CAPITOLO 6
DIMENSIONAMENTO DI UN SESHPS PER UN EDIFICIO AD USO CIVILE
Nel seguente capitolo faremo un esempio di dimensionamento di un sistema SESHPS per la climatizzazione di un edificio adibito ad uso civile, per verificare i vantaggi energetici che derivano dall’installazione di questo tipo di impianto rispetto ai tradizionali impianti termici. L’impianto SESHPS dovrà coprire l’intero fabbisogno termico per il riscaldamento invernale dell’edificio.
6.1 Caratteristiche dell’edificio da climatizzare
L’edificio preso in considerazione nel nostro esempio è situato nella località di Pisa ed è costruito su terreno argilloso.
L’edificio sarà adibito ad uso di uffici per una superficie totale da climatizzare di 800 m2. Il fabbisogno termico dell’edificio da climatizzare viene stabilito dal decreto legge n°192 dell’agosto 2005 che emana i valori limite per il fabbisogno annuo di energia primaria per la climatizzazione invernale per metro quadro di superficie utile dell’edificio: considerando la zona climatica di Pisa il limite è di 32kWh/m2anno.
Per quanto riguarda il condizionamento estivo il valore limite di legge dato dallo stesso decreto è di 22kWh/m2/anno.
Il consumo energetico per l’acqua calda sanitaria è ritenuto trascurabile visto l’attività che si svolgerà nell’edificio.
Ipotizzeremo infine che l’edificio sia soggiornato per undici ore al giorno e che quindi la GHP dovrà garantire la climatizzazione in tutte le undici ore.
6.2 Schema dell’impianto SESHPS
La tipologia d’impianto scelta per il nostro sistema SESHPS sarà del tipo combinato, cioè sia il sistema GHP che quello SAHP lavoreranno simultaneamente per cercare di coprire il fabbisogno termico dello stabile.
L’impianto sarà provvisto di una caldaia a condensazione di emergenza da 35 kW che lavorerà in supporto alla GHP nei giorni di massimo fabbisogno dell’edificio.
Il terreno non avrà bisogno di essere “ricaricato” in quanto la GHP lavorerà solo per undici ore al giorno e quindi nella notte riacquisterà il calore perso durante l’operatività della GHP. Lo schema dell’impianto è mostrato in figura 1
fig. 1
Come si vede l’impianto a collettori solari scambia calore con l’ accumulo termico
dell’impianto il quale è suddiviso in due zone. La prima zona (circa i 2/3 dell’accumulo totale pari a 1000 lt) assorbirà calore dai pannelli solari riscaldando l’acqua fino ad una temperatura di 35°C ; dopo questo valore di temperatura tutto l’apporto solare sarà scambiato con la seconda parte dell’accumulo dove l’acqua raggiungerà temperature molto elevate ma non superiori i 90°C per non incappare in fenomeni di ebollizione del fluido.
Come si vede dalla fig. 1 le tubazioni di ritorno dell’impianto di riscaldamento (che saranno ad una temperatura di circa 30-35 °C ) prima di tornare nella GHP scambiano calore con la parte superiore dell’accumulo, riscaldandosi.
Si nota infine come la caldaia di emergenza sia posta in parallelo alla GHP per aiutarla nelle punte di carico invernali.
Questa soluzione impiantistica permette ai collettori solari di scambiare calore con un accumulo che si trova ad una temperatura relativamente bassa aumentando l’efficienza dello scambio ed inoltre consente alla GHP di avere un apporto di energia proveniente dai collettori solari che ne limita il funzionamento.
6.3 Dimensionamento del campo di sonde per la GHP
La GHP installata sarà una EPH GEO W10/W35 da . Nei dati di targa della pompa di calore geotermica sono indicati tutti i parametri utili per il dimensionamento del campo di sonde fra i quali:
kW
6 , 40
• Potenza assorbita dal compressore 8,8 kW
• Temperature di ingresso e di uscita dell’acqua dalla sonda geotermica 1 / 6 °C Una volta noti i seguenti dati si può dimensionare il campo di sonde geotermiche che sarà situato nel sottosuolo dell’edificio considerato. Le sonde saranno disposte in modo orizzontale ad una profondità di circa due metri.
