Analisi tecnico-economica per l’utilizzo
delle pompe di calore geotermiche
a
Paolo Conti
Unione Geotermica Italiana & Università di Pisa - DESTEC
Email: [email protected]
GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Impianto di climatizzazione
2
Flusso energia termica
Impianto di
generazione
?
Impianto
utilizzatore
• EMISSIONE
• REGOLAZIONE
• DISTRIBUZIONE
• ACCUMULO
Fabbisogno
termico edificio
• RISCALDAMENTO
• RAFFRESCAMENTO
• ACQUA CALDA
SANITARIA
HVAC Systems
(Heating, Ventilation and Air Conditioning)
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Quale tecnologia di generazione?
3
Pompa di
calore
Caldaia a
combustibili
fossili
Caldaia a
biomassa
Solare
termico
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Pompe di calore: fondamenti
4
Definizione
Sorgente “calda”
QT
W
QF
Sorgente “fredda”
Gradiente di temperatura
Energia “motore”
(calore o lavoro)
Dispositivo capace di trasferire calore da
una sorgente «fredda» a una «calda»,
in direzione opposta al naturale flusso
termico. Per fare questo, è richiesta una
quantità aggiuntiva di energia
(calore o lavoro)
Coefficient of performance
Riscaldamento & ACS
𝑄𝑇
𝑄𝑇
𝐶𝑂𝑃 =
=
𝑄𝑇 − 𝑄𝐹 𝑊
Raffrescamento
𝑄𝐹
𝑄𝐹
𝐸𝐸𝑅 =
=
𝑄𝑇 − 𝑄𝐹 𝑊
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Pompe di calore: fondamenti
5
Ciclo termodinamico di riferimento
Componenti PdC
C
B
A
Liquid + Vapor
Condensatore
A
C
Compressore
O
Assorbitore
D
D
Valvola di espansione
Vapor
Saturated liquid
T – Temperature [K]
Saturation curve
Evaporatore
B
s – Entropy [J/kg]
Conti & Grassi: How heat pumps work: criteria for heat sources evaluation . XIV Int. Conference on Science, Arts and Culture. Veli Lošinj, 2014.
Pompe di calore: tecnologia
6
Caldaia
En Primaria
90 ÷ 115
ηgen
En utile
100
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Pompe di calore: tecnologia
7
Pompa di calore elettrica – RISC & ACS
En Elettrica
25
Parco produzione
energia elettrica
nazionale
COP
En Primaria
54
En da sorgente fredda
75
En utile
100
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Pompe di calore: tecnologia
8
Pompa di calore elettrica – RAFF
En Elettrica
33
Parco produzione
energia elettrica
nazionale
EER
En Primaria
72
En a sorgente calda
133
En utile
100
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Pompe di calore: tecnologia
9
Pompa di calore ad assorbimento – RISC & ACS
En Primaria
54
GUE
En utile
100
En da sorgente fredda
46
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Quale sorgente utilizzare?
10
Terreno
Acqua
Aria
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Terminologia
11
Ground Source
Heat pump
systems - GSHPs
Surface-water
HPs - SWHP
Groundwater
HPs - GWHPs
Air Source
Heat pump
systems - ASHPs
Ground-coupled
HPs - GCHPs
Horizontal
CGHPs
Vertical GCHPs
(ASHRAE 2011)
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Quale parametro indica un
“buon funzionamento” del sistema?
12
Prestazioni energetiche operative
o
o
o
Consumo globale di energia
primaria (GSHP + back-up)
Quota di carico soddisfatta
con SCOP/SEER maggiori
delle tecnologie di back-up
Condizioni operative
•
•
Temperature EVA/COND
Capacity ratio
Costi installazione e O&M
o
o
o
Risparmi rispetto a
tecnologie di back-up
Costi installazione
GHP + Back-up + Sonde
Tariffe energia
(elettrica, gas naturale…)
o
Scenario incentivi
o
Capacity ratio
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Qual è l’obiettivo?
13
Qual’è l’obiettivo finale?
o
o
o
Minimizzare il rapporto costi-benefici (enegia/economia) del sistema
globale (GSHP & Integrazione) in termini di prestazioni operative
Determinare la frazione ottimale del carico termico (energia!) da
soddisfare con il sistema GSHP
Individuare le taglie ottimali dei componenti del sistema (inclusa la PdC).
