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Pompe di calore ad aria
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Studio 3F engineering f.minchio@3ff.minchio@3f-engineering.it 349349-0713843
Pompe di calore
Pompe di calore Permettono di innalzare il livello di temperatura dell’energia dell’energia disponibile a più basso livello termico
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Pompe di calore
Obbediscono ovviamente sia al primo che al secondo principio della termodinamica. Può risultare utile l’analogia idraulica.
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Tramite la fornitura di lavoro meccanico o elettrico si può rendere disponibile una quantità di calore a temperatura più bassa, ad esempio quella esterna a livello utile per il riscaldamento:
|Q1 | = |Qo |+ L
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Tipologia di pompe di calore Le principali tipologie di pompe di calore per utilizzo residenziale in funzione della tipologia dell’alimentazione sono: 1. Pompe di calore elettriche a compressione (largamente le più diffuse) 2. Pompe di calore ad assorbimento 3. Pompe di calore interna/esterna
alimentate
da
motore
a
combustione
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Pompa di calore elettrica
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Reversibilità del ciclo Le pompe di calore elettriche sono quasi sempre reversibili nel senso che funzionano nella stagione estiva come condizionatori. La reversibilità è ottenuta tramite una valvola che scambio il ruolo di evaporatore e condensatore.
INVERNO
ESTATE
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Sorgenti termiche Nel prendere in considerazione il possibile impiego di una pompa di calore in un qualsiasi impianto, si dovrebbe sempre tenere presente la rilevante sensibilità delle sue prestazioni alle temperature massima e minima del ciclo o, più sinteticamente, all'incremento di temperatura che la pompa di calore garantisce rispetto alla sorgente fredda. Il ciclo di Carnot suggerisce che: 1
COP =
T T1 − T 2
Il valore reale di norma è inferiore al 50% del valore teorico.
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Sorgenti termiche
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Pompe di calore
Sorgenti termiche
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Sorgenti termiche
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COP T1 COP = T1 − T 2 Supponiamo di avere l’aria esterna a 0 °C ventilconvettori a 45 °C. Il calcolo del COP teorico è:
e l’impianto con
45+273.15 = 7.07 (45+273.15)-(0+273.15) Il valore reale di norma è inferiore al 50% del valore teorico, quindi circa 2.8-3.4.
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COP T1 COP = T1 − T 2 Supponiamo invece avere l’aria esterna a 0 °C pavimento a 35 °C. Il calcolo del COP teorico è:
e l’impianto a
35+273.15 = 8.8 (35+273.15)-(0+273.15) Il valore reale di norma è inferiore al 50% (circa il 40-48%) del valore teorico, quindi circa 3.5-4, +25% rispetto al caso iniziale.
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COP T1 COP = T1 − T 2 Supponiamo invece di avere una sorgente a 5 °C e l’impianto a pavimento a 35 °C. Il calcolo del COP teorico è: 35+273.15 = 10.27 (35+273.15)-(5+273.15) Il valore reale di norma è inferiore al 50% (circa il 40-48%) del valore teorico, quindi circa 4-4.9, +45% rispetto al caso iniziale. Se avvicino la temperatura della sorgente e temperatura di utilizzo l’incremento delle prestazioni energetiche è molto significativo.
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COP Il COP varia in funzione della temperatura di condensazione e della temperatura dell’aria esterna (si veda esempio sottostante)
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Pompe di calore
Le prestazioni di una pompa di calore sono di norma indicate attraverso il COP per il riscaldamento e l’EER (Energy Efficiency Ratio) per il raffrescamento: tali indici di efficienza sono sempre naturalmente riferiti a determinati valori delle temperature lato condensatore e lato evaporatore Esistono dei riferimenti normativi per le prestazioni delle pompe di calore, sia elettriche sia ad assorbimento.
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Si è visto che la prestazioni di una pompa di calore DEVE sempre essere fornita in relazione a Le norme tecniche sulle prestazioni NOMINALI in determinate condizioni di prova (punti di lavoro a pieno carico in riscaldamento) sono le seguenti: •
UNI EN 14511:2007 per le pompe di calore (in revisione prEN 14511) La norma identifica i punti di lavoro di riferimento con due lettere, la prima riferita alla temperatura della sorgente la seconda alla temperatura di mandata lato impianto (Es. A7W35 aria a 7 °C e temperatura di mandata lato impianto 35 °C). Definisce le prestazioni a PIENO CARICO sia in funzionamento invernale sia in funzionamento estivo. La norma è di riferimento per i dati sui cataloghi tecnici. COP: riscaldamento EER: raffrescamento 16
Pompe di calore
Si è visto che la prestazioni di una pompa di calore DEVE sempre essere fornita in relazione a Le norme tecniche sulle prestazioni NOMINALI in determinate condizioni di prova (punti di lavoro a pieno carico in riscaldamento) sono le seguenti: •
PrEN 14825 La norma si propone di stabilire la metodologia di prova per la definizione delle prestazione a CARICO PARZIALE dei climatizzatori e le efficienze stagionali convenzionali (SEER raffrescamento e SCOP riscaldamento) Definirà una media pesata in base alle ore annuali di ogni °C con riferimento a Strasburgo (clima medio europeo) di tutti gli EER da 17 °C a 40 °Ce di tutti i COP da -10 °C a + 16°C. Ci saranno poi riferimenti per un clima più caldo (Atene) e uno più freddo (Helsinki). La norma servirà come riferimento energetica delle unità fino a 12 kW.
