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; 1%
Sensibile; 8 %
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

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
1834 - Jacob Perkins (USA): primo brevetto su macchine a
compressione
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
ITH=20 anni
R22
0.05 4000
R32
0
R125
GWP
ITH=100 anni
GWP
ITH=500 anni
1500
510
2100
650
200
0
4600
2800
920
R134a
0
3400
1300
420
R718 (Acqua)
0
0
0
0
R717
(Ammoniaca)
0
0
0
0
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
Macchina ad
assorbimento
H20-LiBr
acqua(°)-acqua
Macchina a
compressore elettrico
aria(°)-aria
split (cl.A-D)
Macchina ad
assorbimento
H20-NH3
aria(°)-acqua
Caldaia a
condensazione
Macchina a
compressore elettrico
aria-acqua(°)
monoblocco
(cl.A-D)
Caldaia
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
COP/GUE caldo
(*) 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 (*)
COOLING (*)
1.20
11 kW
1.50
R 22
1.00
11 kW
0.50
R 22
T warm water outlet °C
(*) Linea blu: prototipo ENEA “11kW”
60.0
55.0
50.0
45.0
40.0
0.00
35.0
T cold water outlet °C
10.0
5.0
0.0
-5.0
-10.0
-15.0
1.00
30.0
1.10
PERc
PERh
1.30
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
 Aria-Acqua
 Acqua-Acqua
 Terra-Acqua
 ...
(condiz. SPLIT)
(Chillers H2O-NH3)
(Chillers H2O-LiBr)
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
 Vapore
 Gas
 Fumi
(Water Fired)
(Steam Fired)
(Gas Fired)
(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 H20LiBr, 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
25/60
Caldaie(°)
Caldaie a Condensazione(*)
PCC Aria-Aria
(°) (2-4 kW)
PCC Aria-Acqua
PCA H20-NH3
€/kW
(°) (17 kW)
(°)
120
80-350
250
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.