Per un’analisi tecnico-economica-ambientale, vengono di seguito presi come riferimento dati relativi all’area milanese e indicativi degli impianti attualmente esistenti.

Temperatura di progetto aria esterna: -5° C

Temperatura acqua alle utenze di riscaldamento: 40°/45° (entrata/uscita condensatore)

(ventilconvettori e unità trattamento aria)

Potenza termica di punta: 25 kcal/h·m³

giorni/anno di riscaldamento: 180

ore/giorno di riscaldamento: 14

giorni di funzionamento (terziario): 6/7

ore/anno di riscaldamento: 2160

coefficiente di carico medio annuo: 0,5

fabbisogno termico annuo: 27 Mcal/m³·anno

Temperatura di progetto aria esterna: 32° C, U.R.50 %

Temperatura acqua alle utenze di condizionamento: 12°/7° (entrata/uscita evaporatore)

(punto di rugiada per deumidific.)

(per il solo raffrescamento dell’aria è sufficiente): 15°/20°

Potenza termica di punta: 25 kcal/h m³

giorni/anno di condizionamento: 180

ore/giorno di condizionamento: 10

giorni di funzionamento: 6/7

ore/anno di condizionamento: 1543

coefficienti di carico medio annuo: 0,5

fabbisogno frigorifero annuo: 19 Mcal/ m³ ·anno

Temperatura invernale: 12° Restituzione a 7° /5° .

Temperatura estiva: 15° Restituzione a 20° /25°

Si assume un rendimento medio annuo di caldaia di 0,8,con conseguente fabbisogno di energia primaria del 125 %.

Si assume una resa elettrica di centrale (per consegna in media tensione) di 2.300 kcal/kWh (rendimento = 37,4%)

Impianti di climatizzazione: ~ 75.000 £/m³

metano (p.c.i. = 8250 kcal/Sm³): 1.000 £/m³

gasolio (p.c.i. = 10300 g = 0,85): 1.300 £/litro

Energia elettrica: 250 £/kWh

(valore molto pessimista per le grandi utenze)

Canone per l’uso di acqua di falda: 1.500.000 £/anno

(legge n. 36/94 art.18, c.1g: "usi non previsti alle altre lettere") per 100 l/sec

Con temperature all’evaporatore di 12° /7° e al condensatore di 40° /45° , la resa o COP delle migliori macchine con potenza termica ³ 1.000.000 kcal/h si attesta attorno a 5; si assume nei conteggi un valore molto prudenziale di COP = 4.

Nei periodi meno rigidi (di durata prevalente) la temperatura dell’acqua calda si potrebbe ridurre con aumento del COP.

Nelle stesse condizioni di temperatura, all’evaporatore e al condensatore, la corrispondente resa della macchina frigorifera sarebbe COP = 3.

Nel caso di raffreddamento con l’utilizzo di una torre evaporativa con aria esterna a 32° b.s., la temperatura al condensatore può essere assunta intorno ai 30° , e conseguentemente il COP può salire a 3,5¸ 4.

Con raffreddamento ad acqua di falda la temperatura al condensatore scende a 15° /25° , e pertanto il COP può salire a 4,5 e oltre.

L’uso diretto dell’acqua di falda a 15° per il (pre)raffreddamento dell’aria consentirebbe di dimezzare la potenza richiesta alla macchina frigorifera per la produzione di acqua refrigerata a 7° per la deumidificazione.

Di seguito vengono calcolati i costi unitari per 1.000 kcal = 1 Mcal di energia termica fornita.

a metano: 152 £/Mcal

a gasolio: 189 £/Mcal

con pompe di calore: 73 £/Mcal

con raffreddamento a torre evaporativa: 83 £/Mcal

con raffreddamento ad acqua di falda: 65 £/Mcal

con uso diretto dell’acqua di falda per il raffreddamento dell’aria: ~ 35 £/Mcal

Sulla base dei dati sopra indicati, possiamo dire che indicativamente i costi di esercizio annui per 1 m³ di edificio (con 25 kcal/h m³) si aggirano intorno a:

con metano: 4.100 £/ m³ anno

con gasolio: 5.100 £/ m³ anno

con pompa di calore: 1.960 £/ m³ anno

con raffreddamento a torre: 1.580 £/ m³ anno

con raffreddamento ad acqua di falda: 1.235 £/ m³ anno

anche con uso diretto di acqua di falda: ~ 665 £/ m³ anno

Si considera come riferimento un impianto da 1.000.000 kcal/h, quale richiesto tipicamente per un edificio di circa 40 ¸ 50.000 m³

rispetto al metano: -85 M£ (-52%)

rispetto al gasolio: -125 M£ (-61%)

con acqua di falda rispetto al raffreddamento con torre: -14 M£ (-22%)

anche con l’uso diretto dell’acqua: -37 M£ (-57%)

Il minor costo totale di esercizio può quindi andare dai 100 ai 150 milioni di lire all’anno, cioè ridotto di -45 ¸ -60%

