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CALCOLO ENERGIA RINNOVABILE PER POMPE DI CALORE Energia rinnovabile da pompe di calore Abbiamo già avuto modo di parlare della Direttiva 28/2009/CE (“RES”) e del relativo decreto di recepimento da parte dell’Italia (DL 28/2011). Essi definiscono come rinnovabile, tra le altre, l’energia termica contenuta nell’aria, nel terreno e nell’acqua presente sopra e sotto la superficie terrestre.

In particolare si definisce energia aerotermica l’energia rinnovabile contenuta nell’aria atmosferica e prelevata da una pompa di calore caratterizzata da un coefficiente di prestazione GUE o COP sufficientemente elevato. L’energia rinnovabile nel caso dell’aria è di derivazione solare essendo scaldata indirettamente dalla crosta terrestre che a sua volta è scaldata dal sole.

Si definisce energia geotermica l’energia rinnovabile contenuta nel sottosuolo, sia nelle rocce secche che in quelle sature d’acqua. Quindi si definisce geotermica l’energia prelevata da una pompa di calore abbinata ad un sistema di sonde geotermiche ad anello chiuso, come anche ad uno scambiatore di calore abbinato ad un sistema di estrazione di acqua di falda. L’energia rinnovabile nel caso del terreno profondo è dovuta in massima parte al flusso geotermico generato nel mantello terrestre ed alla capacità delle rocce di immagazzinare il calore generato in profondità. L’energia rinnovabile nel caso del terreno superficiale e delle acque di falda sfruttate a fini energetici è dovuta principalmente all’irraggiamento solare che riscalda gli strati superficiali della crosta terrestre.

Si definisce energia idrotermica l’energia rinnovabile contenuta in tutti gli acquiferi superficiali, siano essi fiumi, laghi, mari o bacini artificiali sufficientemente grandi per poter essere sfruttati.

L’energia rinnovabile in questa casistica torna ad essere indirettamente solare grazie agli apporti dovuti all’irraggiamento diretto sulla superficie degli acquiferi.

Condizioni per l’accettazione della rinnovabilità dell’energia Come già accennato, l’energia termica contenuta nell’aria, nel terreno o nelle acque superficiali si può definire rinnovabile a patto che l’efficienza con cui viene estratta sia sufficientemente elevata da renderne vantaggioso lo sfruttamento. Si ritiene vantaggioso lo sfruttamento delle fonti rinnovabili aerotermiche, geotermiche e idrotermiche quando il consumo di combustibili fossili è mantenuto a bassi livelli, pertanto diventa necessario verificare i consumi di energia primaria delle diverse tipologie di pompe di calore, siano esse azionate da combustibile gassoso oppure da energia elettrica.

La sotto riportata equazione consente la verifica dell’ammissibilità delle pompe di calore come sistemi in grado di sfruttare energia rinnovabile aerotermica, geotermica o idrotermica.

SPFMin 

1,15 

(1)

Il termine SPF nella presente formula, come anche nelle successive, identifica il coefficiente di prestazione medio stagionale della pompa di calore, di fatto un GUE o un COP medio stagionale. Il termine η identifica invece il rendimento di trasformazione da energia primaria a NOTE:  Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.  Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.  I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.

energia elettrica. Il valore 1,15 è un coefficiente stabilito dalla Direttiva Europea. Il rendimento η è definito annualmente da Eurostat e attualmente vale 0,40.

Ne risulta un valore minimo dell’SPF che, con gli attuali valori di η, risulta:

SPFMin  1,15

per pompe di calore a gas

SPFMin  2,875

per pompe di calore elettriche

Da notare che il valore di SPF pari a 2,875 può essere agevole da raggiungere per unità geotermiche o idrotermiche, ma risulta molto più arduo da ottenere per unità aerotermiche, specie se applicate in regimi rigidi o con richiesta di alte temperature.

