Le pompe di calore II
G.L. Morini
Laboratorio di Termotecnica
Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del
Controllo Ambientale
Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo: SCOP
COP medio effettivo >< COP nominale
Le prestazioni delle pompe di calore (specialmente quelle
ad Aria) sono fortemente influenzate dal valore di
temperatura dell’aria esterna.
•Occorre determinare il valore “medio stagionale” del
COP per effettuare le valutazioni energetiche.
•Il valore del COP cambia quando la PdC lavora ai “carichi
parziali”
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo: SCOP
COP medio effettivo (SCOP) >< COP nominale
Metodi di calcolo consigliati UNI 11300-4
Sorgente fredda
Aria
Sorgente calda
Acqua a t costante
Aria esterna
Aria di recupero
(t indipendente dal
clima)
Aria di recupero
(t dipendente dal clima)
Terreno
(sonda orizzontale)
Terreno
(sonda verticale)
Acqua di pozzo/falda
Acqua di fiume
Bin
Mensile
Bin
Mensile
Bin
Mensile
Bin
Bin
Bin
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Mensile
Acqua a t variabile
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo: SCOP
COP medio effettivo >< COP nominale
Il calcolo su base mensile delle prestazioni energetiche di una
PdC è possibile andando ad utilizzare la temperatura esterna
media mensile solo se:
1)La temperatura della sorgente fredda è stabile (ad es. terreno
o corso d’acqua)
2)La temperatura di mandata dell’impianto si mantiene stabile
durante l’intero anno (ad es. impianti a pannelli o
ventilconvettori)
Quando la temperatura della sorgente fredda varia molto
durante il periodo di riscaldamento (su base giornaliera ed
oraria) come nel caso dell’aria esterna oppure quando la
temperatura di mandata dell’impianto viene variata durante la
stagione di riscaldamento per adeguarla al clima esterno
(impianti a radiatori ad alta temperatura) NON SI PUO’
UTILIZZARE IL CALCOLO MENSILE.
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo: SCOP
COP medio stagionale >< COP nominale
Quando la temperatura della sorgente fredda e/o la temperatura
di mandata variano durante il periodo di riscaldamento il calcolo
deve essere condotto per “intervallo di temperatura
esterna” (BIN) anzichè per “intervallo temporale” (calcolo
mensile)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo: SCOP
BOLOGNA
(dati UNI 10349)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Calcolo dei BIN
La durata temporale di ogni bin tbin(i),mese(k) si
calcola utilizzando una distribuzione normale di
temperatura mensile, ricostruita in base ai seguenti
dati climatici:
(i)temperatura esterna media mensile θae,mese(k)
fornita dalla norma UNI 10349,
(ii)temperatura esterna di progetto θprog fornita
dalla norma UNI EN 12831;
(iii)somma dell’irradiazione giornaliera media
mensile su piano orizzontale diffusa Hdh e diretta
Hbh espressa in MJ/m² fornite dalla norma UNI
10349.
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Calcolo dei BIN
Il valore dello scarto quadratico medio associato
alla distribuzione normale si calcola mensilmente
come segue:
 mese( k )  1.8  0.16H mese( k )   mese( k )


 mese( k )   0.502  0.15825ext , genn  des   0.06375ext , genn  des   0.16H genn zcorr, mese( k )
2
Mese
zcorr,mese(k)
Dicembre
Gennaio
Febbraio
altri mesi
0,5
1,0
0,5
0,0
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Calcolo dei BIN
Si associa ad ogni bin il fattore di densità
Kbin(i),mese(k) dato dalla formula:
Kbin(i ), mese( k )
2







bin
1
bin( i )
ext , mese ( k )
 

exp   
 
 mese( k )
 2 
 mese( k ) 2
 

La durata associata ad ogni bin di temperatura vale:
tbin(i ), mese( k ), th  Kbin(i ), mese( k )tmese( k )
tbin(i ), mese( k )
se tbin(i ), mese( k ), th  0.015t mese( k )


 se t
bin( i ), mese ( k ), th  0.015t mese ( k )



