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

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

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

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

Schema Impianto

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.

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

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

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:

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'.)

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

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 proporzionalità stimata su temperatura media mesi invernali  Classe energetica A: < 30 Kwh/mq annuo = < 3 litri gasolio/mq annuo  Classe 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 annuo  Classe energetica D:  tra 71-90 Kwh/mq annuo = 7,1-9 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica E:  tra 91-120 Kwh/mq annuo = 9,1-12 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica F: tra 121-160 Kwh/mq annuo = 12,1-16 litri gasolio/mq annuo  Classe energetica G:  > 160 Kwh/mq annuo =  > 16 litri gasolio/mq annuo

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: 944.598 kWh Energia totale spesa solo pompa di calore: 1051.99 kWh Irraggiamento medio: 252.051 W/mq

Dicembre 2008 Input: Energia spesa: 220.791 kWh 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

Gennaio 2009 Input: Energia spesa: 302.648 kWh 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

Febbraio 2009 Input: Energia spesa: 178.065 kWh 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

Febbraio 2009 Input: Energia spesa: 178.065 kWh 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

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) 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€

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: ~ 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

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 collettore Ref: Dispense Prof. Ing. Bernardo Fortunato, Politecnico di Bari