Presentazione sui nuovi indici di prestazione stagionale per le pompe di calore elettriche.

1. ANNO ACCADEMICO 2013/2014 1

2. Scopo dell’elaborato
Nel seguente elaborato è affrontato lo studio degli indici di prestazione energetica
delle pompe di calore elettriche, in particolare quelli stagionali introdotti a seguito
di una politica europea sempre più interessata al risparmio energetico.
 É stata studiata la Direttiva Erp 2009/125/CE o Eco - design : una direttiva-quadro che
attraverso specifici regolamenti attuativi stabilisce i requisiti di eco-design per tutti i
prodotti che utilizzano energia elettrica: contribuendo alla realizzazione di uno dei tre
obiettivi del “Piano 20-20-20”  ridurre del 20% i consumi finali di energia rispetto al
1990.
 Con i REGOLAMENTI DELEGATI (UE) n.826 e n.813 per le pompe di calore aria-aria e
aria-acqua, nei quali vengono esposte le modifiche all’interno dell’Energy Label a partire
dal 1° gennaio 2015 si è constatata l’introduzione di indici di prestazione energetica
stagionali.
 É stata tradotta e analizzata la norma UNI EN 14825, nella quale è esposta la modalità
di calcolo degli indici di prestazione energetica stagionali: SCOP e SEER.
 Si è applicata la modalità di calcolo del SEER, per la stagione di raffrescamento, a due
chiller aventi capacità frigorifera nominale differente. 2

3. POMPE DI CALORE
La pompa di calore è una tipologia di macchina che permette di trasferire
un flusso di energia termica nel verso crescente della temperatura,
contrariamente al
verso spontaneo delle interazioni termiche sancito
dal Secondo Principio della Termodinamica.
In base alla natura dell’apporto energetico alla macchina
inversa le pompe di calore possono essere distinte in:
EHP, Electric Heat Pump , Pompa di calore elettrica.
Tale trasferimento avviene grazie ad un apporto energetico esterno
Sono utilizzate per il raffrescamento estivo o per il riscaldamento invernale
3

4. Principio di funzionamento DELLE
POMPE DI CALORE ELETTRICHE
Le pompe di calore sono SISTEMI
BITERMI⇒trasferimento di
energia termica dalla
sorgente a temperatura
inferiore, TL , ad una sorgente
a temperatura superiore,TH.
Inverno
riscaldamento
ambiente
Estate
raffrescamento
ambiente
4

5. Classificazione delle Ehp
Fluido termovettore interno
Fluido termovettore
esterno
Aria Acqua
Aria
Pompa di calore aria-aria
(A-A)
Pompa di calore aria-
acqua (A-W)
Acqua
Pompa di calore acqua-
aria (W-A)
Pompa di calore acqua-
acqua (W-W)
Una SORGENTE per essere IDEALE dovrebbe avere le seguenti caratteristiche:
• un’elevata temperatura;
• temperatura poco fluttuante;
• non corrosiva;
• non inquinante;
• bassi costi di utilizzazione.
5

6. POMPE DI CALORE Aria-aria:
POMPE DI CALORE Aria-aCQUa:
Sistemi con Unità di Trattamento
dell’aria o ad espansione diretta
(split).
• SEMPLICE MANUTENZIONE;
• FORTE DIPENDENZA DELLE
PRESTAZIONI DALLE CONDIZIONI
CLIMATICHE;
• INGOMBRO UNITÁ ESTERNE.
Sistemi con fan-coil (grandi
edifici), oppure usi
industriali.
6

7. Indici di prestazione a carico nominale delle pompe di calore:
COP ed EER
Gli indici di prestazione a carico nominale la cui procedura di calcolo è
definita dalla norma UNI EN 14511:2004 sono: il COP per la modalità di
riscaldamento e l’EER per la modalità di raffrescamento.
L’acronimo COP indica Coefficient of Performance, esso è l’indice caratteristico delle
pompe di calore nella modalità di riscaldamento ed è dato da:
tot
H
L
Q
COP



L’acronimo EER indica Energy Efficiency Ratio, esso è l’indice caratteristico delle
pompe di calore nella modalità di raffrescamento ed è dato da:
tot
L
L
Q
EER



Potenza termica associata al
condensatore
Potenza elettrica impegnata per
alimentare sia il motore elettrico
accoppiato al compressore che i
dispositivi ausiliari
Potenza elettrica impegnata per
alimentare sia il motore elettrico
accoppiato al compressore che i
dispositivi ausiliari
Potenza termica associata
all’evaporatore
7

8. Scop e SEER
SCOP ⇒ Seasonal Coefficient of Performance, ossia Coefficiente
di Prestazione Stagionale per la modalità di riscaldamento.
SEER ⇒ Seasonal Energy Efficiency Ratio, ossia Indice di
prestazione Energetica Stagionale per la modalità di
raffrescamento.
Con la direttiva Erp 2009/15/CE e i REGOLAMENTI DELEGATI (UE) vengono
attuate delle modifiche sulla classificazione dell’efficienza energetica in base
ai valori SCOP e SEER.
La modalità di calcolo dello SCOP e del SEER per
condizionatori d’aria, refrigeratori di liquido e pompe di
calore,con compressore azionato da un motore elettrico per il
riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti è definita
nella norma UNI EN 14825.
8