per
l’etichettatura 17
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Esiste la norma UNI EN 255-3:1998 ”Condizionatori, refrigeratori di liquido e pompe di calore con compressore elettrico - Riscaldamento - Prove e requisiti per la marcatura delle apparecchiature per acqua calda per uso sanitario” per le pompe di calore elettriche dedicate alla produzione di ACS Le prestazioni delle pompe di calore a gas a motore endotermico non hanno una propria norma di riferimento (si rifanno alla UNI EN 14511, ma in questo caso per tradurre i dati in termini di COP elettrico è necessario utilizzare un fattore di conversione). Le pompe di calore ad assorbimento hanno invece una loro norma dedicata (EN 12309): •
Prestazioni Efficiency)
in
riscaldamento:
•
Prestazioni in raffrescamento: EER
G.U.E.
(Gas
Utilization
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Marchio ecologico PDC Decisione della Commissione del 9 novembre 2007 che stabilisce i criteri ecologici per l’assegnazione del marchio comunitario di qualità ecologica alle pompe di calore elettriche, a gas o ad assorbimento funzionanti a gas G.Uff. della CE del 20/11/2007 Articolo 2 Per ottenere l’assegnazione del marchio comunitario di qualità ecologica ai sensi del regolamento (CE) n. 1980/2000, la pompa di calore deve rientrare nel gruppo di prodotti «pompe di calore elettriche, a gas o ad assorbimento funzionanti a gas» e soddisfare ciascun criterio ecologico indicato nell’allegato della presente decisione.
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Marchio ecologico PDC Il criterio si basa sul concetto di PER. l’indice di energia primaria (PER) corrisponde a: • •
COP × 0,40 (o COP/2,5) per le pompe di calore elettriche COP × 0,91 (o COP/1,1) per le pompe di calore a gas o ad assorbimento funzionanti a gas
•
0,40 è l’efficienza europea media di produzione elettrica, tenuto conto delle perdite di rete 0,91 è l’efficienza europea media di gas, perdite di distribuzione comprese
•
(in base alla direttiva 2006/32/CE del Parlamento europeo e del Consiglio, del 5 aprile 2006, concernente l’efficienza degli usi finali dell’energia e i servizi energetici e recante abrogazione della Direttiva 93/76/CEE del Consiglio) 20
Marchio ecologico PDC
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Marchio ecologico PDC
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Riferimenti COP detrazioni 55% Le pompe di calore rientrano fra le tecnologie “finanziate” dalla detrazione 55% (comma 347 della Finanziaria 2008 e successivi decreti attuativi). La detrazione è attualmente possibile nel caso di SOSTITUZIONE INTEGRALE DELL’IMPIANTO DI RISCALDAMENTO ESISTENTE per EDIFICI ESISTENTI DOTATI DI IMPIANTO TERMICO. L’importo massimo di detrazione è pari a € 30.000,00, con detrazione suddivisa il 5 anni con 5 quote di pari importo. Le spese sono finanziabili solo fino alla fine del 2010 (salvo proroghe possibili) La PDC deve soddisfare requisiti minimi di prestazione. 23
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Riferimenti COP detrazioni 55% Sono ammesse PDC con coefficiente di prestazione (COP) e, qualora l’apparecchio fornisca anche il servizio di climatizzazione estiva, un indice di efficienza energetica (EER) almeno pari ai pertinenti valori minimi, fissati nell’allegato I (introdotto dal D.M. 6 agosto 2009) con valori riferiti al 2010. Se la macchina è dotata di inverter il limite si abbassa del 5% rispetto a quanto indicato in tabella L’impianto di distribuzione deve essere messo a punto ed equilibrato in relazione alle portate Non ammessa la detrazione se non si effettua SOSTITUZIONE TOTALE dell’IMPIANTO ESISTENTE
la
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Riferimenti EER PDC elettriche 55%
Da norma UNI EN 14511:2004 25
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Riferimenti EER PDC elettriche 55%
Da norma UNI EN 14511:2004 26
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Riferimenti GUE PDC assorbimento 55%
EER minimo pdc assorbimento 0,6 Da norma EN 12309-2:2000 27
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Riferimenti regionali: Lombardia Valori di riferimento per installazione nuovo generatore o sostituzione. Inoltre se COP rispetta i valori indicati risulta soddisfatto il requisito di produzione di acs con almeno il 50% di energia da fonte rinnovabile (D.G.R. VIII 8475 22 dicembre 2008)
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Riferimenti regionali: Piemonte DGR 4511968: residenziale e alberghi
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Riferimenti regionali: Piemonte DGR 4511968: uffici, mostre e musei, scuole
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Riferimenti regionali: Piemonte DGR 4511968: piscine palestre, edifici sportivi
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Riferimenti regionali: Piemonte DGR 4511968: tabella limiti COP
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Sorgenti termiche L’aria esterna è senza dubbio la sorgente termica più utilizzata per l’agevole disponibilità e per la grande diffusione dei sistemi split di piccola taglia. La disponibilità è l’unico vantaggio dal momento che i livelli di temperatura sono in discordanza di fase con le necessità ed inoltre risulta oneroso e rumoroso movimentare l’aria.
