Indici di Prestazione delle pompe di calore elettriche
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UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DEL SANNIO Dipartimento di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Energetica Elaborato di Laurea in Energetica INDICI DI PRESTAZIONE DELLE POMPE DI CALORE ELETTRICHE RELATORE: Chiar.mo Prof. Maurizio Sasso CORRELATORE: Ing. Giovanni Angrisani CANDIDATA: Rosa De Maio Matr. 864000233 ANNO ACCADEMICO 2013/2014 1
Indici di Prestazione delle pompe di calore elettriche
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.