9. Introduzione dei parametri Scop e del seer
nell’energy label
A titolo di esempio, a lato viene riportata
l’Energy Label della pompa di calore aria-aria
LG E18EM in vigore dal 1° gennaio 2015.
Classificazione delle singole classi energetiche in
funzione dei coefficienti SEER e SCOP.
9

10. Norma uni en 14825: Scop
Lo SCOP viene calcolato tenendo
conto della zona di istallazione
dell’apparecchiatura. Secondo la
norma l’Europa può essere suddivisa
in tre macro-aree climatiche:
 Average, ovvero l’area con clima
“medio”  Strasburgo;
 Warmer, ovvero l’area con clima
“più caldo”  Atene;
 Colder, ovvero l’area con clima
“più freddo”  Helsinki.
10

11. Norma uni en 14825: modalità di Calcolo dello
Scop
OFFPOFFHCKPCKHSBPSBHTOPTOH
onSCOP
hQ
hQ
SCOP


HEHHPdesignhQ 
Active mode Thermostat off mode STAND-By mode
CRANKCASE Heater
hours
OFF MODE












































n
j
T jelbu
T jCOPPL
T jelbuPh
h j
n
j
T jPhh j
SCOPon
T j
1
1
)(
Electric back up
heater – Sistema
elettrico ausiliario
di riscaldamento
Fabbisogno annuo riscaldamento
11

12. Modalità di funzionamento
Le modalità di funzionamento di una macchina alimentata elettricamente secondo
la norma UNI EN 14825, sono:
• Active Mode, modalità di funzionamento attiva – Funzionamento attivo del dispositivo
durante il quale viene soddisfatto il carico termico dell’utenza (riscaldamento o
raffrescamento);
• Thermostat Off Mode, modalità termostato spento – Ore di assenza di carico termico
di riscaldamento o raffrescamento dell’edificio, per cui l’unità è accesa, ma non è
operativa.
• Stand-by Mode, modalità stand-by - L’unità è parzialmente disattivata, cioè sono
disponibili solo alcune funzioni, ma può essere riattivata solo da un dispositivo di
controllo o da un timer.
• Crankcase heater hours, ore riscaldamento del carter – ore durante le quali l'unità ha
attivato un dispositivo di riscaldamento del carter del compressore.
• Off Mode, modalità spento - l’unità è completamente spenta e non può essere
riattivata. 12

13. 0
100
200
300
400
500
600
-30 -21 -19 -17 -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15
Numerodiorehj[h/anno]
Temperatura dell'aria esterna Tj [°C]
Warmer
Average
Colder
Il metodo di calcolo dello SCOP assume il nome di “metodo di bin”,
dal parametro bin hours (hj), ovvero il numero di ore durante le quali
si verifica una certa temperatura in una specifica località.
Norma uni en 14825: ModalitÁ di Calcolo dello
Scop
13

14. Norma uni en 14825: modalità di Calcolo dello
Scop
Come si calcolano la Ph(Tj) e il COPPL?
La potenza termica richiesta per il riscaldamento Ph(Tj) può essere determinata
considerando un fattore correttivo del carico di progetto PdesignH che dipende dalla
temperatura esterna. Questo fattore correttivo è il part load ratio, indice a carico
parziale:
• per il clima Average: PLR = (Tj-16)/(-10-16) %
• per il clima Warmer: PLR = (Tj-16)/(2-16) %
• per il clima Colder: PLR = (Tj-16)/(-22-16) %
I valori del COPPL e delle potenze per ogni “BIN” sono determinati mediante
l’interpolazione dei valori del COPPL e del COPDC , COP alla capacità dichiarata, alle
condizioni di carico parziale A, B, C e D .
)1(
),,,(
CcCRCc
CR
COPDCCOP DCBAPL

 COPPL per pompe di calore aria-acqua ed
acqua-acqua
  CRCdCOPDCCOP DCBAPL  11),,,(
COPPL per pompe di calore aria-aria ed acqua-
aria
14

15. OFFPOFFHCKPCKHSBPSBHTOPTOH
onSEER
cQ
cQ
SEER


CECc HPdesignQ 
Norma uni en 14825: modalità di Calcolo del
SEER






























n
j T jEER
Pc
h j
n
j
T jPch j
SEERon
PL
T j
1
1
)(
Per calcolare il Pc(Tj):
PLR= (Tj-16)/(35-16) %
Fabbisogno annuo raffreddamento
15

16. Norma uni en 14825: modalità di Calcolo del
SEER
Nella tabella sono riportate le condizioni di carico parziale per il calcolo del SEER e
del SEERon di riferimento di unità aria-aria.
Indice carico parziale
PLR
[%]
Tba
dell’aria esterna
[°C]
Tba dell’aria
interna
(Tbb)
[°C]
A (35-16) / (TdesignC-16) 100 35 27(19)
B (30-16) / (TdesignC-16) 74 30 27(19)
C (25-16) / (TdesignC-16) 47 25 27(19)
D (20-16) / (TdesignC-16) 21 20 27(19)
  CRCdEER DCEER DCBPL  11),,(
EERPL per pompe di calore aria-aria ed acqua-
aria
EERPL per pompe di calore aria-acqua ed
acqua-acqua)1(
),,(
CcCRCc
CR
EERDCEER DCBPL


