PROGETTODIIMPIANTODIRISCALDAMENTOSOLAREABASSAEXERGIAPEREDIFICINELLEANDEPERUVIANE TesidiLaurea UNIVERSIT`ADEGLISTUDIDIPISA

(1)

UNIVERSIT`

A DEGLI STUDI DI PISA

Facolt`

a di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Tesi di Laurea

PROGETTO DI IMPIANTO

DI RISCALDAMENTO SOLARE

A BASSA EXERGIA

PER EDIFICI NELLE ANDE PERUVIANE

Relatore:

Laureanda:

Prof. PAOLO DI MARCO

VALENTINA BONETTI

Correlatore:

Prof. SANDRO PACI

(2)

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Introduzione

Il progetto di impianto di riscaldamento a bassa exergia proposto si inserisce nell’esperienza di cooperazione internazionale allo sviluppo Inti Wasi portata avanti in Per`u dall’associazione Ingegneria Senza Frontiere - Pisa insieme allo

Studio Architettura X Sostenibilit`a1 ed all’associazione Amici del Per`u2.

Figura 1: Laboratorio solare ’Inti Wasi’, Livitaca (regione di Chumbivilcas, Cusco, Per`u)

Il luogo di intervento è la piccola comunità di Livitaca, sulle Ande Peruviane a quasi 4000 metri slm, zona di estrema povertà afflitta da problemi prima-riamente legati a freddo, malnutrizione e scarsa igiene, cause di un’elevata incidenza di malattie, soprattutto da raffreddamento, e di un’alta mortalità infantile. All’interno di una regione già deficitaria rispetto al resto del Perù, il

1_{Studio AxS Architetti Giulia Bertolucci e Rodolfo Collodi, www.studioaxs.it} 2_{Amici del Per`u, Lucca, www.amicidelperu.info}

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iv Introduzione

distretto di Livitaca è uno dei più critici: le condizioni di vita della popolazio-ne sono spesso molto precarie, popolazio-nelle abitazioni non vi è disponibilità di acqua né bagni, non esistono forme di riscaldamento nonostante le condizioni clima-tiche presentino un’escursione termica tra giorno e notte anche di oltre 30◦C. A queste problematiche si aggiunge la carenza di formazione con conseguenti scarse aspettative e poche possibilità di sfruttamento delle grandi risorse del territorio, tra le quali un’insolazione tra le pi`u alte al mondo.

Il progetto Inti Wasi, nato nel 2010 e sviluppato intorno ad un’approfondita analisi dei bisogni dei beneﬁciari, lavora attraverso un cantiere scuola (futuro laboratorio solare) sugli obiettivi di formazione della popolazione in ambito di sfruttamento attivo e passivo dell’energia solare negli ediﬁci e nel campo dell’alimentazione ed impulso a nuovi canali di microimprenditoria socialmente ed ambientalmente sostenibile, senza tralasciare l’aspetto di sperimentazione

nella ricerca di tecnologie appropriate.

In questa sperimentazione si inserisce il presente studio di impianto di riscal-damento solare, con lo scopo di individuare una soluzione in grado di adat-tarsi alle caratteristiche socioambientali del territorio ed alle caratteristiche costruttivi degli ediﬁci tradizionali in terra cruda.

(5)

Indice

Introduzione iii

Elenco delle ﬁgure ix

I

Background

1

1 Cooperazione internazionale nelle Ande peruviane 3

1.1 Introduzione . . . 3

1.2 La cooperazione allo sviluppo . . . 3

1.2.1 Cooperazione decentrata . . . 3

1.2.2 L’analisi dei bisogni . . . 15

1.2.3 Il ciclo di progetto . . . 21 1.2.4 Tecnologie appropriate . . . 28 1.3 Le Ande peruviane . . . 33 1.3.1 Il Per`u . . . 33 1.3.2 La zona andina . . . 41 1.3.3 Caratteristiche geoclimatiche . . . 47 1.3.4 La risorsa solare . . . 49

1.3.5 L’abitazione tipica andina . . . 50

1.4 Le costruzioni in terra cruda . . . 52

1.4.1 Storia dell’uso della terra cruda . . . 52

1.4.2 Caratteristiche delle murature in adobe . . . 56 v

(6)