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Al diminuire della temperatura esterna il compressore riduce la portata di massa elaborata. Ne deriva una riduzione della capacità. La riduzione di COP è imputabile al maggiore divario di temperature. Con una macchina ad aria in particolare bisogna quindi fare attenzione al dimensionamento della macchina stessa in rapporto ai carichi di progetto e valutare l’opportunità dell’installazione di un impianto ausialiario (es. caldaia)
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Andamento di alcune grandezze al diminuire della temperatura dell’aria esterna
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Esempio di curva di potenza di una pompa di calore ad aria
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Sorgenti termiche: aria Inoltre vi è il problema del brinamento della batteria esterna
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Sorgenti termiche: aria Si separa condensa e al di sotto degli 0°C alla superficie della batteria si ha formazione di ghiaccio che tende a bloccare il passaggio dell’aria. È necessario effettuare lo sbrinamento di solito realizzato con l’inversione di ciclo e con problemi sia dal lato energetico che del benessere interno all’ambiente. Al diminuire della temperatura oltre ad un peggioramento delle prestazioni energetiche si ha una caduta di capacità: la pompa di calore ad aria proprio quando fa più freddo riduce la potenza termica prodotta.
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Lo sbrinamento comporta un costo energetico che può superare anche il 10% di quanto fornito dalla macchina con un andamento molto dipendente dalla situazione climatica:
Percentuale della complessiva energia elettrica richiesta da pompa di calore a seconda che lo sbrinamento sia realizzato con iniezione di gas caldi (HG) o con inversione di ciclo (PR) – A2/W35 temperatura dell’aria 2°C e dell’acqua 35°C
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Per quanto riguarda il tempo in cui la macchina lavora in sbrinamento, anche questo può risultare superiore al 10%, con valori più elevati per iniezione di gas.
Una parte del tempo per il sistema ad inversione di ciclo è necessaria a riportare in temperatura il condensatore interno.
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Pompe di calore
Per quanto riguarda la penalizzazione di COP può risultare utile il seguente grafico:
Il grafico mostra che gli intervalli di sbrinamento risultano assai frequenti ad una temperatura attorno agli 0°C per un’umidità elevata. Per temperature più basse il problema è meno sentito. 41
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Sorgenti termiche Individuare sorgenti alternative all’aria può portare quindi molti vantaggi: 1. Eliminazione del fenomeno del brinamento 2. Riduzione del rumore: la movimentazione dell’aria è una sorgente di rumore non di semplice riduzione 3. le batterie non sono sempre agevolmente collocabili all'esterno, se non con soluzioni sovente esteticamente discutibili; 4. un'adeguata movimentazione dell'aria può avere costi energetici non trascurabili.
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Sorgenti termiche alternative Le principali sorgenti alternative all’aria sono: 1. Acque (superficiali e sotterranee) 2. Terreno 3. Recupero termico 4. Energia atmosferica (ad esempio il solare termico)
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Pompe di calore ad aria Le principali tipologie di pompe di calore ad aria sono: 1.
Monoblocco: Pompe di calore “nord-centro europee” spesso non reversibili (Stiebel Eltron, IVT, NIBE, IDM, Elco – Termogamma, Viessmann….) Pompe di calore reversibili medio –basso costo (Climaveneta, Clivet, Aermec, Ciat…)
2. Pompe di calore “split” espansione diretta inverter Daikin Altherma Sherpa Ochsner “Millennium” Clivet GAIA Mitsubishi….
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Pompe di calore
Prestazione media stagionale Quando si parla di pompa di calore non è sufficiente fermarsi ad analizzare le prestazioni puntuali. Infatti: • COP ed EER sono fortemente variabili al variare della temperatura della sorgente • La temperatura della sorgente varia durante l’anno in ragione delle condizioni climatiche (macchine ad aria) o del carico (macchine geotermiche) Pertanto vanno valutati ai fini della determinazione delle prestazioni energetica per la certificazione (calcolo per fornire un valore standard) e del risparmio energetico ed economico (valutazione in regime “reale”) COP ed EER medi stagionali. Il COP medio stagionale, qualora sia considerato comprensivo dei consumi degli ausiliari elettrici, è anche chiamato SPF (Seasonal Performance Factor)
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Pompe di calore
Prestazione media stagionale Il calcolo non è in realtà così semplice in particolare per PDC ad aria, variando capacità e prestazione della pompa di calore continuamente durante l’anno. Che valore potrebbe raggiungere stagionale di una PDC ad aria?
la
prestazione
media
DIPENDE DALLE CONDIZIONI CLIMATICHE Valore ragionevolmente può collocarsi intorno a 2.7-3 per PDC ad aria ad elevata efficienza al Nord fino a valori sopra a 3 per climi più favorevoli.
