Dimensionamentodiunimpiantosolaretermicoperla produzionediacquacaldasanitariaeintegrazioneal riscaldamento Relatori: Ing. Luca Massimini Ing. Stefano Stefanelli Introduzione Scopodiquestolavorodimensionareunsistemadipannellisolaritermiciingradodicoprire parzialmente i bisogni di acqua calda per uso sanitario.E inoltre richiesto il dimensionamento del volume dellaccumulatore termico, in modo che sia in grado, se possibile, di erogare la potenza termica necessaria per 3 gg. di autonomia. Parte S Caratteristiche delledificio e ubicazione. Ledificiosceltoperildimensionamentodelsistemaapannellisolaritermiciunatipicavilletta unifamiliare, di circa 120 mq. Labitazione si sviluppa su un unico piano ed composta da sette ambienti:soggiorno, cucina, doppi servizi e tre camere da letto.Diseguitosonoriportatelecaratteristichegeometrichediognisingoloambiente,conlindicazione dellesposizione delle pareti perimetrali e delle superfici vetrate. Questi dati sono necessari per il calcolo dei carichi termici, per esigenze di riscaldamento ambientale. Ambiente paretefinestra - porta LHS_totS_nettaLhS_fin S_pavimento [m][m][m2][m2][m][m][m2] [m2] Cucina NE531513.321.21.41.68 18.50 Cucina SE3.7311.18.341.152.42.76 Soggiorno SE5.6316.815.121.21.41.68 28.00 Soggiorno SW531511.641.42.43.36 Camera da letto 1 SE3.6310.84.562.62.46.24 32.58 Camera da letto 1 SW9.05327.1519.875.21.47.28 Camera da letto 1 NW3.6310.810.8000 Camera letto 2 SW4.25312.7511.071.21.41.68 17.21 Camera letto 2 NW4.05312.1512.15 Bagno 1 NW1.7535.254.70.5510.55 4.03 Camera letto 3 NW3.339.99.9 14.03 Camera letto 3 NE0.7532.252.25 Corridoio bagno 2 NE1.2533.752.311.451.45 3.06 Corridoio bagno 2 SE2.4537.355.6831.151.451.67 Bagno 2 NE2.6537.957.95 5.96 Bagno 2 NW2.2536.755.8510.90.90 S_Tot 123.37 Nella figura seguente riportato il disegno in pianta della suddetta abitazione: LabitazionesitrovanelcomunediMatino,inprovinciadiLecce,allecoordinate400110.50N 180105.58 E, a 48 m sul livello del mare.Ledificio globalmente a pianta rettangolare, con un garage adiacente di dimensioni 4 x 8 m, sul quale si prevede di installare limpianto.Il tetto dellintera abitazione piano, quindi non vi sono vincoli sulla quota disponibile per listallazione; lorientamento Sud-Ovest. Nelgarage trovaposto il localecaldaiaedaccumulatori;ilcollegamentoallimpiantodomesticoavviene tramite un collettore che alimenta i locali Bagno 1 e Bagno 2. Stima fabbisogno di Acqua Calda Sanitaria Il fabbisogno di acqua calda sanitaria viene stimato secondo la norma UNI 11300. Lenergia termica Qh,w richiesta per scaldare una quantit dacqua alla temperatura desiderata : ( ) G V c Qo er w w h = 0 0 , dove: = massa volumica dellacqua [kg/m3] c = calore specifico dellacqua pari a 1,162 [Wh/ kg C] Vw = volume di acqua richiesto durante il periodo di calcolo [m3/G] er = temperatura di erogazione [C] o = temperatura di ingresso dellacqua fredda sanitaria [C] G = numero di giorni del periodo calcolato [G] Ilvolumedifabbisognogiornalierodefinitodallanormasecondodatimedigiornalieri,edespresso dalla relazione: ] / [ G l N a Vu w = dove: a = fabbisogno specifico giornaliero [l/G] Nu = parametro che dipende dalla destinazione duso delledificio. Per le abitazioni, il valore di Nu il valore della superficie utile Su espresso in metri quadri, mentre a si ricava da un apposita tabella che fornisce una relazione per il calcolo in funzione di Su. Nel caso specifico abbiamo: Su123.37m2 a1.451693UNI 11300 Vw179.09l/G I dati necessari al calcolo dellenergia Qh,w sono riportati nella tabella seguente. In particolare si considera unatemperaturadellacquafreddainingressoalsistemadicirca10C,inquantoquestaprovieneda falda superficiale. Lautonomia desiderata di 3 giorni. 