vi INDICE 2 Sistemi a bassa exergia per l’edilizia 61

2.1 L’approccio exergetico . . . 61

2.1.1 Introduzione . . . 61

2.1.2 Cos’`e l’exergia . . . 63

2.1.3 Il sistema ediﬁcio come processo exergetico entropico . . 78

2.2 Fondamenti dell’analisi exergetica negli ediﬁci . . . 80

2.2.1 Metodologie di analisi . . . 80

2.2.2 Domanda exergetica dell’ediﬁcio . . . 86

2.2.3 Bilancio exergetico di zona . . . 92

2.2.4 Analisi exergetica dei sottosistemi . . . 95

2.3 Strumenti per l’analisi exergetica . . . 108

2.3.1 Analisi stazionaria di predesign . . . 108

2.3.2 Analisi per sottosistema . . . 111

2.3.3 Analisi integrata in Building Information Modeling . . . 114

2.4 Tecnologie a bassa exergia . . . 115

2.4.1 Componenti dinamici ed adattativi integrati nell’ediﬁcio 115 2.5 Attivazione termica della massa . . . 120

2.5.1 Sistemi di riscaldamento radiante . . . 120

2.5.2 Sistemi di attivazione termica della massa . . . 129

3 Sistemi solari termici 137 3.1 Introduzione . . . 137

3.2 La risorsa solare . . . 138

3.2.1 Caratteristiche geometriche . . . 138

3.2.2 Radiazione solare . . . 146

3.3 Tipologie di sistemi . . . 149

3.3.1 Sistemi passivi ed attivi . . . 149

3.3.2 Sistemi a circolazione naturale . . . 151

3.3.3 Sistemi a circolazione forzata . . . 152

3.3.4 Sistemi a svuotamento (drain back) . . . 153

3.3.5 Diﬀerenza tra fabbisogno ACS e riscaldamento . . . 159

(7)

INDICE vii

3.4 Collettori solari . . . 179

3.4.1 Introduzione . . . 179

3.4.2 Il collettore piano vetrato . . . 180

3.4.3 Analisi termica del collettore piano vetrato . . . 185

3.4.4 Curva di rendimento di un collettore . . . 201

3.4.5 Procedure di test dei collettori . . . 203

II

Progettazione

207

4 Sistema di attivazione termica della massa 209 4.1 Introduzione . . . 209

4.2 Modello sempliﬁcato di scambio termico . . . 209

4.3 Dimensionamento del sistema . . . 216

5 Collettore solare di bottiglie di plastica 219 5.1 Introduzione . . . 219

5.2 Il collettore . . . 219

5.3 Analisi termica . . . 221

5.3.1 Fattore d’eﬃcienza del collettore . . . 222

5.3.2 Guadagno complessivo del collettore . . . 233

6 Simulazione ad elementi ﬁniti 241 6.1 Introduzione . . . 241

6.2 Obiettivi delle simulazioni . . . 242

6.3 Simulazione del sistema di attivazione della massa . . . 243

6.4 Simulazione del collettore di bottiglie . . . 248

6.4.1 Simulazione bidimensionale . . . 249

6.5 Simulazione tridimensionale . . . 257

7 Riscaldamento solare ad attivazione termica della massa 271 7.1 Introduzione . . . 271

(8)

viii INDICE

7.3 Schema e funzionamento . . . 276

7.4 Componenti . . . 278

7.4.1 Collettori solari . . . 278

7.4.2 Pompa di caricamento e circolazione . . . 281

7.4.3 Collettori e serpentine di distribuzione . . . 285

7.4.4 Accumulo termico . . . 285

7.4.5 Regolazione e controllo . . . 293

7.4.6 Note sul montaggio . . . 294

8 Conclusioni 297

III

Appendici

299

A Approfondimenti sull’analisi exergetica 301 B Richiami di trasmissione del calore 303 C Richiami di Fisica Tecnica utili negli impianti residenziali 327 D Simulazione energetica dell’ediﬁcio in regime dinamico 347 E Circolatori e controllo del regime di funzionamento 349 F Norme tecniche peruviane sull’energia solare termica 361 G Tabelle e diagrammi 363 H Dettaglio di alcuni calcoli 367

(9)

Elenco delle ﬁgure

1 Laboratorio solare Inti Wasi . . . iii 2.1 (a) Ciclo reversibile, (b) calore disponibile a T> T₀, (c) calore

(’freddo’) disponibile a T< T₀ [Fonte: Annex49 Guidebook]. . . 68 2.2 Fattore exergetico del calore (valore assoluto). . . 70 2.3 Confronto tra i fattori exergetici (valore assoluto) del calore a

temperatura T e dell’energia termica di una massa alla stessa temperatura. . . 71 2.4 Confronto tra i fattori exergetici (valore assoluto) di uno

scam-bio convettivo a T (linea rossa) e di uno scamscam-bio radiativo (linea blu) tra le temperature T₀ e T. . . 75 2.5 Distruzione di exergia e produzione di entropia . . . 79 2.6 Catena di ﬂussi energetici per il riscaldamento [Fonte: Annex49