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Pompe di calore
Calcolo SPF Le prestazioni energetiche ai fini della certificazione energetica degli edifici (Linee Guida Nazionali o la quasi totalità dei metodi regionali, se si esclude per piccole differenze la Lombardia) fa riferimento alle specifiche tecniche UNI TS 11300. Attualmente sono state pubblicate UNI/TS 11300 - 1 Prestazioni energetiche degli edifici – Determinazione del fabbisogno di energia dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale UNI/TS 11300 - 2 Prestazioni energetiche degli edifici – Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria UNI/TS 11300 - 3 Prestazioni energetiche degli edifici – Determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione estiva
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Pompe di calore
Calcolo SPF Manca ancora la parte 4: UNI/TS 11300 - 4 Prestazioni energetiche degli edifici – Utilizzo di energie rinnovabili e di altri metodi di generazione per riscaldamento di ambienti e produzione di acqua calda sanitaria
Proprio la parte 4 è quella relativa alle prestazioni in riscaldamento delle pompe di calore. Per il calcolo in raffrescamento invece si opera come per i chiller con la parte 3. In assenza della UNI TS 11300-4 si deve impiegare la norma UNI EN 15316-4-2 “Impianti di riscaldamento degli edifici Metodo per il calcolo dei requisiti energetici e dei rendimenti dell’impianto Parte 4-2: Sistemi di generazione per il riscaldamento degli ambienti, pompe di calore”
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Pompe di calore
Calcolo SPF La norma non si rifà alla metodologia impiegata delle norme nazionali in vigore attualmente (tuttavia molto poco utilizzate), basate sulla determinazione del COP a carico parziale determinato da dati sperimentali UNI 10963 Condizionatori d’aria, refrigeratori d’acqua e pompe di calore Determinazione delle prestazioni a potenza ridotta UNI 11350 Condizionatori d’aria, refrigeratori d’acqua e pompe di calore Calcolo dell’efficienza stagionale
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Calcolo SPF La metodologia di calcolo normativo è diversa a seconda delle diverse sorgenti. Il metodo di calcolo è caratterizzato, in particolare per la sorgente aria esterna, dall’impiego del BIN method (definizione temperature BINs) • • •
Si calcolano per ciascun mese le frequenze della temperatura dell’aria esterna suddivisa in intervalli definiti (es. 1K) Si distribuisce il fabbisogno energetico mensile in ciascun BIN proporzionalmente ai gradi ora cumulati Calcolo del COP per ciascun BIN in relazione alla temperatura della sorgente
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Calcolo SPF
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Calcolo SPF Il metodo elaborato a livello Europeo, consente di trascurare le perdite a carico parziale in assenza di dati sperimentali (non sarà così nella versione nazionale UNI TS 11300-4). Consente di tener conto di: 1. Ausiliari elettrici 2.
Sistemi di integrazione (es. calcola l’impatto di una caldaia ad integrazione per limite di potenza erogata o stop per temperatura aria esterna troppo bassa)
3.
È basata sui valori di COP determinati nei punti da norma UNI EN 14511, con prestazioni corrette negli altri punti utilizzando il fattore di Carnot
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Pompe di calore
Calcolo SPF Fattore di Carnot:
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Calcolo SPF Per sorgenti più stabili durante la stagione di riscaldamento (es. acqua di falda, terreno), la temperatura potrebbe essere considerata costante mensilmente. La norma propone alcune correlazioni fra temperatura aria esterna e temperatura prevista a terreno (approccio discutibile ma necessario per applicare il BIN method). L’applicazione nazionale (UNI TS 11300-4) dovrebbe prevedere per queste sorgenti approccio con temperatura mensile in ingresso pompa di calore costante
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Pompe di calore
Pompe di calore: energia rinnovabile La Direttiva 2009/28/CE ha stabilito che le pompe di calore accoppiate a sorgenti termiche naturali (aria, terreno, acqua di falda, acqua superficiale) sono sistemi alimentati da fonti rinnovabili, per la quota parte di energia che viene scambiata con la sorgente stessa (art. 5 comma 4)
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Pompe di calore
Pompe di calore: energia rinnovabile
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COP di pareggio con caldaie
Cavallini, 2009 57
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COP di pareggio con caldaie
Cavallini, 2009 58
Pompe di calore
COP di pareggio con caldaie
Cavallini, 2009 59
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COP di pareggio con caldaie
Cavallini, 2009 60
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Tariffe elettriche residenziale Il mercato elettrico dopo la liberalizzazione estesa a tutti gli utenti anche residenziale da luglio 2007, ha determinato l’attuale assetto strutturale in cui coesistono “due mercati dell’energia” nel caso delle tariffe in BT: •
il mercato o servizio di maggior tutela (ex mercato vincolato), il cui prezzo dell’energia elettrica è regolato e trimestralmente adeguato dall’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas (AEEG)
•
il mercato libero, dove le aziende venditrici di energia sono libere di applicare il prezzo che desiderano.
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Tariffe elettriche residenziale La tariffa elettrica è costituita: •
Quota variabile o corrispettivo di energia (euro/kWh): copre i costi di produzione dell'energia e parte dei costi di trasporto; è costituita essenzialmente dal PED (prezzo energia e dispacciamento), in €/kWh
⇒ PE (prezzo energia): copre i costi di acquisto dell’energia elettrica; ⇒ PD (prezzo dispacciamento): copre i costi di dispacciamento dell’energia elettrica. Dispacciamento: gestione dei flussi di energia sulla rete; tale gestione deve essere tale da mantenere in equilibrio domanda e offerta di energia.