Gli altri dati necessari per dimensionare una singola sonda sono stati assunti prendendo ad esempio pompe di calore geotermiche già installate e quindi si assume come:
• Portata di fluido (acqua) in una sonda G=0.28kg/s • Diametro esterno della sonda φ =32mm
Il tipo di terreno nel quale le sonde sono collocate è stato considerato di tipo argilloso e quindi ottimo per questi tipi di installazione; la temperatura del sottosuolo alla profondità di due metri è assunta costante e pari al valore di T∞ 12= °C.
I dati che saranno necessari per il dimensionamento della GHP sono i seguenti:
• Flusso termico scambiato fra terreno e sonda • Potenza estratta dal terreno da una sonda
Per determinare la lunghezza ottimale della sonda bisogna trovare il valore per cui si abbia un di 5 °C fra la temperatura del fluido in ingresso e quello in uscita come specificato nei dati di targa della GHP.
T
Δ
Immettendo i dati sopraccitati nel programma di simulazione otterremo la potenza estratta dal terreno, flusso termico per unità di lunghezza che si ha fra terreno e sonda e verificheremo la temperatura di uscita del fluido dalla sonda.
Nella fig. 1 è evidenziata la potenza che si estrae dalla sonda durante un ciclo di lavoro giornaliero (12 ore).
fig. 1 Potenza estratta dal terreno
Si nota come esista un picco iniziale di potenza a seguito del maggiore ΔTfra la temperatura del fluido e quella del terreno; successivamente il ΔT diminuisce e di conseguenza la potenza che si estrae.
Nella figura 2 è mostrato l’andamento della differenza di temperatura del fluido in ingresso e in uscita dalla sonda su tutto il tempo della simulazione:
fig. 2 Differenza di temperatura fra fluido in ingresso ed uscita
Si nota dalla figura 2 che il ΔT è 5 °C per quasi tutto il tempo della simulazione tranne all’inizio dove è molto superiore e alla fine dove il valore è intorno a 4,5; per stabilizzare il
T
Δ in queste due fasi si utilizzano dei regolatori di portata che stabilizzano il ΔT a 5°C. Per ottenere un profilo di ΔT come in fig. 3 si deve installare una sonda della lunghezza di
400m.
Adesso sapendo che la nostra GHP è da 40,6 kW e che assorbe 8,8 kW di energia elettrica, la potenza che si deve estrarre dal terreno per il corretto funzionamento della GHP è di:
Per generare questa potenza termica si nota dalla figura 1 che da una singola sonda si riesce ad estrarre su tutto il tempo della simulazione mediamente 6,8 kW. Quindi il numero di sonde necessario per la GHP utilizzata sarà:
31,8 / 6,8≈5 Numero di sonde da installare 6.3.1 Schema d’ installazione del campo di sonde
Le sonde saranno disposte orizzontalmente in quanto si ricorda che il programma di simulazione è valido solo in questa configurazione come già descritto nel capitolo 3. La disposizione delle sonde dovrà tener conto dell’influenza reciproca fra le sonde e quindi bisognerà posizionarle ad una distanza tale per cui non si abbiano interazioni.
Visto la lunghezza della sonda si preferisce suddividerla in due sonde da 200m poste in serie per cercare di limitare la superficie occupata dal campo; una sonda sarà posata su due
differenti piani, il primo ad una profondità di 1,5m e il secondo a 2,5m.
La configurazione è semplice: dopo che una sonda avrà percorso i primi 100m ad una profondità di 1,5m, tornerà indietro per altri 100 m questa volta ad una profondità di 2,5m; a questo punto la sonda verrà collegata in serie ad un’altra sonda di uguale configurazione, distante 1m, per formare un modulo da 400m.
Saranno necessari 5 moduli per una superficie occupata di 900 m2 (100 x 9 m). Lo schema è raffigurato in Appendice 2.