Guidebook]. . . 80 2.7 Bilancio energetico necessario al riscaldamento.(Sinistra:

do-manda energetica totale< perdite energetiche per ventilazione, destra: domanda energetica totale > perdite energetiche per ventilazione). [Fonte: Annex49 Guidebook]. . . 90 2.8 Schema di conﬁne di zona dell’ediﬁcio e maggiori interazioni

energetiche presenti). [Fonte: Annex49 Guidebook]. . . 93 2.9 Bilancio energetico e exergetico in caso di riscaldamento [Fonte:

Annex49 Guidebook]. . . 94 ix

(10)

x ELENCO DELLE FIGURE

2.10 Conﬁni dei sottosistemi in analisi, ﬂussi energetici e

temperatu-re. [Fonte: Annex49 Guidebook]. . . 96

2.11 Flussi energetici e temperature considerando come sottosistema in analisi una stanza dell’ediﬁcio [Fonte: Annex49 Guidebook]. . 97

2.12 Flussi energetici,temperature e conﬁni nell’analisi del sottosiste-ma di emissione [Fonte: Annex49 Guidebook]. . . 99

2.13 Flussi energetici, temperature e conﬁni considerando l’analisi del sottosistema di accumulo [Fonte: Annex49 Guidebook]. . . . 101

2.14 Flussi energetici, temperature e conﬁni di sistema nell’analisi di un’unit`a di ventilazione [Fonte: [45]]. . . 104

2.15 Flussi energetici e exergetici attraverso i vari sottosistemi di un sistema di riscaldamento. [Fonte: [45]]. . . 110

2.16 Perdite energetiche ed exergetiche nei vari sottosistemi di un sistema di riscaldamento. [Fonte: [45]]. . . 111

2.17 Modelli disponibili in SEPE. [Fonte: [45]]. . . 112

2.18 Esempio di una possibile combinazione di componenti in SEPE. [Fonte: [45]]. . . 112

2.19 Calcolo dei ﬂussi exergetici. [Fonte: [45]]. . . 113

2.20 Layout dell’ultima versione del software DPV. [Fonte: [45]]. . . . 114

2.21 Superﬁci Radianti . . . 121 2.22 Superﬁci Radianti . . . 123 2.23 Pannelli Radianti . . . 124 2.24 Pannelli Radianti . . . 128 2.25 Getto Tabs . . . 130 2.26 GraphTabs1 . . . 132 2.27 GraphTabs2 . . . 133 2.28 GraphTabs3 . . . 134 3.1 Declinazione . . . 141 3.2 Radiazione diretta . . . 142 3.3 Diagramma solare . . . 144 3.4 Diagramma solare . . . 145

(11)

ELENCO DELLE FIGURE xi

3.5 Diagramma solare ombre . . . 146

3.8 Schema di funzionamento di impianto a circolazione naturale . . 151

3.9 Schema di funzionamento di impianto a circolazione forzata . . . 152

3.10 Diﬀerenti tipologie di collettori idronici . . . 181

3.11 Elementi costituenti il collettore solare . . . 182

3.12 Aree caratterizzanti il collettore solare . . . 183

3.13 Collettore con tubo a griglia . . . 185

3.14 Schematizzazione resistenze del collettore piano . . . 187

3.15 Aletta . . . 191

3.16 Curve . . . 202

3.17 Schema aperto . . . 205

3.18 Schema chiuso . . . 206

4.1 Modello sempliﬁcato dello scambio in un sistema di attivazione termica della massa . . . 210

4.2 TABS, fase attiva . . . 213

4.3 TABS, fase passiva . . . 215

5.1 Illustrazione schematica e sezione del collettore solare di botti-glie di plastica . . . 220

5.2 Fasi di costruzione del collettore solare di bottiglie (sempliﬁca-zione) . . . 221

5.3 Sezione collettore di bottiglie senza isolamento . . . 224

5.4 Rete resistenze collettore di bottiglie senza isolamento . . . 225

5.5 Sezione collettore di bottiglie con isolamento . . . 228

5.6 Rete resistenze collettore di bottiglie con isolamento . . . 228

5.7 Percorsi dello scambio radiativo tra piastra e copertura in plastica229 5.8 Temperatura del ﬂuido termovettore in funzione della coordina-ta assiale per S = 1200 W, v = 0.001 m/s . . . 235

(12)

xii ELENCO DELLE FIGURE

5.9 Temperatura del ﬂuido termovettore in funzione della

coordina-ta assiale per S = 950 W, v = 0.0025 m/s . . . 236

5.10 Temperatura del ﬂuido termovettore in funzione della coordina-ta assiale per S = 950 W, v = 0.005 m/s . . . 237

6.1 Geometria del pavimento ad attivazione termica . . . 244

6.2 Sequenza della fase attiva: riscaldamento della massa del pavi-mento . . . 245

6.3 Sequenza della fase passiva: rilascio di calore dal pavimento . . 246

6.4 Veriﬁca dell’ipotesi di soppressione della convezione naturale . . 250

6.5 Andamento della temperatura durante il riscaldamento dell’in-tercapedine d’aria . . . 252

6.6 Stream lines durante il riscaldamento dell’intercapedine d’aria . 253 6.7 Sovratemperature raggiunte nella situazione pi`u critica . . . 254