Quali sono le principali variabili di dimensionamento?
o
Taglia e tipologia della PdC
o
Dimensioni e caratteristiche sonde (lunghezza, numero, disposizione…)
o
Strategia di controllo durante il periodo operativo
Cosa dovrebbe essere evitato?
o
Un dimensionamento approssimato e “frettoloso”
o
Non analizzare la gestione del sistema durante il funzionamento
Layout impiantistico
14
HP
Geothermal
loop
End-user loop
(thermal load)
BHEs
Back-up
generators
Terreno - Acqua
(Sorgente/accumulo)
Sonde - Pozzi
Proprietà termo-fisiche Tipologia
Moto di falda
Numero
Clima
Materiali
Configurazione
Ground
Source
Circuito
Geotermico
GHP
Temperature Tecnologia
Portata
Prestazioni
Perdite carico Dimensionamento
Controllo
GSHP Systems
Sistema di
integrazione
Impianto
utilizzatore
Tecnologia
Temperatura richiesta
Prestazioni
Caratteristiche carico
Dimensionamento (Potenza + Energia)
Controllo
HVAC Systems
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Indici di prestazione
15
Table 1. Energetic indexes for electrically-driven heat pumps.
NAME
DEFINITION
TIPICAL VALUES
Useful thermal power divided by
COP/EER
3.5 ÷ 5 / 2.5 ÷ 3.5
power input
Useful thermal energy divided
<COP> / <EER>
by total energy input. The
3 ÷ 4 / 2.5 ÷ 3
Average COP/EER coefficient refers to a specified
time interval.
Useful thermal energy divided
SCOP / SEER
by energy input. The coefficient
3÷4/2÷3
Seasonal COP/EER refers to the entire
heating/cooling season.
Useful thermal energy during a
PER
season divided by primary
1.2 ÷ 1.6 / 0.8 ÷ 1.2
Primary Energy Ratio
energy input
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Prestazioni operative vs. nominali
16
o
Prestazioni dell’unità pompa di calore
o
o
o
Variazione prestazioni in funzione delle temperature
operative
Variazione prestazione in funzione del capacity ratio
Sostenibilità della sorgente termica
o
o
Qual è il grado ottimale di sfruttamento della
sorgente?
Quanto vengono alterate le caratteristiche della
sorgente dall’esercizio dell’impianto?
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Unità pompa di calore:
prestazioni operative vs. nominali
17
Temperatura di evaporazione e condensazione
I dati “nominali” si riferiscono a condizioni standard delle sorgenti
(e.g. UNI EN 14511-2:2013)
Prestazioni nominali
Heating capacity – kW
15.1
Total power input – kW 3.6
COP (only compressor)
4.2
Secondary fluid (Evaporator): Inlet 10°C / Outlet 7°C
Secondary fluid (Condenser): Inlet 30°C / Outlet 35°C
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Unità pompa di calore:
prestazioni operative vs. nominali
18
16
14
TfH – 35°C
Thermal capacity - kW
12
TfH – 45°C
∆QT/∆Tf~0.25 [kW/°C]
10
8
TfH – 35°C
COP
6
∆COP/∆Tf~0.1 [1/°C]
4
TfH – 45°C
2
0
-10
-5
0
5
10
TfC – [°C]
15
20
25
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
30
Unità pompa di calore:
prestazioni operative vs. nominali
19
Capacity ratio
𝐶𝑅 =
𝑄𝑢
𝑄𝐷𝐶
Dove:
-
-
𝑄𝑢 è la potenza termica utile fornita;
𝑄D𝐶 è la massima potenza termica erogabile dall’unità
alle medesime condizioni operative delle sorgenti.
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Unità pompa di calore:
prestazioni operative vs. nominali
20
𝑷𝒕𝒉,𝒐𝒖𝒕
CR<1
(UNI EN 14825:2012)
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Unità pompa di calore:
prestazioni operative vs. nominali
21
Fattore di penalizzazione del COP
(UNI EN 14825:2012)
COP/COPDC
1
0,8
0,6
Unità ON/OF
Unità modulanti
0,4
0,2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
CR
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Sorgente termica:
prestazioni operative vs. iniziali
22
Valutazione della risorsa iniziale
-
Aria (ASHPs): clima del luogo
Acqua (GWHPs and SWHPs): livello falda, temperatura, test
pompaggio (determinazione portata)…
Terreno (GCHPs): temperatura, proprietà termofisiche, Termal
Response Test (TRT)…
Valutazione della «risposta» della sorgente all’esercizio
dell’impianto
- Es. in caso di impianti a circuito chiuso, la temperatura del terreno è
fortemente influenzata dalle sue proprietà termiche e dalla «storia»
degli scambi termici tra terreno e impianto (importanza della
strategia di controllo)
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Sostenibilità della sorgente:
caso studio semplificato
23
Impianto di riscaldamento costituito da una GCHP e da una ASHP (back-up).