6.4 Impianto a collettori solari (SAHP) integrato con la GHP
L’impianto a collettori solari dovrà integrare parzialmente il fabbisogno totale per il riscaldamento invernale. Per dimensionare ottimamente l’impianto si deve conoscere
l’irraggiamento solare giornaliero che incide su di un pannello solare opportunamente
inclinato nel periodo invernale ( tab. 1) e il fabbisogno orario termico dell’edificio. Ora Irraggiamento solare orario [W/ m2]
00 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 86 09 218 10 301 11 350 12 366 13 350 14 301 15 218 16 86 17 0 18 0 19 0 20 0 21 0 22 0 23 0
La somma delle irradiazioni orarie ci dà il valore dell’irradiazione media giornaliera che sarà di 2,2kWh/m2/giorno.
Ipotizzando un fabbisogno termico medio giornaliero dell’edificio di circa 200 kWh /giorno si stima che la superficie di pannelli solari in grado di poter soddisfare almeno il 25% del fabbisogno totale dell’edificio, sia:
2 7 , 22 2 , 2 200 * 25 , 0 m A= =
Il calcolo è stato fatto prendendo in esame i dati di irraggiamento di uno dei giorni più freddi dell’anno in modo da avere un apporto significativo di energia anche nei periodi più rigidi. Questo dato però non tiene conto dei rendimenti dei vari componenti dell’impianto SAHP tra cui :
• Rendimento pannelli solari del 85% • Rendimento degli scambiatori del 80% • Rendimento dell’accumulo del 97%
Quindi in definitiva il rendimento globale dell’impianto sarà dello 0,65% e quindi la superficie dei pannelli solari sarà di A = 35 2
65 , 0 7 , 22 m = .
6.5 Efficienza di un SESHPS durante l’inverno
Vedremo ora come il SESHPS contribuirà a coprire il fabbisogno termico dell’edificio in alcuni giorni dell’anno calcolando :
• Energia oraria utile apportata dal sole • Integrazione di energia del sistema SAHP • Integrazione di energia del SESHPS
Per ottenere i risultati desiderati si deve prima di tutto determinare l’energia termica proveniente dall’irraggiamento solare moltiplicandola per la superficie utile dei pannelli. Successivamente si valuta la temperatura oraria dell’accumulo inferiore il quale assorbe calore dai collettori solari; la relazione usata è la seguente:
T oraria = ( kWh/h apportati dal sole / Capacità (1000 lt) / Cp acqua )+ temp ora precedente
Dopo che tale temperatura raggiunge i 35°C tutto il calore che proviene dai pannelli solari viene scambiato con la parte superiore dell’accumulo ed è questo calore quello che
effettivamente assiste il funzionamento della GHP per coprire il fabbisogno termico dell’edificio.
Nella tabella 1 si mostrano i parametri descritti nell’arco di una delle giornate più fredde dell’anno; tali parametri ci permetteranno di calcolare i risultati desiderati.
Orario Fabbisogno di calore edificio [kWh] Temperatura di accumulo serbatoio inferiore [°C] Calore integrato dai collettori solari [kWh] Calore integrato dalla GHP + caldaia ausiliaria [kWh] Irraggiamento solare [W/m2] 00:00 0 34 0 0 0 01:00 0 34 0 0 0 02:00 0 34 0 0 0 03:00 0 34 0 0 0 04:00 0 34 0 0 0 05:00 0 34 0 0 0 06:00 0 34 0 0 0 07:00 0 34 0 0 0 08:00 80 35 1,98 78,01 86 09:00 60 35 5,03 54,96 218 10:00 40 35 6,94 33,05 301 11:00 40 35 8,08 31,91 350 12:00 25 35 8,44 16,55 366 13:00 20 35 8,0 11,91 350 14:00 25 35 6,94 18,05 301 15:00 40 35 5,03 34,96 218 16:00 40 35 1,98 38,01 86 17:00 60 35 0 60 0 18:00 80 35 0 80 0 19:00 0 35 0 0 0 20:00 0 35 0 0 0 21:00 0 35 0 0 0 22:00 0 35 0 0 0 23:00 0 35 0 0 0
Tab. 1 Dati riferiti ad un giorno invernale particolarmente freddo
Dalla tabella 1 si vede come la temperatura dell’accumulo inferiore durante le ore notturne non sia di 35°C ma bensì di 34°C ; questo è dovuto alle dispersioni termiche del serbatoio che durante le ore di spegnimento dell’impianto SAHP fanno perdere circa 1°C .
