IMPIANTO SOLARE TERMICO DELLA PALESTRA

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Capitolo 18

IMPIANTO SOLARE TERMICO DELLA PALESTRA

In questo capitolo sono riportati i calcoli che si sono resi necessari per il dimensionamento dell'impianto solare termico della palestra oggetto di studio.

Il primo passo eseguito è la stima del fabbisogno energetico (E); tale quantità di energia rappresenta il calore di cui è necessario disporre, in un dato intervallo di tempo, per soddisfare le utenze considerate. Nel caso in esame, il fabbisogno energetico è stato calcolato su base mensile, attraverso il sito messo a disposizione dall'ENEA (http://www.solaritaly.enea.it). Utilizzando i dati relativi al fabbisogno energetico è stata calcolata la superficie captante dei collettori solari.

Al fine di ottimizzare lo sfruttamento dell'impianto solare, la superficie captante dei collettori è stata dimensionata in modo da raggiungere un giusto compromesso tra l'energia che è in grado di fornire e quella garantita dal sistema ausiliario (fonte convenzionale). Tale superficie è stata dimensionata in relazione al mese di luglio, ovvero il mese più soleggiato.

L'impianto solare termico, per la palestra oggetto di studio, deve funzionare per tutto l'anno, ad eccezione del mese di agosto in cui lo stabilimento rimane chiuso. Per evitare il fenomeno della temperatura di stagnazione, in questo periodo, sono stati presi in considerazione sistemi di copertura dei collettori.

Nel presente capitolo sono stati affrontati due casi di impianto solare termico per la palestra oggetto di studio:

- nel primo caso, sono stati installati pannelli solari piani, con tapparelle di oscuramento per il periodo di non funzionamento dell'impianto;

- nel secondo caso, sono stati installati collettori solari sottovuoto heat-pipe, dotati di un sistema di oscuramento a lamine rotanti, controllate da una centralina con microprocessore.

I passi seguiti per il dimensionamento dell'impianto sono: - la determinazione del fabbisogno energetico;

- la scelta della tipologia del collettore solare e la determinazione delle condizioni operative della superficie captante (latitudine, orientamento, inclinazione, temperatura di lavoro, ecc.);

- la determinazione del potenziale energetico, riferito ad ogni m2;

- il dimensionamento della superficie captante (determinazione del fattore di integrazione e del fattore di utilizzo);

- la scelta del numero di collettori solari e il bilanciamento del circuito primario; - il dimensionamento del volume di accumulo.

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18.1 DIMENSIONAMENTO IMPIANTO SOLARE TERMICO

L'impianto solare termico della palestra oggetto di studio è destinato alla sola produzione di acqua calda sanitaria (ACS)

Dati di progetto

Dati Valore

Generali Tipologia impianto Produzione ACS Località Sito Comune Pontedera

Latitudine 43°66' Longitudine 10°63' Collettori Inclinazione pannelli 43°

Orientamento pannelli 18° sud-ovest Dati ACS Destinazione d'uso Palestra

Temperatura utenza ACS 50°

Fabbisogno giornaliero di ACS [UNI/TS 11300-2] 50 litri/(giorno ∙ Nu)

Nu numero di docce installate 21

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Radiazione solare giornaliera media mensile disponibile

La radiazione solare globale giornaliera mensile al suolo su superficie orizzontale sono state recepite da "ENEA - Atlante della radiazione solare" (http://www.solaritaly.enea.it), inserendo le coordinate geografiche del comune di Pontedera.

