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Pompe di calore aria-acqua in impianto di produzione manifatturiero
Sostituzione di caldaie a GPL con pompe di calore aria-acqua in un impianto di produzione manifatturiero
Alberta Carella, Annunziata D'Orazio, Sapienza Università di Roma - La Sapienza - Università di Roma
Nell'ambito industriale viene analizzato un caso studio di sostituzione di caldaie a GPL, utilizzate per produrre acqua calda per il riscaldamento di due officine e per i banchi prova, con pompe di calore aria-acqua. Vengono considerati i benefici sia in termini di riduzione di energia primaria e delle emissioni di CO2 che di miglioramento della qualità dell'aria.
I risultati mostrano una riduzione del consumo di energia primaria tra il 51% e il 64% per due diversi scenari, valutati rispettivamente nelle condizioni di progetto e in condizioni operative reali, relative ai carichi termici e alle temperature dell'aria esterna registrate in una piccola città del centro Italia nell'anno 2022.
I risultati mostrano una diminuzione della produzione di CO2 tra il 58 e il 68%. Questa sostituzione effettuata in un contesto manifatturiero rappresenta un caso studio la cui procedura può essere replicata in altri siti industriali per i quali è usuale l'assenza di informazioni circa la termofisica dell'edificio. Viene discussa brevemente la fattibilità economica dell'intervento.
Introduzione
Nell'ambito del Green Deal la Commissione europea ha stabilito dei target di riduzione delle emissioni di CO2 di almeno il 55% rispetto ai livelli del 1990, con l'obiettivo di diventare "carbon neutral" entro il 2050. In questo contesto, gli edifici contribuiscono per circa il 40% dell'energia totale consumata e per circa il 36% delle emissioni di gas serra associate al consumo energetico.
Tra le principali sorgenti emissive responsabili dell'inquinamento dell'aria urbana si evidenzia il contributo dei sistemi di riscaldamento a combustibili fossili, come riscontrato in un precedente lavoro di Carella et al. sull'analisi delle concentrazioni di inquinanti nella città di Roma.
In quest'ottica l'uso di impianti di riscaldamento che possano utilizzare fonti rinnovabili come le pompe di calore ha un potenziale rilevante per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione.
In particolare, i progressi significativi compiuti da molti Paesi, tra cui l'Italia, verso una produzione di energia elettrica più sostenibile (39,4% di elettricità generata da fonti rinnovabili in Italia nel 2021) [3], favoriscono l'introduzione di questi sistemi.
La letteratura recente si è focalizzata in gran parte sull'analisi energetica ed economica di pompe di calore (PdC) di piccola taglia e a bassa temperatura nel settore residenziale, spesso associate ad altri sistemi.
I settori industriale e commerciale sono caratterizzati da elevati consumi di energia, sia per il riscaldamento e il raffrescamento che per il fabbisogno di elettricità, in genere associati a un uso elevato di combustibili fossili e notevoli emissioni di gas serra e in generale di inquinanti.
L'uso di pompe di calore di grande taglia nel settore terziario e negli edifici non residenziali, come quelli pubblici, ha un ruolo chiave nel contribuire agli obiettivi di sostenibilità e decarbonizzazione.
Si vuole qui valutare se la decisione di sostituire i generatori di calore alimentati a combustibile con pompe di calore, volta a eliminare le emissioni locali dovute alla combustione, comporti svantaggi energetici in termini di consumo di energia primaria e produzione di CO2, o economici in termini di tempi di ritorno dell'investimento e di valore attuale netto (VAN).
Nel nostro studio viene analizzato un caso di sostituzione di caldaie a GPL installate in un sito industriale nella città di Cecchina, nel centro Italia, con pompe di calore aria-acqua. Le caldaie presenti di circa 2 MW di capacità totale sono utilizzate per produrre acqua calda per il riscaldamento di due officine e per la richiesta di calore dei banchi prova.
Sulla base dell'analisi dei consumi mensili di GPL dell'anno 2022, si è individuato l'impianto più adatto a sostituire le caldaie, così da garantire il carico termico anche nelle condizioni più sfavorevoli di temperatura dell'aria esterna.
Il provvedimento proposto viene studiato per due differenti scenari, quello di una temperatura dell'aria esterna pari a quella di progetto e quello relativo alle condizioni operative reali, relative ai carichi termici e alle temperature dell'aria esterna registrate nella città di Cecchina nell'anno 2022.
In questo secondo scenario si è tenuto conto di prestazioni delle pompe di calore fortemente influenzate dalla temperatura dell'aria esterna e dal regime di carico (pieno o parziale, cioè al di sotto della capacità nominale).
La sostituzione, pur considerando alcune approssimazioni e ipotesi di lavoro, conferma una significativa riduzione dei consumi di energia primaria e delle emissioni di CO2 e un impatto positivo in termini di emissioni locali di inquinanti evitate. In concomitanza viene svolta un'analisi economica sulla fattibilità dell'intervento con o senza il sostegno pubblico.
