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XV EUROPEAN CONFERENCE MILANO 7 th -8 th JUNE 2013 CSG Latest Technology in Refrigeration and Air Conditioning Under the Auspices of the PRESIDENCY OF THE COUNCIL OF MINISTERS Retrofitting existing heating systems with water-water heat pumps fed by low temperature water networks Marco Masoero, Chiara Silvi, Dipartimento Energia, Politecnico di Torino Gianfranco Pellegrini, AREA Science Park, Trieste

Marco Masoero - Politecnico di Torino - RETROFIT DI IMPIANTI DI RISCALDAMENTO ESISTENTI CON POMPE DI CALORE ACQUA-ACQUA

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XV EUROPEAN CONFERENCE MILANO 7th-8th JUNE 2013 CSG

Latest Technology in Refrigeration and Air Conditioning Under the Auspices of the PRESIDENCY OF THE COUNCIL OF MINISTERS

Retrofitting existing heating systems with water-water heat pumps fed by

low temperature water networks

Marco Masoero, Chiara Silvi, Dipartimento Energia, Politecnico di Torino

Gianfranco Pellegrini, AREA Science Park, Trieste

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Concept• Water-water high temperature heat pumps (Tsupply ≥ 60°C) may

replace gas / oil fueled boilers in conventional radiator heating systems, which are common in Italian residential buildings.

• The low temperature heat source is water distributed with a district pipework (LTDH Low Temperature District Heating).

• The district pipework is easier to install and less invasive than a standard high temperature DH one, since pipe insulation is not needed.

• A heat exchanger connects the primary network (LTDH) with the evaporator of the heat pump.

• The HP condenser produces hot water for space heating and centralised SHW production (if present)

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Low temperature heat source

Low temperature water may be provided by:•sea, lakes, rivers, canals; •unused pits; •shallow table water; •urban or industrial water mains; •sewage systems;•……..

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The heat pump (TINA 115 kW)

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Heat pump characteristics

• Two stage vapor compression cycle (working fluid R 600 (n-Butane)

Property Value

Thermal power output 115 kW

Water supply temperature 60 – 80 °C

COP 3.9 – 3.0

Minimum water temperature 7°C

Water flow rate 1.7 – 6.0 L/s

Maximum electrical input 40 kW

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Central plant for space heating and SHW production

70°C

HT HP12°C

7°C

80°C

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Supply from water mains

1" 1

/4

1" 1/4

1" 1/4

1" 1/4

Supply from shallow table water

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Analysis

GENERATORI TERMODINAMICIAndamento degli investimenti

0

250.000

500.000

750.000

1.000.000

1.250.000

1.500.000

1.750.000

2.000.000

2.250.000

2.500.000

2.750.000

3.000.000

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Numero di generatori da installare(Generatore tipo da 100 kWt cadauno - Edificio tipo da 30.000 mc)

Inv

es

tim

en

to [

€]

Costo centrali termiche

Costo allacciamenti

Costo rete

Investments vs. number of heat pumps

Yearly expense

GENERATORI TERMODINAMICIAnalisi economica

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

1.000.000

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Numero di generatori da installare(Generatore tipo da 100 kWt cadauno - Edif icio tipo da 30.000 mc)

Sp

esa

ann

ua

risc

ald

amen

to [

€]

Spesa annua attuale

Spesa annua prevista

GENERATORI TERMODINAMICIAnalisi energetica - TEP risparmiati

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Numero di generatori da installare(Generatore tipo da 100 kWt cadauno - Edificio tipo da 30.000 mc)

TE

P [

TE

P/a

nn

o]

Stato di fatto

Stato di progetto

TOE saved yearly

GENERATORI TERMODINAMICI

Analisi ambientale - riduzione emissioni globali di CO2

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Numero di generatori da installare(Generatore tipo da 100 kWt cadauno - Edifi cio tipo da 30.000 mc)

Stato di fatto

Stato di progetto

Emission reduction of CO2

GENERATORI TERMODINAMICI

Analisi ambientale - riduzione emissioni globali di NOx

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Numero di generatori da installare

(Generatore tipo da 100 kWt cadauno - Edifi cio tipo da 30.000 mc)

Stato di fatto

Stato di progetto

Emission reduction of NOx

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Conclusions

• Reduction of urban pollution associated to combustion heating plants.

• Simple retrofit: boilers are replaced by heat pumps without modifying the heating system.

• Initial costs are balanced by reduction in energy bills and maintenance cost (35÷60%).

• Payback time for Italy, based on climate and energy rates: per l’Italia: 3÷5 years, depending on fuel and type of installation.

• Solution applicable both to the existing stock (residential, historical buildings, schools, hospitals, commercial, industrial, etc.).

• At least 70% of energy input is renewable.

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