95522 - PROGETTAZIONE DI IMPIANTI A POMPA DI CALORE M

Anno Accademico 2022/2023

  • Docente: Claudia Naldi
  • Crediti formativi: 6
  • SSD: ING-IND/10
  • Lingua di insegnamento: Italiano
  • Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza
  • Campus: Bologna
  • Corso: Laurea Magistrale in Ingegneria energetica (cod. 0935)

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del Corso, lo studente ha competenze nell’utilizzo delle principali procedure per la progettazione degli impianti di condizionamento basati sulle pompe di calore ad aria, ad acqua e geotermiche. Inoltre, lo studente acquisisce competenze sul dimensionamento dei campi di sonde geotermiche, verticali e orizzontali, da abbinare alle pompe di calore In particolare, lo studente è in grado di: - conoscere le caratteristiche tecniche delle principali tipologie di pompe di calore disponibili sul mercato - dimensionare un impianto di condizionamento basato su pompe di calore ad aria, ad acqua e geotermiche - valutare l’impatto del campo di sonde geotermico sulle prestazioni dell’impianto - eseguire una valutazione comparata delle varie soluzioni impiantistiche sulla base di concetti di economia, sostenibilità ed efficienza energetica.

Contenuti

Prima Parte – Concetti di base e pompe di calore ad aria

Definizioni e quadro normativo. Situazione attuale sulla diffusione delle pompe di calore in Europa. Quadro normativo sulle pompe di calore a livello europeo, italiano e regionale. Decreto legislativo 8 novembre 2021, n.199. Definizioni di energia da fonti rinnovabili, dell’ambiente e geotermica. Obblighi sull’utilizzo di impianti a fonti rinnovabili. DGR 1261 Emilia-Romagna. Specifica tecnica UNI/TS 11300-4. Fattori di conversione dei vettori energetici. Esempio numerico sul calcolo del fabbisogno di energia primaria e della quota di energia rinnovabile.

Richiami e classificazioni delle pompe di calore. Pompa di calore e macchina frigorifera. Serbatoi termici e vincoli termodinamici. Reversibilità della macchina. Energy Efficiency Ratio (EER) e Coefficient Of performance (COP). Esempio di calcolo COP. Classificazione delle pompe di calore in base al serbatoio freddo/caldo. Efficienza vs disponibilità. Classificazione delle pompe di calore in base al principio di funzionamento e in base al ciclo termodinamico.

Pompe di calore a compressione di vapore elettriche (EHP). Schema di funzionamento. Ciclo sul diagramma (p,h). Ciclo ideale e ciclo reale. Componenti del ciclo a compressione di vapore: compressore, condensatore, evaporatore, valvola di laminazione. Fluidi frigoriferi. Bilancio di energia di una pompa di calore in funzionamento invernale/estivo ed esempio numerico. Parametri che influenzano l’efficienza di una pompa di calore.

Pompe di calore a gas (GHP) e ad assorbimento (AHP). Schema di impianto GHP e principio di funzionamento. Rendimento meccanico e rendimento termico. Coefficiente di Utilizzo del Combustibile (CUC) e Primary Energy Ratio (PER). Esempio numerico. Confronto indici di prestazione e flussi energetici GHP/EHP. Vantaggi e svantaggi delle GHP. Schema di impianto AHP e principio di funzionamento. Ciclo interno e ciclo esterno. Cicli sul diagramma (p,T). Analisi energetica e Gas Utilization Efficiency (GUE). Vantaggi e svantaggi delle AHP.

Caratterizzazione delle pompe di calore. Caratterizzazione mediante rendimento di II principio. Caratterizzazione mediante interpolazione dei dati di catalogo a piena potenza. Dati richiesti da software di calcolo statico. Esempio.

Integrazione con edificio e dimensionamento. Firma energetica di un edificio e curva caratteristica di una pompa di calore. Balance point e temperatura bivalente, temperatura di annullamento del carico, temperatura di cut-off e TOL. Pompa di calore on-off/multi-compressore/con inverter. Fattore di carico e prestazioni ai carichi parziali. Norma UNI EN 14825 e Part Load Ratio (PLR). Dimensionamento impianto in funzionamento monovalente/bivalente-monoenergetico/bivalente-bienergetico. Esempi numerici.

