Seminario RespEt; 9 luglio 2007 “Energie rinnovabili e risparmio by kvp14729

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									Seminario RespEt; 9 luglio 2007
“Energie rinnovabili e risparmio energetico per le PMI”




                  La Climatizzazione:
     Caldaie, Raffrescatori e Pompe di Calore

                         Giuseppe Corallo
                              ENEA
                              Dip. TER
                 Istituto di Termofluidodinamica
                                      Caldaie



Combustione:          CH4 + 2O2 = CO2 + 2H20


Combustibili:

Potere Calorifico Inferiore : è calcolato sui fumi secchi (metano: 8.13 Mcal/m3 )
Potere Calorifico Superiore: è calcolato sui fumi condensati (metano: 9.02 Mcal/m3 )


             IL Rendimento delle Caldaie è calcolato sul PCI !


      Ecco perché le Caldaie a Condensazione possono avere rendimenti > 100%
                                            Caldaie 2

                Caldaia Standard                                 Caldaia a Condensazione



         Perdit e Calore                                                Perdit e Calore
          Sensibile; 8 %                                                Sensibile; 1%
                                                    Perdit e
   Perdit e                                      Condensazione
Condensazione                                      Acqua; 3 %
 Acqua; 11%




                             Calore Ut ile; 92
                                    %                                         Calore Ut ile; 107
                                                                                      %




Temperaturi fumi ~ 140°C                                        Temperaturi fumi < 60 °C
         Macchine Frigorifere/Pompe di Calore


 Macchine che impiegano un particolare ciclo
   termodinamico (Ciclo Frigorifero) per trasportare
   calore da bassa ad alta temperatura, spendendo
   energia.


      Pompe di Calore (Heat Pumps)
      Raffrescatori (Air Conditioners , Chillers)
      Frigoriferi (Refrigerators)
      Congelatori (Freezers)
       Cos’ è una Macchina a Compressione ?



   Le macchine a Compressione impiegano
    un ciclo frigorifero derivato da quello
    Rankine delle macchine a vapore,
    percorso in senso inverso.

   Consumano quindi energia meccanica
    per produrre freddo.
        Cos’ è una Macchina ad Assorbimento ?



   Le macchine ad assorbimento impiegano un
    ciclo frigorifero particolare capace di sfruttare
    energia termica ad alta temperatura,
    invece che meccanica come in quelle comuni
    a compressione.
           Origini Storiche: conservazione del cibo

   1755 - William Cullen (Scozia): forma il ghiaccio facendo evaporare
    acqua sotto vuoto
   1777 - Gerald Nairne (Scozia): forma il ghiaccio facendo assorbire
    acqua da acido solforico
   1805 - Oliver Evans (USA): invenzione del ciclo a compressione
   1834 - Jacob Perkins (USA): primo brevetto su macchine a
    compressione
   1842- John Gorrie (USA): prima macchina a compressione per
    condizionare un ospedale
   1850 - Edmond Carrè (Francia): macchina discontinua per fare il
    ghiaccio ad H2O-H2SO4
   1859 - Ferdinand Carrè (Francia): macchina continua ad H2O-NH3
   1920 - Vengono adottati i CFC nelle macchine a compressione
   1987 - Protocollo di Montreal: messa al bando CFC (buco dell’ Ozono)
   1997 - Protocollo di Kyoto: problema dei gas serra
                     Proprietà Climalteranti dei Fluidi


FLUIDO                  ODP   GWP           GWP            GWP
                              ITH=20 anni   ITH=100 anni   ITH=500 anni
R22                     0.05 4000               1500            510
R32                     0     2100              650             200
R125                    0     4600              2800            920

R134a                   0     3400              1300            420
R718 (Acqua)            0     0                  0               0
R717                    0     0                  0               0
(Ammoniaca)
Propano                 0     -                  3               3
Isobutano               0     -                  3               3

  IPCC 1996 et al.
Ciclo a Compressione Semplificato
Schema ad Assorbimento Semplificato
          Misura delle Prestazioni




