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1 Università degli Studi di Torino Facoltà di Scienze MFN Corso di Laurea in Fisica Anno accademico 2008/2009 Relatore: Paolo Gambino Candidato: Marco.

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1 1 Università degli Studi di Torino Facoltà di Scienze MFN Corso di Laurea in Fisica Anno accademico 2008/2009 Relatore: Paolo Gambino Candidato: Marco Pecoraro

2 Sommario Introduzione Obbiettivi Impianto Simulazione Pompa di Calore Ciclo termodinamico Prestazioni Energetiche Collettore Solare Calcolo Irraggiamento Solare Rendimento Fabbisogno Termico Abitazione Mathematica Simulazione con 5 mq di Collettori solari Simulazione con 10 mq di Collettori solari Conclusioni 2

3 Pompa di Calore e Solare Termico La pompa di calore: trasferimento di calore da un corpo a temperatura più bassa (sorgente fredda) ad un corpo a temperatura più alta (detto pozzo caldo). Il principio di funzionamento è lo stesso principio di un normale frigorifero Combinazione con solare termico: il sole riduce il conto energetico e la dipendenza da fonti fossili. Problema: In inverno il sole è sufficiente? Pannelli radianti: temperature più basse, ulteriore vantaggio energetico e minori dispersioni termiche 3

4 Simulazione Scritta con Mathematica Caratteristiche e Obbiettivi: Input: Coordinate Inclinazione Superficie Fabbisogno Simulazione con dati ambientali reali, istantanei (no medie) Andamento della temperatura del serbatoio in un dato periodo Dimensionamento dellimpianto Bilancio energetico 4

5 Schema Impianto 5

6 Pompa di Calore Pompa di Calore: Ciclo di Carnot in senso inverso 1. Compressione Vapore bassa pressione Vapore alta pressione 2. Condensazione Vapore alta pressione Liquido 3. Valvola di Espansione (Laminazione): Liquido Liquido 4. Evaporazione: Liquido Vapore bassa pressione Fornendo energia con il compressore al fluido questo, nellevaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare. 6

7 Prestazioni Energetiche 7 nel ciclo della pompa di calore il fluido compie un intero ciclo termodinamico di Carnot Il calore fornito da una pompa di calore è idealmente la somma del calore estratto dalla sorgente e lenergia necessaria a far funzionare il ciclo. Si Definisce C.O.P. (dallinglese Coefficient of Performance) il rapporto tra lenergia utile e lenergia in ingresso COP ideale: determinato solo dalle temperature di condensazione ed evaporazione: Più queste temperature sono vicine, più alto è il COP Da qui nasce limportanza di utilizzare una fonte gratuita, il solare, come preriscaldatore e un sistema di riscaldamento a bassa temperatura

8 Prestazioni Energetiche 8 Il COP di una pompa di calore attuale varia da 0.3 a 0.5 volte il COP ideale per piccoli modelli e da 0.5 a 0.7 per sistemi grandi e molto efficienti Al variare della temperatura di condensazione, il rapporto tra il COP ideale e quello reale rimane allincirca costante Nella simulazione, il COP è stato stimato come 0.5 volte il COP di una pompa di calore ideale

9 Collettore Solare 9 Il collettore solare cattura l'energia solare irradiata per riscaldare direttamente lacqua contenuta in un serbatoio Il rendimento teorico è dato dallequazione di Bliss: Curva di efficienza collettore in esame: Conoscendo il rendimento e lirraggiamento solare, si può calcolare il calore utile fornito dal collettore allacqua del serbatoio come: : calore ceduto al fluido costanti del pannello, dipendenti da fattori costruttivi temperatura del fluido in ingresso nel pannello = Tc temperatura ambiente irraggiamento solare [W/m2] S = superficie pannello