Calcolo delle prestazioni stagionali e annuali. Seasonal Coefficient Of Performance (SCOP) e Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER). Metodo di calcolo su base mensile/tramite bin. Calcolo dei parametri SCOPnet, SCOPon e Primary Energy Ratio (PER). Regole di dimensionamento ed effetto sullo SCOP. Annual Performance Factor (APF) di una pompa di calore reversibile. Esempi numerici.

Impianti a pompa di calore. Pompe di calore ed elementi terminali. Accumulo termico e problema delle pendolazioni. Problema del defrosting nelle pompe di calore ad aria. Pompe di calore ad alta temperatura. Gruppi frigo polivalenti e recupero totale. Esempi. Simulazioni energetiche dinamiche di impianti a pompa di calore.

Seconda parte – Pompe di calore geotermiche e valutazioni energetico-economiche

Definizioni e classificazione delle pompe di calore geotermiche. Serbatoio geotermico. Classificazione delle risorse geotermiche. Risorse geotermiche ad alta e media entalpia. Classificazione ASHRAE delle pompe di calore geotermiche: Ground Coupled Heat Pumps (GCHPs), Ground Water Heat Pumps (GWHPs), Surface Water Heat Pumps (SWHPs). GCHPs verticali: caratteristiche degli scambiatori verticali (sonde geotermiche) e tipi di impianto. GCHPs orizzontali: tipi di scambiatori orizzontali e loro disposizione. Tipologie di impianto delle GWHPs e delle SWHPs.

Surface Water Heat Pumps (SWHPs) a circuito chiuso. Descrizione degli scambiatori. Calcolo dei coefficienti di convezione interno ed esterno. Dimensionamento degli scambiatori. Calcolo delle perdite di carico. Esempi di dimensionamento degli scambiatori.

Resistenza termica della sonda e Test di Risposta Termica (TRT). Definizione di resistenza termica della sonda. Espressioni approssimate. Calcolo mediante simulazione agli elementi finiti. Resistenza termica effettiva e metodo analitico di Hellström. Finalità e fasi di un TRT. Circuito di prova raccomandato dall’ASHRAE. Determinazione della temperatura del terreno indisturbato. Determinazione della conducibilità termica del terreno e della resistenza termica della sonda, oppure della conducibilità e della diffusività termica del terreno. Caratteristiche geologiche ed idrogeologiche della regione Emilia-Romagna. Esempio di stratigrafia rilevata durante la realizzazione di una sonda geotermica.

Metodo di dimensionamento ASHRAE-UNI dei campi di sonde geotermiche. Logica del metodo. Espressione della lunghezza totale del campo sonde per i casi di raffrescamento e di riscaldamento. Determinazione delle resistenze termiche del terreno per impulsi annuali, mensili, giornalieri, mediante l’uso del g-factor. Fattori di penalizzazione per il corto-circuito termico interno e per l’interferenza fra le sonde. Determinazione del fattore di carico parziale del mese di progetto. Esempio di dimensionamento di un campo sonde con metodo ASHRAE-UNI.

Metodo di dimensionamento UNI degli scambiatori orizzontali con il terreno. Espressioni per la lunghezza totale di tubo, per riscaldamento e per raffrescamento. Calcolo delle potenze termiche lato terreno e dei fattori di carico parziale mensili. Calcolo della resistenza termica lineare del tubo. Calcolo della resistenza termica del terreno e dei fattori correttivi relativi alla distanza fra le trincee e al diametro del tubo. Calcolo della temperatura del terreno alla profondità media dei tubi. Esempio di dimensionamento di uno scambiatore orizzontale con il terreno tramite metodo UNI.

Dimensionamento dei campi di sonde geotermiche con il metodo delle g-function. Limiti del metodo di dimensionamento ASHRAE. Definizione di g-function. Schematizzazione della sonda come sorgente lineare di lunghezza finita (Finite Line Source, FLS) o sorgente cilindrica di lunghezza finita (Finite Cylindrical Source, FCS). Determinazione numerica/analitica delle g-functions con schema FLS. Determinazione della temperatura adimensionale mediata sulla lunghezza della sonda provocata da un carico termico variabile nel tempo. g-function di un campo sonde. Esempio di dimensionamento di un campo sonde con metodo delle g-functions.