0.9922g/cm3 c1.162Wh/kg C 0er40C 0o10C Vw0.179092m3/G G3G Lenergia che il sistema deve accumulare per garantire un autonomia di 3 giorni vale: QhW = 66,9 MJ.Il volume dellaccumulo risulta essere pari a Vacc = 0,6 m3. Sistema di accumulo Sono stati scelti per laccumulo due bollitori monovalenti Viessmann, serie Vitocell 300V Tipo EVI da 300 litri ciascuno, la cui sezione riportata in figura. Il bollitore dotato di una serpentina per lo scambio termico (HV e HR indicano i relativi attacchi), inoltre vi un ingresso per lacqua fredda posizionato al fondo (KW) e un uscita per lacqua calda posta in alto (WW). Le dimensioni di ingombro sono:a = 633 mm d = 1779 mm Ilbollitoreisolatotermicamenteconunostratodischiumarigidadipoliuretano,chegarantisceuna perditadicalorepermantenimentoinfunzioneconunadifferenzaditemperaturadi45Kparia2.10 KWh/24h.Questodatopermettediricavarelaperditaorariadienergiaallunitdigrado,dividendoil valore fornito dal costruttore per le ore e per i gradi di salto termico a cui il dato si riferisce: Perdita bollitore2.1KWh/24h At 45K Perdita oraria315000J Perdita oraria al grado K7000J/K Schema impianto Lasoluzioneimpiantisticasceltaprevedediutilizzareduebollitoriidentici,unocollegatoallimpianto solareelaltrocollegatoallintegrazioneeffettuataconlacaldaia,delvolumedi300litriciascuno.Una pompa di ricircolo provvede alla circolazione del fluido tra i due bollitori, in modo da mantenere uniforme la temperatura. Limpiantorealizzatoacircuitochiuso,viinfattiunaseparazionenettatrailfluidotermovettore circolante nei collettori solari e lacqua calda sanitaria. Questa separazione garantita dalla presenza di uno scambiatore di calore tra i due fluidi, costituito dalla serpentina presente nel bollitore, alla quale sonocollegate le tubazioni provenienti dai collettori.Ilcircuitosolarepercorsodaunamisceladiacquaeglicoleetileniconecessariaaevitareil congelamentoneiperiodiinvernali;solitamentesirealizzaunamisceladel30%involumediglicole evitando di andare a percentuali maggiori per non avere grandi diminuzioni della capacit termica della miscela. Infatti, considerando una temperatura di 70C la miscela in questione ha una capacit termica pari a 3820 J/kg K (lacqua ha 4183 J/kg K a temperatura ambiente) e una densit di 1020 kg/m3. Il resto dellimpianto percorso da acqua, compreso il circuito di reintegro della caldaia. Lo schema impiantistico riportato nella figura seguente. Lalimentazione dellacqua fredda avviene sul bollitore 1, il quale connesso allimpianto solare termico. Luscita dellacqua calda dal bollitore 1 mandata in ingresso al bollitore 2, in modo da avere un ulteriore riscaldamento,senecessario,dapartedellacaldaiaagas.Lacquacaldasanitariavieneprelevata dalluscita del bollitore 2. Dati climatici Idaticlimaticirelativiallaradiazionesolareeallatemperaturaambientemediamensilesonoottenuti tramite lutilizzo del software Retscreen, il quale fornisce i valori per moltissime citt dal mondo. I valori forniti sono valori giornalieri medi. La radiazione solare si riferisce al piano orizzontale, ma poich i pannellisono montati con un angolo di inclinazione,nelnostrocasopariallangolodellalatitudinedelsitodiinstallazione,allorailvaloredella radiazione deve essere proiettato sul piano normale ai collettori.I valori mensili della radiazione solare media giornaliera normale al pannello sono riportati in tabella. Dati climatici Lecce Month Air temperature Relative humidity HT