Riscaldamento

• Con 1.250.000 kcal/h richieste in caldaia (con rendimento 0,8), pari a 125 kg eq/h il fabbisogno di energia primaria all’anno con il sistema tradizionale è 135 Tep/anno
• Con l’uso della pompa di calore, la potenza elettrica richiesta è 290 kWel, pari a 67 kg eq/h il fabbisogno di energia primaria all’anno è conseguentemente 72 Tep/anno

Il risparmio annuo che si ottiene con la pompa di calore è -63 Tep/anno, pari al -47%

Le potenze elettriche richieste nelle tre alternative considerate sono:

• tradizionale con torre di raffreddamento 330 kW
• con acqua di falda 260 kW
• con uso diretto dell’acqua di falda ~ 150 kW

I fabbisogni annui di energia elettrica e di corrispondente energia primaria sono:

tradizionale con torre di raffreddamento 255 MWh - 59 Tep/anno

con acqua di falda 200 MWh - 46 Tep/anno

anche con uso diretto dell’acqua di falda ~ 116 MWh - ~ 27 Tep/anno

Il risparmio di energia primaria che si ottiene con l’uso dell’acqua di falda per il condizionamento è -13 Tep/anno, che diventano -32 Tep/anno con l’uso diretto dell’acqua di falda per il raffreddamento dell’aria.

Il risparmio totale annuo in energia primaria con le pompe di calore ad acqua di falda è quindi di -76 Tep/anno, pari a -39% e rispettivamente con l’uso diretto con il raffreddamento dell’aria 85 Tep/anno, pari a -44%

Per soddisfare la potenza termica (o frigorifera) di 1.000.000 kcal/h richiesta da un edificio con una pompa di calore avente COP = 4, un quarto della stessa, pari a 250.000 kcal/h o 290 kW, è la potenza assorbita dal compressore, mentre le rimanenti 750.000 kcal/h vengono prelevate dall’acqua di falda.

Con un salto di temperatura di 5° (da 12° a 7° ) occorrono 150 m³/h, ovvero 42 l/sec.

Con un salto maggiore, p.e. 10° (da 15° a 5°) è sufficiente una quantità inferiore, 75 m³/h o 21 l/sec. Così pure con COP più alto, p.e. 5, si utilizza più acqua: 160m³ /h.

Per il condizionamento estivo le portate sono analoghe: con COP = 4.5 e salto di temperatura di 10° (da 15° a 25°) la quantità richiesta è di 78 m³ /h o 22 l/sec.

Con il canone sopra precisato il costo annuo è di 630.000 £/anno.

(Se fosse applicato il canone per uso industriale il costo annuo sarebbe di 5 o 10 milioni £/anno).

Usando l’acqua anche per il raffreddamento diretto dell’aria, la quantità d’acqua richiesta aumenta raggiungendo i valori più elevati richiesti per il riscaldamento.

La stessa quantità di acqua dopo l’utilizzo energetico, con identiche caratteristiche chimiche, viene poi, scaricata in superficie, a temperatura inferiore in inverno, o superiore in estate.

Sarà da valutare l’incidenza di eventuali canoni legati allo scarico dell’acqua.

L’adozione della pompa di calore elettrica per il riscaldamento, elimina l’impiego di combustibile in caldaia nei seguenti quantitativi:

metano: -152 Sm³/h

-164.000 Sm³/anno

gasolio: -143 lt/h

-154.000 l/anno

A fronte di queste riduzioni si avrà nella centrale termoelettrica dell’Azienda produttrice un maggior consumo di combustibile per +66,8 kgeq/h

è richiesta in inverno una potenza elettrica di punta di 290 kW

ed un consumo di energia nella stagione invernale di 313 Mwh

con l’uso di acqua di falda si avrà una potenza prelevata di punta di 260 kW anziché 330 kW come richiesto con l’uso di torre di raffreddamento, con una riduzione di -70 kW (-20%). Se si fa anche un uso diretto dell’acqua di falda per il raffreddamento dell’aria, la potenza prelevata è 150 kW, con una riduzione di -180 kW (-54%).

Si ha inoltre nella stagione estiva un minor consumo di energia di -54 Mwh (-22%) e con l’uso anche diretto dell’acqua di falda di -139 Mwh (-55%)

Un bilancio complessivo annuo è di "sostanziale parità per la potenza prelevata" ed un maggior consumo globale di energia di +259 Mwh (101%) e, con l’uso diretto di acqua di +174 Mwh (+68%)

La riduzione annua di consumi di energia primaria di 75 Tep/anno comporta una corrispondente riduzione di emissioni di CO₂ di 245 ton/anno, ovvero del 40% circa.

L’eliminazione della combustione di 143 l/h o 120 kg/h di gasolio nelle condizioni di punta invernali comporta corrispondenti minori emissioni sul territorio urbano di:

NO_x -300 g/h

SO₂ -490 g/h

Particolato -40 g/h

Infine l’uso dell’acqua di falda per il raffreddamento del condensatore dell’impianto di condizionamento consente di eliminare le torri evaporative con i connessi ingombri, inquinamento acustico e formazione di fumane.