Simulazione realistica di un impianto a riscaldamento solare

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Simulazione realistica di un impianto a
riscaldamento solare
Università degli Studi di Torino FACOLTA di
SCIENZE M.F.N. Corso di Laurea in FISICA

• Candidato Grosso Paolo

Relatore Prof. Gambino Paolo
Anno Accademico 2009-2010
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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.

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Descrizione dellimpianto
Pannelli radianti
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Il modello ...

• 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

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Dati meteorologici...
Dati meteo 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 )
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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 allutilizzo del modello realizzato
  dal professor Cassardo
• The Land Surface Process Model (LSPM) version
  2006

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Principi del modello Cassardo
Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale

• La radiazione solare globale su uno specifico
  sito è calcolata tenendo conto
• Del periodo dellanno -gt del giorno giuliano
• Della posizione geografica del sito -gt
  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 ? è langolo solare opportunamente calcolato
  allinterno del programma

Gr Rdirsin? Rdiff
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La dispersione termica di una casa
Dati meteo Irraggiamento Fabbisogno Ciclo finale

• 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

? conducibilità termica del materiale ?
W/(mK) L spessore del materiale (m) A
superficie (m2 )
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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 ? Conducibilità W/mK
Cemento 2.3
Mattoni 0.4
Legno 0.13
Lana di roccia 0.03
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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
?Qin ?Qout
Tcost
Quscita Fabb
Qin
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Studio del calore in entrata

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

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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.

Lefficienza dei pannelli solari è data
dallequazione
Dove G ? Irraggiamento W/m2 ?o? fattore di
conversione a1,a2 ? Coefficienti di
dispersione Tm ? Temperatura media del
pannello Ta ? Temperatura dellaria
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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.
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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.
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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.
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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.

T2
Q2 Q1 L
Q2
Pompa di calore
L
Q1
T1
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Coefficiente di prestazione
COP ideale di una pompa di calore
COP di pompe di calore reali
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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 ? 0,4 (W/mK)
• Temperatura interna casa 20 C
• Temperatura pannelli radianti 35C
• Intervallo di misure ?t 15 min

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RISULTATI inverno 2009-2010
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
  lirraggiamento.

Fabbisogno
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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
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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
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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
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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.
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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

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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 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

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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 allindirizzo
  http//pcfarina.eng.unipr.it/dispense01/stefanini1
  30404/stefanini130404.htm_ModalitE0_di_scambio

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GRAZIE PER LATTENZIONE