Daily solar radiation horizontal HT

Daily solar radiation normal C%kWh/m/dKJ/m2/dKW/m2KJ/m2 January8.587.6%1.9670561.5015405 February8.282.2%2.81101162.1537749 March10.582.3%4.11147963.14811334 April13.979.9%5.34192244.09114726 May18.374.5%6.58236885.04118146 June22.767.9%7.48269285.73020628 July25.965.9%7.65275405.86021096 August25.870.9%6.66239765.10218366 September22.476.9%5.07182523.88413981 October18.083.0%3.35120602.5669238 November12.886.4%2.1175961.6165818 December9.087.8%1.6358681.2494495 Annual16.478.8%4.57164593.50212608 Collettori solari Per poter procedere con il dimensionamento dellimpianto si scelto un modello di collettore solare tra i vari disponibili in commercio. La scelta si orientata verso collettori di tipo heatpipe a tubi sottovuoto.Icollettorisolariatubisottovuotosononotevolmentediversidaitradizionalicollettorisolari:essisono costituiti da tubi in vetro, al cui interno integrato un assorbitore in rame con rivestimento selettivo, che garantisce un elevato assorbimento della radiazione solare e una bassa emissione di radiazioni termiche. Sullassorbitoreapplicatountubotermovettoreriempitoconliquidoadevaporazione;iltubo termovettore collegatoal condensatore. Il condensatore si trova nello scambiatore di calore a doppio tubo Duotec. Il sistema tubo termovettore scambiatore realizza un collegamento a secco, il quale permette di orientare al meglio i singoli tubi per compensare eventualideviazioni dallorientamento a Sud, inoltre permette di sostituire i tubi anche quando limpianto riempito e quindi sotto pressione. Il principio di funzionamento il seguente: il calore viene trasferito dallassorbitore al fluido termovettore consentendo levaporazione del liquido. Il vapore creato perviene verso il condensatore, dove cede calore alfluidotermovettorecircolanteallesternodelcondensatore,cionelloscambiatoreadoppiotubo.In questo modo il vapore si condensa e la condensa scorre verso il basso, nel tubo termovettore, ripetendo il ciclo. I collettori da noi scelti sono Vitosol 200 T tipo SP2, della Viessmann; dai dati di targa presenti a catalogo sipossonoricavareivaloridellasuperficiediassorbimento,ledimensionidiingombrodelcollettore, nonch i valori dei coefficienti utilizzati per il calcolo del grado di rendimento definito successivamente. TipoSP2 23 Numero tubi 2030 Superficie lorda m22,884,32 Superficie di assorbimento m22,003,02 Superficie di apertura m22,153,23 Dimensioni d'ingombro LarghezzaaMm14202129 Altezza bbMm20402040 ProfonditcMm143143 I seguenti valori si riferiscono alla superficie di assorbimento: Grado di rendimento ottico% 76.676.6 Coefficiente di dispersione termicak1W/ m2 K1.421.42 Coefficiente di dispersione termicak2W/ m2 K20.0050.005 Capacit termica kJ/ m2 K8.48.4 A : scambiatore di calore a doppio tubo B : Adattatore C : Assorbitore D : tubo termovettore(heatpipe) E : tubo di vetro sottovuoto Perognicollettoresipudefinireecalcolareilgradodirendimento,ciolapercentualediradiazione solare riflessa sulla superficie di apertura del collettore (somma delle sezioni longitudinali dei singoli tubi), che