   COP (Coefficient of Performance)
   GUE (Gas Utilization Efficiency)
   PER (Primary Energy Ratio)
   EER (Energy Energy Ratio)
         Misura delle Prestazioni 2




   COP=Q utile/Q speso
   GUE=Q utile/Q contenuto nel gas (PCI)
   PER=Q utile/Q primario da C.Fossile
   EER=Q utile/ Energia Elettrica spesa
   Tabelle
          Unità di Misura della potenza frigorifera



 kW                                     1 kW=860 Kcal/h
 Btu/h (British Thermal Unit per ora)   1 kW=3412 Btu/h
 RT (Refrigerating Ton)                 3.5 kW ; 12000 Btu/h
Condizioni Standard Europee: norma pr EN 14511

          Tipo               Raffrescamento                Riscaldamento
                       Evap.         Cond.           Evap.        Cond.


     Aria/Acqua        12/7          35              7            40/45
     Acqua/Acqua       12/7          30/35           10/          40/45


     Tabella 1: Condizioni Standard per unità aria-acqua ed acqua-acqua




                                     Unità Interna                          Unità esterna


                        Bulbo Secco °C        Bulbo Umido °C      Bulbo Secco °C   Bulbo Umido °C


     Riscaldamento      20                    15 max              7                6
     Raffrescamento     27                    19                  35               24
     Tabella 2: Condizioni Standard per unità aria-aria
                                   Prestazioni Comparate




                     Caldaia

                               condensazione
                               Caldaia a



                                                split (cl.A-D)
                                                aria(°)-aria
                                                compressore elettrico
                                                Macchina a


                                                                        (cl.A-D)
                                                                        monoblocco
                                                                        aria-acqua(°)
                                                                        compressore elettrico
                                                                        Macchina a


                                                                                                aria(°)-acqua
                                                                                                H20-NH3
                                                                                                assorbimento
                                                                                                Macchina ad


                                                                                                                  acqua(°)-acqua
                                                                                                                  H20-LiBr
                                                                                                                  assorbimento
                                                                                                                  Macchina ad
COP/GUE caldo       0.9         1.07            3.6-2.8                   4.7-3.8                1.6-1.4         2.1-1.7 (*)


EER                  -               -          3.2-2.6                   4.4-3.5                    -                -

GUE freddo           -               -               -                         -                0.95-0.67         1.1-0.7

PER caldo (#)      ~0.9         1.07           1.26-1.0                 1.49-1.20               1.43-1.25       1.86-1.52 (*)


PER freddo (#)       -               -         1.15-0.93                1.39-1.10               0.85-0.59        0.98-0.62

(*) riscaldamento a bassa temperatura (40°C) sorgente fredda acqua ( 12°C) ; (°) lato caldo ; (#) stimato
                                       Prestazioni Comparate 2


               • Le prestazioni delle macchine ad assorbimento
                 risentono poco del variare delle condizioni di lavoro.


                                 HEATING (*)

        1.30
                                                                                              COOLING (*)
        1.20                                                       11 kW
 PERh




                                                                  1.50
                                                                   R 22
        1.10
                                                                  1.00
                                                           PERc
        1.00                                                                                                                11 kW
               -15.0


                       -10.0


                               -5.0


                                      0.0


                                              5.0


                                                    10.0


                                                                  0.50                                                      R 22

                                                                  0.00
                         T cold water outlet °C                          30.0

                                                                                35.0

                                                                                       40.0

                                                                                                45.0

                                                                                                       50.0

                                                                                                              55.0

                                                                                                                     60.0
                                                                                 T warm water outlet °C
(*) Linea blu: prototipo ENEA “11kW”
     Tipi di Macchine: Modalità di Scambio Termico

 Le macchine con ciclo frigorifero presentano un
   “Lato Caldo” ed un “Lato Freddo” caratterizzati dal
   tipo di vettore usato per lo scambio termico


