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Simulazione realistica di un impianto a riscaldamento solare Candidato: Grosso Paolo Università degli Studi di Torino FACOLTA di SCIENZE M.F.N. Corso di.

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1 Simulazione realistica di un impianto a riscaldamento solare Candidato: Grosso Paolo Università degli Studi di Torino FACOLTA di SCIENZE M.F.N. Corso di Laurea in FISICA Relatore: Prof. Gambino Paolo Anno Accademico

2 Studiare il risparmio energetico di una casa riscaldata con energia solare. Realizzare un programma che simuli un impianto di riscaldamento dotato di pannelli solari e coadiuvato da una pompa di calore. la cui applicazione sia generalizzabile a diverse aree geografiche con i relativi dati climatici. Fare una simulazione di un appartamento per valutare i vantaggi energetici ed economici di tale impianto. SCOPO dello STUDIO

3 Descrizione dellimpianto Pannelli radianti

4 Il progetto è stato realizzato mediante il software WOLFRAM MATHEMATICA 7.0 E suddiviso in: Raccolta dati meteorologici Calcolo dellirraggiamento Calcolo del fabbisogno energetico Ciclo finale pannelli solari e pompa di calore Il modello...

5 I dati meteorologici sopracitati sono acquisiti direttamente dal programma da una banca dati mondiale(rete meteorologica synop ) Dati meteorologici... I dati utili alla ricerca sono stati: Temperature Frazione di copertura nuvolosa Altezza nubi Pressione atmosferica Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale

6 Irraggiamento … In molte stazioni meteorologiche mancano i dati di irraggiamento Per rendere il programma generalizzabile nelle diverse aree geografiche Si è ricorsi allutilizzo del modello realizzato dal professor Cassardo The Land Surface Process Model (LSPM) version 2006 Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale

7 La radiazione solare globale su uno specifico sito è calcolata tenendo conto: Del periodo dellanno -> del giorno giuliano Della posizione geografica del sito -> latitudine e longitudine Della copertura nuvolosa del cielo e della sua altitudine. La radiazione solare è calcolata come la somma della componente diretta e diffusa: Dove γ è langolo solare opportunamente calcolato allinterno del programma Gr = R dir ·sin γ + R diff Principi del modello Cassardo… Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale

8 La quantità di calore scambiata nellunità di tempo, ossia la potenza termica dispersa, è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura che causa lo scambio di calore e inversamente proporzionale alla resistenza termica Rt: Dove Rt è definita come: La dispersione termica di una casa… λ : conducibilità termica del materiale [λ] = W/(m·K) L: spessore del materiale (m) A: superficie (m 2 ) Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale

9 Materiale Λ Conducibilità [W/mK] Cemento2.3 Mattoni0.4 Legno0.13 Lana di roccia0.03 La dispersione termica di una casa… Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale Possiamo ancora notare che le pareti delle case solitamente sono composte da più materiali. In questo caso la resistenza termica si calcola come

10 Bilancio energetico… Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale Per quanto riguarda lo studio del ciclo finale è stata imposta innanzi tutto la conservazione dellenergia. Infatti se si vuole mantenere una temperatura costante allinterno della casa, bisogna fornire tanto calore quanto ne viene disperso dalla casa T=cost Q in Q uscita = Fabb ΔQ in = ΔQ out

11 Studio del calore in entrata… Il calore in entrata nella casa è dato dallazione simultanea di: Pannelli solari ---> scaldano lacqua della cisterna Pompa di calore ---> estrae il calore dalla cisterna per mantenere costante la temperatura del fluido che scorre nei pannelli radianti Pannelli radianti ---> distribuiscono il calore allinterno della casa

12 Pannello Solare Il pannello solare termico è un dispositivo atto alla conversione della radiazione solare in energia termica e al suo trasferimento, per esempio, verso un accumulatore per un uso successivo. Dove: G Irraggiamento [W/m 2 ] η o fattore di conversione a 1,a 2 Coefficienti di dispersione T m Temperatura media del pannello Ta Temperatura dellaria Lefficienza dei pannelli solari è data dallequazione:

13 Alcune caratteristiche dellefficienza Lefficienza diminuisce allaumentare della differenza tra la temperatura media del pannello e quella dellaria esterna,in quanto il calore assorbito dal fluido viene immediatamente disperso a causa della grande differenza di temperatura. Ha una decrescita molto rapida per irraggiamenti bassi, mentre rimane pressoché costante per alti irraggiamenti.

14 Alcune caratteristiche dellefficienza Mostra come lefficienza diminuisca allaumentare della temperatura media del pannello,ciò significa che per riuscire ad estrarre più calore dal pannello è necessario avere un alto flusso.