Mese

Radiazione solare globale giornaliera mensile su superficie orizzontale

Radiazione solare globale giornaliera mensile su piano inclinato Ho [MJ/(m2 ∙ giorno)] Htilt [MJ/(m2 ∙ giorno)]

Gennaio 6,32 11,1 Febbraio 9,01 13,0 Marzo 13,74 15,5 Aprile 17,04 15,5 Maggio 21,58 16,9 Giugno 23,50 17,5 Luglio 23,44 18,2 Agosto 19,89 17,3 Settembre 15,27 15,7 Ottobre 10,45 14,1 Novembre 6,76 11,2 Dicembre 5,11 9,1

La radiazione globale annua sulla superficie orizzontale: 5246 MJ/m2 La radiazione globale annua su piano inclinato a 43°: 5396 MJ/m2

18.1.1 CASO 1: COLLETTORE SOLARE PIANO VETRATO

Caratteristiche del collettore

Dati Valore

Collettori Inclinazione pannelli 43°

Orientamento pannelli 18° sud-ovest

Tipo pannelli piano

Dati collettori Superficie lorda 2,55 m2 Superficie di apertura 2,43 m2 Superficie dell'assorbitore 2,35 m2 Contenuto dell'assorbitore 1,61 litri Peso a vuoto 45 kg

Dimensioni (A x L x P) (2170 x 1175 x 87) mm Rendimento ottico η0 riferito alla superficie

di apertura

79,4 %

Coefficiente di dispersione del calore k1

riferito alla superficie di apertura

3,863 W/m2_K

0,013W/m2K

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Energia captata mensile

Utilizzando le relazioni 15.1 e 17.1 si calcolano rispettivamente il rendimento del collettore e l'energia captata mensile.

Mese

Radiazione solare globale giornaliera mensile su piano inclinato

rendimento del collettore numero giorni energia captata mensile Htilt [MJ/(m2 ∙ giorno)] η G E [MJ/m 2 ] Gennaio 11,1 0,41 31 143 Febbraio 13,0 0,47 28 171 Marzo 15,5 053 31 276 Aprile 15,5 0,56 30 293 Maggio 16,9 0,60 31 367 Giugno 17,5 0,63 30 385 Luglio 18,2 0,65 31 418 Agosto 17,3 0,65 31 390 Settembre 15,7 0,61 30 313 Ottobre 14,1 0,54 31 233 Novembre 11,2 0,44 30 143 Dicembre 9,1 0,35 31 100

Fabbisogno acqua calda sanitaria mensile

Una volta determinata l'energia captata che viene effettivamente resa disponibile come calore nel fluido termovettore, è stato stimato il fabbisogno energetico per la produzione di acqua calda sanitaria.

Per ciascun mese è stato fissato:

- la temperatura media mensile dell'acqua prelevata dall'acquedotto, Tacquedotto (espressa in [°C]); - la temperatura dell'acqua calda sanitaria all'utilizzo, Tutenza (espressa in [°C]);

- il fabbisogno procapite, litri/(G ∙ Nu). Nu, ovvero il numero di docce presenti nella palestra oggetto di studio.

A questo punto, utilizzando la relazione 17.2, è stata ricavata l'energia termica Qw richiesta per soddisfare il bisogno di acqua calda sanitaria della palestra, in funzione del volume di acqua richiesto e della differenza fra le temperature di erogazione e dell'acqua fredda in ingresso.

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Mese temperatura acquedotto temperatura utenza litri/NU nell'ora di punta numero docce Volume di acqua giornaliero fabbisogno ACS (UNI/TS 11300-2) Tacq [C°] Tut [C°] [l] NU Vw [l] Qw [MJ] Gennaio 7 50 150 21 3150 17565 Febbraio 7 50 150 21 3150 15865 Marzo 8 50 150 21 3150 17157 Aprile 10 50 150 21 3150 15812 Maggio 11 50 150 21 3150 15931 Giugno 12 50 150 21 3150 15022 Luglio 14 50 150 21 3150 14706 Agosto 15 EDIFICIO CHIUSO

Settembre 13 50 150 21 3150 14627 Ottobre 10 50 150 21 3150 16340 Novembre 8 50 150 21 3150 16603 Dicembre 7 50 150 21 3150 17565

Si ricorda che 1 MJ = 1 kWh ∙ 3,6.