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Tariffe elettriche residenziale La tariffa elettrica è costituita: • Quota fissa (€): copre i costi riconosciuti annualmente alle imprese esercenti per l'attività di vendita dell'energia elettrica. E' indipendente dalla potenza richiesta e dall'energia effettivamente consumata. • Quota potenza (€/kW): copre buona parte dei costi di trasporto dell'energia elettrica, dalle centrali fino all'utente. Varia a seconda della potenza impegnata da ogni utente, ma è indipendente dai consumi di energia. Anche i costi delle reti di trasporto sono costi fissi che l'impresa elettrica comunque sopporta; pertanto, il corrispettivo deve essere pagato anche in assenza di consumo.
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Tariffe elettriche residenziale La tariffa elettrica è costituita: • Componenti A, UC e MCT (€/kWh): si tratta di quote a copertura di oneri generali per il funzionamento del settore elettrico (quali ad esempio i costi connessi allo smantellamento delle centrali nucleari, per il finanziamento delle attività di ricerca, per gli oneri derivanti dal recupero della continuità del servizio...); sono definite dall’Autorità e vengono riscosse a titolo di esazione dalle aziende elettriche per coprire gli oneri di sistema. • Imposte: incidono per circa il 15% della spesa totale lorda di un cliente domestico medio e includono l'imposta erariale (€/kWh), l'imposta addizionale (€/kWh) e l’lVA (%), pari al 10% per gli usi domestici e quelli della pompa di calore.
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Tariffe elettriche residenziale
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Tariffe elettriche residenziale La tariffa standard per un’utenza residenziale è strutturata secondo scaglioni di consumo
Le tariffe base sono così definite in maggior tutela: • •
D2: è applicata ai contratti stipulati nelle abitazioni di residenza con impegno di potenza non superiore ai 3 kW; D3: è applicata ai contratti stipulati nelle abitazioni di residenza con impegno di potenza superiore a 3 kW ed a quelli stipulati per le abitazioni non di residenza. 66
Pompe di calore
Tariffe elettriche residenziale La struttura tariffaria (in vigore dal 1 gennaio 2009) penalizza in modo molto significativo un utente che impieghi una pompa di calore (che chiaramente andrà a superare quasi certamente i 5000 kWh/anno). La Del. AEEG 348/07 consente a chi ha una pompa di calore di chiedere un contatore dedicato per la stessa a cui è possibile applicare una cosiddetta “tariffa altri usi” BTA. Come la D2 e la D3, anche la BTA cambia in funzione della potenza impegnata richiesta ma, a differenza delle tariffe domestiche, è caratterizzata da un prezzo dell’energia inferiore e lineare, cioè indipendente dai consumi. Tale aspetto contribuisce a rendere questa soluzione molto più conveniente della prima, soprattutto per consumi elevati.
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Tariffe elettriche residenziale L’unico elemento di criticità rispetto alle tariffe domestiche è attribuibile a costi fissi maggiori che, in realtà, incidono negativamente sul costo finale della bolletta elettrica solo nel caso di bassi consumi. Nel dettaglio, le tariffe “Usi Diversi” utilizzabili per la pompa di calore sono le seguenti: • BTA2: per potenza impegnata da 1,5 kW a 3 kW; • BTA3: per potenza impegnata da 3 kW a 6 kW; • BTA4: per potenza impegnata da 6 kW a 10 kW; • BTA5: per potenza impegnata oltre 10 kW.
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Tariffe elettriche residenziale Mentre per il primo contatore vi è l’obbligo dei 3 kW, per il secondo contatore dedicato alla pompa di calore non ci sono limiti di potenza impegnata. Il doppio contatore in oggetto può esser richiesta dal 19 aprile 2010 anche dalle utenze domestiche con potenza impegnata sul contatore principale superiore a 3,3 kW (Del. 56/2010 AEEG), superando la pesante limitazione precedentemente presente.. Per quanto riguarda l’installazione del secondo contatore, l’intervento prevede indicativamente una spesa di circa € 500.
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Pompe di calore
Tariffe elettriche residenziale Il vantaggio del doppio contatore è determinante per chi sceglie una pompa di calore (senza impianto fotovoltaico)
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Tariffe elettriche residenziale Il vantaggio del doppio contatore è determinante per chi sceglie una pompa di calore (senza impianto fotovoltaico)
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Tariffe elettriche residenziale In ogni caso esiste la possibilità di definire una tariffa BIORARIA: per cui i prezzi dell’energia sono differenziati secondo le seguenti fasce orarie di consumo: • ore vuote (F23): dalle 19:00 alle 8:00 nei giorni dal lunedì al venerdì, nei weekend e nelle festività nazionali; • ore piene (F1): dalle 8:00 alle 19:00 nei giorni dal lunedì al venerdì (escluse le festività nazionali).
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Pompe di calore
Tariffe elettriche residenziale
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Tariffe elettriche residenziale Infine è sempre possibile passare al MERCATO LIBERO. In questo caso le tariffe possono essere diverse e definite di norma attraverso qualche forma di indicizzazione (rispetto a indici o con sconto rispetto tariffe AEEG) oppure fisse. Non è però possibile avere sconti molto significativi (lo sconto agisce sulla componente PED, non sul resto che è NON MODIFICABILE). Pertanto è un’opportunità che non può però sostituire il doppio contatore in termini di convenienza. Anche con il doppio contatore è possibile in ogni caso operare sul mercato libero.
