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

Politecnico di Torino

Corso di laurea magistrale in ingegneria energetica e nucleare

Tesi di laurea magistrale

Studio delle caratteristiche di diverse tipologie di pompe di calore

Approfondimento su una pompa di calore geotermica reale

Relatore: Prof. Davide Papurello

Candidato: Stefano Bonetto

Anno accademico: 2021 - 2022

Luglio 2022

Indice

• Introduzione..............................................................................................................................10
• Capitolo I - Che cos'è una pompa di calore?...............................................................................11
  • I.I - Tipologie di pompe di calore.......................................................................................14
    • I.I.I - Pompe di calore a compressione di vapore o di aria.......................................15
    • I.I.II - Pompe di calore ad assorbimento..................................................................19
    • I.I.III - Pompe di calore a eiettore..........................................................................25
    • I.I.IV - Pompe di calore a compressione di vapore con eiettore...............................28
    • I.I.V - Pompe di calore a effetto termoelettrico..........................................................31
  • I.II - Sorgenti per le pompe di calore...................................................................................35
    • I.II.I - Aria.................................................................................................................35
    • I.II.II - Acque superficiali.........................................................................................37
    • I.II.III - Acque sotterranee........................................................................................39
    • I.II.IV - Terreno.........................................................................................................43
    • I.II.V - Sorgenti particolari.......................................................................................52
• Capitolo II - Riflessioni energetiche generali..............................................................................57
• Capitolo III - Caso studio.............................................................................................................59
  • III.I - Analisi dei dati delle misurazioni...............................................................................63
• Conclusioni...............................................................................................................................77
• Appendice I...............................................................................................................................78
• Appendice II..............................................................................................................................83
• Appendice III............................................................................................................................85
• Bibliografia...............................................................................................................................86
• Fonti delle immagini.................................................................................................................91