pu essere trasformata in energia termica utile. Il rendimento espresso dalla relazione: g gET kET k22 10A A =q qdove 0 k1 e k2 sono forniti dal costruttore, mentreAT la differenza di temperatura tra lassorbitore e laria ed Eg lirraggiamento.Parte a Metodo f-chartLavalutazionedellaquotadienergiatermicamensile,rispettoalfabbisognototale,ottenutadaun impiantosolarevienefattautilizzandoilmetodof-chart.Questometodopermettedistimarele prestazioni nel lungo periodo di un impianto in cui il fluido termovettore pu essere liquido o aria. Si pu applicareinqueicasiincuilatemperaturaminimadifornituradellenergiaapprossimativamentedi 20C.La variabili di progetto sono larea dei collettori, la tipologia, la capacit di immagazzinamento, la velocit del fluido, il carico e le dimensioni dello scambiatore del collettore. Ilrisultatofornisceilvaloredelcoefficientef,frazionedelcaricodiriscaldamentomensile(per riscaldamentoeproduzioneA.C.S.)fornitodallenergiasolare,funzionedidueparametri adimensionalizzati X e Y. XesprimeilrapportotraleperditedelcollettoreeicarichitermicimentreYesprimeilrapportotrala radiazione solare assorbita e i carichi termici. Le espressioni di X e Y sono le seguenti: ( )( )LN H F AYLT T U F AXT R ca rif L R c =A =tot'' dove: Ac: area dei collettori (m2) FR: rendimento termico collettore/scambiatore di calore UL: coefficiente perdite totali collettori (W/m2K) : numero totale di secondi in un mese (s) Ta: temperatura ambiente media mensile (K) Trif: temperatura empirica di riferimento, 373 K L: carico termico mensile totale per condizionamento ambientale e produzione di acqua sanitaria (J) HT: radiazione giornaliera media mensile incidente sullunit di area di un collettore (J/m2) N: giorni in un mese: fattore medio mensile di trasparenza-assorbimento La relazione che permette di calcolare il valore del coefficiente f, noti X e Y, per il caso di sola produzione di acqua calda sanitaria la seguente: 3 2 20215 . 0 0018 . 0 245 . 0 065 . 0 029 . 1 Y X Y X Y fC C + + = Xc un coefficiente adimensionalizzato che tiene conto della temperatura dellacqua di alimentazione del sistema,Tm(Talimentazione)edellatemperaturadiacquaminimarichiestadallutenza,Tw,ed espresso dalla relazione: aa m W CTT T TXX + +=10032 . 2 86 . 3 18 . 1 6 . 11

la temperatura dellaria media mensile. LafrazioneannualeFdel caricotermico totalesoddisfattadallenergiasolare lasomma deicontributi mensili fi riferiti al carico annuale Ltot, cio vale la relazione: ==ii itoti iLL fLL fF Il metodo f-chart fornisce i valori estremi per alcuni dei parametri usati per il calcolo di X e Y:

()

FR il grado di rendimento del pannello, definito precedentemente. I valori di ed UL sono stati scelti allinterno del campo, in quanto non erano forniti dal costruttore. In particolare si scelto UL = 3 W/m2 K immaginando che i collettori scelti abbiano basse perdite globali, e = 0.9. Lareadeicollettorilincognitadelproblema.Dovendogenerareil20%,40%,60%e80%del fabbisogno termico delledificio con limpianto solare, si procede impostando il calcolo dei parametri X e Y che permetteranno di calcolare il valore della frazione di carico mensile f e quindi della frazione annuale F, in funzione dellarea dei collettori. Calcoli Il calcolo del rendimento termico del collettore riportato nella tabella seguente.Abbiamoconsideratounadifferenzaditemperaturatralasuperficiedellassorbitoreelariadi70C.Il valore stimato in quanto