Gli Impianti Geotermici e le Pompe di Calore: Stato dell ... · Evoluzione del sistema edificio...
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Gli Impianti Geotermici e le Gli Impianti Geotermici e le
Pompe di Calore: Stato Pompe di Calore: Stato
delldell’’Arte ed EsempiArte ed Esempi
ing. Fabio Minchio
Ph.D. in energetica
Ing. Diego Danieli
In collaborazione con:
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“la prima fonte rinnovabile è l’energia risparmiata”
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•La presentazione prende spunto da alcune esperienze
degli autori nel campo degli impianti a pompa di calore con
sonde geotermiche di tipo orizzontale e verticale realizzati
in questi anni.
•Il lavoro vuole analizzare gli aspetti del calcolo
termotecnico e dell’inserimento degli impianti in alcuni
complessi edilizi.
•Il lavoro è completato con il confronto di alcune valutazioni
tecnico-economico con le attuali tecnologie presenti nel
mercato rivolgendo l’attenzione all’aspetto dell’impatto
ambientale e dell’efficienza energetica.
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Energie rinnovabili ed efficienza energetica:
l’importanza della progettazione
Evoluzione del sistema edificio impianto
Evoluzione impianti di climatizzazione:
• Centrali termiche e frigorifere in cui si integrano diverse tecnologie (es. caldaie
a condensazione e pompe di calore o energie rinnovabili)
• Ruolo della regolazione sempre più importante
• Esigenze di comfort e qualità dell’aria sempre più marcate, anche nel
residenziale (ventilazione meccanica controllata VMC)
• Involucro edilizio sempre più isolato e caratterizzato da parametri termofisici
diversi dal recente passato (minore permeabilità, maggiore inerzia termica…)
LA PROGETTAZIONE ASSUME UN’IMPORTANZA
PIU’ RILEVANTE CHE IN PASSATO
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La progettazione di impianti da fonte rinnovabile o ad
alta efficienza energetica è caratterizzata da alcuni
aspetti:
1. Minore standardizzazione
2. Necessità di strumenti software adeguati e calcoli non
solamente stazionari
3. Necessità di integrazione fra tecnologie
4. Multidisciplinarietà
5. Importanza dell’analisi preliminare tecnico economica
6. Conoscenza dei materiali e macchinari utilizzati
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Esempio progetto impianti geotermici:
1. Geognostica
2. Realizzazione GRT (o TRT), Ground Response Test
3. Analisi delle caratteristiche del sistema edificio impianto
1. Fabbisogni energetici almeno mensili riscaldamento, raffrescamento,
acqua calda sanitaria
2. Potenza di picco in riscaldamento e raffrescamento
3. Copertura desiderata da geotermico
4. Sbilanciamento fabbisogni estate inverno
5. Temperature minime/massime di progetto in relazione all’impianto
4. Scelta tipologia di sonda geotermica
5. Simulazione “dinamica”
6. Analisi tecnico economica ed eventuale rivalutazione
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DIMENSIONAMENTO IMPIANTI GEOTERMICI
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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Approccio al dimensionamento (Minchio, Basta, 2007)
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TIPOLOGIA DI SISTEMA
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GRT (o TRT), Ground Response Test
– Prova condotta a potenza termica (o frigorifera costante)
– Durata del test almeno 50 h
– Elaborazione sulla base della teoria della sorgente lineare
E’ DI FATTO STRUMENTO INTERNAZIONALE STANDARD DI PROGETTAZIONE PER CAMPI >10 SONDE GEOTERMICHE
– linee guida ASHRAE (www.ashrae.com)
– linee guida IEA (internationl energy agencywww.iea.org))
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GRT
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70time (h)
Temperatura (°C
)
Text Tin Tout
–Test di costo non trascurabile: problema durata
–In presenza di moti convettivi significativi test non consistente: problema importante in alcune zone della Pianura Padana
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PROBLEMATICHE AMMINISTRATIVE
• Assenza di un quadro legislativo nazionale sui sistemi
di scambio termico a terreno (recente D.lgs n. 22 11
febbraio 2010 sfiora solo l’argomento)
• Competenza comunque Regionale, generalemente
delegata a Province (esempio Veneto, Lombardia) o
Comuni
• Diversa idrogeologia comporta diverse problematiche
amministrative
• Reale problematica ambientale solo in presenza di
falde
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GEOGNOSTICA
La fase geognostica preliminare risulta di fondamentale importanza per la corretta scelta e dimensionamento di un sistema di scambio termico con il sottosuolo.
In particolare appaiono necessari soprattutto:
• la definizione della stratigrafia del sottosuolo, da cui derivano le proprietà termiche del terreno
• la valutazione della presenza della acqua, in termini assoluti ed in relazione ai movimenti della stessa nel terreno.
