
Pompa di
calore
p. esempio i risultati del centro di test PAC http://www.wpz.ch/
Potenze termiche della pompa di calore
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29 maggio 2006
Fabbisogno di energia termica
Casa, SRE di 200 m
2
Fabbisogno di energia
per il riscaldamento
(SIA 380/1)
2
30 kWh/(m anno)
Esercizio
Fabbisogno di
acqua calda
5 x 830 kWh/pers./anno
4’150 kWh/anno
=> 10’150 kWh/anno
Riscaldamento con pompa di calore
Riscaldamento
(max. 35 °C)
Pompa di
calore
3
4
1
Sonda
geotermica
Esercizio
COP medio annuo di 4
10’150 kWh/anno = 2’540 (elettricità) + 7’610 (geotermia)
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29 maggio 2006
Durata di funzionamento all’anno
10’150 kWh/anno / 7 kW = 1’450 h/anno
Geologia locale
conducibilità termica di 3 W/(mK)
VDI – Richtlinien 4640, Blatt 2 (p. 17)
Underground
Estrazione specifica di potenza termica
fino a 1800 h/a
fino a 2400 h/a
25 W/m
20 W/m
60 W/m
50 W/m
84 W/m
70 W/m
General guideline values
Esercizio
Poor underground (dry sediment)
(λ<1.5 W/mK)
Normal rocky underground and water saturated sediment
3 W/mK)
Consolidated rock with high thermal conductivity
(λ>3.0 W/mK)
(λ= 1.5 –
Lunghezza della sonda
5’400 W / 50 W/m = 108 m
Energia annuale estratta per metro sonda
7’610 kWh/anno / 108 m = 70 kWh/m/anno
Costo medio elettricità
Esercizio
2’540 kWh/anno x 0.15 Fr.-/kWh + el. pompe
circa 400 Fr.-/anno
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29 maggio 2006
Casa Minergie - calcolo con EED
Esercizio
50 W/m è OK se
– sonda geotermica unica e terreno a 12 °C
– conducibilità termica del terreno di 3 W/(mK)
il valore d’estrazione specifico è da ridurre a
41 W/m
28 W/m
per
per
21

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