Il campus prevede un impianto di cogenerazione asservito ad una rete di teleriscaldamento per la distribuzione dell’energia termica ai vari edifici.
La rete di teleriscaldamento prevede essenzialmente la distribuzione, attraverso una rete di tubazioni, di un fluido termovettore dalla centrale di produzione alle utenze, includendo anche il percorso di ritorno. Giunto alle utenze il fluido (solitamente acqua calda o vapore) può essere presente un successivo scambiatore di calore, oppure raggiungere direttamente l’impianto di distribuzione interno ai locali. Affinchè lo sviluppo della rete interna di teleriscaldamento sia efficace, è necessario individuare un’utenza concentrata in un’area ben definita, come un quartiere, un’area commerciale o industriale o un insieme di utenze pubbliche prossime tra loro (Badami, 2013). Il caso del campus universitario in
74 esame offre le condizioni adatte, essendo gli edifici distribuiti e concentrati in una superficie di qualche decina di ettari.
L’energia termica prodotta in centrale termica è distribuita alle utenze attraverso una rete di tubazioni isolate. Il tracciato prevede condotte di mandata e di ritorno.
Il sistema di distribuzione degli impianti di teleriscaldamento urbano comprende: la rete di distribuzione;
la stazione di pompaggio;
le sottostazioni di scambio termico.
La configurazione della rete di distribuzione all’interno del campus è del tipo indiretto, costituita da due circuiti distinti tra cui è interposto uno scambiatore in prossimità dell’utenza (Fig. 4.11). Rispetto ad una configurazione diretta i costi di investimento e le perdite sono maggiori ma consentono l’utilizzo di componenti a bassa pressione per il circuito dell’utente. La manutenzione risulta così semplificata, la localizzazione delle perdite più facile e l’energia è regolata e contabilizzata in modo più efficiente. La rete inoltre si compone di una tubazione principale, detta “dorsale”, con diametro maggiore, di una tubazione secondaria e di una ridotta costituita dalle ramificazioni che portano il calore alle utenze. La configurazione della rete è stata scelta del tipo ramificata (Badami, 2013). Consta di una direttrice principale in corrispondenza delle grandi utenze, da questa si ramificano le tubazioni di diametro inferiore verso le utenze secondarie. Tale tipologia richiede l’utilizzo di condotte più grandi nei tratti iniziali, ma non è generalmente vincolata dalla distribuzione delle utenze sul territorio e presenta vantaggi, per esempio rispetto alle reti ad anello, per quanto riguarda la regolazione e la distribuzione del calore.
Il fluido termovettore più utilizzato è l’acqua, che normalmente viene inviata a circa 90 °C e ritorna in centrale a 30-60 °C. La temperatura di ritorno dipende solitamente dai terminali di riscaldamento degli utenti: i normali radiatori richiedono temperature di esercizio di circa 80 °C, i ventilconvettori 45 °C e i pannelli radianti 35 °C. In questi ultimi casi le temperature di ritorno sono inferiori.
Si è scelto di asservire alla rete di teleriscaldamento l’acqua calda sanitaria della palestra e del residenziale, quando la produzione da pannelli solari non è sufficiente, e la parte di riscaldamento di tutti gli edifici, tranne gli appartamenti del residenziale. Per questi sono previste pompe di calore reversibili così da alimentare i pannelli radianti per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti. Sotto è rappresentato lo schema della rete di teleriscaldamento ipotizzata per alimentare le varie utenze, con la tubazione di mandata e di ritorno. La struttura prevede una tubazione principale, che parte dal cogeneratore, una secondaria da cui si distaccano le ramificazioni di diametro minore che raggiungono direttamente gli edifici. Sono riportate in scala solo le relative distanze.
75 Importante per la rete di teleriscaldamento è il conteggio delle perdite di calore. È stato considerato un termine di perdita di calore lineare U in 𝑊
𝑚 °𝐶. Tramite le indicazioni da normativa si è potuto risalire
ai coefficienti di perdita una volta note le proprietà relative alla geometria e alla composizione dei vari strati di materiale di cui sono composte le tubazioni (Tab. 4.4). La formula di riferimento per il calcolo delle perdite di calore unitarie (espresse quindi W/m) è la seguente (Badami, 2013 – Ghelardi, 2011):
∅ = 𝑈 ∗ [(𝑇𝑚+ 𝑇𝑟) − 2 ∗ 𝑇𝑡]
Simbolo Unità di misura Descrizione
∅ W/m Perdita di calore unitaria per
coppia di tubazioni
U W/m °C Coefficiente di trasmissione
termica
𝑇𝑚 °C Temperatura di mandata
𝑇𝑟 °C Temperatura di ritorno
𝑇𝑡 °C Temperatura del terreno
Tabella 4.4 Termini per stimare la perdita di calore unitaria per coppia di tubazioni
Il termine U è stato ricavato come inverso della somma delle resistenze termiche dei vari materiali, tenendo conto inoltre nel calcolo della resistenza del terreno e della resistenza di scambio tra la tubazione di mandata e ritorno (Tab. 4.5).