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 GHP Caldaia Apporto solare
fig. 1 Come si ripartisce la produzione di calore
In fig. 1 si vede come si ripartisca la produzione di energia termica necessaria all’edificio; si nota come la caldaia entri in funzione solo nelle ore iniziali e finali della giornata nonostante abbia una potenza simile alla GHP, (quando il fabbisogno è più alto) mentre per tutto il resto del giorno l’energia è generata dal sistema SESHPS.
L’integrazione di energia da parte del sistema a collettori solari (SAHP) è data da:
% 11 / = + = Caldaia GHP da generati kWh solari collettori dai generati giorno kWh SAHP η
mentre il quella globale del sistema SESHPS è di:
% 78 = + = kWh in o giornalier Fabbisogno SAHP GHP da generati kWh SESHPS η
Il sistema SESHPS quindi coprirà per il 78% il calore necessario per il riscaldamento dell’edificio durante la giornata.
La situazione risulta diversa se i parametri vengono calcolati in base a dati climatici di una giornata tipica invernale (tab. 2):
Orario Fabbisogno di calore edificio [kwh] Temperatura di accumulo inferiore [°C] Calore integrato dai collettori solari [kwh] Calore integrato dalla GHP + caldaia ausiliaria [kWh] Irraggiamento ] / [W m2 00:00 0 34 0 0 0 01:00 0 34 0 0 0 02:00 0 34 0 0 0 03:00 0 34 0 0 0 04:00 0 34 0 0 0 05:00 0 34 0 0 0 06:00 0 34 0 0 0 07:00 0 34,4 0,48 0 21 08:00 65 35 3,13 61,86 136 09:00 45 35 5,24 39,75 227 10:00 25 35 6,76 18,23 293 11:00 25 35 7,73 17,26 335 12:00 10 35 8,05 1,94 349 13:00 5 35 7,73 0 335 14:00 10 35 6,76 3,23 293 15:00 25 35 5,24 19,75 227 16:00 25 35 3,13 21,86 136 17:00 45 35 0,48 44,51 21 18:00 65 35 0 65 0 19:00 0 35 0 0 0 20:00 0 35 0 0 0 21:00 0 35 0 0 0 22:00 0 35 0 0 0 23:00 0 35 0 0 0
tab. 1 Dati riferiti ad una tipica giornata invernale
La produzione del calore viene mostrata in figura 2:
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 GHP Caldaia Apporto solare
A differenza del caso precedente si nota come l’apporto solare sia maggiore e come la caldaia venga utilizzata molto meno.
Il valori dell’efficienza dell’impianto SAHP è:
% 19 / = + = Caldaia GHP da generati kWh solari collettori dai generati giorno kWh SAHP η
Mentre il valore dell’efficienza globale dell’impianto è :
% 86 = + = kWh in o giornalier Fabbisogno SAHP GHP da generati kWh SESHPS η
Si può quindi dedurre che l’impianto funzionante in un giorno invernale qualsiasi copre per oltre l’ 85 % il fabbisogno termico dell’edificio mentre in quei giorni in cui si hanno dei picchi di richiesta a causa clima rigido, l’impianto SESHPS copre lo stesso l’80% del fabbisogno.
6.6 Produzione di energia elettrica tramite moduli fotovoltaici
L’impianto SESHPS descritto precedentemente ha bisogno di energia elettrica per funzionare in quanto si deve alimentare il compressore della GHP. Durante il funzionamento invernale la GHP ha una potenza nominale di circa 8,8 kW mentre durante il condizionamento estivo assorbe una potenza di circa 7,2 kW.
Oggi la legge prevede obbligatoriamente l’introduzione di pannelli fotovoltaici per la produzione di energia elettrica per secondo il Decreto Legge 311/06.
6.6.1 Dimensionamento dell’impianto fotovoltaico
Secondo quanto stabilito dalla legge la climatizzazione estiva ha una durata di circa 110 giorni considerando un di circa 10°C fra la temperatura interna dell’edificio e quella ambiente; il riscaldamento invernale invece ha una durata di circa 166 giorni.