La presente proposta di sostituzione relativa a un contesto manifatturiero rappresenta un caso di studio per cui il modo di procedere può essere replicato anche in altri siti industriali per i quali è usuale l'assenza di informazioni circa la termofisica dell'edificio.
Il Caso Studio
Il sito di produzione si trova nella città di Cecchina, nel Comune di Ariccia (RM), caratterizzata da un'altitudine di 412 m e da una temperatura esterna di progetto di -2,67 °C [6]. Le caldaie presenti, rispettivamente di 1027 kW e 980 kW, vengono utilizzate per produrre acqua calda per il riscaldamento di due officine e per i banchi prova.
La produzione dell'acqua calda sanitaria è in carico a differenti generatori, non coinvolti nella presente ipotesi di sostituzione. I rendimenti al carico nominale riportati nelle schede tecniche del produttore sono rispettivamente del 95,4% e del 92,3%. Negli scenari di sostituzione si è considerato un rendimento medio pari al 94%.
Il setpoint della temperatura dell'acqua in mandata dalle caldaie è fissato a 60°C, con un salto termico a regime di 10 K, come si riscontra nei dati sperimentali rilevati dalle sonde di temperatura. Tale setpoint è legato alle usuali temperature di lavoro richieste dai banchi di prova e a quelle dei fan coil, utilizzati per riscaldare le due officine e posti a un'altezza di circa 3,5 m.
I test effettuati nei banchi prova riguardano lo sviluppo di prototipi di refrigeratori e sono essenzialmente prove di raffreddamento all'evaporatore, attraverso l'ingresso di acqua a 12°C e con una temperatura di uscita pari a 7°C.
L'acqua temperata a 12°C del circuito a servizio dei banchi prova è ottenuta dalle caldaie, che lavorano tra i 50°C e i 60°C, per mezzo di uno scambiatore di calore a piastre e di una valvola a tre vie, in grado di regolare la portata e di controllare la temperatura dell'acqua. La valutazione della potenza termica richiesta dai banchi prova è descritta nel seguito.
Per quanto riguarda il riscaldamento delle officine, l'acqua in ingresso ai ventilconvettori ha una temperatura di 50°C ed essa esce a una temperatura di 44°C. L'acqua temperata a 50°C per il circuito a servizio dei ventilconvettori è ottenuta dalle caldaie per mezzo di una valvola a tre vie.
Per selezionare la pompa di calore appropriata in base alla temperatura esterna di progetto e al carico termico, è opportuno considerare il coefficiente globale di scambio termico K=HS dell'edificio. Non conoscendo il valore di tale coefficiente globale di scambio termico e non avendo disponibili dettagli sulle caratteristiche termofisiche dell'edificio (trasmittanze H e superfici S), è stato necessario in quest'analisi ricorrere ai dati disponibili (profili di consumo mensile e temperatura) per ricavare informazioni su di esso.
In allegato, è possibile scaricare l'articolo completo, che contiene il caso studio nel dettaglio.
Introduzione
Nell'ambito del Green Deal la Commissione europea ha stabilito dei target di riduzione delle emissioni di CO2 di almeno il 55% rispetto ai livelli del 1990, con l'obiettivo di diventare "carbon neutral" entro il 2050. In questo contesto, gli edifici contribuiscono per circa il 40% dell'energia totale consumata e per circa il 36% delle emissioni di gas serra associate al consumo energetico.
Tra le principali sorgenti emissive responsabili dell'inquinamento dell'aria urbana si evidenzia il contributo dei sistemi di riscaldamento a combustibili fossili, come riscontrato in un precedente lavoro di Carella et al. sull'analisi delle concentrazioni di inquinanti nella città di Roma.
In quest'ottica l'uso di impianti di riscaldamento che possano utilizzare fonti rinnovabili come le pompe di calore ha un potenziale rilevante per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione.
In particolare, i progressi significativi compiuti da molti Paesi, tra cui l'Italia, verso una produzione di energia elettrica più sostenibile (39,4% di elettricità generata da fonti rinnovabili in Italia nel 2021) [3], favoriscono l'introduzione di questi sistemi.
La letteratura recente si è focalizzata in gran parte sull'analisi energetica ed economica di pompe di calore (PdC) di piccola taglia e a bassa temperatura nel settore residenziale, spesso associate ad altri sistemi.
I settori industriale e commerciale sono caratterizzati da elevati consumi di energia, sia per il riscaldamento e il raffrescamento che per il fabbisogno di elettricità, in genere associati a un uso elevato di combustibili fossili e notevoli emissioni di gas serra e in generale di inquinanti.
L'uso di pompe di calore di grande taglia nel settore terziario e negli edifici non residenziali, come quelli pubblici, ha un ruolo chiave nel contribuire agli obiettivi di sostenibilità e decarbonizzazione.