Fabbisogno di acqua calda sanitaria totale

A questo punto, impostando il valore dell'efficienza di distribuzione pari a 95%, si ricava il fabbisogno di acqua calda sanitaria totale relativa ad ogni mese, utilizzando la relazione 17.5.

Mese fabbisogno ACS (UNI/TS 11300-2) fabbisogno riscaldamento fabbisogno piscina efficienza di distribuzione fabbisogno totale

Qw,ACS [MJ] Qw,RISC [MJ] Qw,PISC [MJ] γdist [%] Qw [MJ]

Gennaio 17565 - - 95 18490 Febbraio 15865 - - 95 16700 Marzo 17157 - - 95 18060 Aprile 15812 - - 95 16645 Maggio 15931 - - 95 16770 Giugno 15022 - - 95 15812 Luglio 14706 - - 95 15480 Agosto EDIFICIO CHIUSO

Settembre 14627 - - 95 15396 Ottobre 16340 - - 95 17200 Novembre 16603 - - 95 17477 Dicembre 17565 - - 95 18490

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Determinazione collettori solari

Mettendo in relazione il fabbisogno energetico totale e la producibilità unitaria per metro quadro di collettore, è possibile ricavare la superficie teorica necessaria a soddisfare le condizioni di progetto impostate. Nel caso in esame si è scelto di imporre pari al 100% il fattore di copertura nel mese di luglio. Questo vuol dire che si è scelto di dimensionare l'impianto nel mese più caldo.

Una volta scelto il mese rispetto al quale intendere dimensionare l'impianto e il fattore di copertura, utilizzando il valore della superficie captante del collettore scelto, possiamo determinare il numero teorico dei collettori solari da installare per il nostro impianto. Utilizzando il metodo descritto nel paragrafo 17.6 della presente tesi, otteniamo i seguenti risultati.

scelta del mese di riferimento Luglio

fabbisogno mensile 15480 MJ energia captata media mensile 418 MJ

scelta del fattore di copertura solare 100 %

superficie captante richiesta 37,06 m2 superficie captante del collettore 2,43 m2 numero teorico dei collettori 15,3

scelta del numero dei collettori 16

Nel caso specifico, dal calcolo risulta un numero di collettori pari a 15,3 (approssimabile a 15 o 16). Per ottenere un sistema ben bilanciato si è deciso di approssimare all'intero più grande, ovvero la progettazione finale prevede l'installazione di 16 collettori piani suddivisi in 2 gruppi in parallelo da 4 moduli ciascuno.

La figura 18.1 rappresenta la possibile configurazione del circuito dei collettori.

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Fattore di copertura annuo Mese fabbisogno totale energia captata mensile fattore di copertura solare superficie captante richiesta superficie captante collettore numero teorico collettore Qw [MJ] E [MJ/m 2 ] % [m2] Gennaio 18490 143,0 30 38,9 2,43 16,0 Febbraio 16700 171,0 40 39,0 2,43 16,0 Marzo 18060 276,0 60 40,3 2,43 16,2 Aprile 16645 293,5 70 39,7 2,43 16,3 Maggio 16770 367,4 85 38,8 2,43 16,0 Giugno 15812 384,6 95 39,1 2,43 16,1 Luglio 15480 418,0 100 37,1 2,43 15,3

Agosto EDIFICIO CHIUSO

Settembre 15396 313,3 79 38,8 2,43 16,0

Ottobre 17200 232,9 53 39,2 2,43 16,1

Novembre 17477 143,2 32 39,1 2,43 16,1

Dicembre 18490 99,8 21 38,9 2,43 16,0

Dimensionando l'impianto imponendo un valore del fattore di copertura pari al 100% nel mese di luglio, otteniamo un fattore di copertura annuo pari al 60%.