0
t mese( k )
tbin(i ), mese( k ), th
t
i
bin( i ), mese ( k ), th
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Calcolo dei BIN
tbin(i),mese(k) [h]
BOLOGNA
bin(i) [°C]
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
Ott.
0
0
0
0
0
0
0
0
Nov.
0
0
0
0
0
0
0
0
Dic.
0
0
12.2
23.6
40.4
61.4
82.8
99.1
Gen.
18.3
29.8
44.5
60.9
76.4
87.9
92.6
89.4
Feb.
0
0
13.5
22.3
33.8
47.2
60.9
72.3
Mar.
0
0
0
0
0
0
11.7
19.2
Apr.
0
0
0
0
0
0
0
0
4
5
6
7
0
0
0
0
23.3
42.5
67.0
91.7
105.2
99.1
82.8
61.4
79.2
64.2
47.8
32.6
79.1
79.7
74.1
63.4
29.3
41.6
55.0
67.7
0
0
6.7
9.7
8
0
108.9
40.4
20.3
50.0
77.6
13.4
9
11.1
112.0
23.6
0.0
36.4
82.7
17.5
10
17.8
99.9
12.2
0.0
24.4
82.1
22.0
11
26.2
77.3
0.0
0.0
15.0
75.9
26.2
12
35.2
51.9
0.0
0.0
0.0
65.3
29.9
13
43.4
30.2
0.0
0.0
0.0
52.3
32.4
14
49.1
15.2
0.0
0.0
0.0
39.0
33.5
15
50.8
0.0
0.0
0.0
0.0
27.1
33.0
16
48.2
0.0
0.0
0.0
0.0
17.5
31.0
17
41.9
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
27.8
18
33.4
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
23.7
19
24.4
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
19.3
20
16.3
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
15.0
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo: SCOP
Procedura di calcolo
(es. pompa A/W impianto a pavimento)
1) Energia dispersa dall’edificio
Qd ,i  H  int   ext ,i ni
Qd ,tot   H  int   ext ,i ni
per il bin i-esimo
Dispersione totale
i
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
Procedura di calcolo
(es. pompa A/W impianto a pavimento)
2) Calore producibile dalla PdC
QPdC ,i
 L el 
QPdC ,tot,max
w
ni
 w   ext ,i
  Lel
i
w
ni
 w   ext ,i
per il bin i-esimo
(ad es. w=35°C)
Calore massimo
producibile dalla PdC
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
PdC A-W35 =0,38
Edificio: H=1 kW/K
bp=5°C
Lel=7,8 kW
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
Energia termica
mancante
Energia termica in
più
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
Procedura di calcolo
(es. pompa A/W impianto a pavimento)
3) Calcolo del tempo di funzionamento della PdC
Qi  Qd ,i  QPdC ,i
La PdC sta sempre accesa
se Qi  0  i  ni
se Qi  0  i 
Q d ,i
 w

Lel  
  w   ext ,i




La PdC sta accesa solo
per un periodo limitato
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
Procedura di calcolo
(es. pompa A/W impianto a pavimento)
4) Calcolo dell’energia elettrica consumata dalla PdC
Eel   L el i
i
5) Calcolo dell’energia termica prodotta dalla PdC
QPdC   QPdC ,i
i
i
ni
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
Procedura di calcolo
(es. pompa A/W impianto a pavimento)
6) Calcolo dell’energia di back-up
Qbkup  Qd ,tot  QPdC
L’energia di back up può essere fornita all’edificio
utilizzando delle resistenze elettriche e/o accendendo una
caldaia integrativa (sistema polivalente)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
Procedura di calcolo
(es. pompa A/W impianto a pavimento)
7) Calcolo del COP medio effettivo
SCOP  COPm, PdC
QPdC