15 Pompa di Calore caratteristiche generali La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad uno a temperature più alta utilizzando energia. Principio di funzionamento: il fluido attraversa levaporatore dove evapora a bassa pressione assorbendo calore. In seguito il compressore lo comprime riscaldandolo, quindi passa al condensatore dove condensa ad alta pressione rilasciando il calore precedentemente assorbito. Infine attraversa levaporatore dove evapora e ricomincia il ciclo.

16 Pompa di calore Siccome la pompa di calore non crea calore, ma lo trasporta da corpi a temperature diverse, non si parla di efficienza ma di COP (coefficient of perfomance) che in italiano può essere tradotto come coefficiente di prestazione, ed è definito come il rapporto tra la quantità di calore trasportato e la quantità di energia spesa per trasportarlo. Q 2 = Q 1 + L T2T2 T1T1 Pompa di calore Q2Q2 Q1Q1 L

17 Coefficiente di prestazione… COP ideale di una pompa di calore COP di pompe di calore reali

18 Simulazione di un appartamento Questo modello è quindi stato applicato ad un caso reale simulando un appartamento con le seguenti caratteristiche: Dimensione: 100 m 2 Superficie pannelli solari: 30 m 2 Tipologia pannelli: tecnologia tubi in vetro sottovuoto Capienza cisterna: 5 m 3 Spessore muri : 0,5 m Conducibilità termica λ : 0,4 (W/mK) Temperatura interna casa: 20 °C Temperatura pannelli radianti: 35°C Intervallo di misure Δt : 15 min

19 RISULTATI: inverno Riportiamo qui di seguito i grafici riguardanti le temperature esterne, il fabbisogno termico della casa, il lavoro della pompa e lirraggiamento. Lavoro Temperatura Fabbisogno KWh °C

20 Andamento irraggiamento W/m 2 Di seguito è riportato il grafico della radiazione da ottobre ad aprile. Come si vede ha un andamento di tipo sinusoidale con un minimo nei mesi di dicembre e gennaio. Inoltre presenta dei picchi di minimo nelle giornate particolarmente nuvolose

21 Risultati nei diversi anni … Andamento del fabbisogno termico aumenta nei periodi più freddi e diminuisce nei mesi più caldi Iterando il programma sugli ultimi tre inverni, si sono ottenuti i seguenti grafici.

22 Medie annuali MeseLav/Fab [%] Ottobre5,45 Novembre16,29 Dicembre22,70 Gennaio20,66 Febbraio20,64 Marzo15,5 Aprile1,25 AnnoFabb [KWh] Lavoro [KWh] Lav/Fabb [%]

23 Costi economici … 2500 KWh/anno In media si vengono quindi a consumare circa 2500 KWh/anno 0,20 considerando un costo del KWh è pari 0, /anno Si viene a spendere intorno ai 500 /anno per il riscaldamento di tale appartamento.

24 VANTAGGI E SVANTAGGI I vantaggi Risparmio economico Ridotte emissioni di CO 2 Bassi costi di manutenzione Gli svantaggi: Alto investimento iniziale Necessita di grandi spazi Applicabile preferibilmente ad appartamenti in fase di costruzione

25 Dati mancanti su irraggiamento Limiti del modello…. utilizzo di un modello con: Un errore almeno del 5% non tiene conto della componente riflessa Si sono trascurate le dispersioni termiche delle componenti dellimpianto (es. cisterna, tubature, etc.) Non ottimale studio della dispersione termica ( porte,finestre,pavimento etc ) Non si è pututo verificare i risultati confrontandoli con un impianto reale

26 BIBLIOGRAFIA C. Cassardo (2006) "The Land Surface Process Model (LSPM) version The complete manual" - Internal Report, DFG 1/2006, Department of General Physics "Amedeo Avogadro", University of Torino, Torino, Italy, 62pp. Page J.K. (1986) Prediction of solar radiation on inclined surfaces - D.Reidel Publishing Company. Federica Mutinelli - Laurea in fisica - A.A Univ. Torino - Studio dei processi fisici che interessano il manto nevoso e loro parametrizzazione all'interno di un modello numerico di bilancio energetico. Francesco Groppo e Carlo Zuccaro - Produzione di energia elettrica mediante impianto fotovoltaico – Editoriale Delfino (ottobre 2006), Prof. Angelo Farina, - Corso di Fisica Tecnica, anno , Facoltà di Ingegneria di Parma. Versione web allindirizzo: bio bio

27 GRAZIE PER LATTENZIONE


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