Per il calcolo dell’SPF la normativa citata propone la seguente relazione:

SPFPdC 

E PdC Eass

(2)

dove SPFPdC è il coefficiente di prestazione medio stagionale della pompa di calore; EPdC è l’energia termica resa disponibile dalla pompa di calore durante una stagione; Eass è in generale l’energia spesa per consentire il funzionamento della pompa di calore durante una stagione. Per le pompe di calore azionate elettricamente l’SPF è sempre riferito al consumo di energia Eass elettrica, mentre per le pompe di calore ad assorbimento e a motore endotermico il consumo di energia Eass è riferito ai consumi primari della macchina. Pertanto per le pompe di calore a gas vale la seguente relazione:

E ass  E gas 

E elet 

(3)

dove Egas è l’energia dovuta al consumo di gas combustibile mentre Eelet è l’energia elettrica consumata dall’unità e dai suoi ausiliari montati a bordo, mentre η identifica come in precedenza il rendimento di trasformazione da energia primaria a energia elettrica.

Si può ulteriormente definire il rapporto di energia primaria stagionale REPS, definito come il rapporto tra l’energia termica resa dalla pompa di calore e l’energia primaria complessivamente spesa dalla stessa per il suo funzionamento.

Per le pompe di calore elettriche vale la seguente relazione:

REPs    SPFPdC

(4)

Per le pompe di calore a gas (ad assorbimento o a motore endotermico) vale la seguente relazione:

REPs  SPFPdC

(5)

Calcolo della quantità di energia rinnovabile da pompa di calore Per il calcolo effettivo dell’energia rinnovabile utilizzata dalle pompe di calore si presentano ora due scenari, uno più convenzionale, legato a un’interpretazione strettamente legale delle NOTE:  Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.  Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.  I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.

normative, e un secondo più reale, legato ad un’interpretazione più legata all’approccio energetico.

Calcolo dell’energia rinnovabile (convenzionale) a fini legislativi Come abbiamo già visto in questo articolo sul blog è fuorviante considerare solo l’energia finale (come fa la Direttiva 28/2009) prescindendo dalla fonte energetica utilizzata (che invece è correttamente valutata nella legislazione italiana). Per gli scopi che si prefiggono tutte le normative in tema di riduzione dei consumi di combustibili fossili, si sottolinea che il calcolo della quantità di energia da fonte rinnovabile trasferita da una pompa di calore basato sul calcolo dell’SPFPdC può comportare errori di valutazione anche seri. Per evitare tali errori l’Associazione AICARR ha pubblicato un documento (“Position Paper”) in cui evidenzia quelle che sono, a suo avviso, le corrette procedure di calcolo per determinare la quota di energia rinnovabile.

In particolare viene definita energia rinnovabile convenzionale ERES

 1 ERES  ETot  1   SPFC ,Sist

   ETot  

   1   REPS,Sist

   

(6)

che, per gli scopi governativi legati al rispetto della Direttiva 28/2009/CE (“RES”), si dichiara essere prelevata dalla sorgente fredda da parte della pompa di calore. ETot è l’energia totale trasferita dall’intero sistema di generazione. SPFC, Sist è il SPF convenzionale dell’intero sistema di generazione dell’energia, mentre REPS,Sist è il rapporto di energia primaria calcolato a livello stagionale per l’intero sistema di generazione dell’energia. η identifica anche in questo caso il rendimento di trasformazione da energia primaria a energia elettrica.

Seguendo le indicazioni del “Position Paper” di AiCARR sul D.Lgs. 28/2011, l’equazione “6” per le pompe di calore ad assorbimento e per quelle a motore endotermico viene utilizzata come indicato nella relazione “7” seguente, mentre per le pompe di calore elettriche viene utilizzata come indicato dalla relazione “8”.

  ERES  ETot  1   REPS,Sist

   

(7)

 1 ERES  ETot  1   SPFC ,Sist

   

(8)

Esempio di calcolo di energia rinnovabile convenzionale Poniamo che l’energia trasferita da un sistema di generazione in una stagione sia pari a 100.000 kWh e si consideri una pompa di calore ad assorbimento aerotermica GAHP-A avente GUE medio stagionale pari a 1,52 (condizioni A7W50). Una pompa di calore elettrica per avere le medesime prestazioni stagionali deve garantire un COP medio stagionale (compresi gli assorbimenti elettrici di eventuali ausiliari) pari a 3,50, valore piuttosto elevato per questo tipo di tecnologia (specialmente perché riferito alla media stagionale). Ponendo che il rendimento di trasformazione dell’energia primaria in energia elettrica η sia pari a 0,40 (valore attualmente determinato da Eurostat), il REP per la pompa di calore a gas risulta 1,40 (calcolato secondo le equazioni “2”, “3” e “5”) così come per la pompa di calore elettrica (calcolato secondo la NOTE:  Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.  Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.  I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.