Eel
8) Calcolo del COP medio effettivo di sistema (PdC+bu)
QPdC  Qbkup
COPm 
Qbkup
Eel 
bkup
Se uso una resistenza elettrica allora bkup=1
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
COP medio effettivo
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Modalità di funzionamento degli
impianti a PdC di tipo EHP
Riscaldamento
L’uso impiantistico delle pompe di calore si può differenziare considerando 3
distinte modalità di funzionamento degli impianti:
1)Funzionamento “Monovalente” o “a generatore termico unico” (monomode use)
2)Funzionamento “Monoenergetico” o a “fonte primaria unica” (Monoenergetic use)
3)Funzionamento “bivalente” o “ a fonte primaria multipla” (Dual-mode
operation)
3a) bivalente-parallelo
3b) bivalente-alternativo
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Monovalente
Nel caso di modo di funzionamento monovalente l’impianto a PdC deve
coprire l’intero fabbisogno di calore dell’edificio (riscaldamento+ACS)
come unico generatore di calore.
Tipiche applicazioni in cui si può ricorrere a tale modo di funzionamento sono
il riscaldamento di ville singole o singoli appartamenti.
Accumulo per produzione
ACS
(con
eventuale
integrazione solare)
Accumulo per controllare i
picchi di potenza termica
richiesta in riscaldamento
per sistemi con modesta
inerzia termica (radiatori,
ventilconvettori) o per
sopperire a interruzioni di
corrente: V[l]=60xQ[kW]
Es: V=60x10=600 [l]
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Mono-energetico
Nel caso di modo di funzionamento mono-energetico l’impianto a PdC viene
integrato durante il programma di riscaldamento mediante un sistema di
resistenze elettriche.
Resistenze elettriche
supplementari
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Bivalente-parallelo
L’impianto a PdC viene integrato durante il programma di riscaldamento
mediante un generatore di calore supplementare (es: caldaia). L’inserimento
della caldaia viene comandato dalla temperatura esterna (ad es. Text<0°C) o
dal carico termico. Tipicamente, la PdC viene dimensionata sul 50-70%
del carico termico massimo dell’edificio. (Es: 10 kW di carico termico
massimo significa PdC da 5-7 kW termici).
Accumuli e caldaia
supplementare
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Bivalente-alternativo
Fino a una determinata temperatura esterna (es: 0°C) che corrisponde
ad una temperatura di mandata del riscaldamento (es: 50°C) l’impianto a
PdC copre l’intero riscaldamento. Oltre, la PdC è disinserita e solo il
generatore alternativo alimenta l’impianto. Modo particolarmente adatto a
edifici esistenti con impianti a radiatori ad alta temperatura.
Accumuli e caldaia
supplementare
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Bivalente-alternativo
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Fabbisogno per riscaldamento
Bologna
Emese(k)
ae [°C]
[kWh]
Gen
2.1
13000
Feb
Mar
Apr
Ott
Nov
4.6
9.4
14.2
14.9
8.7
10400
7900
2200
2000
8200
Dic
4
11900
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Determinazione della Firma di progetto
Mod.X2
35
Potenza termica (kW)
30
Mod.X1
25
Mod.X0
20
15
10
5
0
-10
-5
0
5
10
15
20
25
temperatura esterna (°C)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Sovrapposizione dei bin
35
400
30
350
Mod.X1
25
300
250
20
200
15
Mod.X0 150
10
n° ore bin
Potenza termica (kW)
Mod.X2
100
5
50
0
0
-10
-5
0
5
10
15
20
25
temperatura esterna (°C)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Sovrapposizione dei bin
35
400
30
350
Mod.X1
25
300
250
20
200
15
150
10
n° ore bin
Potenza termica (kW)
Mod.X2
100
5
50
0
0
-10
-5
0
5
10
15
20
25
temperatura esterna (°C)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
35
400
30
350
Mod.X1
25
300
250
20
200
15
150
10
n° ore bin
Potenza termica (kW)
Sovrapposizione dei bin e scelta della PdC
100
5
50
0
0
-10
-5
0
5
10
15
20
25
temperatura esterna (°C)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Pompa di calore + Resistenze elettriche
Funzionamento alternativo
6000
E
[kWh]
Dispersioni
5000
Pompa di Calore
back-up
4000
3000
2000
1000
bival=H,cut-off
0
-15
-10
-5
0
5
10
Temperatura aria esterna [°C]
15
20
25
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
Pompa di calore + Resistenze elettriche
Funzionamento bivalente parallelo
6000
E
[kWh]
Dispersioni
5000
Pompa di Calore
back-up
4000
3000
2000
1000
bival
H,cut-off
0
-15
-10
-5
0
5
10
Temperatura aria esterna [°C]
15
20
25
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Funzionamento Bivalente
SCOP
Impianto bivalente alternativo (H,cut-off=bival)
Wpdc
Cpdc
SCOP
SCOPtot [kWh]
[%]
Bologna
on-off
3.45
2.03
11494
71.4
inverter
3.7
2.09
10723
71.4
Impianto bivalente parallelo (H,cut-off=-5°C)
Bologna
on-off
3.35
3.02
15852
95.4
inverter
3.52
3.16
15081
95.4
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Esempi numerici: edificio di riferimento
Palazzina residenziale (E.1.1), 12 unità immobiliari, a
Bologna (2259 GG), S=1200.23m2, V=3169.18m3,
S/V=0.38, Sue=758.98m2, Sq=253m2.
Edificio di riferimento
Riscaldamento: Fabbisogni termici ed elettrici.
Edificio di riferimento
Acqua calda sanitaria: Fabbisogni termici ed elettrici.
7.a PdC (A/W)+resistenze el.
7.a PdC elettrica (A/W), Resistenza elettrica di integrazione
Pdc ad A/W funz. bivalente-alternativo, Qb=3.8°C, Qcut-off=3.8°C.
7.b PdC (A/W)+resistenze el.
7.b PdC elettrica (A/W), Resistenza elettrica di integrazione
Pdc ad A/W funz. bivalente-parallelo, Qb=3.8°C, Qcut-off=-5°C.
Confronto tra generatori
(Caldaia vs PdC)
Definizione di parametri di prestazione energetica
Indici di prestazione di I principio:
COP 
Q
L
GUE 
EHP
Q
Qa
Q
Qp
Q
Qa
output
output
L
input
S
Macchina elettrica
AHP
Qp
input
S
Macchina a gas
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Confronto tra generatori
(Caldaia vs PdC)
Definizione di parametri di prestazione energetica
Valutazione del CUC di una EHP
Estensione del confine del sistema analizzato per avere in ogni caso
come input energia primaria
Q Lp L Q
COP
Q
CUC 