U= 1
(𝑅𝑇𝑡𝑠+𝑅𝑇𝑖+𝑅𝑇𝑡𝑔+𝑅𝑇𝑡+𝑅𝑇𝑠)
Simbolo Unità di misura Descrizione
𝑅𝑇𝑡𝑠 m °C/W Resistenza termica del tubo di
servizio
𝑅𝑇𝑖 m °C/W Resistenza termica
dell’isolamento
𝑅𝑇𝑡𝑔 m °C/W Resistenza termica del tubo di
guaina
𝑅𝑇𝑡 m °C/W Resistenza termica del terreno
𝑅𝑇𝑠 m °C/W Resistenza termica di scambio tra
le due tubazioni Tabella 4.5 Termini che compongono il coefficiente di trasmissione
Le resistenze sono state calcolate tramite le seguenti formule (Tab. 4.6-4.10): Resistenza termica del tubo di servizio:
𝑅𝑇𝑡𝑠= 1 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝜆𝑡𝑠 ln [𝑑 𝑑𝑖 ]
Simbolo Unità di misura Descrizione
𝜆𝑡𝑠 W /m °C Conduttività termica del tubo di
servizio
𝑑𝑖 m Diametro interno del tubo di
servizio
𝑑 m Diametro esterno del tubo di
servizio
76 Resistenza termica dell’isolamento:
𝑅𝑇𝑖=
1 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝜆𝑖
ln [𝐷𝑖 𝑑]
Simbolo Unità di misura Descrizione
𝜆𝑖 W /m °C Conduttività termica
dell’isolamento
𝐷𝑖 m Diametro interno del tubo di
guaina
𝑑 m Diametro esterno del tubo di
servizio
Tabella 4.7 Termini che compongono la resistenza termica dell'isolamento
Resistenza termica del tubo di guaina
𝑅𝑇𝑡𝑔= 1 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝜆𝑡𝑔 ln [𝐷 𝐷𝑖 ]
Simbolo Unità di misura Descrizione
𝜆𝑡𝑔 W /m °C Conduttività termica del tubo
guaina
𝐷𝑖 m Diametro interno del tubo di
guaina
𝐷 m Diametro esterno del tubo di
guaina
Tabella 4.8 Termini che compongono la resistenza termica del tubo di guaina
Resistenza termica del terreno
𝑅𝑇𝑡=
1 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝜆𝑡
ln [4 ∗ 𝑍𝑐 𝐷 ]
Simbolo Unità di misura Descrizione
𝜆𝑡 W /m °C Conduttività termica del terreno
D m Diametro esterno del tubo
guaina
𝑍 m Profondità effettiva di posa asse
tubazione
𝑅𝑜 m^2 °C/W Resistenza di transizione
superficiale
𝑍𝑐 m Profondità virtuale di posa
Tabella 4.9 Termini che compongono la resistenza termica del terreno
Resistenza termica di scambio tra le tubazioni 𝑅𝑇𝑠 = 1 4 ∗ 𝜋 ∗ 𝜆𝑡 ln [1 + (2 ∗ 𝑍𝑐 𝐶 ) 2 ]
77
Simbolo Unità di misura Descrizione
𝜆𝑡 W /m °C Conduttività termica del terreno
C m Distanza fra gli assi delle due
tubazione
𝑍 m Profondità effettiva di posa asse
tubazione
𝑅𝑜 m^2 °C/W Resistenza di transizione
superficiale
𝑍𝑐 m Profondità virtuale di posa
Tabella 4.10 Termini che compongono la resistenza termica di scambio tra le tubazioni
Il valore di RO è pari a 0,0685 m2 °C/W, Z=0,00061*DN+0,0011, C=1,2*DN+0,27 e vale la formula seguente ZC =Z+ RO* t
Per stimare i valori delle resistenze è stato necessario ricorrere a parametri geometrici delle tubazioni quali diametri, spessori e i valori caratteristici dei materiali (Tab. 4.11).