Si vuole qui valutare se la decisione di sostituire i generatori di calore alimentati a combustibile con pompe di calore, volta a eliminare le emissioni locali dovute alla combustione, comporti svantaggi energetici in termini di consumo di energia primaria e produzione di CO2, o economici in termini di tempi di ritorno dell'investimento e di valore attuale netto (VAN).
Nel nostro studio viene analizzato un caso di sostituzione di caldaie a GPL installate in un sito industriale nella città di Cecchina, nel centro Italia, con pompe di calore aria-acqua. Le caldaie presenti di circa 2 MW di capacità totale sono utilizzate per produrre acqua calda per il riscaldamento di due officine e per la richiesta di calore dei banchi prova.
Sulla base dell'analisi dei consumi mensili di GPL dell'anno 2022, si è individuato l'impianto più adatto a sostituire le caldaie, così da garantire il carico termico anche nelle condizioni più sfavorevoli di temperatura dell'aria esterna.
Il provvedimento proposto viene studiato per due differenti scenari, quello di una temperatura dell'aria esterna pari a quella di progetto e quello relativo alle condizioni operative reali, relative ai carichi termici e alle temperature dell'aria esterna registrate nella città di Cecchina nell'anno 2022.
In questo secondo scenario si è tenuto conto di prestazioni delle pompe di calore fortemente influenzate dalla temperatura dell'aria esterna e dal regime di carico (pieno o parziale, cioè al di sotto della capacità nominale).
La sostituzione, pur considerando alcune approssimazioni e ipotesi di lavoro, conferma una significativa riduzione dei consumi di energia primaria e delle emissioni di CO2 e un impatto positivo in termini di emissioni locali di inquinanti evitate. In concomitanza viene svolta un'analisi economica sulla fattibilità dell'intervento con o senza il sostegno pubblico.
La presente proposta di sostituzione relativa a un contesto manifatturiero rappresenta un caso di studio per cui il modo di procedere può essere replicato anche in altri siti industriali per i quali è usuale l'assenza di informazioni circa la termofisica dell'edificio.
Il Caso Studio
Il sito di produzione si trova nella città di Cecchina, nel Comune di Ariccia (RM), caratterizzata da un'altitudine di 412 m e da una temperatura esterna di progetto di -2,67 °C [6]. Le caldaie presenti, rispettivamente di 1027 kW e 980 kW, vengono utilizzate per produrre acqua calda per il riscaldamento di due officine e per i banchi prova.
La produzione dell'acqua calda sanitaria è in carico a differenti generatori, non coinvolti nella presente ipotesi di sostituzione. I rendimenti al carico nominale riportati nelle schede tecniche del produttore sono rispettivamente del 95,4% e del 92,3%. Negli scenari di sostituzione si è considerato un rendimento medio pari al 94%.
Il setpoint della temperatura dell'acqua in mandata dalle caldaie è fissato a 60°C, con un salto termico a regime di 10 K, come si riscontra nei dati sperimentali rilevati dalle sonde di temperatura. Tale setpoint è legato alle usuali temperature di lavoro richieste dai banchi di prova e a quelle dei fan coil, utilizzati per riscaldare le due officine e posti a un'altezza di circa 3,5 m.
I test effettuati nei banchi prova riguardano lo sviluppo di prototipi di refrigeratori e sono essenzialmente prove di raffreddamento all'evaporatore, attraverso l'ingresso di acqua a 12°C e con una temperatura di uscita pari a 7°C.
L'acqua temperata a 12°C del circuito a servizio dei banchi prova è ottenuta dalle caldaie, che lavorano tra i 50°C e i 60°C, per mezzo di uno scambiatore di calore a piastre e di una valvola a tre vie, in grado di regolare la portata e di controllare la temperatura dell'acqua. La valutazione della potenza termica richiesta dai banchi prova è descritta nel seguito.
Per quanto riguarda il riscaldamento delle officine, l'acqua in ingresso ai ventilconvettori ha una temperatura di 50°C ed essa esce a una temperatura di 44°C. L'acqua temperata a 50°C per il circuito a servizio dei ventilconvettori è ottenuta dalle caldaie per mezzo di una valvola a tre vie.
Per selezionare la pompa di calore appropriata in base alla temperatura esterna di progetto e al carico termico, è opportuno considerare il coefficiente globale di scambio termico K=HS dell'edificio. Non conoscendo il valore di tale coefficiente globale di scambio termico e non avendo disponibili dettagli sulle caratteristiche termofisiche dell'edificio (trasmittanze H e superfici S), è stato necessario in quest'analisi ricorrere ai dati disponibili (profili di consumo mensile e temperatura) per ricavare informazioni su di esso.
In allegato, è possibile scaricare l'articolo completo, che contiene il caso studio nel dettaglio.
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Fonte: La Termotecnica settembre 2023
Settori: Ambiente, Analisi, abbattimento e Controllo emissioni, Aria, Climatizzazione, Efficienza energetica edifici, Energie non rinnovabili, GAS, Inquinamento, Pompe di Calore, Riscaldamento, Termotecnica industriale
Mercati: Edilizia