Indice delle figure

• Figura 1: Schema concettuale di una macchina frigorifera (T > T ).........................................111 2
• Figura 2: Diagrammi termodinamici temperatura-entropia e pressione-volume massico del ciclo di Carnot inverso........................................................................................................13
• Figura 3: Schema generale di funzionamento come pompa di calore di una macchina a compressione di vapore.............................................................................................................16
• Figura 4: Schema generale di funzionamento come macchina frigorifera di una macchina a compressione di vapore..........................................................................................................16
• Figura 5: Ciclo di lavoro delle macchine frigorifere e delle pompe di calore a compressione di vapore.............................................................................................................17
• Figura 6: Schema concettuale di una macchina frigorifera con tre sorgenti termiche (T < T < T ).............................................................................................................................192 1 3
• Figura 7: Schema di una macchina frigorifera o pompa di calore ad assorbimento...................20
• Figura 8: Schema concettuale di una macchina frigorifera ad assorbimento con un dettaglio dei componenti interni alla macchina (T < T < T )...................................................212 1 3
• Figura 9: Schema generale di funzionamento di una macchina frigorifera o pompa di calore ad assorbimento (in blu l'acqua, in arancione la soluzione concentrata di bromuro di litio, in viola la soluzione diluita acqua-bromuro di litio)....................................................23
• Figura 10: Schema di funzionamento di un eiettore..................................................................25
• Figura 11: Schema generale di funzionamento di una macchina frigorifera o pompa di calore a eiettore.........................................................................................................................26
• Figura 12: Ciclo di lavoro delle macchine frigorifere e delle pompe di calore a eiettore.........26
• Figura 13: Schema generale di funzionamento di una pompa di calore o macchina frigorifera a compressione di vapore con eiettore.....................................................................28
• Figura 14: Ciclo di lavoro delle macchine frigorifere e delle pompe di calore a compressione di vapore con eiettore.........................................................................................29
• Figura 15: Differenze di entalpia necessarie al passaggio di stato nel caso di macchina a sola compressione di vapore (linee tratteggiate nere) e macchina a compressione di vapore con eiettore (linee continue viola).................................................................................30
• Figura 16: Ciclo di lavoro di una pompa di calore o macchina frigorifera a compressione di vapore con eiettore che utilizza un fluido in condizioni trans-critiche.................................31
• Figura 17: Schema che illustra il fenomeno termoelettrico chiamato «effetto Peltier» (T > T ).....................................................................................................................................321 2
• Figura 18: Coppia termoelettrica per sfruttare l'effetto Peltier...................................................32
• Figura 19: Insieme di coppie termoelettriche che sfruttano l'effetto Peltier..............................33
• Figura 20: Drogaggio di tipo n...................................................................................................33
• Figura 21: Drogaggio di tipo p...................................................................................................34
• Figura 22: Schema di una macchina a effetto Peltier................................................................34
• Figura 23: Valori del COP di pompe di calore di diversa taglia al variare della temperatura di bulbo umido dell'aria esterna................................................................................................36
• Figura 24: Andamento della temperatura dell'acqua di un generico bacino rispetto alla profondità dello stesso..............................................................................................................37
• Figura 25: Configurazione a circuito aperto di una pompa di calore che utilizza le acque superficiali.................................................................................................................................38
• Figura 26: Configurazione a circuito chiuso di una pompa di calore che utilizza le acque superficiali.................................................................................................................................38
• Figura 27: Configurazione a utilizzo diretto di una pompa di calore che sfrutta le acque sotterranee.................................................................................................................................40
• Figura 28: Configurazione a utilizzo indiretto di una pompa di calore che sfrutta le acque sotterranee.................................................................................................................................40
• Figura 29: Sistema standing column con configurazione a utilizzo diretto dell'acqua sotterranea.................................................................................................................................41
• Figura 30: Esempio di sistema ATES a utilizzo indiretto dell'acqua sotterranea con quattro pozzi..........................................................................................................................................42
• Figura 31: Andamento indicativo della temperatura del sottosuolo man mano che aumenta la profondità per vari mesi dell'anno di una specifica località..................................................43
• Figura 32: Alcune possibili disposizioni delle serpentine di scambio termico nei sistemi orizzontali a sbancamento.........................................................................................................45
• Figura 33: Configurazioni a due e a quattro tubi nei sistemi orizzontali a trincee....................45
• Figura 34: Configurazione slinky disposta parallelamente al suolo nei sistemi orizzontali a trincee........................................................................................................................................46
• Figura 35: Configurazione slinky disposta perpendicolarmente al suolo nei sistemi orizzontali a trincee...................................................................................................................46
• Figura 36: Configurazione a canestro con canestri collegati singolarmente.............................47
• Figura 37: Posizione dei canestri nel sottosuolo ......................................................................47
• Figura 38: Tubo corrugato per le sonde geotermiche.................................................................47
• Figura 39: Sezione di alcuni tipi di sonde geotermiche.............................................................48
• Figura 40: Moto del fluido all'interno di una sonda coassiale...................................................48
• Figura 41: Distribuzione nel suolo delle sonde di un sistema radiale........................................49
• Figura 42: Dettaglio della punta di una sonda per sistemi radiali..............................................49
• Figura 43: Pali energetici..........................................................................................................50
• Figura 44: Pali energetici prefabbricati (pali battuti) e pali energetici gettati in opera.............50
• Figura 45: Schema generale di funzionamento come pompa di calore di una macchina a compressione di vapore con un recupero termico come sorgente.............................................53
• Figura 46: Schema generale di funzionamento come pompa di calore di una macchina a compressione di vapore con l'accumulo di un collettore solare come sorgente........................54
• Figura 47: Tetto energetico........................................................................................................55
• Figura 48: Esempio di installazione di un tetto energetico........................................................56
• Figura 49: Muro energetico dell'Energy center lab di Torino prima di essere ricoperto con il terreno....................................................................................................................................59
• Figura 50: Rendering del muro energetico dell'Energy center lab di Torino.............................60
• Figura 51: Configurazione delle serpentine di scambio termico sul muro energetico (quote espresse in cm)..........................................................................................................................60
• Figura 52: Esempio di come appare il file generato dal sistema di acquisizione dati................61
• Figura 53: Esempio di come appaiono i dati raccolti dal sistema di acquisizione dati se vengono copiati su un foglio di calcolo....................................................................................61
• Figura 54: Andamento della percentuale di frequenza del compressore rispetto alla frequenza massima di funzionamento nel periodo 23 ottobre 2019 - 31 ottobre 2019.............63
• Figura 55: Andamento della percentuale di frequenza del compressore rispetto alla frequenza massima di funzionamento nel periodo 6 febbraio 2020 - 14 febbraio 2020...........64
• Figura 56: Andamento della percentuale di frequenza del compressore rispetto alla frequenza massima di funzionamento nel periodo 11 giugno 2020 - 10 luglio 2020...............64
• Figura 57: Andamento della percentuale di velocità di rotazione della pompa 2 rispetto alla velocità di rotazione massima di funzionamento nel periodo 23 ottobre 2019 - 31 ottobre 2019...........................................................................................................................................65
• Figura 58: Andamento della percentuale di velocità di rotazione della pompa 2 rispetto alla velocità di rotazione massima di funzionamento nel periodo 6 febbraio 2020 - 14 febbraio 2020...........................................................................................................................................65
• Figura 59: Andamento della percentuale di velocità di rotazione della pompa 2 rispetto alla velocità di rotazione massima di funzionamento nel periodo 11 giugno 2020 - 10 luglio 2020...........................................................................................................................................66