Simbolo Unità di misura Valore
acciaio W/m °C 55
schiumapoliuretano W/m °C 0,03
polietilene W/m °C 0,35
terreno W/m °C 1,2
Tabella 4.11 Conduttività dei materiali della tubazione
I cataloghi specifici riportano valori standard delle dimensioni per tubazioni attualmente in commercio. Questi, attraverso il supporto del software MATLAB e la funzione Basic Fitting, sono stati adattati al caso in esame. La figura rappresenta la sezione di una tubazione tipicamente utilizzata in una rete di teleriscaldamento (Fig. 4.12).
Figura 4.12 Sezione di una tubazione di una rete di teleriscaldamento
Con calcolo iterativo, rispettando la clausola di ottenere perdite di carico trascurabili inferiori al 1-2% e perdite di calore lungo la rete contenute, si scelgono i diametri interni delle tubazioni e le altre dimensioni:
TUBO DI SERVIZIO si ipotizza che lo spessore sia l’8% del diametro 𝑠𝑑 = 𝑑𝑖∗ 0,08, mentre il
diametro esterno si ricava della seguente relazione 𝑑𝑒= 𝑑𝑖+ 2 ∗ 𝑠𝑑.
TUBO DI COIBENTAZIONE si ipotizza che lo spessore sia il 50% del diametro 𝑠𝐷𝑖= 𝑑𝑒∗ 0,5 e il
diametro si ricava della relazione 𝐷𝑖 = 𝑑𝑒+ 2 ∗ 𝑠𝐷𝑖
TUBO DI GUAINA si ipotizza che lo spessore sia il 2% del diametro 𝑠𝐷= 𝐷 ∗ 0,02, mentre per il
diametro si scrive 𝐷 = 𝐷𝑖+ 2 ∗ 𝑠𝐷
Con la relazione seguente si calcolano invece i diametri nominali 𝐷𝑁 = (𝑑𝑖−0,017
0,95 )
La tabella (Tab. 4.12) mostra, in ordine, i valori calcolati per il tratto delle diramazioni, il tratto di rete secondario e il tratto primario:
78 DIRAMAZIONI TRATTO SECONDARIO TRATTO PRIMARIO DN (mm) 56,8 64,2 87,4 di (mm) 71 78 100 Sd (mm) 5,7 6,2 8,0 de (mm) 82,3 90,5 116,0 sDi (mm) 41,2 45,2 58,0 Di (mm) 164,7 181,0 232,0 sD(mm) 3,3 3,6 4,6 D (mm) 171,3 188,2 241,2 Z (m) 0,001135 0,001139 0,001153 Zc (m) 0,0833346 0,0833392 0,0833533 C (mm) 338,2 347,0 374,8
Tabella 4.12 Parametri caratteristici delle tubazioni
Di seguito sono infine riportati i valori delle resistenze e i coefficienti di trasmissione lineare per le varie tubazioni, calcolati tramite le equazioni elencate nelle pagine precedenti e ipotizzando una temperatura del terreno di 15 °C (Tab. 4.13).
DIRAMAZIONI TRATTO SECONDARIO TRATTO PRIMARIO 𝑅𝑇𝑡𝑠 m °C/W 0,00043 0,00043 0,00043 𝑅𝑇𝑖 m °C/W 3,67726 3,67726 3,67726 𝑅𝑇𝑡𝑔 m °C/W 0,01783 0,01783 0,01783 𝑅𝑇𝑡 m °C/W 0,08829 0,07583 0,04289 𝑅𝑇𝑠 m °C/W 0,01442 0,01376 0,01197 U W/(m °C) 0,26328 0,26419 0,26664
Tabella 4.13 Resistenza termiche e coefficienti di trasmissione per le tubazioni
Considerando la temperatura di mandata Tm = 80°C e la temperatura di ritorno Tr = 65 °C, si calcola il termine corrispondente alla perdita lineare di calore lungo la tubazione per ogni diversa ramificazione della rete e nella stessa tabella si riportano le perdite nominali della rete tenendo conto della lunghezza complessiva della rete e in particolare di ogni singolo tratto (Tab. 4.14):
DIRAMAZIONI TRATTO SECONDARIO TRATTO PRIMARIO Perdite (W/m) 30,3 30,4 30,7 Lunghezza tratto (m) 1000 540 260 Perdite totali (W) 30277,2 16406,3 7972,5
Tabella 4.14 Tabella riassuntiva perdite termiche
Per ciascun mese in cui è presente il carico sulla rete, le perdite sono identiche a quelle calcolate, mentre sono nulle quando non è presente alcun carico, come accade nel periodo estivo.