10 Radiazione Diretta Incidente su una Superficie Inclinata Radiazione diretta intercettata dalla superficie: I 0 = radiazione diretta su superficie orizzontale θ= di incidenza che i raggi solari formano con la normale alla superficie Cos(θ) dipende da molteplici fattori: inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale σ azimut γ (positivo verso est, negativo verso ovest, nullo per orientazione a sud) Angolo orario (nullo a mezzogiorno, positivo al mattino e negativo la sera, variando di 15° ogni ora) Declinazione (Il suo valore, positivo in estate e negativo in inverno, varia fra +23° 26' e -23° 26'.) 10

11 Andamento Temperatura Tc Simulazione scritta con Mathematica: ciclo che ad ogni step calcola usando Come controllo si è calcolato landamento analitico di del solo sistema collettore-cisterna (Ta, I costanti) Confronto con l andamento ottenuto dalla simulazione 11

12 Fabbisogno Termico Abitazione 12 Classe energetica A: 160 Kwh/mq annuo = > 16 litri gasolio/mq annuo Classificazione energetica degli edifici: consente di attribuire alle abitazioni una classe, dalla più virtuosa energeticamente, e quindi economicamente, alla più dispendiosa Nella simulazione si è considerata un abitazione media, di 100 m2 in classe D, con un fabbisogno annuo Fa di 85 kWh/m2 Stima del fabbisogno energia istantaneo F: con c costante di proporzionalità stimata su temperatura media mesi invernali

13 Dicembre 2008 – Febbraio 2009 Input: Pannelli: 5 mq Cisterna: 1500 l Inclinazione: 55° Step: 1 minuto Energia totale speso: kWh Energia totale spesa solo pompa di calore: kWh Irraggiamento medio: W/mq 13

14 Dicembre 2008 Input: Pannelli: 10 mq Cisterna: 1000 l Inclinazione: 55° Step: 1 minuto Energia spesa: kWh Energia spesa solo pompa di calore: kWh Irraggiamento medio: W/mq 14

15 Gennaio 2009 Input: Pannelli: 10 mq Cisterna: 1000 l Inclinazione: 55° Step: 1 minuto Energia spesa: kWh Energia spesa solo pompa di calore: kWh Irraggiamento medio: W/mq 15

16 Febbraio 2009 Input: Pannelli: 10 mq Cisterna: 1000 l Inclinazione: 55° Step: 1 minuto Energia spesa: kWh Energia spesa solo pompa di calore: kWh Irraggiamento medio: W/mq 16

17 Febbraio 2009 Input: Pannelli: 10 mq Cisterna: 1000 l Inclinazione: 55° Step: 1 minuto Energia spesa: kWh Energia spesa solo pompa di calore: kWh Irraggiamento medio: W/mq 17 Totale 3 mesi: Energia totale spesa: kWh Solo pompa di calore: kWh Irraggiamento medio: W/mq

18 Confronto con altre Fonti di Energia Stima costi: Costo Elettricità: circa 0,135 /kWh Energia Totale consumata : kWh ~ 95 Solo pompa di calore: kWh ~ 135 Fabbisogno 3 mesi: 4250 kWh (normali termosifoni) 18 Fonte di EnergiaPrezzo per kWhCosto totale per i 3 mesi considerati Gasolio0, Gas metano0, Elettricità0, Teleriscaldamento0, Pellets0,

19 Conclusioni Impianto Pompa di calore + Pannelli Radianti costo: ~ 280 /anno Collettori da 10 mq Energeticamente efficiente: i collettori soddisfano ~ 1/3 dell energia richiesta dalla pompa di calore Prezzo collettori: ~ 300 /mq Risparmio annuale ~ 100 /anno Limiti Programma : Ipotesi semplificative Irraggiamento diretto Rendimento ideale Fabbisogno Mancanza Metodo di Calcolo Dimensionamento Impianto Codice non ottimizzato: Alti tempi di Elaborazione Elaborazione su più inverni 19

20 Bibliografia Heat pump performance Ref: Confronto prezzi combustibili per riscaldamento Ref: Calcolo Irraggiamento solare, efficienza collettore Ref: Dispense Prof. Ing. Bernardo Fortunato, Politecnico di Bari 20


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