Pompe di Calore e Solare Termico

1. Università degli Studi di Torino Facoltà di Scienze MFN Corso di Laurea in Fisica Anno accademico 2008/2009 Pompe di Calore e Solare Termico Relatore: Paolo Gambino Candidato: Marco Pecoraro

2. Sommario • Introduzione • Obbiettivi • Impianto • Simulazione • Pompa di Calore • Ciclo termodinamico • Prestazioni Energetiche • Collettore Solare • Calcolo Irraggiamento Solare • Rendimento • Fabbisogno Termico Abitazione • Mathematica • Simulazione con 5 mq di Collettori solari • Simulazione con 10 mq di Collettori solari • Conclusioni

3. Pompa di Calore e Solare Termico • La pompa di calore: trasferimento di calore da un corpo a temperatura più bassa (sorgente fredda) ad un corpo a temperatura più alta (detto pozzo caldo). • Il principio di funzionamento è lo stesso principio di un normale frigorifero • Combinazione con solare termico: il sole riduce il conto energetico e la dipendenza da fonti fossili. • Problema: In inverno il sole è sufficiente? • Pannelli radianti: temperature più basse, ulteriore vantaggio energetico e minori dispersioni termiche

4. Simulazione Scritta con Mathematica Caratteristiche e Obbiettivi: • Input: • Coordinate • Inclinazione • Superficie • Fabbisogno • Simulazione con dati ambientali reali, istantanei (no medie) • Andamento della temperatura del serbatoio in un dato periodo • Dimensionamento dell’impianto • Bilancio energetico

5. Schema Impianto

6. Pompa di Calore • Pompa di Calore: Ciclo di Carnot in senso inverso • CompressioneVapore bassa pressione Vapore alta pressione • CondensazioneVapore alta pressione Liquido • Valvola di Espansione (Laminazione):Liquido Liquido • Evaporazione:Liquido Vapore bassa pressione • Fornendo energia con il compressore al fluido questo, nell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.

7. Prestazioni Energetiche • nel ciclo della pompa di calore il fluido compie un intero ciclo termodinamico di Carnot • Il calore fornito da una pompa di calore è idealmente la somma del calore estratto dalla sorgente e l’energia necessaria a far funzionare il ciclo. • Si Definisce C.O.P. (dall’inglese Coefficient of Performance) il rapporto tra l’energia utile e l’energia in ingresso • COP ideale: determinato solo dalle temperature di condensazione ed evaporazione:Più queste temperature sono vicine, più alto è il COP • Da qui nasce l’importanza di utilizzare una fonte gratuita, il solare, come preriscaldatore e un sistema di riscaldamento a bassa temperatura

8. Prestazioni Energetiche • Il COP di una pompa di calore attuale varia da 0.3 a 0.5 volte il COP ideale per piccoli modelli e da 0.5 a 0.7 per sistemi grandi e molto efficienti • Al variare della temperatura di condensazione, il rapporto tra il COP ideale e quello reale rimane all’incirca costante • Nella simulazione, il COP è stato stimato come 0.5 volte il COP di una pompa di calore ideale

9. Collettore Solare : calore ceduto al fluido costanti del pannello, dipendenti da fattori costruttivi temperatura del fluido in ingresso nel pannello = Tc temperatura ambiente irraggiamento solare [W/m2] S = superficie pannello • Il collettore solare cattura l'energia solare irradiata per riscaldare direttamente l’acqua contenuta in un serbatoio • Il rendimento teorico è dato dall’equazione di Bliss: • Curva di efficienza collettore in esame: • Conoscendo il rendimento e l’irraggiamento solare, si può calcolare il calore utile fornito dal collettore all’acqua del serbatoio come:

10. Radiazione Diretta Incidente su una Superficie Inclinata • Radiazione diretta intercettata dalla superficie: • I0 = radiazione diretta su superficie orizzontale • θ= di incidenza che i raggi solari formano con la normale alla superficie • Cos(θ) dipende da molteplici fattori: • inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale σ • azimut γ (positivo verso est , negativo verso ovest, nullo per orientazione a sud) • Angolo orario (nullo a mezzogiorno, positivo al mattino e negativo la sera, variando di 15° ogni ora) • Declinazione (Il suo valore, positivo in estate e negativo in inverno, varia fra +23° 26' e -23° 26'.)