Il calcolo delle portate d’acqua, immesse in rete, è stato effettuato con riferimento alle ipotesi sulle temperature di mandata e di ritorno sopra riportate. Tenendo presente i fabbisogni totali (P nella formula espressi in kW) alimentati dalla rete di teleriscaldamento, quali la potenza assorbita per il riscaldamento dei vari edifici, quella per la produzione di ACS di palestra e residenziale (compensazione della produzione con pannelli solari termici) e quella per le perdite di calore presenti lungo l’intero percorso, la portata d’acqua erogata risulta dalla formula:
79 pt
=
𝑃 (𝑇𝑚−𝑇𝑟)∙𝐶𝑝
𝜌
Il calore specifico e la densità dell’acqua sono assunti costante e pari rispettivamente a 4,187 𝑘𝐽
𝑘𝑔 °𝐶e 1000 𝑘𝑔
𝑚3.
Il calcolo della portata è orario sull’arco annuale . Il valore massimo raggiunto dalla portata risulta 0,013
𝑚3
𝑠 e segue l’andamento del carico termico, come mostra la figura (Fig. 4.13). Infatti, calcolando il peso
percentuale sull’intero carico richiesto alla rete di teleriscaldamento, risulta che il carico termico contribuisce per circa l’80% mentre le perdite totali su ciascuno dei tre tratti il restante 20%.
Figura 4.13 Andamento portata complessiva per la rete di teleriscaldamento
Altro parametro da tenere sotto controllo è la velocità del fluido all’interno delle tubazioni, calcolata, rispettivamente per ciascun ramo, attraverso la formula seguente, dove con pt si indica la portata (Tab. 4.15): 𝑤 = max (𝑝𝑡) 𝜋(𝑑𝑖)2 4 DIRAMAZIONI TRATTO SECONDARIO TRATTO PRIMARIO VELOCITA’ FLUIDO (m/s) 1,7 2,7 3,3 VELOCITA’ TIPICHE (m/s) 1,5-2 2,5-3 3-3,5
Tabella 4.15 Velocità tipiche di una rete di teleriscaldamento
I valori ottenuti sono compresi nel range, 1,5-3 𝑚
𝑠, di velocità tipiche di una rete di teleriscaldamento.
80 l’adozione di tubazioni di grosso diametro con conseguente aumento delle dispersioni termiche e dei costi.
Le aule risultano gli edifici più distanti, come lunghezza del tratto di percorrenza, dal cogeneratore. I valori di velocità da tabella permettono al fluido di raggiungere questi ambienti in circa 9-10 minuti, tempo ragionevole per soddisfare il fabbisogno. Questo aspetto verifica la bontà dei calcoli fin qui svolti. Sono calcolate anche le perdite di carico, per ogni tratto, vinte da alcune pompe poste in posizioni “strategiche” lungo la rete di teleriscaldamento, considerando come il coefficiente di attrito f pari al valore costante adimensionale 0,0025:
∆𝑝 = 𝑓 ∙ 𝐿 𝑑𝑖
∙ 𝜌 ∙𝑤
2
2
La formula serve per le perdite distribuite che si raddoppiano, dato che deve essere conteggiato anche il ritorno. A queste si aggiungono quelle concentrate che, da letteratura e per una valutazione cautelativa, si ipotizzano pari al 50% delle distribuite. Anche queste devono essere raddoppiate.
Il lavoro specifico della pompa può essere ricavato dall’equazione di Bernoulli e successivamente, conoscendo il valore della portata, si calcola la potenza necessaria per la pompa scelta.
Tramite il software MATLAB è simulato anche il lavoro e la potenza di queste pompe. Rispetto al carico elettrico massimo richiesto dall’intero campus (corrispondente a circa 320 kW ), la potenza delle pompe risulta trascurabile, circa una percentuale del 3%; per questo motivo non è inserita nel bilancio elettrico finale. Per verifica si calcola anche il numero di Reynolds corrispondente.
Come ultima operazione è riportata la relazione ∆𝑇
𝐿 =
𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑖
𝐶𝑝∙max (𝑝𝑡)∙𝜌 per le perdite di temperatura
(°𝐶
𝑚) e la perdita di temperatura finale, considerando la lunghezza complessiva della rete, risulta circa
4°C.