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CARATTERISTICA SONDA GEOTERMICA
• Diametro perforazione
• Configurazione
geometrica
• Materiale sonda
• Materiale riempitivo
• Fluido termovettore
• Regime di deflusso
Valore di Rb
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MATERIALI
• Standard di mercato: PE/HD
• Sonde in materiale metallico:
– Corrosione
– Correnti vaganti
L’uso di materiali ad elevata conduttività termica
consente un miglioramento ma in ogni caso esiste
un limite di “sfruttamento” sostenibile del terreno
CONFIGURAZIONE GEOMETRICA
• Standard di mercato: sonda a doppia U o a singola U,
meno diffuse coassiali
Obiettivo: ottimizzazione regime di deflusso
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FLUIDO TERMOVETTORE
• Dimensionamento standard: previsto anticongelante
– standard: soluzione acqua e glicole propilenico
• Elevata viscosità: perdite di carico, regime di deflusso laminare
• Impatto ambientale?
Solo acqua?
– Svantaggi
• Necessità di incrementare il numero di sonde per assicurare temperature sempre > 0°C: convenienza economica improbabile nei piccoli impianti
• Difficoltà ottenimento garanzia su pompa di calore
– Vantaggi
• Riduzione perdite di carico e consumi di pompaggio
• Miglioramento regime di deflusso a parità di portata
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PROFILO DI TEMPERATURA DEL TERRENO
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TRASMISSIONE NATURALE
DEL CALORE
SORGENTE CALDA
Corpo a temperatura
TH > TL
CALORE
SORGENTE FREDDA
Corpo a temperatura
TL < TH
TRASMISSIONE DEL CALORE
TRAMITE CICLO FRIGORIFERO
CALORE
CALORE
LA POMPA DI CALORE
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L’efficienza di una macchina frigorifera è definita dal COP (Coefficient
of Performance per le pompe di calore e con EER =Energy Efficiency
Ratio per le macchine frigorifere), coefficiente adimensionale definito
dalle relazioni :
A
F
P
PEER =
A
T
P
PCOP =
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CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE DI CALORE
AMBIENTE DA
CLIMATIZZAREAMBIENTE DA
CLIMATIZZARE
IMPIANTI AD ESPANSIONE
DIRETTA
IMPIANTI AD FLUIDO
INTERMEDIO
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SCELTA DELLA POMPA DI CALORE
Le tecnologie possibili:
• Macchine elettriche a compressione (prev. Idroniche)
• Macchine ad assorbimento, interessanti se:
– Defiscalizzazione gas naturale
– Applicazioni in solo riscaldamento/a.c.s. (posso dimezzare la lunghezza complessiva di scambio)
• Ecocute dedicati a CO2 per la produzione a.c.s.
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Si distinguono invece, per fluido impiegato lato sorgente, le seguenti
tipologie di pompe di calore:
• ARIA
•ACQUA
•TERRENO
Nella tabella seguente è riportata una comparazione dell’influenza della
sorgente termica esterna sulle caratteristiche delle pompe di calore.
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CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
Le PdC Idroniche
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CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
Le PdC VRV-VRF Condensate ad Acqua
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La serie geotermica condensata ad acqua tollera temperature
dell'acqua in ingresso allo scambiatore fino a -10°C in modalità
riscaldamento, estendendo in questo modo il campo di
funzionamento dei sistemi condensati ad acqua.
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Alcuni esempi d’Impianti progettati ed realizzati
1. Impianto con sonde verticali
2. Impianto con sonde orizzontali (tipo
shinkly)
3. Impianto ad anello Geotermico
4. ……
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IMPIANTO A PdC CON GEOSCAMBIO A
SONDE VERTICALI
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La quasi totalità dei metodi disponibili in letteratura per il dimensionamento delle sonde
geotermiche si basa sulla seguente relazione di scambio termico in regime stazionario, dove
nella resistenza R, opportunamente modificata, viene inglobato l’effetto della non stazionarietà
dei fenomeni:
dove: q è il flusso termico tra fluido termovettore della singola sonda e terreno [W]; L è la
lunghezza totale della sonda [m]; Tg è la temperatura media del terreno prima di installare la
sonda [K]; Tw è la temperatura media del fluido in sonda [K]; R è la resistenza termica del
terreno per unità di lunghezza della sonda [(m·K)/W].
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L’ASHRAE prevede una procedura di calcolo che utilizza il metodo sviluppato da Ingersoll nel
1954 e ripreso ed implementato da Kavanaugh e Rafferty nel 1997.
