1. 1. ANNO ACCADEMICO 2013/2014 1
2. 2. Scopo dellelaborato Nel seguente elaborato affrontato lo studio degli indici di prestazione energetica delle pompe di calore elettriche, in particolare quelli stagionali introdotti a seguito di una politica europea sempre pi interessata al risparmio energetico. stata studiata la Direttiva Erp 2009/125/CE o Eco - design : una direttiva-quadro che attraverso specifici regolamenti attuativi stabilisce i requisiti di eco-design per tutti i prodotti che utilizzano energia elettrica: contribuendo alla realizzazione di uno dei tre obiettivi del Piano 20-20-20 ridurre del 20% i consumi finali di energia rispetto al 1990. Con i REGOLAMENTI DELEGATI (UE) n.826 e n.813 per le pompe di calore aria-aria e aria-acqua, nei quali vengono esposte le modifiche allinterno dellEnergy Label a partire dal 1 gennaio 2015 si constatata lintroduzione di indici di prestazione energetica stagionali. stata tradotta e analizzata la norma UNI EN 14825, nella quale esposta la modalit di calcolo degli indici di prestazione energetica stagionali: SCOP e SEER. Si applicata la modalit di calcolo del SEER, per la stagione di raffrescamento, a due chiller aventi capacit frigorifera nominale differente. 2
3. 3. POMPE DI CALORE La pompa di calore una tipologia di macchina che permette di trasferire un flusso di energia termica nel verso crescente della temperatura, contrariamente al verso spontaneo delle interazioni termiche sancito dal Secondo Principio della Termodinamica. In base alla natura dellapporto energetico alla macchina inversa le pompe di calore possono essere distinte in: EHP, Electric Heat Pump , Pompa di calore elettrica. Tale trasferimento avviene grazie ad un apporto energetico esterno Sono utilizzate per il raffrescamento estivo o per il riscaldamento invernale 3
4. 4. Principio di funzionamento DELLE POMPE DI CALORE ELETTRICHE Le pompe di calore sono SISTEMI BITERMItrasferimento di energia termica dalla sorgente a temperatura inferiore, TL , ad una sorgente a temperatura superiore,TH. Inverno riscaldamento ambiente Estate raffrescamento ambiente 4
5. 5. Classificazione delle Ehp Fluido termovettore interno Fluido termovettore esterno Aria Acqua Aria Pompa di calore aria-aria (A-A) Pompa di calore aria- acqua (A-W) Acqua Pompa di calore acqua- aria (W-A) Pompa di calore acqua- acqua (W-W) Una SORGENTE per essere IDEALE dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: unelevata temperatura; temperatura poco fluttuante; non corrosiva; non inquinante; bassi costi di utilizzazione. 5
6. 6. POMPE DI CALORE Aria-aria: POMPE DI CALORE Aria-aCQUa: Sistemi con Unit di Trattamento dellaria o ad espansione diretta (split). SEMPLICE MANUTENZIONE; FORTE DIPENDENZA DELLE PRESTAZIONI DALLE CONDIZIONI CLIMATICHE; INGOMBRO UNIT ESTERNE. Sistemi con fan-coil (grandi edifici), oppure usi industriali. 6
7. 7. Indici di prestazione a carico nominale delle pompe di calore: COP ed EER Gli indici di prestazione a carico nominale la cui procedura di calcolo definita dalla norma UNI EN 14511:2004 sono: il COP per la modalit di riscaldamento e lEER per la modalit di raffrescamento. Lacronimo COP indica Coefficient of Performance, esso lindice caratteristico delle pompe di calore nella modalit di riscaldamento ed dato da: tot H L Q COP Lacronimo EER indica Energy Efficiency Ratio, esso lindice caratteristico delle pompe di calore nella modalit di raffrescamento ed dato da: tot L L Q EER Potenza termica associata al condensatore Potenza elettrica impegnata per alimentare sia il motore elettrico accoppiato al compressore che i dispositivi ausiliari Potenza elettrica impegnata per alimentare sia il motore elettrico accoppiato al compressore che i dispositivi ausiliari Potenza termica associata allevaporatore 7
8. 8. Scop e SEER SCOP Seasonal Coefficient of Performance, ossia Coefficiente di Prestazione Stagionale per la modalit di riscaldamento. SEER Seasonal Energy Efficiency Ratio, ossia Indice di prestazione Energetica Stagionale per la modalit di raffrescamento. Con la direttiva Erp 2009/15/CE e i REGOLAMENTI DELEGATI (UE) vengono attuate delle modifiche sulla classificazione dellefficienza energetica in base ai valori SCOP e SEER. La modalit di calcolo dello SCOP e del SEER per condizionatori daria, refrigeratori di liquido e pompe di calore,con compressore azionato da un motore elettrico per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti definita nella norma UNI EN 14825. 8