non semplice conoscerela temperatura dellassorbitore se non facendo un calcolodettagliatochevalutiloscambiotermicodelcollettoresolareeledispersionipresenti.Poichil nostroscopononilcalcolodelloscambiotermico delcollettoree inoltresi vistodaicalcolicheuna variazionedelvalorediTincidepocosuFResuicalcolisuccessivi,allorariteniamocorrettoilvalore stimato. TaATGkFr'NTQhwLHT KW/m2giorni[s]KJMJ[J/m2] 281.657015010.683312678400669002074167.5 281.357021530.708282419200669001874216.9 283.657031480.727312678400669002073351.4 287.057040910.736302592000669002007441.8 291.457050410.741312678400669002074562.5 295.857057300.744302592000669002007618.8 299.057058600.745312678400669002074654.0 298.957051020.742312678400669002074569.4 295.557038840.734302592000669002007419.4 291.157025660.718312678400669002074286.4 285.957016160.689302592000669002007174.6 282.157012490.667312678400669002074139.3 Ora si pu applicare il metodo f-chart calcolando il valore dei coefficienti X e Y e della frazione di carico mensile, variando larea dei collettori fino a ottenere la copertura richiesta. I risultati sono riportati di seguito. 20%Ac = 2.15 m2 MeseXYfEutXcf'EutEtot MJMJMJ Gennaio0.5200.1070.0741530.4420.0791632074 Febbraio0.5410.1590.1232300.4620.1282391873 Marzo0.5410.2380.1974080.4410.2034212074 Aprile0.5270.3130.2655330.3990.2735492007 Maggio0.5040.3890.3326890.3390.3437112074 Giugno0.4780.4440.3807620.2770.3937882007 Luglio0.4590.4550.3908080.2310.4048382074 Agosto0.4580.3940.3397040.2310.3547342074 Settembre0.4740.2970.2545100.2770.2675352007 Ottobre0.4890.1920.1573260.3320.1673472074 Novembre0.5000.1160.0841690.3880.0911832007 Dicembre0.5050.0870.0551140.4240.0601252074 Somma5406563324418 F0.22F'0.23 40%Ac = 4.3 m2 MeseXYfEutXcf'EutEtot MJMJMJ Gennaio1.0400.2140.1432970.8830.1533172074 Febbraio1.0820.3180.2354390.9240.2444581873 Marzo1.0820.4760.3697650.8830.3817902074 Aprile1.0530.6270.4879780.7970.50310102007 Maggio1.0070.7780.59912420.6770.61912852074 Giugno0.9570.8880.67513550.5540.70014062007 Luglio0.9180.9090.69114330.4620.71914922074 Agosto0.9150.7880.61112680.4630.64013262074 Settembre0.9470.5940.4699420.5550.4949912007 Ottobre0.9790.3840.2986180.6640.3176582074 Novembre1.0000.2320.1633260.7760.1763542007 Dicembre1.0090.1730.1072230.8490.1172432074 Somma98861033024418 F0.405F'0.4232074 60%Ac = 6.45 m2 MeseXYfEutXcf'EutEtot MJMJMJ Gennaio1.5600.3210.2084321.3250.2224612074 Febbraio1.6230.4760.3366301.3850.3506561873 Marzo1.6230.7150.51710731.3240.53511102074 Aprile1.5800.9400.67013461.1960.69413922007 Maggio1.5111.1670.80716751.0160.83717372074 Giugno1.4351.3320.89718010.8310.93418752007 Luglio1.3771.3640.91619000.6930.95819872074 Agosto1.3731.1820.82417080.6940.86517942074 Settembre1.4210.8910.64913020.8320.68413742007 Ottobre1.4680.5750.4238780.9960.4529382074 Novembre1.5000.3480.2364741.1640.2565142007 Dicembre1.5140.2600.1573261.2730.1723562074 Somma135441419324418 F0.554F'0.581 80%Ac = 10.76 m2 MeseXYfEutXcf'EutEtot MJMJMJ Gennaio2.6030.5350.3276772.2100.3497232074 Febbraio2.7070.7950.5119572.3110.5339991873 Marzo2.7071.1920.75215602.2090.78016182074 Aprile2.6361.5680.93518771.9950.97219502007 Maggio2.5211.9471.08122421.6951.12923402074 Giugno2.3942.2231.16823431.3861.22624612007 Luglio2.2962.2751.18624601.1561.25325992074 Agosto2.2901.9721.10222851.1591.16824232074 Settembre2.3701.4860.91518361.3880.97219502007 Ottobre2.4490.9600.63313121.6620.67814062074 Novembre2.5020.5810.3687381.9420.4008022007 Dicembre2.5250.4340.2495172.1240.2725642074 Somma188051983724418 F0.770F'0.812 Possiamovisualizzareidatiinunistogrammacheriportalenergiautile,quellaausiliaria(fornitadalla caldaia) e il valore della frazione di carico ottenuto ogni mese.Riportiamo i grafici relativi alle coperture annue richieste nella specifica del testo. 