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PDC e fotovoltaico: scambio sul posto Nel caso si decida di installare un impianto fotovoltaico per la copertura di tutti o parte dei consumi di energia elettrica della pompa di calore ci avvale del meccanismo di scambio sul posto (DEL. AEEG 74/08 e s.m.i.) In tal caso non è necessario il doppio contatore.
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PDC ad ASSORBIMENTO Il principio delle pompe di calore ad assorbimento è illustrato di seguito. Se due recipienti sigillati verso l’esterno e fra di loro comunicanti sono ad un livello di pressione sufficientemente basso (se il refrigerante è l’acqua si deve essere attorno ad 800 Pa), l’acqua evapora a bassa temperatura con effetto frigorifero dal recipiente E e viene assorbita con sviluppo termico nel recipiente A contenente un’adatta soluzione di acqua e di un sale. Lo stesso fenomeno si realizza usando un diverso refrigerante ed una soluzione ad esso affine, ad esempio acqua e ammoniaca. 76
Pompe di calore
PDC assorbimento Il processo può procedere fintantoché la soluzione non si impoverisca troppo in sale e non aumenti eccessivamente la sua temperatura. Poi è necessario rigenerare mediante riscaldamento e ritorno del vapore d’acqua recipiente di partenza con adeguato raffreddamento per la condensazione: ciò può dar luogo ad un ciclo intermittente.
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Pompe di calore
PDC assorbimento Il ciclo può essere reso continuo mediante un sistema di raffreddamento dell’assorbitore e una rigenerazione della soluzione realizzata con riscaldamento ad una pressione più alta con espulsione all’esterno del vapore d’acqua prodotto. L’acqua va ovviamente reintegrata. Il passo successivo è la realizzazione di un ciclo continuo.
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Pompe di calore
PDC assorbimento Esso prevede un condensatore cui arrivi il vapore derivante dalla rigenerazione della soluzione. Tale rigenerazione è dovuta ad un riscaldamento ad una temperatura adatta alla pressione che si è scelta (funzione del pozzo freddo) per generatore/condensatore. Per H2O-LiBr questa pressione può essere di 7000 Pa e la temperatura può essere attorno agli 80-90°C.
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Pompe di calore
PDC assorbimento Il bilancio termico della macchina prevede che assorbitore e condensatore dissipino l’energia che arriva a generatore ed evaporatore.
Q +Q = Q +Q a
c
g
e
Sulla base del flusso termico utile all’evaporatore e quello da fornire al generatore viene definito il COP (la pompa della soluzione richiede un input energetico trascurabile):
COP =
Qe Qg 80
Pompe di calore
PDC assorbimento
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Pompe di calore
PDC assorbimento Data la configurazione fin qui presentata della macchina frigorifera ad assorbimento, il COP non può superare l’unità, dal momento che per avere l’effetto frigorifero di evaporazione di 1 kg d’acqua all’evaporatore bisogna che un’eguale massa d’acqua derivi dalla rigenerazione al generatore. Di fatto le inefficienze dei fluidi e del processo, in particolare nello scambio termico fra i due flussi di soluzione concentrata e diluita riducono il COP reale della macchina a singolo stadio a valori fra 0,6 e 0,8. Ai fini del COP e della capacità della macchina risultano influenti anche le temperature, sia quelle che interessano evaporatore e generatore che quella del pozzo freddo. 82
Pompe di calore
PDC assorbimento Le miscele che fin qui hanno trovato un impiego a livello commerciale sono solo due: acqua-bromuro di litio ed ammoniaca-acqua con vantaggi/svantaggi relativi qui ricordati. Le macchine ad ammoniaca sono diffuse soprattutto nelle piccole taglie (fino a 15 kW), salvo applicazioni di taglia industriale, mentre quelle ad acqua partono da circa 50 kW con preferenze nelle medie grandi taglie. 83
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Pompe di calore
PDC assorbimento La macchina ad ammoniaca è molto diversa dall’altra tipologia. Anzitutto i livelli di pressione sono ampiamente maggiori dell’atmosferica. Inoltre per la volatilità non trascurabile dell’assorbente bisogna prevedere un rettificatore a valle del generatore.
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Pompe di calore
PDC assorbimento E’ possibile migliorare il COP delle macchine ad assorbimento passando al doppio effetto. Nello schema più semplice la condensazione del vapore prodotto da un generatore a più alta pressione e temperatura produce un ulteriore effetto di rigenerazione della soluzione ad una pressione e temperatura un po’ più basse.
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Pompe di calore
PDC assorbimento Mentre il valore teorico del COP arriva a 2, in pratica si arriva a raggiungere un COP rispetto all’input termico di circa 1,2. La macchina è ovviamente più complessa ed è di norma alimentata a fiamma diretta o tramite vapore tecnologico.
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Pompe di calore
PDC assorbimento
La stessa logica di valorizzazione del calore di condensazione applicata non solo al condensatore ma anche ad un assorbitore di “alta” pressione conduce al triplo effetto con COP teorico pari a 3 e COP reale che può superare 1,5. Ovviamente deve aumentare in corrispondenza la temperatura di alimentazione del generatore a più alta pressione.