T
Δ
Secondo i limiti di fabbisogno termico emanati dall’articolo 192/05 il riscaldamento invernale ha una durata di 650 ore mentre il condizionamento estivo 500. Considerando che in inverno l’assorbimento della GHP è di 8,8 kW mentre in estate è di 7,2 kW, si calcola:
• 8,8 * 650 = 5720 kWh Energia elettrica necessaria per il riscaldamento invernale • 7,2 * 500 = 3600 kWh Energia elettrica necessaria per il condizionamento estivo Quindi si stima che il consumo annuo sarà circa di 9320 kWh.
La spesa quindi che si avrebbe acquistando questa energia dalla rete in un anno sarà di:
0,15 * 9320 =1398 €
Il nostro dimensionamento non sarà orientato a pareggiare la richiesta di energia elettrica necessaria al nostro impianto bensì a produrre una quantità di energia elettrica con l’impianto fotovoltaico che incentivata a 0,49 €/ kWh mi uguagli la spesa che avrei dovuto sostenere. Considerando che il numero di ore di resa di un impianto fotovoltaico nella zona di Pisa è di circa 1150 ore/anno e che per il nostro impianto utilizzeremo moduli al silicio del tipo monocristallino da 180 W ciascuno dalle dimensioni di 161 x 81 x 30, si calcola che un modulo fotovoltaico produca :
Considerando la tariffa incentivante del Conto Energia e sapendo la spesa che avrei dovuto sostenere se acquistassi dalla rete, si calcola il numero di kWh da produrre con il fotovoltaico.
1398 / 0,49 = 2853 kWh
A questo punto si calcolano i moduli fotovoltaici che sono necessari per produrre questa energia:
2853 / 207 =14
Sapendo che un modulo di queste caratteristiche ha una superficie di 1,28 , l’area occupata dall’impianto fotovoltaico sarà di
2 m
1,28 * 14 ≈ 18 m2
L’impianto avrà una potenza di picco pari a
180 * 14 = 2,5 kWp 6.6.2 Regime di scambio sul posto
L’impianto fotovoltaico dimensionato dovrà alimentare il sistema SESHPS ma allo stesso tempo nel caso in cui si abbia un esubero di energia questa potrà essere utilizzata per alimentare le normali utenze dell’edificio assicurando un ulteriore risparmio.
L’impianto fotovoltaico funzionerà in regime di scambio sul posto e questo è fatto per non vincolare l’utente ad utilizzare l’energia prodotta solo ed esclusivamente nel momento in cui questa viene prodotta dall’impianto fotovoltaico, e cioè di giorno o nei periodi più assolati dell’anno: se l’impianto produce energia elettrica utilizzerò quest’ ultima per alimentare la GHP e per i consumi domestici. Per i consumi che avvengono di notte o in giornate non produttive utilizzerò la connessione alla rete già presente.
L’utente rimane quindi comunque connesso alla rete elettrica e consuma l’energia che serve quando serve a prescindere dalla produzione dell’impianto fotovoltaico, senza alcuna
differenza con quello che avveniva prima dell’installazione dell’impianto fotovoltaico. Il distributore di energia tiene conto dell’energia prodotta in eccesso dall’impianto
fotovoltaico (quindi non consumata) e compensa in bolletta i consumi avvenuti in assenza di produzione fotovoltaica con la produzione eccedente.
Per effettuare le misurazioni che sono necessarie perché il meccanismo funzioni si dovrà installare un contatore bidirezionale, che cioè effettua la misurazione dell’energia elettrica sia in entrata che in uscita (Contatore 1 nella fig. 1).
In entrata il contatore conteggerà il prelievo di energia elettrica dalla rete, ovviamente al netto dei consumi alimentati dall’impianto fotovoltaico.
In uscita, il contatore conteggerà la produzione dell’impianto fotovoltaico che non viene consumata e quindi immessa in rete.
Serve però un altro contatore (2), che serve per misurare la quantità totale di energia elettrica prodotta dall’impianto, perché è su questa quantità che viene calcolato l’importo erogato dal GSE a titolo di incentivo.
L’impianto si presenterà come raffigurato in fig. 1:
fig. 1 Sistema di misura dell’energia nel regime di scambio sul posto