6.8 Sovratemperature raggiunte nella situazione pi`u critica . . . 255

6.9 Campo di velocit`a calcolato separatamente in modello bidimen-sionale . . . 257

6.10 Geometria del modello tridimensionale . . . 258

6.11 Attribuzione dei materiali ai domini del modello 3D . . . 259

6.12 Mesh nel modello tridimensionale del collettore . . . 260

6.13 Albero del modello tridimensionale del collettore . . . 261

6.14 Condizione Boundary Heat Transfer sul tubo e sul tetrapack del collettore . . . 262

6.15 Andamento della temperatura conS = 1100 W/m2,v = 0.04 m/s, hw = 7 W/m2K, L = 2 m . . . 263

(13)

ELENCO DELLE FIGURE xiii

6.16 Andamento della temperatura conS = 1100 W/m2,v = 0.04 m/s,

hw = 7 W/m2K, L = 2 m . . . 264

6.17 Superﬁci isoterme con S = 1100 W/m2, v = 0.04 m/s, h_w = 7 W/m2K, L = 2 m . . . 265

6.18 Andamento della temperatura conS = 1100 W/m2,v = 0.04 m/s, hw = 7 W/m2K, L = 2 m . . . 266

6.19 Andamento della temperatura conS = 1100 W/m2,v = 0.005 m/s, hw = 7 W/m2K, L = 0.5 m . . . 267

6.20 Andamento di temperatura e velocit`a con S = 1100 W/m2, v = 0.005 m/s, hw = 7 W/m2K, L = 0.5 m . . . 269

6.21 Andamento di temperatura e velocit`a lungo il raggio perpendi-colare all’irraggiamento . . . 270

7.1 Schema impianto solare . . . 273

7.2 Schema impianto 9b IEA Task 26 . . . 274

7.3 Impianti Schema in scala . . . 276

7.4 Test su collettore solare di bottiglie di plastica . . . 279

7.5 Test su collettore solare di bottiglie di plastica . . . 280

7.6 Schematizzazione del circuito solare . . . 281

7.7 Curva caratteristica del circuito . . . 283

7.8 Curva caratteristica del circuito in fase di funzionamento a regime284 7.9 Caratteristiche di un circolatore modulante . . . 285

7.10 Collettore del pavimento radiante in sperimentazione . . . 286

7.11 Spianatura del pavimento radiante e ﬁssaggio supporti . . . 287

7.12 Serpentine del pavimento radiante in sperimentazione: ﬁssaggio 288 7.13 Serpentine del pavimento radiante in sperimentazione . . . 289

7.14 Serpentine del pavimento radiante in sperimentazione: consoli-damento del ﬁssaggio . . . 290

7.15 Posa del pavimento radiante in sperimentazione . . . 291

7.16 Pressatura dell’accumulo di terra . . . 292

(14)

xiv ELENCO DELLE FIGURE

B.1 Radiazione su una superﬁcie . . . 314

B.2 Irraggiamento e Radiosity (Fonte: Comsol, Heat Transfer Mo-dule User Guide) . . . 320

B.3 Trasmittanza di struttura composta . . . 324

B.4 Temperatura in funzione della resistenza speciﬁca di ogni strato 325 C.1 Esempio di curva caratteristica . . . 334

C.2 Curva caratteristica di pompe collegate in parallelo . . . 337

C.3 Curva caratteristica di pompe collegate in serie . . . 338

C.4 Esempio base di circuito chiuso . . . 342

E.1 Sezione di pompa a rotore bagnato . . . 350

E.2 Controllo tramite valvola di regolazione . . . 351

E.3 Controllo tramite valvola di by-pass . . . 352

E.4 Controllo tramite la variazione del diametro della girante . . . . 353

E.5 Controllo tramite la variazione della velocit`a di rotazione . . . . 354

E.6 Panoramica dei sistemi di controllo ed eﬀetto equivalente sulla curva caratteristica della pompa . . . 355

E.7 Controllo della velocit`a a pressione costante . . . 357

E.8 Controllo della velocit`a a pressione diﬀerenziale costante . . . . 358

E.9 Controllo della velocit`a a pressione proporzionale . . . 358

E.10 Controllo della velocit`a a temperatura costante . . . 359

G.1 Perdite di carico polietilene . . . 364

G.2 Perdite di carico polietilene . . . 365

H.1 Dettaglio dei calcoli. riempimento pagina 1 . . . 368

(15)

Parte I

Background

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