Stagnazione

Per prevenire il surriscaldamento dell'acqua contenuta nel pannello solare e per coprire l'impianto quando questo rimane fermo, si installano le serrande elettriche. Il particolare sistema di trascinamento, permette alle serrande di funzionare con qualsiasi inclinazione del pannello. Le serrande elettriche offrono la possibilità di regolare la temperatura dell'acqua, semplicemente aumentando o diminuendo la superficie esposta al sole.

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Volume di accumulo

Per determinare il volume di accumulo occorre per prima cosa fissare i seguenti valori: - il periodo di punta, t*pu (espresso in ore [h]);

- il periodo di preriscaldamento, t*pr (espresso in ore [h]);

- il consumo di acqua nel periodo di punta, Vw (espresso in litri [l]);

- la temperatura dell'acqua fredda proveniente dall'acquedotto, tf (espressa in gradi [°C]); - la temperatura di accumulo dell'acqua calda, ta (espressa in gradi [°C]);

- la temperatura media del fluido scaldante, tu (espressa in gradi [°C]).

Tipo utenza Consumi nei periodi di punta Temperatura

di utilizzo Periodo di punta Periodo di preriscald. Palestre e centri sportivi

150 l per ogni doccia 40 °C 0,3 h 1,5 h 60 l per ogni rubinetto 40 °C

Apparecchio Consumo

Doccia 50 ÷ 60 l Lavabo 10 ÷ 12 l

Bidet 8 ÷ 10 l

dati:

temperatura acqua fredda, tf 10 °C

temperatura acqua di accumulo, ta 60 °C

temperatura media fluido scaldante, tu 50 °C

consumo acqua calda, Vw 3150 l

A questo punto, utilizzando la relazione 17.6, 17.7, 17.8 e 17.9, ricaviamo il volume di accumulo, V.

calcoli

calore totale Qt = Vw ∙ (tu - tf) 126000 kcal

calore orario Qh = Qt / (t*pr + t*pu) 70000 kcal/h

calore da accumulare Qa = Qh ∙ t*pr 105000 kcal

volume di accumulo V = Qa / (ta - tf) 2100 l

Nel caso specifico, si è deciso di installare un serbatoio d'acqua bivalente da 2500 litri.

Caldaia integrativa

Un dato importante per il dimensionamento della caldaia è il salto termico, definito come la differenza tra la temperatura di utilizzo dell'acqua calda sanitaria e la temperatura dell'acqua fredda proveniente dall'acquedotto.

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Determinazione salto termico Δt

salto termico Δt = tu - tf 40 °C

Per poter effettuare questo salto termico devo trasferire energia all'acqua.

Nel caso in esame si considera una caldaia che riesca a scaldare circa un terzo dell'acqua, contenuta nel serbatoio in un'ora.I restanti due terzi dell'acqua si considera che vengano scaldati dall'impianto solare termico.

Determinazione potenza caldaia P

portata da scaldare 700 l/h salto termico Δt = tu - tf 40 °C

potenza caldaia a condensazione a gas, P 28000 kcal/h

Nel caso specifico, si è deciso di installare una caldaia a condensazione a gas con una potenza di 35 kW.

Schema impianto solare termico

La figura 18.3 rappresenta un possibile schema di impianto solare termico con collettori piani.

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18.1.2 CASO 2: COLLETTORE SOLARE SOTTOVUOTO HEAT-PIPE

Caratteristiche del collettore

Dati Valore

Collettori Inclinazione pannelli 43°

Orientamento pannelli 18° sud-ovest Tipo pannelli sottovuoto heat-pipe Dati collettori Superficie lorda 2,77 m2

Superficie di apertura 1,33 m2

Contenuto dell'assorbitore 2,83 litri Peso a vuoto 65 kg

Dimensioni (A x L x P) (2002 x 1384 x 119) mm Rendimento ottico η0 riferito alla

superficie di apertura

73,20 %

0,518 W/m2K

0,032W/m2K2

Temperatura media fluido termovettore [°C] 50°C

Energia captata mensile

Utilizzando le relazioni 15.1 e 17.1 si calcolano rispettivamente il rendimento del collettore e l'energia captata mensile.