relazione “4”). Inserendo i dati corretti nell’equazione “7” per il calcolo dell’energia rinnovabile si ottengono i seguenti risultati:

 0,40  100.000  1    71.429 1 , 40   Applicando la relazione “7” si evidenzia quindi che la pompa di calore ad assorbimento GAHPA è in grado di offrire all’impianto 71.429 kWh di energia rinnovabile convenzionale prelevata dall’aria a fronte dei 100.000 kWh richiesti e forniti all’impianto. Ciò equivale a dire che l’energia rinnovabile convenzionale dichiarabile a fini legislativi è pari al 71,4 % sulla copertura degli usi finali di energia.

Inserendo i dati corretti nell’equazione “8” per il calcolo dell’energia rinnovabile si ottengono i seguenti risultati:

1   100.000  1    71.429  3,50  Si evidenzia quindi come anche la pompa di calore elettrica di identiche prestazioni alla GAHPA è in grado di offrire all’impianto 71.429 kWh di energia rinnovabile convenzionale prelevata dall’aria, offrendo la medesima percentuale di energia rinnovabile convenzionale dichiarabile a fini legislativi.

Calcolo dell’energia rinnovabile (reale) a fini di valutazione energetica Lo scopo finale dell’utilizzo delle energie rinnovabili è la riduzione del consumo globale di combustibili fossili, pertanto risulta evidente che ogni tipologia di diagnosi o valutazione energetica sui consumi degli impianti di climatizzazione non può prescindere dal considerare l’efficienza dei sistemi progettati e realizzati per prelevare e trasferire dalle sorgenti fredde l’energia rinnovabile. Non trascurare l’efficienza per stimare i consumi di energia primaria dei sistemi di generazione che fanno uso anche di energie rinnovabili, equivale a dire che in luogo della relazione “6” precedentemente descritta, si deve far uso di una relazione differente avente interpretazione univoca e legata al rapporto di energia primaria REP in luogo del coefficiente di prestazione stagionale SPF. Per tutti gli scopi di valutazione energetica, l’energia rinnovabile realmente prelevata dalle pompe di calore E*RES deve essere necessariamente calcolata attraverso la seguente relazione:

 1 ERES  ETot  1   REPS,Sist

   

(9)

Tale relazione è applicabile a qualunque tecnologia in pompa di calore, ed offre coerenti con la fisica e la termodinamica, calcolando la quantità di energia rinnovabile trasferita all’impianto al netto dei consumi di energia primaria (e quindi di combustibili fossili) reali dei sistemi, anche nel caso questi siano indotti per via indiretta facendo uso del sistema di generazione e trasporto nazionale dell’energia elettrica.

Esempio di calcolo di energia rinnovabile reale Poniamo che l’energia trasferita da un sistema di generazione in una stagione sia pari a 100.000 kWh e si consideri una pompa di calore ad assorbimento aerotermica GAHP-A avente GUE medio stagionale pari a 1,52 (condizioni A7W50). Una pompa di calore elettrica per avere NOTE:  Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.  Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.  I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.

le medesime prestazioni stagionali deve garantire un COP medio stagionale (compresi gli assorbimenti elettrici di eventuali ausiliari) pari a 3,50, valore piuttosto elevato per questo tipo di tecnologia (specialmente perché riferito alla media stagionale). Ponendo che il rendimento di trasformazione dell’energia primaria in energia elettrica η sia pari a 0,40 (valore attualmente determinato da Eurostat), il REP per la pompa di calore a gas risulta 1,40 (calcolato secondo le equazioni “2”, “3” e “5”) così come per la pompa di calore elettrica (calcolato secondo la relazione “4”). Inserendo i dati corretti nell’equazione “9” per il calcolo di E*RES si ottengono i seguenti risultati:

1   100.000  1    28.571 1 , 40   Si evidenzia quindi che la pompa di calore ad assorbimento GAHP-A è in grado di offrire all’impianto 28.571 kWh di energia rinnovabile reale prelevata dall’aria a fronte dei 100.000 kWh richiesti e forniti all’impianto. Ciò equivale a dire che l’energia rinnovabile reale è pari al 28,6 % sulla copertura degli usi totali di energia.

Il risultato è ovviamente identico anche per le pompe di calore elettriche di pari prestazioni medie stagionali.

NOTE:  Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.  Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.  I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.