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Tecnica II Pompe di Calore aprile 2012 LA TERMOTECNICA • Fabbisogno invernale ed estivo Il percorso seguito nell’algoritmo di calcolo sarà diverso a seconda che ci si trovi in un caso o nell’altro. • Definizione dei livelli termici d’impianto La scelta della tipologia di impianto da utilizzare consente di fissare la temperatura di mandata dalla pompa di calore lato unità abitativa (es. ventilconvettori o fan coil, nel caso di riscaldamento). • Ore equivalenti di funzionamento dell’impianto È indice dell’energia scambiata annualmente con il terreno ed influenza, quindi, l’aspetto di lungo periodo e la Pter; tiene conto del fatto che quello geotermico sia o non sia l’unico impianto energetico a servizio dell’unità abitativa: --per un impianto geotermico accoppiato a caldaia e collettore solare il valore è stimato in 1.000 ore/anno; --per un impianto geotermico accoppiato a collettore solare il valore è stimato in 2.400 ore/anno; --per un impianto geotermico il valore è stimato in più di 2.400 ore/anno. • Temperatura media terreno - tipologia terreno Una delle caratteristiche più importanti del terreno inteso come sorgente/pozzo di calore è il valore della temperatura del terreno indisturbato, cioè non influenzato dall’impianto che risulta pari alla media annua della temperatura dell’aria esterna ed è, quindi, strettamente connessa alla località. In definitiva, conoscendo la località risulta fissata la temperatura media del terreno indisturbato. • Sonda Una valutazione dell’energia scambiata col terreno non può prescindere dalle seguenti caratteristiche delle sonde geotermiche: a. lunghezza; b. numero; c. tipologia e riempimento; d. eventuale presenza di installazioni indipendenti vicine. È pratica comune dimensionare le sonde in modo che la differenza di temperatura fra mandata e ritorno della pompa di calore (ΔT pdc ) sia pari a circa 4°C, come evidenziato dal tipico andamento delle temperature del fluido termovettore che circola nella sonda geotermica che risulta da una prova GRT [6, 15]. Il valore della temperatura lato unità abitativa è fissato attraverso la scelta di un particolare terminale: - ventilconvettore riscaldamento: t = 45 °C; - pavimento radiante riscaldamento: t = 35 °C; - ventilconvettore raffrescamento: t = 15 °C; - pavimento radiante raffrescamento: t = 10 °C. Fissato il valore della temperatura lato unità abitativa, la temperatura della pompa di calore lato sonde dipende dal T ewt scelto in fase progettuale e dalla temperatura del terreno nell’intorno del pozzo (T b. ). È previsto, perché risulta necessario nel caso di funzionamento invernale, di programmare la T s_in in base alle più o meno rigide condizioni di temperatura esterna. Queste scelte sono implementate nel codice “Modello geotermico verticale” nel sottoblocco “T s_in ”. I dati tecnici della pompa di calore (COP e potenza assorbita in funzione della temperatura di evaporazione e di condensazione) sono implementate in Simulink attraverso le Look up Tables (Figura 3) FIGURA 3 - Blocchi “T s_in ” e “PdC” FIGURA 2 - “MoGeVer” Il codice “Modello geotermico verticale - MoGeVer” nel suo blocco principale (figura 2), calcola il COP, la potenza assorbita dalla pompa di calore nelle condizioni operative e la potenza termica ceduta (o assorbita) all’unità abitativa. FIGURA 4 - Blocchi “R b , eq” e “q: potenza specifica scambiata” Il valore teorico di potenza specifica scambiata con il terreno deve tener conto della configurazione della sonda (Figura 4) e deve essere corretto in funzione delle condizioni di utilizzo più o meno esclusivo a cui è destinato l’impianto geotermico e dell’eventuale presenza di installazioni indipendenti vicine, che peggiorano le prestazioni diminuendo i rapporti di scambio. È comodo, allora, l’uso di un valore di una potenza specifica scambiata equivalente (Figura 5)
aprile 2012 LA TERMOTECNICA Pompe di Calore Tecnica III Per determinare una lunghezza equivalente, che tenga conto della presenza di più sonde e delle condizioni di utilizzo, anche il valore della lunghezza dello scambiatore geotermico deve essere corretto all’interno del modello. Avendo dedotto i dati sulla potenza specifica scambiata, attualizzati per la particolare configurazione del layout dell’impianto e per le informazioni riguardo alle prestazioni della pompa di calore scelta, il modulo calcola la potenza termica ceduta (o assorbita) dall’unità abitativa. FIGURA 5 - Blocco “q eq ” Il codice “Modello geotermico orizzontale - MoGeOr” L’algoritmo di calcolo alla base del codice “Modello geotermico orizzontale” (Figura 6) risulta formalmente identico al “Modello geotermico verticale”. Il geotermico orizzontale rappresenta un buon compromesso tra costi ed efficienza [19]. Il fatto che lo scambiatore geotermico orizzontale sia posto a profondità non confrontabili con quelle tipiche di uno scambiatore verticale rende necessario che si definisca il codice seguendo un approccio diverso nel calcolo della temperatura media del terreno, nella configurazione dello scambiatore geotermico, nella caratterizzazione del terreno dal punto di vista dell’umidità e dell’esposizione solare. • Temperatura media terreno Nel caso della configurazione a sonde verticali questo valore è pari alla media annua della temperatura dell’aria esterna. In un sistema a sonde orizzontali, vista la limitata profondità di posa, non è possibile svincolarsi completamente dal clima. Bisogna perciò ricorrere al modello che usa l’equazione (1) che descrive, con una opportuna serie di Fourier, le interazioni tra aria, radiazione solare e suolo e che tiene conto degli effetti di lungo periodo. Visto che il profilo di temperatura dipende strettamente dalla natura del terreno e dal suo carico d’umidità, dalla località di perforazione, dalla stagione. • Sonda Nella configurazione orizzontale deve essere specificato il tipo di sistema, a sbancamento ovvero a trincea, e date le diverse configurazioni possibili nonché la tipologia di sonda utilizzata: slinky, a 2 tubi o a 4 tubi. • Tipo di sottosuolo, umidità ed esposizione solare Al fine di un’adeguata valutazione dello scambio termico tra sottosuolo, sonde e ambiente esterno, a causa della limitata profondità di posa, bisogna tener conto della natura del terreno, del suo carico di umidità, dell’esposizione solare: --terreno sabbioso, saturo d’acqua e buona esposizione solare; --terreno sabbioso, umido e buona esposizione solare; --terreno sabbioso, umido e media esposizione solare; --terreno pietroso, secco e ombreggiato. Anche nel caso orizzontale si può prevedere, specie durante il funzionamento invernale, di programmare la Ts_in in base alle più o meno rigide condizioni di temperatura esterna. FIGURA 6 - “MoGeOr” TABELLA 2 - Proprietà termofisiche del terreno, estratto norma UNI 10351 TABELLA 3 - Conducibilità e diffusività termica per alcuni tipi di terreno in funzione della loro umidità e della loro densità a secco [20] Il blocco Tx,t (Figura 7) è in grado di calcolare la temperatura del terreno a una certa profondità in un determinato istante temporale del periodo, che, nel caso del sistema in esame, vale 365 giorni. Per le proprietà termofisiche del terreno si è fatto riferimento alla tabella II, estratta dalla norma UNI 10351. La Tabella 3, invece, tiene conto del variare della diffusività termica a seconda del carico di umidità.
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