Mese

Radiazione solare globale giornaliera mensile su piano inclinato

rendimento del collettore numero giorni energia captata mensile Htilt [MJ/(m 2 ∙ giorno)] η G E [MJ/m2] Gennaio 11,1 0,68 31 237 Febbraio 13,0 0,69 28 252 Marzo 15,5 0,69 31 359 Aprile 15,5 0,70 30 367 Maggio 16,9 0,70 31 429 Giugno 17,5 0,71 30 433 Luglio 18,2 0,71 31 456 Agosto 17,3 0,71 31 426 Settembre 15,7 0,70 30 360 Ottobre 14,1 0,69 31 298 Novembre 11,2 0,68 30 221 Dicembre 9,1 0,67 31 191

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Fabbisogno acqua calda sanitaria mensile

Una volta determinata l'energia captata che viene effettivamente resa disponibile come calore nel fluido termovettore, è stato stimato il fabbisogno energetico per la produzione di acqua calda sanitaria.

Per ciascun mese è stato fissato:

- la temperatura media mensile dell'acqua prelevata dall'acquedotto, Tacquedotto (espressa in [°C]); - la temperatura dell'acqua calda sanitaria all'utilizzo, Tutenza (espressa in [°C]);

- il fabbisogno procapite, litri/(G ∙ Nu). Nu, ovvero il numero di docce presenti nella palestra oggetto di studio.

A questo punto, utilizzando la relazione 17.2, è stata ricavata l'energia termica Qw richiesta per soddisfare il bisogno di acqua calda sanitaria della palestra, in funzione del volume di acqua richiesto e della differenza fra le temperature di erogazione e dell'acqua fredda in ingresso.

Mese temperatura acquedotto temperatura utenza litri/NU nell'ora di punta numero docce Volume di acqua giornaliero fabbisogno ACS (UNI/TS 11300-2) Tacq [C°] Tut [C°] [l] NU Vw [l] Qw [MJ] Gennaio 7 50 150 21 3150 17565 Febbraio 7 50 150 21 3150 15865 Marzo 8 50 150 21 3150 17157 Aprile 10 50 150 21 3150 15812 Maggio 11 50 150 21 3150 15931 Giugno 12 50 150 21 3150 15022 Luglio 14 50 150 21 3150 14706 Agosto 15 EDIFICIO CHIUSO

Settembre 13 50 150 21 3150 14627 Ottobre 10 50 150 21 3150 16340 Novembre 8 50 150 21 3150 16603 Dicembre 7 50 150 21 3150 17565

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Fabbisogno di acqua calda sanitaria totale

A questo punto, impostando il valore dell'efficienza di distribuzione pari a 95%, si ricava il fabbisogno di acqua calda sanitaria totale relativa ad ogni mese, utilizzando la relazione 17.5.

Mese fabbisogno ACS (UNI/TS 11300-2) fabbisogno riscaldamento fabbisogno piscina efficienza di distribuzione fabbisogno totale

Qw,ACS [MJ] Qw,RISC [MJ] Qw,PISC [MJ] γdist [%] Qw [MJ]

Gennaio 17565 - - 95 18490 Febbraio 15865 - - 95 16700 Marzo 17157 - - 95 18060 Aprile 15812 - - 95 16645 Maggio 15931 - - 95 16770 Giugno 15022 - - 95 15812 Luglio 14706 - - 95 15480 Agosto EDIFICIO CHIUSO

Settembre 14627 - - 95 15396 Ottobre 16340 - - 95 17200 Novembre 16603 - - 95 17477 Dicembre 17565 - - 95 18490

Determinazione collettori solari

Mettendo in relazione il fabbisogno energetico totale e la producibilità unitaria per metro quadro di collettore, è possibile ricavare la superficie teorica necessaria a soddisfare le condizioni di progetto impostate. Nel caso in esame, per motivi di superficie disponibile per l'installazione di tali pannelli, si è scelto di imporre pari al 95% il fattore di copertura nel mese di luglio. Questo vuol dire che si è scelto di dimensionare l'impianto nel mese più caldo.