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Pompe di calore
PDC assorbimento Recente pompa di calore ad assorbimento acqua ammoniaca, taglia 35 kWt (Robur). Pompa di calore ad assorbimento del tipo aria-acqua con valvola di inversione a 6 vie per funzionamento reversibile e per lo sbrinamento della batteria esterna.
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Pompe di calore
PDC assorbimento Pompa di calore ad assorbimento del tipo acqua-acqua per funzionamento simultaneo caldo-freddo o per sorgenti diverse dall’aria:
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Pompe di calore
PDC assorbimento
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Pompe di calore
PDC assorbimento
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Pompe di calore
PDC assorbimento
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Pompe di calore
PDC assorbimento
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Pompe di calore
PDC assorbimento Una pompa di calore a gas può essere costituita da un motore a c.i. e da una pompa di calore a compressione meccanica:
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Pompe di calore
PDC assorbimento
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Pompe di calore
POMPE DI CALORE: DIFFUSIONE La maggior parte delle installazioni sono presenti in Paesi dal clima temperato: • buone prestazioni anche se la sorgente termica è l’aria • utilizzo anche in raffrescamento “reversibilità” della macchina
grazie
alla
Nei climi più rigidi emerge invece la diffusione delle pompe di calore elettriche a terreno, in Paesi in cui il costo dell’energia elettrica è competitivo (Svezia, Svizzera, Canada).
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Pompe di calore
SPF Negli ultimi 25 anni le prestazioni energetiche medie stagionali delle pompe di calore hanno subito un significativo incremento.
Ciò è dovuto a: 1. evoluzione tecnologica 2. impianti migliori e migliori condizioni operative 97
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Pompe di calore
PDC ELETTRICHE: EVOLUZIONE Miglioramento dell’efficienza di scambio termico Miglioramento prestazioni a carico parziale: Variable Speed Drive (VSD) o digital scroll Valvole di espansione elettronica in accoppiamento a VSD Riduzione perdite dovute a cicli di sbrinamento (pdc ad aria) Sostituzione dei refrigeranti HFC con refrigeranti naturali: grande attenzione per il CO2
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Pompe di calore
PDC ASSORBIMENTO: EVOLUZIONE
Diffusione sul mercato di macchine per il residenziale basate su ciclo GAX (Generator Absorber heat eXchanger)
Configurazione di un ciclo di effetto >1 in termini di efficienza ma complessità costruttiva di un singolo effetto (Herold et alt., 1996) Introduzione di funzionamento in parzializzazione Realizzazione di Pdc alimentate da fonte solare (solare termico)
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PDC ASSORBIMENTO: GAX CYCLE
Es. Ciclo acqua-acqua 100
Pompe di calore
ANALISI CONDOTTE Confronto fra Pdc elettrica a compressione e Pdc ad assorbimento acqua-aria in un’applicazione residenziale Applicazione di sorgenti termiche integrate alternative all’aria in un edificio a basso consumo energetico
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Pompe di calore
METODOLOGIA DI LAVORO L’analisi è stata condotta attraverso simulazione software (in particolare TRNSYS vs. 15 e 16) del comportamento termodinamico degli edifici considerati e di diverse macchine termiche.
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Pompe di calore
CASO STUDIO 1 Confronto fra pompe di calore ad assorbimento e pompe di calore elettriche aria-acqua Complesso di sei villette
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Pompe di calore
PRESTAZIONI ENERGETICHE RISCALDAMENTO 1.65 y = 3E-10x6 - 6E-09x5 + 2E-07x4 - 1E-05x3 - 0.0003x2 + 0.0178x + 1.3886 1.55 1.45 G.U.E.