      Aria-Aria             (condiz. SPLIT)
      Aria-Acqua            (Chillers H2O-NH3)
      Acqua-Acqua           (Chillers H2O-LiBr)
      Terra-Acqua
      ...
                 Tipi di Macchine: fluidi di lavoro

   Le Macchine ad Assorbimento lavorano con due fluidi: Refrigerante ed
    Assorbente


       Acqua-Bromuro di Litio (H2O-LiBr)
       Acqua-Ammoniaca        (H2O-NH3)

   Le Macchine a Compressione lavorano con un fluido Refrigerante


           R 407 C (condizionatori per uso civile)
           R 410 A         “              “
           R 134 A (frigoriferi, condizionatori auto)
          ...
                   Tipi di Macchine: Alimentazione


Le Macchine a Compressione si differenziano per il tipo di motore che
muove il compressore:


   Elettriche
   Combustione Interna (Gas)


Le Macchine ad Assorbimento si differenziano per l’ alimentazione di
energia primaria :


    Acqua Calda        (Water Fired)
    Vapore             (Steam Fired)
    Gas                (Gas Fired)
    Fumi               (Exhaust Fired)
Macchine a Compressione Aria-Aria : Modelli portatili
MONOBLOCCO




                                   I condizionatori portatili
                                   monoblocco sono quelli di più
                                   facile installazione; espellono
                                   aria calda verso l’ esterno
                                   mediante tubi corrugati: così
                                   facendo però, salvo nei rari
                                   modelli a due tubi, mettono il
                                   locale in depressione
                                   attirando aria calda da quelli
                                   adiacenti ...
Macchine a Compressione Aria-Aria : Modelli SPLIT


                                    I condizionatori/pompe di
                                    calore SPLIT sono quelli
                                    con migliore rapporto
                                    prestazioni/prezzo.
Macchine a Compressione Aria-Acqua




                        I raffreddatori di liquido
                        (Chillers), raffreddati ad
                        aria sono molto utilizzati
                        nel settore terziario.
                        Per il funzionamento non
                        necessitano di torri di
                        evaporazione aggiuntive.
Macchine a Compressione Acqua-Acqua




                               I condizionatori/pompe di
                               calore Acqua-Acqua,
                               utilizzati nel settore
                               terziario, permettono il
                               raggiungimento di
                               prestazioni superiori.
 Macchina ad Assorbimento H2O-NH3
(Hisorber - Energy Concepts Company)




                •   Taglia: 28 kW freddi-48 kW caldi
                •   Alimentazione: Gas
                •   Scambio:     Aria-Acqua; Acqua-Acqua
                •   Tipi:        freddo; caldo; reversibile ?
                •   Controllo:   On-Off ?
                •   Modularità: No
                •   COP:         1.60 caldo -0.95 freddo
   Macchina ad Assorbimento H2O-NH3
(Termosorber - Energy Concepts Company)




                   •   Taglia: 52,5 ~ 525 kW freddi ;
                               138 ~ 1380 kW Acqua calda sanitaria
                   •   Alimentazione: Gas
                   •   Scambio:     Aria-Acqua; Acqua-Acqua
                   •   Tipi:        freddo; Acqua calda sanitaria
                   •   Controllo:   continuo
                   •   Modularità: No
                   •   COP:         1.5 Acqua calda sanitaria
Macchina ad AssorbimentoH2O-NH3
          (GAHP Robur)


                 •   Taglia: 17 kW freddi-35 kW caldi
                 •   Alimentazione: Gas
                 •   Scambio:     Aria-Acqua; Acqua-Acqua
                 •   Funzione:    freddo; caldo; reversibile
                 •   Controllo:   On-Off
                 •   Modularità: Sì (sino 150-250 kW f)
                 •   GUE:         1.44 caldo -0.7 freddo (PCI)
 Macchina ad Assorbimento H2O-NH3
(Cooltec 5, Cooling Technologies Inc. )