Coefficienti di riduzione
RAPPORTO DI CAPACITà
16

17. Norma uni en 14825: modalità di Calcolo del
SEER
0
50
100
150
200
250
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Numerodiorehj[h/anno]
Temperatura dell'aria esterna Tj [°C]
Frequenza con cui si verifica ciascuna temperatura esterna
di “BIN” nella stagione di raffrescamento.
17

18. caso STUDIO
CASO STUDIO N°1 CASO STUDIO N°2
Temperatura di
mandata e ritorno
dell’acqua refrigerante
7 °C/ 12 °C 7 °C / 12 °C
Temperatura aria
esterna
35 °C 35 °C
Capacità frigorifera
nominale
8,45 kW 16,40 kW
EER 2,93 2,73
18
Nella figura a lato è illustrata la
componentistica dei chiller
alimentati elettricamente, oggetto
del caso studio.

19. caso STUDIO N°1
Per il primo caso studio, i dati a disposizione sono:
• TdesignC: 35 °C;
• Potenza di raffrescamento a pieno carico (PdesignC): 8,45 kW;
• Potenza frigorifera dichiarata della macchina alla TdesignC: 8,45 kW.
Temperatura
Aria Esterna
[°C]
PLR
[%]
Carico parziale
dell’edificio
[kW]
Potenza
frigorifera
dichiarata
della
macchina
[kW]
EER alla
capacità
dichiarata
(EERDC)
Cc CR
EER al
carico
parziale
(EERPL)
A 35 100 8,45 8,45 2,93 0,9 1 2,93
B 30 74 6,23 9,00 3,50 0,9 0,69 3,35
C 25 47 4,00 9,55 4,16 0,9 0,42 3,66
D 20 21 1,78 10,10 4,91 0,9 0,18 3,35
PLR= (Tj-16)/(35-16) % )1(
),,(
CcCRCc
CR
EERDCEER DCBPL


19

20. caso STUDIO N°1
43,3
1
1
)(































n
j T jEER
Pc
h j
n
j
T jPch j
SEERon
PL
T j
kWhCEHCPdesigncQ 5,2957
43,2


OFFPOFFHCKPCKHSBPSBHTOPTOH
onSCOP
cQ
cQ
SEER
Per la direttiva Erp
2009/125/CE
appartiene alla classe
energetica G
20
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
600.0
700.0
800.0
171819202122232425262728293031323334353637383940
kWh
Temperatura Tj
Richiesta annuale di raffrescamento
[kWh]
Energia elettrica annuale in ingresso
[kWh]

21. caso STUDIO N°2
Per il secondo caso studio si ha:
• TdesignC: 35 °C;
• Potenza di raffrescamento a pieno carico (PdesignC): 16,40 kW;
• Potenza frigorifera dichiarata della macchina alla TdesignC: 16,40 kW.
Temperatura
Aria Esterna
[°C]
PLR
[%]
Carico parziale
dell’edificio
[kW]
Potenza
frigorifera
dichiarata
della
macchina
[kW]
EER alla
capacità
dichiarata
(EERDC)
Cc CR
EER al
carico
parziale
(EERPL)
A 35 100 16,40 16,40 2,73 0,9 1 2,73
B 30 74 12,14 17,40 3,24 0,9 0,69 3,10
C 25 47 7,71 18,40 3,74 0,9 0,42 3,29
D 20 21 3,44 19,40 4,25 0,9 0,18 2,92
PLR= (Tj-16)/(35-16) % )1(
),,(
CcCRCc
CR
EERDCEER DCBPL


21

22. caso STUDIO N°2
09,3
1
1
)(































n
j T jEER
Pc
h j
n
j
T jPch j
SEERon
PL
T j
Non è possibile proseguire il calcolo per
mancanza di dati:
• ore per ogni modalità di funzionamento;
•potenze elettriche richieste per ogni
modalità di funzionamento.
22
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
kWh
Temperatura Tj
Richiesta annuale raffrescamento
[kWh]
Energia elettrica annuale in ingresso
[kWh]

23. conclusioni
23
• Il SEERon è una media pesata dei valori di EERPL;
• SEER < SEERon: nel SEER sono considerate le modalità in cui
la macchina non fornisce potenza all’utenza ma ha degli
autoconsumi elettrici;
• CASO STUDIO N°1: SEER = 2,43 e per la direttiva Erp
2009/125/CE la macchina appartiene alla classe G;
• CASO STUDIO N°2: ci si è fermati al calcolo del
SEERon= 3,09;
• SEERon1= 3,43 > SEERon2=3,09: la macchina di taglia minore
ha prestazioni più elevate contrariamente a quanto ci si
aspetterebbe.

24. Ringrazio tutti per la
cortese attenzione
24