Pompe di Calore e Solare Termico

Presentazione sul tema: "Pompe di Calore e Solare Termico"— Transcript della presentazione:

1 Pompe di Calore e Solare Termico
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 Pompa di Calore Collettore Solare
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
Compressione Vapore bassa pressione Vapore alta pressione Condensazione Vapore 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 kWh/m2 Stima del fabbisogno energia istantaneo F: con c costante di proporzionalità stimata su temperatura media mesi invernali  Classe energetica A: < 30 Kwh/mq annuo = < 3 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica B: tra Kwh/mq annuo = 3,1-5 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica C:  tra Kwh/mq annuo = 5,1-7 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica D:  tra Kwh/mq annuo = 7,1-9 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica E:  tra Kwh/mq annuo = 9,1-12 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica F: tra Kwh/mq annuo = 12,1-16 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica G:  > 160 Kwh/mq annuo =  > 16 litri gasolio/mq annuo

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

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

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

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

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

18 Confronto con altre Fonti di Energia
Stima costi: Costo Elettricità: circa 0,135 € /kWh Energia Totale consumata : kWh ~ 95 € Solo pompa di calore: kWh ~ 135 € Fabbisogno 3 mesi: kWh (normali termosifoni) Fonte di Energia Prezzo per kWh Costo totale per i 3 mesi considerati Gasolio 0,093 € 395 € Gas metano 0,067 € 285 € Elettricità 0,135 € 574 € Teleriscaldamento 0,086 € 365€ Pellets 0,048 € 204€

19 Conclusioni Impianto Pompa di calore + Pannelli Radianti costo: ~ 280 € /anno Collettori da 10 mq Energeticamente efficiente: i collettori soddisfano ~ 1/3 dell’ energia richiesta dalla pompa di calore Prezzo collettori: ~ € /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: Confronto prezzi combustibili per riscaldamento Ref: Calcolo Irraggiamento solare, efficienza collettore Ref: Dispense Prof. Ing. Bernardo Fortunato, Politecnico di Bari