11. Andamento Temperatura Tc • Simulazione scritta con Mathematica: ciclo che ad ogni step calcola usando • Come controllo si è calcolato l’andamento analitico di del solo sistema collettore-cisterna (Ta , I costanti) • Confronto con l’ andamento ottenuto dalla simulazione

12. Fabbisogno Termico Abitazione • Classificazione energetica degli edifici: consente di attribuire alle abitazioni una classe, dalla più virtuosa energeticamente, e quindi economicamente, alla più dispendiosa • Nella simulazione si è considerata un abitazione media, di 100 m2 in classe D, con un fabbisogno annuo Fa di 85 kWh/m2 • Stima del fabbisogno energia istantaneo F: • con c costante di proporzionalitàstimata su temperatura media mesi invernali Classe energetica A:< 30 Kwh/mq annuo = < 3 litri gasolio/mq annuoClasse energetica B: tra 31-50 Kwh/mq annuo = 3,1-5 litri gasolio/mq annuo Classe energetica C: tra 51-70 Kwh/mq annuo = 5,1-7 litri gasolio/mq annuoClasse energetica D:tra 71-90 Kwh/mq annuo = 7,1-9 litri gasolio/mq annuoClasse energetica E: tra 91-120 Kwh/mq annuo = 9,1-12 litri gasolio/mq annuoClasse energetica F:tra 121-160 Kwh/mq annuo = 12,1-16 litri gasolio/mq annuoClasse energetica G: > 160 Kwh/mq annuo =  > 16 litri gasolio/mq annuo

13. Dicembre 2008 – Febbraio 2009 • Input: • Pannelli: 5 mq • Cisterna: 1500 l • Inclinazione: 55° • Step: 1 minuto • Energia totale speso: 944.598 kWh • Energia totale spesa solo pompa di calore:1051.99 kWh • Irraggiamento medio: 252.051 W/mq

14. Dicembre 2008 • Input: • Pannelli: 10 mq • Cisterna: 1000 l • Inclinazione: 55° • Step: 1 minuto • Energia spesa: 220.791 kWh • Energia spesa solo pompa di calore: 297.486 kWh • Irraggiamento medio: 223.2 W/mq

15. Gennaio 2009 • Input: • Pannelli: 10 mq • Cisterna: 1000 l • Inclinazione: 55° • Step: 1 minuto • Energia spesa: 302.648 kWh • Energia spesa solo pompa di calore: 403.739 kWh • Irraggiamento medio: 265.3 W/mq

16. Febbraio 2009 • Input: • Pannelli: 10 mq • Cisterna: 1000 l • Inclinazione: 55° • Step: 1 minuto • Energia spesa: 178.065 kWh • Energia spesa solo pompa di calore: 300.307 kWh • Irraggiamento medio: 275.01 W/mq

17. Febbraio 2009 • Input: • Pannelli: 10 mq • Cisterna: 1000 l • Inclinazione: 55° • Step: 1 minuto • Energia spesa: 178.065 kWh • Energia spesa solo pompa di calore: 300.307 kWh • Irraggiamento medio: 275.01 W/mq • Totale 3 mesi: • Energia totale spesa: 701.504 kWh • Solo pompa di calore: 1001.532 kWh • Irraggiamento medio: 254.50 W/mq

18. Confronto con altre Fonti di Energia • Stima costi: • Costo Elettricità: circa 0,135 € /kWh • Energia Totale consumata : 701.504 kWh ~ 95 € • Solo pompa di calore: 1001.532 kWh ~ 135 € • Fabbisogno 3 mesi: 4250 kWh (normali termosifoni)

19. Conclusioni • Impianto Pompa di calore + Pannelli Radianticosto: ~ 280 € /anno • Collettori da 10 mq • Energeticamente efficiente: i collettori soddisfano ~ 1/3 dell’ energia richiesta dalla pompa di calore • Prezzo collettori: ~ 300 € /mq • Risparmio annuale ~ 100 €/anno • Limiti Programma : • Ipotesi semplificative • Irraggiamento diretto • Rendimento ideale • Fabbisogno • Mancanza Metodo di Calcolo Dimensionamento Impianto • Codice non ottimizzato: Alti tempi di Elaborazione • Elaborazione su più inverni

20. Bibliografia • Heat pump performance Ref: http://www.heatpumpcentre.org/About_heat_pumps/HP_performance.asp • Confronto prezzi combustibili per riscaldamento Ref: http://www.centroconsumatori.it/40v26395d28081.html • Calcolo Irraggiamento solare, efficienza collettoreRef: Dispense Prof. Ing. Bernardo Fortunato, Politecnico di Bari