0,00,10,10,20,20,30,30,40,40,5050010001500200025001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12f, frazione di copertura MJ/mese Mesi 20% di copertura del carico totale annuo Eut Eaux f' 0,00,10,20,30,40,50,60,70,802004006008001000120014001600180020001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12f', frazione di copertura MJ/mese Mesi 40% di copertura del carico totale annuo Eut Eaux f'0,00,20,40,60,81,01,2050010001500200025001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12f', frazione di copertura MJ/mese Mesi 60% di copertura del carico totale annuo Eut Eaux f' Probabilmenteilmigliorcompromessopotrebbeesseredatodallasoluzionechesoddisfail60%del fabbisogno annuo di energia, in quanto si avrebbe una copertura molto altadata dellenergia solare gi dalmesediAprile,finoa Settembre,senzarischiaredisovradimensionarelimpianto.Inquestimesi le quote di energia fornite dalla caldaia sono infatti molto basse. Sesiscegliedirealizzarelimpiantoconlasuperficiechegarantiscel80%dellacoperturasihaun ulteriore vantaggio nei mesi invernali, in quanto le quote di energia ausiliaria diminuiscono ulteriormente, ma si avrebbe una produzione di energia eccessiva nei mesi estivi. Possiamo vedere infatti come gi dal mese di Maggio fino ad Agosto si hanno dei valori negativi di energia ausiliaria, cio si ha un eccesso di energiachedovrebbeessererimossoqualoralimpiantofunzionassealmassimodellesuepotenzialit, oppuresidovrebbeintervenireriducendolaquantitdienergiatrasferitaalfluidotermovettore,per evitarechesicreinosituazioniindesiderate(raggiungimentodellatemperaturadiebollizione nellaccumulo). evidente che questa scelta porterebbe ad un impianto sovradimensionato e per tale ragione pu essere scartata.Lavariazionedellafrazioneannualedicaricotermicofornitadalsistemasolareinfunzionedella superficie captante del collettore pu essere valutata nel grafico seguente.Possiamo osservare come bisogna aumentare molto la superficie dei collettori per aumentare la frazione annuale di carico oltre il 60%. Questo valore rappresenta un limite, superato in casi particolari digrandi impiantiintegratiperriscaldamentoeproduzionediacquacaldasanitaria,neiqualispessofacile trovare una macchina frigorifera ad assorbimento di calore che in estate in grado di assorbire il calore ineccessoprodottodallimpiantosolare,perprodurreacquarefrigerata;nelleapplicazionidomestiche solitamente ci non viene realizzato. I valori ottenuti per la frazione di carico annua sono lievemente diversi da quanto richiesto nella specifica del testo dellesercitazione: ci dovuto al fatto che le superfici disponibili dei collettori solari sonosolo 0,00,20,40,60,81,01,21,4-600-10040090014001900240029001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12f', frazione di copertura MJ/mese Mesi 80% di copertura del carico totale annuo Eut Eaux f'due, come riportato nei dati di targa, e queste sono state combinate insieme per realizzare le frazioni di copertura annue richieste, cercandoci di avvicinare il pi possibile a tali valori.