9. 9. Introduzione dei parametri Scop e del seer nellenergy label A titolo di esempio, a lato viene riportata lEnergy Label della pompa di calore aria-aria LG E18EM in vigore dal 1 gennaio 2015. Classificazione delle singole classi energetiche in funzione dei coefficienti SEER e SCOP. 9
10. 10. Norma uni en 14825: Scop Lo SCOP viene calcolato tenendo conto della zona di istallazione dellapparecchiatura. Secondo la norma lEuropa pu essere suddivisa in tre macro-aree climatiche: Average, ovvero larea con clima medio Strasburgo; Warmer, ovvero larea con clima pi caldo Atene; Colder, ovvero larea con clima pi freddo Helsinki. 10
11. 11. Norma uni en 14825: modalit di Calcolo dello Scop OFFPOFFHCKPCKHSBPSBHTOPTOH onSCOP hQ hQ SCOP HEHHPdesignhQ Active mode Thermostat off mode STAND-By mode CRANKCASE Heater hours OFF MODE n j T jelbu T jCOPPL T jelbuPh h j n j T jPhh j SCOPon T j 1 1 )( Electric back up heater Sistema elettrico ausiliario di riscaldamento Fabbisogno annuo riscaldamento 11
12. 12. Modalit di funzionamento Le modalit di funzionamento di una macchina alimentata elettricamente secondo la norma UNI EN 14825, sono: Active Mode, modalit di funzionamento attiva Funzionamento attivo del dispositivo durante il quale viene soddisfatto il carico termico dellutenza (riscaldamento o raffrescamento); Thermostat Off Mode, modalit termostato spento Ore di assenza di carico termico di riscaldamento o raffrescamento delledificio, per cui lunit accesa, ma non operativa. Stand-by Mode, modalit stand-by - Lunit parzialmente disattivata, cio sono disponibili solo alcune funzioni, ma pu essere riattivata solo da un dispositivo di controllo o da un timer. Crankcase heater hours, ore riscaldamento del carter ore durante le quali l'unit ha attivato un dispositivo di riscaldamento del carter del compressore. Off Mode, modalit spento - lunit completamente spenta e non pu essere riattivata. 12
13. 13. 0 100 200 300 400 500 600 -30 -21 -19 -17 -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 Numerodiorehj[h/anno] Temperatura dell'aria esterna Tj [C] Warmer Average Colder Il metodo di calcolo dello SCOP assume il nome di metodo di bin, dal parametro bin hours (hj), ovvero il numero di ore durante le quali si verifica una certa temperatura in una specifica localit. Norma uni en 14825: Modalit di Calcolo dello Scop 13
14. 14. Norma uni en 14825: modalit di Calcolo dello Scop Come si calcolano la Ph(Tj) e il COPPL? La potenza termica richiesta per il riscaldamento Ph(Tj) pu essere determinata considerando un fattore correttivo del carico di progetto PdesignH che dipende dalla temperatura esterna. Questo fattore correttivo il part load ratio, indice a carico parziale: per il clima Average: PLR = (Tj-16)/(-10-16) % per il clima Warmer: PLR = (Tj-16)/(2-16) % per il clima Colder: PLR = (Tj-16)/(-22-16) % I valori del COPPL e delle potenze per ogni BIN sono determinati mediante linterpolazione dei valori del COPPL e del COPDC , COP alla capacit dichiarata, alle condizioni di carico parziale A, B, C e D . )1( ),,,( CcCRCc CR COPDCCOP DCBAPL COPPL per pompe di calore aria-acqua ed acqua-acqua CRCdCOPDCCOP DCBAPL 11),,,( COPPL per pompe di calore aria-aria ed acqua- aria 14
15. 15. OFFPOFFHCKPCKHSBPSBHTOPTOH onSEER cQ cQ SEER CECc HPdesignQ Norma uni en 14825: modalit di Calcolo del SEER n j T jEER Pc h j n j T jPch j SEERon PL T j 1 1 )( Per calcolare il Pc(Tj): PLR= (Tj-16)/(35-16) % Fabbisogno annuo raffreddamento 15
16. 16. Norma uni en 14825: modalit di Calcolo del SEER Nella tabella sono riportate le condizioni di carico parziale per il calcolo del SEER e del SEERon di riferimento di unit aria-aria. Indice carico parziale PLR [%] Tba dellaria esterna [C] Tba dellaria interna (Tbb) [C] A (35-16) / (TdesignC-16) 100 35 27(19) B (30-16) / (TdesignC-16) 74 30 27(19) C (25-16) / (TdesignC-16) 47 25 27(19) D (20-16) / (TdesignC-16) 21 20 27(19) CRCdEER DCEER DCBPL 11),,( EERPL per pompe di calore aria-aria ed acqua- aria EERPL per pompe di calore aria-acqua ed acqua-acqua)1( ),,( CcCRCc CR EERDCEER DCBPL Coefficienti di riduzione RAPPORTO DI CAPACIT 16
17. 17. Norma uni en 14825: modalit di Calcolo del SEER 0 50 100 150 200 250 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Numerodiorehj[h/anno] Temperatura dell'aria esterna Tj [C] Frequenza con cui si verifica ciascuna temperatura esterna di BIN nella stagione di raffrescamento. 17
18. 18. caso STUDIO CASO STUDIO N1 CASO STUDIO N2 Temperatura di mandata e ritorno dellacqua refrigerante 7 C/ 12 C 7 C / 12 C Temperatura aria esterna 35 C 35 C Capacit frigorifera nominale 8,45 kW 16,40 kW EER 2,93 2,73 18 Nella figura a lato illustrata la componentistica dei chiller alimentati elettricamente, oggetto del caso studio.