1.35 1.25 1.15 y = -1E-09x6 + 5E-08x5 + 9E-07x4 - 5E-05x3 - 0.0003x2 + 0.0249x + 1.3377 1.05 0.95 -25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
T aria esterna [°C] G.U.E. 45
G.U.E. 35
Poli. (G.U.E. 45)
Poli. (G.U.E. 35)
Gas Utilization Efficiency - Pdc ad assorbimento aria-acqua 104
Pompe di calore
PRESTAZIONI ENERGETICHE RISCALDAMENTO 5.5 5 4.5 y = 0.0967x + 3.5538 COPH
4 y = 0.068x + 2.8387
3.5 3 2.5 2 -8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
T aria esterna [°C] COPH35
COPH45
Lineare (COPH35)
Lineare (COPH45)
Pompa di calore elettrica a compressione aria-acqua 105
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Pompe di calore
ARIA COME SORGENTE TERMICA: LIMITI 1. al decrescere della temperatura dell’aria esterna aumenta il
carico termico dell’edifico e al contempo diminuiscono sia il COP sia la capacità della pompa di calore nel caso delle pompe di calore a compressione
2. per temperature intorno agli 0 °C e con umidità relativa elevata l’aria, scambiando all’evaporatore, raggiunge le condizioni si saturazione con separazione di condensa Æ brinamento della batteria 3. La maggior parte delle pompe di calore elettriche presenti sul mercato residenziale non operano al di sotto dei -5 °C; le macchine ad assorbimento acqua-ammoniaca al contrario possono operare fino a -20 °C 106
Pompe di calore
POMPE DI CALORE AD ARIA Analisi energetica ed economica al variare di: •
Località: cinque diverse località italiane (Bolzano, Venezia, Milano, Roma e Monte Terminillo)
•
Tipo di pompa di calore: elettrica e ad assorbimento
•
Livello di temperatura dell’impianto di riscaldamento: basso o medio
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CARATTERISTICHE EDIFICIO 160,000.00
Fabbisogno termico riscaldamento [kWh]
140,000.00
120,000.00 100,000.00
80,000.00
60,000.00 40,000.00
20,000.00 0.00 VEN
BOL
ROM
MIL
MTO
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Pompe di calore
CARATTERISTICHE EDIFICIO MTO
MIL
ROM
BOLZ
VEN
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
POTENZA MASSIMA ANNUALE (kW) QHMAX (kW)
QCMAX (kW)
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Pompe di calore
ANALISI ENERGETICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO CONFRONTO PDC - PAVIMENTO RADIANTE 1.500 1.450 1.400 1.350
REP
1.300 1.250 1.200 1.150 1.100 1.050 1.000 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
gradi giorno ASSPAV
ELPAV
REP f(GG) - PAVIMENTO RADIANTE 110
Pompe di calore
ANALISI ENERGETICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO MILANO - PAVIMENTO RADIANTE 20.00
2.00 1.90
10.00
REP
1.70 1.60
5.00 1.50 1.40
0.00
1.30
Text media giornaliera °C
15.00 1.80
-5.00 1.20 1.10
-10.00 1
21
41
61
81
101
121
141
161
181
giorni inverno 15 ottobre -15 aprile REPH_ASS
REPH_EL
Text media
MILANO – PAV.RADIANTE 111
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Pompe di calore
ANALISI ENERGETICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO CONFRONTO PDC - VENTILCONVETTORI 1.500 1.450 1.400 1.350
REP
1.300 1.250 1.200 1.150 1.100 1.050 1.000 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
gradi giorno ASSFC
ELFC
REP f(GG) - VENTILCONVETTORI 112
Pompe di calore
ANALISI ENERGETICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO RAPPORTO ENERGIA PRIMARIA - PDC ELETTRICHE 1.450 1.400 1.350
REP
1.300 1.250 1.200 1.150 1.100 1.050 1.000 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
gradi giorno ELFC
ELPAV
REP f(GG) - PDC ELETTRICHE 113
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Pompe di calore
ANALISI ENERGETICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO RAPPORTO ENERGIA PRIMARIA - PDC AD ASSORBIMENTO 1.450 1.400 1.350
REP
1.300 1.250 1.200 1.150 1.100 1.050 1.000 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
gradi giorno ASSFC
ASSPAV
REP f(GG) - PDC ASSORBIMENTO 114
Pompe di calore
ANALISI ENERGETICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO MONTE TERMINILLO - IMPIANTO A VENTILCONVETTORI 1.30
1.25
REP
1.20
1.15
1.10
1.05
1.00 38.0%
40.0%
42.0%
44.0%
46.0%
48.0%
50.0%
RENDIMENTO DI GENERAZIONE SIST ELETTRICO NAZIONALE ASS FC
EL FC
REP f(Rend. Sistema elettrico nazionale) – MTO vent. 115
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Pompe di calore
ANALISI ENERGETICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO MTO
BOL
MIL
VEN
ROM
0%
5%
10%
15%
20% ASS
25% EL
30%
35%
40%
45%
COND
RISPARMIO ENERGIA PRIMARIA – PAV.RADIANTE 116
Pompe di calore
ANALISI ECONOMICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO MTO
BOL
MIL
VEN
ROM
0%
5%
10%
15% ASS
20% EL
25%
30%
35%
COND
RISPARMIO ECONOMICO OPERATIVO – PAV.RAD. 117
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Pompe di calore
ANALISI ECONOMICA STAGIONE DI RISCALDAMENTO TASSO 5.50% PAV COND AS EL FC COND AS EL
VAN POS
ROM PAYBACK
VAN POS
VEN PAYBACK
MIL VAN POS
PAYBACK
VAN POS
BOL PAYBACK
VAN POS
MTO PAYBACK
2 3 1
8 10 8
3 1 2
5 7 6
3 1 2
5 6 6
3 1 2
4 6 6
3 1 2
2 3 3
2 1 3
10 10 >10
2 1 3
6 7 >10
2 1 3
6 7 >10
2 1 3
5 7 >10
2 1 3
3 4 8
In generale i valori del payback risultano essere interessanti (dell’ordine dei 6-7 anni) per tutti i climi con la sola eccezione di Roma e del caso delle macchine elettriche con impianto a ventilconvettori, limitando la valutazione alla stagione di riscaldamento. Il mix di costi energetico attuale tende a favorire le tecnologie alimentate da gas naturale.
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Pompe di calore
ANALISI ECONOMICA Pompa di calore
Unica macchina termica per soddisfare fabbisogno energetico di riscaldamento e raffrescamento + Possibile incentivazione (es. credito d’imposta)
Riduzione del payback 119
60