Studio delle caratteristiche di diverse tipologie di pompe di calore. Approfondimento su una pompa di calore geotermica reale.

Formattazione del testo

COP E= → =elE COPelL'energia elettrica deve essere prodotta e trasportata sul luogo della pompa di calore:E el (II.IV)E · Eη η= → =trasmissione el trasmissione el prodottaE el prodottae E el prodotta (II.V)E · E .η η= → =produzione el prodotta produzione primariaE primariaQuindi l'espressione dell'energia primaria richiesta per far funzionare la pompa di calore è laseguente: Q Q1 1 (II.VI)· E · · Eη η η= → =trasmissione el prodotta trasmissione produzione primariaCOP COPQ 1 (II.VII)E =primaria · · COPη ηtrasmissione produzione 5732Si ipotizzano i seguenti valori :rendimento del generatore di calore η : 0,90; caldaiarendimento di trasmissione dell'energia elettrica η : 0,957; trasmissione33rendimento di produzione dell'energia elettrica η : 0,38; produzioneefficienza della pompa di calore COP : 4,0.Sostituendo questi valori

nelle espressioni per il calcolo dell'energia primaria si ottiene:

Q₁ (II.VIII)Eper il generatore di calore: = η_primaria · Q₁

(II.IX)Eper la pompa di calore: = η_primaria · η_compressione · η_trasmissione · Q₁ / Q

Si vede quindi che a parità di effetto utile Q, la pompa di calore ha bisogno di una energia primaria minore rispetto al caso di una semplice caldaia. Si capisce quindi il potenziale di questa tecnologia rispetto alle soluzioni tradizionali.

∆E = E_{pompa di calore} - E_caldaia = 1,4 · η_primaria · Q₁ - 0,90 · Q₁

∆E · 100 · 100 (II.XI) = η_primaria · 100% = -0,36 = -36%

La pompa di calore a compressione di vapore permette di risparmiare il 36% di energia primaria rispetto alla caldaia. Si può dire che questo è un valore di risparmio elevato.

Fonte dei valori

η , η e η : Autorità per l'energia elettrica e il gas, Criteri e caldaia trasmissione produzione proposte per la definizione di cogenerazione e per la modifica delle condizioni tecniche di assimilabilità degli impianti che utilizzano fonti energetiche assimilate a quelle rinnovabili (2000), https://www.arera.it/allegati/docs/dc/00/dc_cogenerazione.pdf, ultimo accesso: 2 febbraio 2022.

Fonte del valore COP : Blog Blumatica, https://blog.blumatica.it/ape-con-pompe-di-calore-quali-parametri-occorre-conoscere/, ultimo accesso: 2 febbraio 2022.

Si suppone che l'energia elettrica venga prodotta tramite un impianto termoelettrico; tale ipotesi è dovuta al fatto che la produzione elettrica nazionale è principalmente realizzata tramite questo tipo di impianti; infatti il 68,7 % dell'energia elettrica prodotta in Italia proviene dal termoelettrico (si includono gli impianti a biomasse, a biogas e i geotermoelettrici).

Fonte: Terna, Dati generali 2019,

Capitolo III

Caso studio.....L'impianto reale che viene preso in esame è una macchina a compressione di vapore geotermica. Essa è stata installata a scopo sperimentale, quindi non è al servizio di utenze ma serve unicamente per studiarne i parametri di funzionamento. È collocata presso l'Energy center lab di Torino. Essa utilizza il terreno come sorgente termica nella stagione invernale e pozzo termico nella stagione estiva. Lo scambiatore di calore con il terreno è un muro energetico: le serpentine col fluido termovettore sono installate su una parete dal lato a contatto con il terreno. Il muro quindi ha la funzione primaria di sostenere la struttura e allo stesso tempo ha anche la funzione di scambiatore della pompa di calore.

Figura 49: muro energetico dell'Energy center lab di Torino prima di essere ricoperto con il terreno

acquisizione dati genera dei file in formato .LOG con i dati raccolti in questo modo:

Figura 52: esempio di come appare il file generato dal sistema di acquisizione dati

Si nota che i titoli delle colonne non sono allineati con le colonne; questo perché sono lunghi rispetto ai valori nelle colonne. Copiando però il file su un foglio di calcolo, i titoli e le rispettive colonne risultano poi allineati, come si vede nella figura qui sotto:

Figura 53: esempio di come appaiono i dati raccolti dal sistema di acquisizione dati se vengono copiati su un foglio di calcolo

La riga in alto chiamata "Divisors" indica per quale numero si deve dividere la misurazione per avere il valore reale. Per esempio leggendo la tabella si vede che il valore rilevato dal sensore BT2 è 102. La temperatura misurata non è di 102 °C, ma bisogna dividere il valore per 10. Quindi il valore reale della temperatura misurato dal sensore è 10,2 °C.

I parametri utili misurati

fluido di mandata all'utenza nella particolarea, icondizione di funzionamento [°C], T è la temperatura di set point dell'ambientesinterno [°C] e t è il tempo trascorso i-esimo [minuti];ifrequenza del compressore; velocità di rotazione della pompa 1 (fa circolare il fluido termovettore dell'impianto di climatizzazione dell'ambiente interno da riscaldare o raffreddare);velocità di rotazione della pompa 2 (fa circolare il fluido termovettore nelle serpentine posizionate nel terreno).La temperatura dei sensori BT2 e BT12 è diversa perché fra di essi è presente una resistenzaelettrica.

Si hanno a disposizione i file con le misurazioni effettuate nei seguenti periodi:

• inizio misurazioni: 23 ottobre 2019 alle ore 14:53:05;
• fine misurazioni: 31 ottobre 2019 alle ore 15:30:08;

modalità: pompa di calore (riscaldamento dell'ambiente interno);

inizio misurazioni: 6 febbraio 2020 alle ore 09:29:02;

fine misurazioni: 14 febbraio 2020 alle ore 19:11:42;

modalità: pompa di calore (riscaldamento dell'ambiente interno);

inizio misurazioni: 11 giugno 2020 alle ore 12:59:14;

fine misurazioni: 10 luglio 2020 alle ore 15:43:01;

modalità: macchina frigorifera (raffreddamento dell'ambiente interno).

I valori di efficienza della macchina sono già stati calcolati in altre opere, conducendo anche - M. Ciccullo, op. cit. ;- M. Musurmonov, Experimental analysis of a geothermal heat pump, Politecnico di Torino, tesi di laurea- magistrale (anno accademico 2020-2021), https://webthesis.biblio.polito.it/19583/1/tesi.pdf, ultimo- accesso: 18 gennaio 2022.

analisi di sensitività sui parametri che maggiormente influenzavano il valore finale del COP sia nel caso di funzionamento come pompa di calore si nel caso di funzionamento come macchina frigorifera.

L'attenzione quindi viene spostata sullo scambio termico con il terreno. Si conoscono la lunghezza della