La q modificata da Ingersoll, Kavanaugh e Rafferty diventa perciò:
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IMPIANTO A PdC CON GEOSCAMBIO A
SONDE ORIZZONTALI (SHINKLY)
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IMPIANTO A WLHP CON ANELLO
ORIZZONTALE A GEOSCAMBIO
Il sistema, noto con il termine aglosassone di WLHP (Water
Loop Heat Pump) consiste in un anello idraulico mantenuto
ad una temperatura costante compresa tra i 20°C ed i 30°C,
cui sono collegate delle pompe di calore acqua – aria o
acqua – acqua. La costanza della temperatura dell’anello
può essere garantita o dall’accoppiamento di un generatore
di calore (caldaia o pompa di calore) e di uno smaltitore
(generalmente torre evaporativa), oppure mediante il
collegamento ad una sorgente geotermica alternativa, quale
acque superficiali o sotterranee o terreno
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TIPOLOGIA IMPIANTISTICA ADOTTATA
Richieste progettuali:
�Elevata efficienza impiantistica
�Minori costi di impianto e gestione
�Alta Flessibilità
�Funzionamento per lotti
POMPA DI CALORE CON ANELLO GEOTERMICO
Dall’analisi economica fatta con diverse tipologie
impiantistiche (principalmente impianto tradizionale 4
tubi),si è deciso di sviluppare la seguente:
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sistema
riscaldante
sistema
raffred.
unità pdc ca ldo unità pdc freddo
ane llo acqua (20-30°C)
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Definizione Perforazione orizzontale controllata o H.D.D.
(Horizontal Directional Drilling).
La perforazione orizzontale teleguidata è una tecnica basata
sull’esecuzione di una trivellazione orizzontale in terreni che possono
essere di diversa natura mediante l’infissione di una serie di aste la
prima delle quali collegate ad una testa orientabile guidata dalla
superficie per mezzo di sistemi di localizzazione controllata.
L’avanzamento delle aste nel terreno avviene grazie ai movimenti di
spinta e rotazione esercitati dalla macchina .
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Sonda Geotermica utilizzata
Sonde geotermiche orizzontali:
�Elevata resa ed efficienza
d’impianto
� Maggiore uniformità della
temperatura di scambio
�Soluzione impiantistica economica
e di facile posa
�Sonda a sviluppo lineare a ritorno
inverso (DN partenza 250,Stacchi
DN 200)
� Lunghezza anello 2,5 km
Potenza geoscambiatore:
200 kW inv.
400 kW est.
Scambiatore posizionato ad una profondità di –4/5 m.
Temperatura del terreno: 12-16°C
� Elevate efficienze d’impianto
� COP/EER buoni sia in funzionamento
a carico parziale che a carico totale
� Ingombri contenuti
� Ideale per applicazioni geotermiche
Caratteristiche d’impianto:
� Funzionamento indipendente
delle utenze
� Possibilità di recuperare calore
tra le unità interne
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CALDAIA
Pot.:1,4 MW
Recupero di caloreRecupero di calorefra le unitfra le unitàà interneinterne
Recupero di caloreRecupero di caloretra le utenzetra le utenzedelldell’’anelloanello Torre
Evaporativa
Schema d’impianto Tipologico
Assorbitore Assorbitore
In predisposizioneIn predisposizioneZona Residenziale
Zona Uffici
Zona Commerciale Acqua 7-12 °C per futuro
teleraffreddamento in zona
industriale
Caratteristiche d’impianto:
� Funzionamento indipendente delle utenze
� Possibilità di recuperare calore tra le unità interne
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TOTALE
POT.TERMICA INVERNALE: 1,4 MW
POT. FRIGORIFERA: 1.4 MW
SUP.: 11.000 m2
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100% A TERRENO?
• ottimizzazione economica: soluzioni ibride lato impianto
integrando pompe di calore a terreno con tecnologie
tradizionali (caldaie, chiller)
CON IL 60% DELLA POTENZA DI PROGETTO SI PUO’
COPRIRE FINO AL 70-80% DEL FABBISOGNO
ENERGETICO!
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OBIETTIVI PRESTAZIONALI
Il dimensionamento è sempre effettuato con
l’obiettivo di ottenere temperature del fluido in
ingresso alla pompa di calore al di sopra di un
livello minimo invernale e al di sotto di un livello
massimo estivo
Per migliorare il COP e l’EER medio stagionale è
necessario incrementare il numero di sonde
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PROGETTAZIONE: RIFERIMENTI
• Riferimenti internazionali principali:
– VDI 4640
– Manuali ASHRAE
– IGSHPA
– Norme canadesi CSA448
– Norme svizzere SIA (in particolare per pali energetici)
IN PREPARAZIONE NORME UNI CTI (GL-608).
• ASHRAE Handbook 2003, HVAC Applications, Capitolo 32 – Geothermal Energy,
ASHRAE, Atlanta, GA, 2003.
•Le pompe di calore geotermiche – A. Cavallini – Monografie Aermec Spa – 2006
• Geotermia e pompe di calore – S. Basta F. Mischio Ed. geotermia.org 2008
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65
CONCLUSIONI
La progettazione di un campo di sonde geotermiche
verticali per impianti > 30 kW è un processo articolato
influenzato da
• terreno
• tipologia di sonda geotermica
• caratteristiche sistema edificio impianto
Un progetto completo ed affidabile non può prescindere
dall’analisi dettagliata di tutti questi aspetti.
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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!!
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ing. Fabio Minchio
Ph.D. in energetica
Ing. Diego Danieli
In collaborazione con:
GRAZIE PER L’ATTENZIONE