Simulazione realistica di un impianto a riscaldamento solare Università degli Studi di Torino FACOLTA’ di SCIENZE M.F.N. Corso di Laurea in FISICA Simulazione realistica di un impianto a riscaldamento solare Candidato: Grosso Paolo Relatore: Prof. Gambino Paolo Anno Accademico 2009-2010

SCOPO dello STUDIO 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.

Descrizione dell’impianto Pannelli radianti

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

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

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

Principi del modello Cassardo… Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale La radiazione solare globale su uno specifico sito è calcolata tenendo conto: Del periodo dell’anno -> 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 l’angolo solare opportunamente calcolato all’interno del programma Gr = Rdir·sinγ + Rdiff

La dispersione termica di una casa… Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale La dispersione termica di una casa… La quantità di calore scambiata nell’unità 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: λ : conducibilità termica del materiale [λ] = W/(m·K) L: spessore del materiale (m) A: superficie (m2 )

La dispersione termica di una casa… Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale La dispersione termica di una casa… Possiamo ancora notare che le pareti delle case solitamente sono composte da più materiali. In questo caso la resistenza termica si calcola come Materiale Λ Conducibilità [W/mK] Cemento 2.3 Mattoni 0.4 Legno 0.13 Lana di roccia 0.03

T=cost Qin Bilancio energetico… ΔQin = ΔQout Quscita = Fabb Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale Per quanto riguarda lo studio del ciclo finale è stata imposta innanzi tutto la conservazione dell’energia. Infatti se si vuole mantenere una temperatura costante all’interno della casa, bisogna fornire tanto calore quanto ne viene disperso dalla casa ΔQin = ΔQout T=cost Qin Quscita = Fabb

Studio del calore in entrata… Il calore in entrata nella casa è dato dall’azione simultanea di: Pannelli solari ---> scaldano l’acqua 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 all’interno della casa

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. L’efficienza dei pannelli solari è data dall’equazione: Dove: G  Irraggiamento [W/m2] ηo fattore di conversione a1,a2  Coefficienti di dispersione Tm  Temperatura media del pannello Ta  Temperatura dell’aria

Alcune caratteristiche dell’efficienza L’efficienza diminuisce all’aumentare della differenza tra la temperatura media del pannello e quella dell’aria 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.

Alcune caratteristiche dell’efficienza Mostra come l’efficienza diminuisca all’aumentare della temperatura media del pannello,ciò significa che per riuscire ad estrarre più calore dal pannello è necessario avere un alto flusso.

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 l’evaporatore 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 l’evaporatore dove evapora e ricomincia il ciclo.

Pompa di calore T2 Q2 = Q1 + L Q2 L Q1 T1 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. T2 Q2 = Q1 + L Q2 Pompa di calore L Q1 T1

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

Simulazione di un appartamento Questo modello è quindi stato applicato ad un caso reale simulando un appartamento con le seguenti caratteristiche: Dimensione: 100 m2 Superficie pannelli solari: 30 m2 Tipologia pannelli: tecnologia tubi in vetro sottovuoto Capienza cisterna: 5 m3 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

RISULTATI: inverno 2009-2010 Lavoro Temperatura Fabbisogno KWh °C Lavoro Temperatura KWh Riportiamo qui di seguito i grafici riguardanti le temperature esterne, il fabbisogno termico della casa, il lavoro della pompa e l’irraggiamento. Fabbisogno

Andamento irraggiamento 2009-2010 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 W/m2

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

Medie annuali 2007-2010 Anno Fabb [KWh] Lavoro [KWh] Lav/Fabb [%] Mese Lav/Fab [%] Ottobre 5,45 Novembre 16,29 Dicembre 22,70 Gennaio 20,66 Febbraio 20,64 Marzo 15,5 Aprile 1,25 Anno Fabb [KWh] Lavoro [KWh] Lav/Fabb [%] 2007-2008 12555 2192 17.46 2008-2009 14732 2567 17.49 2009-2010 13849 2743 19.80

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

VANTAGGI E SVANTAGGI I vantaggi Risparmio economico Ridotte emissioni di CO2 Bassi costi di manutenzione Gli svantaggi: Alto investimento iniziale Necessita di grandi spazi Applicabile preferibilmente ad appartamenti in fase di costruzione

Limiti del modello…. Dati mancanti su irraggiamento utilizzo di un modello con: Un errore almeno del 5% non tiene conto della componente riflessa Si sono trascurate le dispersioni termiche delle componenti dell’impianto (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

BIBLIOGRAFIA C. Cassardo (2006) "The Land Surface Process Model (LSPM) version 2006. 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. 1997-8 - Univ. Torino - Studio dei processi fisici che interessano il manto nevoso e loro parametrizzazione all'interno di un modello numerico di bilancio energetico. http://www.sunheat.it/efficienza.jsp Francesco Groppo e Carlo Zuccaro - Produzione di energia elettrica mediante impianto fotovoltaico – Editoriale Delfino (ottobre 2006), Prof. Angelo Farina, - Corso di Fisica Tecnica, anno 2001-2002, Facoltà di Ingegneria di Parma. Versione web all’indirizzo: http://pcfarina.eng.unipr.it/dispense01/stefanini130404/stefanini130404.htm#_Modalit%E0_di_scambio

GRAZIE PER L’ATTENZIONE