Introduzione Obbiettivi Impianto Simulazione Pompa di Calore



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30.12.2017
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  • Introduzione

    • Obbiettivi
    • Impianto
    • Simulazione
  • Pompa di Calore

    • Ciclo termodinamico
    • Prestazioni Energetiche
  • Collettore Solare

    • Calcolo Irraggiamento Solare
    • Rendimento
  • Fabbisogno Termico Abitazione

  • Mathematica

  • Conclusioni



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).

  • 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



  • 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





Pompa di Calore: Ciclo di Carnot in senso inverso

  • 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.



nel ciclo della pompa di calore il fluido compie un intero ciclo termodinamico di Carnot

  • 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



  • 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



Il collettore solare cattura l'energia solare irradiata per riscaldare direttamente l’acqua contenuta in un serbatoio

  • 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 intercettata dalla superficie:

  • 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'.)


Simulazione scritta con Mathematica: ciclo che ad ogni step calcola usando

  • 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



 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

  •  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



Input:

  • Input:

    • 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



Input:

  • Input:

    • 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



Input:

  • Input:

    • 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



Input:

  • Input:

    • 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



Input:

  • Input:

    • 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



  • 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)



Impianto Pompa di calore + Pannelli Radianti costo: ~ 280 € /anno

  • 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


Heat pump performance Ref: http://www.heatpumpcentre.org/About_heat_pumps/HP_performance.asp

  • 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




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