Proseguiamo il nostro studio con la configurazione che assicura il 60% di copertura annua, la quale viene ottenuta con una superficie di 6.45 m2 che si realizza con tre collettori Viessmann SP2 2. Bilanci di energia sul sistema Bilancio pannello fluido termovettore Scriviamo il primo principio per sistemi aperti sul volume di controllo costituito dal collettore solare. 00,10,20,30,40,50,60,70,80,90 2 4 6 8 10 12Superficie Ac [m2] F' F( ) + + + |.|

\|cc+cc+cc= NCii Pi Ci iVCP Ct D solG e e hTETETUW | | Consideriamo condizioni stazionarie, quindi i termini di accumulo sono nulli; inoltre in questo sistema non abbiamo lavoro tecnico, quindi anche Wt nullo. Per quanto riguarda il termine legato ai flussi di portata possiamosicuramenteconsiderarenullalaquotadovutaallenergiapotenzialeinquantoilcollettore presenta i raccordi di collegamento delle tubazioni di mandata e ritorno in testa, quindi la variazione di quotageodeticapraticamentenulla,inoltrelaportataGi lastessaneiduecondotti.Anchelaquota dovutaallenergiacineticapuesseretrascurataconsiderandocheilfluidoabbialastessavelocitin ingresso e in uscita dal collettore. Per quanto riguarda il flusso termico dobbiamo fare alcune considerazioni. Il pannello viene investito dalla radiazione solare totale HT (somma della radiazione diretta e diffusa), ma questanonvienetrasferitainteramentealfluidotermovettoreacausadidiverseperditepresentinel collettore.Unaprimaperditadovutaallanonperfettatrasparenzadeltuboinvetrocheracchiude lassorbitore,chefasicheunapiccolapartediradiazionevengariflessa;inoltrelassorbitorenonin gradodiassorbirecompletamentetuttalaradiazionericevuta.Sitienecontodiquesteperdite moltiplicando lenergia data dalla radiazione solare per i coefficienti todi assorbimento e di trasparenza. Inoltre vi sono delle perdite dovute a convezione e irraggiamento del pannello (lassorbitore riscaldandosi emettenelcampodellinfrarosso) lequalicontribuisconoulteriormentearidurrelaquotadipotenza disponibile al fluido termovettore. Ilbilanciotralapotenzaassorbita,quelladispersaequellatrasmessaalfluidotermovettoresiottiene scrivendo il primo principio sul volume di controllo costituito dallassorbitore: D U C T assA H | | to | + = = La potenza dispersa dal collettore pari a: ( )a mf C L DT T A U = |dove UL il coefficiente di perdita globale del collettore, che tiene conto delle perdite verso il basso, verso laltoelaterali,Tmf latemperaturamediadelfluidotermovettoreeTalatemperaturadellaria ambiente. La valutazione della potenza utile ceduta al fluido termovettore si ottiene mediante un bilancio di energia sul fluido termovettore: ( ) ( )fi fu P fi fu UT T c G h h G = = | Arigore,lapotenzadispersadalcollettoreandrebbecalcolataconsiderandolatemperaturamedia dellassorbitore, la quale per difficile da determinare perch dipende da molti fattori tra i quali il tipo di collettore, la radiazione solare incidente e le condizioni di ingresso del fluido.SiprocededefinendoecalcolandoilfattoredirimozionetermicaF,cheilrapportotralenergiautile captata dal collettore e lenergia utile captata considerando che la superficie dellassorbitore si trovi alla temperatura di ingresso del fluido nel pannello. ( )( ) | |a fi L T Cfi fu PRT T U H AT T c GF =to La potenza utile pu essere calcolata come: ( ) | |a fi L T R C UT T U H F A = to | Lefficienza del collettore data dalla formula di Willier: ( )Ta fiL R RC Tfi fu PHT TU F FA HT T c G = = to q Si calcola la potenza che viene captata dallassorbitore e quella dispersa dal pannello, e si determina la potenza utile per differenza.Dovendo definire la