 e p d COP 
CUC 
Qp Qp Lp L
f p ,el
Qp
Q
Qa
Qp
output
Lp
ep
Centrale
d
L
Rete di distribuzione
input
S
Macchina operatrice
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Indici di confronto
REP: Risparmio di Energia Primaria
Quantifica il combustibile primario risparmiato rispetto all’uso di
sistemi energetici convenzionali di riferimento.
p=Q/QpT
QpT
Caldaia
Qp,ris
Qp
EHP
Q
CUC=Q/Qp
REP= 1-p/CUC=1-fp,elp/COP
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Indici di confronto
fp,el=1/epd=1/0,46 [kWhel/kWhp]
Confronto EHP vs Caldaia
Caldaia condensazione: g=0,98 (medio stagionale)
EHP:
COPm=3,3(medio stagionale)
CUC=COP/fp,el=0,46*3,3=1,52 (> g=0,98)
REP=1-g/CUC=0,35 (35%)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Indici di confronto
REP: Risparmio di Energia Primaria
Quantifica il combustibile primario risparmiato rispetto all’uso di
sistemi energetici convenzionali di riferimento.
p=Q/QpT
QpT
Caldaia
Qp,ris
Qp
GHP
Q
CUC=Q/Qp
REP= 1-p/CUC
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Indici di confronto
Confronto GHP vs Caldaia
Caldaia condensazione: g=0,98 (medio stagionale)
GHP :
CUCm=1,25(medio stagionale)
REP=1-g/CUC=1-0.98/1.25=0,22 (22%)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Indici di confronto
REP: Risparmio di Energia Primaria
Quantifica il combustibile primario risparmiato rispetto all’uso di
sistemi energetici convenzionali di riferimento.
p=Q/QpT
QpT
Caldaia
Qp,ris
Qp
AHP
Q
GUE=Q/Qp
REP= 1-p/GUE
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Analisi energetica
Confronto AHP vs Caldaia
Caldaia condensazione: g=0,98 (medio stagionale)
AHP :
GUEm=1.45(medio stagionale)
REP=1-g/GUE=0,32 (32%)
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it
Analisi energetica
Confronti prestazioni energetiche tra PdC
3
EHP
REP
GHP
2.5
AHP a.d.
AHP a.i.
2
1.5
1
1
GUE/COPt
2
3
SCOP
4
5
DIENCA
Università di Bologna
www.unibo.it