                     •   Taglia: 17 kW freddi
                     •   Alimentazione: Gas
                     •   Scambio:     Aria-Acqua;
                     •   Funzione:         freddo
                     •   Controllo:    ?
                     •   Modularità: Sì
                     •   COP:         0.65 freddo (PCS)
Macchina Assorbimento H2O-LiBr
           (Carrier)



              •   Taglia:          150 – 5980 kW freddi
              •   Alimentazione:   Gas; Acqua calda; vapore
              •   Scambio:         Acqua-Acqua
              •   Funzione:        freddo
              •   Controllo:       continuo
              •   COP:             0.7 ; 1.1
Macchina ad Assorbimento H2O-liBr
         (Yazaki Aroace)


          •   Taglia: 105 ~ 352 kW freddi – 85 ~ 286 kW caldi (Gas)
              ; 35 ~ 105 kW freddi (Acqua Calda)
          •   Alimentazione: Gas, Acqua calda
          •   Scambio:     Acqua-Acqua
          •   Tipi:        freddo; reversibile
          •   Controllo:   On-Off
          •   Modularità: Sì
          •   GUE:         0.9 caldo -0.7/1.1 freddo
 Macchine ad assorbimento ad H2O-LiBr:
Installazione tipica con torre evaporativa
            Macchine ad Assorbimento
Applicazioni Diverse: Trigenerazione (Energo Club)



                                      Le macchine ad
                                      Assorbimento ad H20-
                                      LiBr, vengono spesso
                                      utilizzate per fare il freddo
                                      recuperando calore dell’
                                      acqua di raffreddamento di
                                      motori a combustione
                                      interna.
       Macchine ad Assorbimento
Applicazioni Diverse: Solar Cooling (Solel)

                          Le Macchine ad Assorbimento possono
                          creare il freddo mediante l’ energia gratuita
                          del sole.

                          I costi di investimento ammontano a
                           ~ 1800 €/kW freddo / ~880 €/kW termico:

                          Pay Back Time: 14 -18 anni
Pompe di Calore Geotermiche



                                     Nei climi freddi è
                                     necessario evitare l’
                                     aria come sorgente a
                                     bassa temperatura per
                                     non penalizzare le
                                     prestazioni delle
                                     pompe di calore:
                                     I costi di investimento
                                     ammontano a ~2050
                                     €/kW termico




             Da: www. pexatherm.it
                               Costi Comparati

                   Tecnologia                                    €/kW
   Caldaie(°)                                                    25/60

   Caldaie a Condensazione(*)                                     120

   PCC Aria-Aria           (°) (2-4 kW)                         80-350

   PCC Aria-Acqua              (°) (17 kW)                        250

   PCA H20-NH3              (°)                         580(freddo) - 280    (caldo)

   (17 kW freddo- 35kW caldo)
   Chiller H20-LiBr            (250 kW)                        600(freddo)
(*) Fin. 2007: Agevolazione 55% in 3 anni (sostituzione vecchia caldaia)
(°) Fin. 2007: Agevolazione 55% in 3 anni ? (Riqualificazione energetica degli edifici)
                                      Conclusioni
Vantaggi Caldaie:
       Basso costo
       Semplicità
       Grande scelta di taglie.
       Manutenzione non specialistica.

Vantaggi Compressione:
       Costo di investimento minore.
       Prestazioni superiori in raffrescamento.
       Grande scelta di taglie.
       Manutenzione non specialistica.
       Assenza di fumi di scarico (salvo modelli con motore a C.I.)
       Fluidi non pericolosi (salvo Ammoniaca anidra)

Vantaggi Assorbimento:
       I fluidi impiegati nelle macchine ad assorbimento non danneggiano l’ ozono (ODP=0) e non
        contribuiscono all’ effetto serra (GWP=0).
       Le prestazioni in riscaldamento sono superiori ed in ogni caso risentono meno delle
        variazioni climatiche.
       E’ possibile diversificare le fonti energetiche.
       Maggiore silenziosità e durata e minore manutenzione.
       Possibilità di recuperare calore di scarto (trigenerazione)
       Il Solar Cooling è una tecnologia molto attrattiva per il futuro.

								
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