temperatura media del fluido termovettore sono state fatte alcune considerazioni: -latemperaturamassimadelfluidotermovettorenondeveraggiungereilvalorediebollizione, altrimentisihagenerazionedivaporenelletubazioni,conevidentiproblemidicircolazionedel fluido e di scambio termico nel bollitore. -Latemperaturadiritornoalcollettoresolarenonpotressereminoredellatemperatura dellaccumulo. -Laccumulonondevemaiscenderealdisottodellatemperaturadi60Cperchsipotrebbe creare il batterio della legionella. TenendocontodiquantodettoabbiamodefinitoivaloridiTfueTfiriportatinellatabellaseguentee calcolatolepotenzeelaportatadifluidocircolanteinognimese.Poichlaradiazionesolarevariadi mese in mese e il At del fluido termovettore fisso, limpianto deve funzionare a portata variabile. TfuTemperatura del fluido in uscita dal collettore95 C TfiTemperatura del fluido in ingresso al collettore65 C TmfTemperatura media del fluido80 C MeseTaHtassduFrPortata KW/m2WWW kg/s Gennaio281.6515018716138473320.9620.0640.757 Febbraio281.352153124961389111060.9750.0970.800 Marzo283.653148182771345169320.9830.1480.834 Aprile287.054091237461279224670.9870.1960.852 Maggio291.455041292611194280670.9900.2450.863 Giugno295.855730332631109321540.9910.2810.870 Luglio299.055860340191047329720.9910.2880.872 Agosto298.955102296161049285680.9900.2490.868 Settembre295.553884225461115214310.9870.1870.856 Ottobre291.152566148971200136970.9790.1200.828 Novembre285.9516169383130080830.9650.0710.775 Dicembre282.1512497248137458750.9530.0510.729 Il rendimento medio annuo dei collettori pari a 0.825. Bilancio sullo scambiatore di calore tra fluido termovettore e sistema ad acqua Nellimpiantopresenteunoscambiatoredicaloretrailfluidotermovettoreelacquacaldasanitaria. Questo costituito da una serpentina situata nel bollitore, la quale immaginiamo che riesca a scambiare tutto il calore ricevuto dal fluido termovettore con lacqua sanitaria presente allesterno.Possiamo fare un bilancio sulla serpentina del bollitore considerando lenergia fornita dallimpianto solare, per vedere la temperatura raggiunta in un giorno, dallacqua sanitaria. ( ) ( )a storage i in storage p O H solT T A K T T c m E + =2 MeseEsolTstorageEdisp WWhMJMJMJMJ Gennaio7332733226293.620.50.167 Febbraio111061110640299.025.80.247 Marzo169321693261307.334.20.331 Aprile224672246781315.242.10.394 Maggio2806728067101323.250.10.445 Giugno3215432154116329.155.90.465 Luglio3297232972119330.357.10.437 Agosto2856828568103324.050.80.350 Settembre214312143177313.840.60.255 Ottobre136971369749302.729.60.162 Novembre8083808329294.721.50.122 Dicembre5875587521291.518.40.131 Loschemadimpiantosceltoutilizzaduebollitorimonovalenti,dotatiognunodiunasolaserpentinae collegatiinsiemedaunatubazionediricircolo.Lenergiasolarecedutadallaserpentinavieneutilizzata per scaldare lintera massa di acqua del sistema grazie al ricircolo effettuato.In questo bilancio abbiamo tenuto conto delle perdite di calore attraverso linvolucro dei bollitori, le quali sonostatedefiniteprecedentementeevalgono7000J/Kciascuno,quindilenergiadispersastata calcolataconsiderandoleperditedeiduebollitori,riferitealladifferenzaditemperaturatrainternoed aria. In questa equazione lunica incognita quindi la temperatura Tstorage Vediamo che nei mesi estivi Tstorage supera abbondantemente la temperatura di 40Cutilizzata nel calcolo delfabbisognotermicoperlacquacaldasanitaria,manonsiraggiungelatemperaturaminima necessaria ad impedire la formazione del batterio della legionella. Questo richiede quindi un integrazione da parte della caldaia per raggiungere la temperatura di 60C.