Sostenibilità di lungo termine dei campi di sonde geotermiche. Non-sussistenza del problema per sonda singola. Esempio di criticità del problema per un campo quadrato con carichi termici solo invernali, in assenza del movimento dell’acqua di falda. Effetto del movimento dell’acqua di falda sulla conducibilità termica apparente del terreno e sulla sostenibilità di lungo termine di vasti campi di sonde.

Aspetti energetici ed economici. Risparmio di Energia Primaria (REP). Convenienza energetica di una pompa di calore elettrica/a gas/ad assorbimento. Impatto ambientale delle pompe di calore. Risparmio economico dovuto ad una pompa di calore elettrica/a gas/ad assorbimento. Esempi numerici. Tempo di ritorno economico di un intervento di riqualificazione energetica. Esempio di calcolo del tempo di ritorno economico della sostituzione di una caldaia a gas con un impianto a pompa di calore accoppiata al terreno. Incentivi economici per sistemi a pompa di calore in Italia.

Testi/Bibliografia

Slides fornite dalla docente disponibili su https://virtuale.unibo.it/

Per un eventuale approfondimento (non obbligatorio per l’esame):

  • R. Lazzarin, F. Busato, F. Minchio, M. Noro, Sorgenti termiche delle pompe di calore – Aspetti tecnici, economici e normativi, Collana Tecnica AiCARR, Editoriale Delfino, Milano, 2012.
  • ASHRAE 2015 Handbook, HVAC Applications, Chapter 34.
  • S. Kavanaugh, K. Rafferty, Geothermal Heating and Cooling – Design of Ground-Source Heat Pump Systems, ASHRAE, Atlanta, 2014.

Metodi didattici

Il corso si articola in lezioni teoriche ed esemplificazioni applicative, svolte in aula in presenza, illustrate mediante slide e tramite l’ausilio di lavagna (tradizionale e virtuale) e software di simulazione.

È prevista una visita al Laboratorio di Fisica Tecnica del Dipartimento di Ingegneria Industriale – DIN (via Terracini 34, Bologna), dove sono stati realizzati una camera climatica per test su pompe di calore ed un campo di sonde geotermiche in linea dotato di fibra ottica per la misura della distribuzione verticale di temperatura nelle sonde.

Sono inoltre previsti interventi di esperti dal mondo dell’industria.

In considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede lo svolgimento da parte degli studenti dei moduli 1 e 2 in modalità e-learning e la partecipazione al modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Le conoscenze acquisite saranno verificate mediante una prova orale, che comprende due domande su due distinti temi affrontati durante il corso: una domanda sulla prima parte del corso ed una sulla seconda parte (ciascuna di uguale peso nella determinazione del voto finale). Gradazione del voto finale:

Preparazione molto limitata e capacità di analisi che emerge solo con l’aiuto del docente, espressione in linguaggio complessivamente corretto: 18-19;

Preparazione molto limitata e capacità di analisi autonoma solo su questioni puramente esecutive, espressione in linguaggio corretto: 20-24;

Preparazione ampia, capacità di compiere scelte autonome di analisi critica, padronanza della terminologia specifica: 25-29;

Preparazione sostanzialmente esaustiva sugli argomenti affrontati nel corso, capacità di compiere scelte autonome di analisi critica e di collegamento, piena padronanza della terminologia specifica e capacità di argomentazione: 30-30L.

È richiesta una calcolatrice scientifica.

Gli studenti possono consultare l’elenco degli appelli d’esame ed iscriversi sul sito https://almaesami.unibo.it/

Gli studenti aventi diritto (studenti fuoricorso e laureandi) possono contattare la docente per concordare un appello d’esame al di fuori delle sessioni ordinarie.

Strumenti a supporto della didattica

Presentazioni con ausilio del pc, lavagna (tradizionale e virtuale), software di simulazione (Comsol, Matlab-Simulink, Trnsys), apparato sperimentale del Laboratorio di Fisica Tecnica.

Materiale didattico disponibile su https://virtuale.unibo.it/

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Claudia Naldi

SDGs

Energia pulita e accessibile Città e comunità sostenibili Consumo e produzione responsabili Lotta contro il cambiamento climatico

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.