19. 19. caso STUDIO N1 Per il primo caso studio, i dati a disposizione sono: TdesignC: 35 C; Potenza di raffrescamento a pieno carico (PdesignC): 8,45 kW; Potenza frigorifera dichiarata della macchina alla TdesignC: 8,45 kW. Temperatura Aria Esterna [C] PLR [%] Carico parziale delledificio [kW] Potenza frigorifera dichiarata della macchina [kW] EER alla capacit dichiarata (EERDC) Cc CR EER al carico parziale (EERPL) A 35 100 8,45 8,45 2,93 0,9 1 2,93 B 30 74 6,23 9,00 3,50 0,9 0,69 3,35 C 25 47 4,00 9,55 4,16 0,9 0,42 3,66 D 20 21 1,78 10,10 4,91 0,9 0,18 3,35 PLR= (Tj-16)/(35-16) % )1( ),,( CcCRCc CR EERDCEER DCBPL 19
20. 20. caso STUDIO N1 43,3 1 1 )( n j T jEER Pc h j n j T jPch j SEERon PL T j kWhCEHCPdesigncQ 5,2957 43,2 OFFPOFFHCKPCKHSBPSBHTOPTOH onSCOP cQ cQ SEER Per la direttiva Erp 2009/125/CE appartiene alla classe energetica G 20 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 171819202122232425262728293031323334353637383940 kWh Temperatura Tj Richiesta annuale di raffrescamento [kWh] Energia elettrica annuale in ingresso [kWh]
21. 21. caso STUDIO N2 Per il secondo caso studio si ha: TdesignC: 35 C; Potenza di raffrescamento a pieno carico (PdesignC): 16,40 kW; Potenza frigorifera dichiarata della macchina alla TdesignC: 16,40 kW. Temperatura Aria Esterna [C] PLR [%] Carico parziale delledificio [kW] Potenza frigorifera dichiarata della macchina [kW] EER alla capacit dichiarata (EERDC) Cc CR EER al carico parziale (EERPL) A 35 100 16,40 16,40 2,73 0,9 1 2,73 B 30 74 12,14 17,40 3,24 0,9 0,69 3,10 C 25 47 7,71 18,40 3,74 0,9 0,42 3,29 D 20 21 3,44 19,40 4,25 0,9 0,18 2,92 PLR= (Tj-16)/(35-16) % )1( ),,( CcCRCc CR EERDCEER DCBPL 21
22. 22. caso STUDIO N2 09,3 1 1 )( n j T jEER Pc h j n j T jPch j SEERon PL T j Non possibile proseguire il calcolo per mancanza di dati: ore per ogni modalit di funzionamento; potenze elettriche richieste per ogni modalit di funzionamento. 22 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 kWh Temperatura Tj Richiesta annuale raffrescamento [kWh] Energia elettrica annuale in ingresso [kWh]
23. 23. conclusioni 23 Il SEERon una media pesata dei valori di EERPL; SEER < SEERon: nel SEER sono considerate le modalit in cui la macchina non fornisce potenza allutenza ma ha degli autoconsumi elettrici; CASO STUDIO N1: SEER = 2,43 e per la direttiva Erp 2009/125/CE la macchina appartiene alla classe G; CASO STUDIO N2: ci si fermati al calcolo del SEERon= 3,09; SEERon1= 3,43 > SEERon2=3,09: la macchina di taglia minore ha prestazioni pi elevate contrariamente a quanto ci si aspetterebbe.
24. 24. Ringrazio tutti per la cortese attenzione 24