Una volta scelto il mese rispetto al quale intendere dimensionare l'impianto e il fattore di copertura, utilizzando il valore della superficie captante del collettore scelto, possiamo determinare il numero teorico dei collettori solari da installare per il nostro impianto. Utilizzando il metodo descritto nel paragrafo 17.6 della presente tesi, otteniamo i seguenti risultati.

scelta del mese di riferimento Luglio

fabbisogno mensile 15480 MJ energia captata media mensile 456 MJ

scelta del fattore di copertura solare 95 %

superficie captante richiesta 32,3 m2 superficie captante del collettore 1,33 m2 numero teorico dei collettori 24,2

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Nel caso specifico, dal calcolo risulta un numero di collettori pari a 24,2 (approssimabile a 24 o 25). Per ottenere un sistema ben bilanciato si è deciso di approssimare all'intero più vicino, ovvero la progettazione finale prevede l'installazione di 24 collettori piani suddivisi in 2 gruppi in parallelo da 6 moduli ciascuno.

La figura 18.4 rappresenta la possibile configurazione del circuito dei collettori.

Figura 18.4: Possibile configurazione del circuito dei collettori solari sottovuoto heat-pipe

Fattore di copertura annuo

Mese fabbisogno totale energia captata mensile fattore di copertura solare superficie captante richiesta superficie captante collettore numero teorico collettore Qw [MJ] E [MJ/m 2_] _% _[m2_] Gennaio 18490 236,5 41 32,1 1,33 24,1 Febbraio 16700 251,6 48 31,9 1,33 24,0 Marzo 18060 359,1 64 32,2 1,33 24,2 Aprile 16645 366,9 71 32,2 1,33 24,2 Maggio 16770 428,6 82 32,1 1,33 24,1 Giugno 15812 433,5 88 32,1 1,33 24,1 Luglio 15480 456,0 95 32,3 1,33 24,2

Agosto EDIFICIO CHIUSO

Settembre 15396 359,5 75 32,1 1,33 24,1

Ottobre 17200 297,5 56 32,4 1,33 24,3

Novembre 17477 221,3 41 32,4 1,33 24,3

Dicembre 18490 191,1 33 31,9 1,33 24,0

Dimensionando l'impianto imponendo un valore del fattore di copertura pari al 95% nel mese di luglio, otteniamo un fattore di copertura annuo pari al 63%.

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Stagnazione

I collettori solari a tubi sottovuoto heat-pipe oggetto di studio, per controllare la temperatura di stagnazione, sfruttano un sistema di oscuramento a lamine rotanti (vedi figura 18.5), controllate da una centralina con microprocessore.

Figura 18.5: Funzionamento delle lamine rotanti dei collettori solari a tubi sottovuoto heat-pipe

La centralina con microprocessore ha due funzioni:

- AUTO SMART: in presenza di forte irraggiamento la centralina posiziona automaticamente le lamine rotanti in modalità di oscuramento, impedendo ai raggi solari di far salire ulteriormente la temperatura del fluido termovettore, stabilizzando così la temperatura dell'impianto.

Il sistema riconosce automaticamente quando far riprendere la captazione solare e consentire nuovamente il riscaldamento del fluido termovettore da parte del sole e dunque ristabilire il normale funzionamento dell'impianto. - VACANZA: nel caso in cui si abbia la necessità di non utilizzare l'impianto per lunghi

periodi di tempo, con la semplice pressione di un tasto, le lamine rotanti si chiudono proteggendo i tubi sottovuoto dall'irraggiamento del sole e dagli agenti atmosferici, fino al successivo utilizzo.

Questa funzione è perfetta per l'impianto termico solare della palestra oggetto di studio, in quanto è prevista la sua chiusura nel mese di agosto.