Simbologia

A e B conduttori elettrici diversi fra loro; 2A area della sezione delle serpentine che scambiano calore con il terreno [m²]; sc calore specifico [J/(kg·K)]; COP coefficiente di prestazione (in inglese «coefficient of performance»)[adimensionale]; D diametro di perforazione della sonda [m]; bD diametro delle serpentine che scambiano calore con il terreno [m]; sE energia [J]; ∆E variazione di energia [J]; F fattore di perdita per possibile cortocircuito termico nello scambiatore di calore sc con il terreno fra la serpentina di mandata e la serpentina di ritorno[adimensionale]; Fo numero di Fourier [adimensionale]; G G-factor [adimensionale]; 2coefficiente di scambio termico convettivo [W/(m²·K)]; h entalpia massica (a volte chiamata entalpia specifica) [J/kg]; ∆h variazione di entalpia massica [J/kg]; i corrente elettrica [A]; ℓ lunghezza [m]; L lavoro [J]; ṁ portata massica [kg/s]; M macchina frigorifera o pompa di calore; Nu numero di Nusselt [adimensionale]; p pressione [Pa]; 7PLF fattore di carico parziale nel periodo di riscaldamento [adimensionale]; m,hDPr numero di Prandtl [adimensionale]; q calore massico [J/kg]; Q calore scambiato [J]; ·Q flusso termico [W]; ·Q flusso termico medio annuo scambiato con il terreno [W]; a·Q flusso termico ceduto dal terreno al fluido termovettore in condizioni di g,hD progetto (funzionamento come pompa di calore) [W]; ·Q flusso termico ceduto dal fluido termovettore al terreno in condizioni di g,cD progetto (funzionamento come macchina frigorifera) [W]; R resistenza termica globale della serpentina con il terreno [(m·K)/W]; bR resistenza termica efficace del sottosuolo riferita all'impulso annuale ga [(m·K)/W]; R resistenza termica efficace del sottosuolo riferita all'impulso giornaliero gd [(m·K)/W]; R resistenza termica efficace del sottosuolo riferita all'impulso mensile gm [(m·K)/W]; Re numero di Reynolds [adimensionale]; t tempo in cui la macchina funziona come macchina frigorifera [mesi]; ct tempo in cui la macchina funziona come pompa di calore [mesi]; ht tempo i-esimo trascorso [minuti]; iT temperatura [K] o [°C]; T temperatura i-esima del fluido di mandata all'utenza nella particolare a, i condizione di funzionamento [°C]; T temperatura di set point dell'ambiente interno [°C]; sU velocità media del fluido termovettore nelle serpentine che scambiano calore con il terreno [m/s]; 3v volume massico [m³/kg]; X titolo della miscela liquido - vapore [kg / kg ]; vapore totali 8 2α diffusività termica [m²/s]; ε efficienza [adimensionale]; η rendimento [adimensionale]; ∆θ differenza di temperatura [°C]; θ temperatura del terreno indisturbato [°C]; gθ temperatura di penalizzazione che indica la variazione di temperatura sul lungo periodo dovuta alla nuova condizione di equilibrio su cui si assesta il terreno [°C]; θ temperatura del fluido termovettore in ingresso allo scambiatore con il terreno wi [°C]; θ temperatura del fluido termovettore in uscita dallo scambiatore con il terreno wo [°C]; λ conducibilità termica [W/(m·K)]; 2μ viscosità dinamica [N·s/m²]; 3ρ densità [kg/m³]; τ impulso [giorni]; pedice periodo di raffreddamento dell'edificio (funzionamento come macchina cD frigorifera); pedice relativo al fluido termovettore che scorre nelle serpentine che scambiano calore f con il terreno; pedice relativo al terreno;