1,1
BHEs depth
EnIN/EnIN-AIR
1,05
0 (AHP only)
2x100
4x100
6 x 100
10 x 100
15 x 100
20 x 100
30 x 100
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Load share at the ground source
1
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Design case: descrizione
24
Profilo di carico
8,1
Data di targa delle PdC analizzate
Fabbisogno mensile di RISC e
RAFF [MWh]
HP1 HP2 HP3
Heating DC
(EN 14511:2008)
Cooling DC
(EN 14511:2008)
6,9
5,8
4,2
3,5
0,7
0,7



-3,8
-3,5
-7,2
-8,6 -8,6
Potenza picco RISC: 30 kW
Potenza picco RAFF: 40 kW



35
10.7
12.1
40.5
12.1
8.88
HP1
PdC riferita al carico di picco
HP2
PdC riferita alla potenza media
richiesta nel mese più gravoso
HP3
PdC riferita alla potenza media
stagionale
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Design case: descrizione
25
Obiettivi
Determinazione della taglia ottimale della GHP, del
sistema di back-up e del numero di BHE
Determinazione strategia di controllo ottimale
References
1.
2.
“Proposal of a Novel Design Procedure for GSHP Systems”
W. Grassi, P. Conti, D. Testi – EGC2013 proceedings.
“A Design Method for Ground Source Heat Pump Systems Based on
Optimal Year-Round Performance – Part 1: Model Definition and
Discussion”, submitted to Applied Energy.
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Design case: risultati
26
1200
Conf. 1
Conf. 2
Conf. 3
Conf. 4
1000
𝐸𝑝𝑡𝑜𝑡 [MWh]
800
600
400
200
0
1
2
3
4
5
No GSHP
BHEs number
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Design case: risultati
27
HP2 – 3 BHEs HP3– 3 BHEs
Total length of BHEs [m]
Total flow rate [kg/s]
𝑓𝐻 - % copertura carico INV
𝑓𝐶 - % copertura carico EST
<COP>
η (boiler)
<EER>
<EER> (air unit)
100 x 3
1.02
93 %
78 %
3.42
3.56
100 x 3
1.02
86 %
HP2
– 3 BHEs HP3– 3 BHEs
38 %
3.50
1.09
1.09
3.81
3.01
3.90
𝐶𝑅 (winter/summer)
0.38 / 0.69
0.45 / 0.50
Heat flow per unit length
(winter/summer) [W/m]
19.4 / 34.5
18.3 / 37.3
899.25
(-9.4 %)
848.35
(-15.1%)
Primary energy consumption
(after 20 years) [MWh]
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Design case: risultati
28
Indici di prestazione per la GHP (conf #3, 3 BHEs)
COP
EER
4
3,8
3,6
3,4
3,2
3
2,8
2,6
2,4
2,2
2
1
2
3
……
9
10
11
……
18
19
20
Year
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
Design case: risultati
29
Suddivisione del carico tra GSHP e Back-up (Conf #3, 3 BHEs)
GSHP
Back-up generators
10
9
8
[MWh]
7
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
……
9
10
11
……
18
19
Year
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
20
Design case: conclusioni
30
1.
2.
3.
4.
5.
6.
La potenzialità degli impianti di tipo GSHP in termini di risparmi
energetici è stata confermata;
Il consumo minimo di energia primaria si ottiene individuando il punto di
ottimo in termini di sinergia tra GSHP e back-up;
Il numero e le dimensioni dei BHEs devono essere scelti in funzione del
miglior compromesso tra costi di installazione e risparmi conseguibili;
Una progettazione attenta, ad-hoc basata sulla valutazione delle
prestazioni operative sembra essere un requisito fondamentale per
evitare sovradimensionamenti e malfunzionamenti del futuro impianto;
I sistemi GSHP costituiscono una tecnologia efficace per il raggiungimento
degli obiettivi imposti dalle recenti Direttive Europee e leggi neazionali
(e.g. EPBD e decreti attuativi)
I sistemi GSHP rappresentano una tecnologia “strategica” in previsione di
futuri aumenti delle tariffe di energia (elettrica e gas).
Conti: Analisi tecnico-economica per l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche . GEO FLUID. Piacenza, 1 Ottobre 2014.
31
Grazie per l’attenzione