Simulazione realistica di un impianto a riscaldamento solare

Candidato: Grosso Paolo

Università degli Studi di TorinoFACOLTA’ di SCIENZE M.F.N.

Corso di Laurea in FISICA

Relatore: Prof. Gambino Paolo

Anno Accademico 2009-2010

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

Descrizione dell’impianto

Pannelli radianti

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

Il modello ...

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

Irraggiamento …

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”

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

Principi del modello Cassardo…Dati meteo

Irraggiamento

Fabbisogno

Ciclo finale

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:

A

LR t

La dispersione termica di una casa…

tR

ΔT

dt

dQ

λ : conducibilità termica del materiale [λ] = W/(m·K)L: spessore del materiale (m)A: superficie (m2 )

Dati meteo

Irraggiamento

Fabbisogno

Ciclo finale

Materiale

ΛConducibilit

à[W/mK]

Cemento 2.3

Mattoni 0.4

Legno 0.13

Lana di roccia 0.03

La dispersione termica di una casa…Dati meteo

Irraggiamento

Fabbisogno

Ciclo finalePossiamo ancora notare che le pareti

delle case solitamente sono composte da più materiali. In

questo caso la resistenza termica si calcola come

N

1i i

it A

LR

Bilancio energetico…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

T=costQin

Quscita = Fabb

ΔQin = ΔQout

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.

Dove:

G Irraggiamento [W/m2]

ηo fattore di conversione

a1,a2 Coefficienti di dispersione

Tm Temperatura media del pannello

Ta Temperatura dell’aria

L’efficienza dei pannelli solari è data dall’equazione:2

am2

am1o G

TTGa

G

)TT(a

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

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.

12

2

12

22

TT

T

QQ

Q

L

Q.P.O.C

Q2 = Q1 + L

T2

T1

Pompa di

calore

Q2

Q1

L

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

Riportiamo qui di seguito i grafici riguardanti le temperature esterne, il fabbisogno termico della casa, il lavoro della pompa e l’irraggiamento.

Lavoro Temperatura

Fabbisogno

KWh

KWh

°C

Andamento irraggiamento 2009-2010

W/m2

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

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.

Medie annuali 2007-2010

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/anno2500 KWh/anno

considerando un costo del KWh è pari 0,20 0,20 €€

Si viene a spendere intorno ai 500 €/anno 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

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

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