GLI ACCUMULI TERMICI A CAMBIAMENTO DI FASE

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1 GLI ACCUMULI TERMICI A CAMBIAMENTO DI FASE R. Lazzarin, M. Noro, L. Zamboni Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali Università degli Studi di Padova CITTA SOSTENIBILE Convegno Climatizzazione con fonti rinnovabili: utilizzo del calore solare e ambientale per la climatizzazione EcoMondo Fiera di Rimini 7 novembre 2013

2 Accumuli termici Accumuli termici Breve termine (giornaliero, settimanale) Lungo termine (mensile, annuale) Sensibile (acqua) Accumuli termici Latente (PCM)

3 Accumuli termici Fonte: (Helm et al., Solar heating and cooling system with absorption chiller and low temperature latent heat storage: Energetic performance and operational experience, Int J Refr 32 (2009) )

4 Accumuli termici Elementi strutturali di edifici (22-25 ºC) Accumuli negli impianti HVAC Accumuli freddi (5-18 ºC) Accumuli tiepidi (45-60 ºC) Accumuli caldi (> 80 ºC)

5 Phase Change Materials (PCM) Phase Change Materials Organici Paraffine Non-Paraffine Inorganici Sali idrati Metalli Organici-Organici Eutettici Inorganici-Inorganici Inorganici-Organici

6 PCM Punto di fusione compreso in un determinato range Requisiti termodinamici Elevato calore latente di fusione Elevata densità Elevato calore specifico Requisiti chimici Stabilità chimica Non corrosività rispetto ai materiali da costruzione o utilizzati negli impianti Non tossici, infiammabili, esplosivi Requisiti economici Larga disponibilità di materiale Costi del materiale contenuti

7 Contenimento dei PCM Fonte: (Principi, 2013)

8 Contenimento dei PCM Fonte: Soares et al., Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings energy efficiency, En Build 59 (2013) Fonte: (Principi, 2013)

9 Accumuli PCM Elementi nell edilizia Fonte: Soares et al., Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings energy efficiency, En Build 59 (2013) Fonte: (Principi, 2013)

10 Accumuli PCM Elementi nell edilizia Fonte: (Principi, 2013) Fonte: Soares et al., Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings energy efficiency, En Build 59 (2013)

11 Accumuli PCM Accumuli negli impianti HVAC Vantaggi: Minore volume dell accumulo Minor numero di cicli di on-off caldaia o chiller Svantaggi: Maggior costo

12 Accumuli PCM e solar heating/cooling CASE STUDY: Impianto di solar heating / cooling, edificio F-92 presso il Centro Ricerche ENEA CASACCIA (Roma) Dati caratteristici F 92 Latitudine Longitudine Zona climatica N E D Area 381 m 2 Fonte: (ENEA, 2013)

13 Impianto solar heating/cooling F-92 ENEA

14 Impianto solar heating/cooling F-92 ENEA Serbatoio di accumulo standard VS PCM ANNO 2012 ANNO 2013 SALI IDRATI DELLA SERIE S46 contenuti in tubi in PE Calore specifico Volume Fonte: (ENEA, 2013) Temperat. cambiam. fase 46 ºC Calore specifico kj/(kg ºC) kj/(kg ºC) Calore latente fusione 191 kj/kg 1500 l Volume 1000 l

15 Impianto solar heating/cooling F-92 ENEA [kwh] Fonte: (ENEA, 2013) Energy comparison between Winter 2012 Winter Solar radiation incident on the solar field 5390 WINTER 2012 WINTER Energy Produced by Solar Field (FE01) Energy produced by the solar field and dissipated by the Dry cooler Installazione serbatoio d accumulo PCM

16 Impianto solar heating/cooling F-92 ENEA [kwh] Energy comparison Winter 2012 Winter Energy from Solar Field FE02 Winter 2012 Winter Energy produced by integration gas boiler FE Building Requirements FE07 Fonte: (ENEA, 2013) Set point temperatura ambiente da 20 ºC a 22 ºC

17 Gli accumuli termici a cambiamento di fase Impianto solar heating/cooling F-92 ENEA [kwh] Contributo solare e caldaia kwh (37%) 2804 kwh (63%) 1061 kwh (82%) 229 kwh (18%) kwh Useful by Solar field kwh Gas Boiler 739 kwh (69%) 331 kwh (31%) 9 29/02/ /03/ /04/2012 [kwh] Contributo solare e caldaia kwh (49%) 1676 kwh (51%) 1300 kwh (47%) 1493 kwh (53%) kwh Useful by Solar field kwh Gas Boiler 1055 kwh (68%) 503 kwh (32%) 8 28/02/ /03/ /04/2013 Copertura solare inverno 2012 Copertura solare inverno % 49% 52% 48% INTEGRATION GAS BOILER 3364 kwh INTEGRATION GAS BOILER 3672 kwh SOLAR FIELD 3436 kwh Fonte: (ENEA, 2013) SOLAR FIELD 3989 kwh

18 Impianto solar heating/cooling F-92 ENEA [kwh] Energy comparison Summer 2012 Summer Summer Summer Solar radiation incident on the solar field Energy Produced by Solar Field (FE01) Energy produced by the solar field and dissipated by the Dry cooler Fonte: (ENEA, 2013) Accumulo PCM capacità 1000 litri - Accumulo standard capacità 1500 litri

19 Impianto solar heating/cooling F-92 ENEA [kwh] Energy comparison Summer 2012 Summer Summer 2012 Summer Energy from Solar Field FE02 Thermal energy to Absorption chiller FE05 Building requirement FE07 Cool energy produced by absorption chiller FE06 Fonte: (ENEA, 2013) Temperatura dell aria esterna mediamente inferiore nel 2013

20 Gli accumuli termici a cambiamento di fase Impianto solar heating/cooling F-92 ENEA [kwh] Contributo solare e caldaia 2012 kwh Caldaia kwh Solare utili 854 kwh (27%) 2346 kwh (73%) 1719 kwh (37%) 1268 kwh (31%) 2969 kwh (63%) 2876 kwh (69%) Giugno Luglio Agosto GIUGNO - 31 AGOSTO 2012 Copertura solare [kwh] Contributo solare e caldaia kwh Gas boiler kwh Solar field useful 548 kwh (27%) 1460 kwh (73%) 1909 kwh (44%) 2441 kwh (56%) 01 GIUGNO 31 AGOSTO 2013 Copertura solare 1861 kwh (42%) 1871 kwh (58%) 1 30 June July August % 32% 60% 40% CALDAIA INTEGRATIVA: kwh Gas boiler kwh Solar field kwh CAMPO SOLARE: kwh Fonte: (ENEA, 2013)

21 Conclusioni Nel confronto 2013 vs 2012 (serbatoio latente vs sensibile): Diverse le condizioni ambientali esterne: maggiore temperatura dell aria ma minore radiazione solare d inverno, minori temperature dell aria e minore radiazione solare d estate TEMPERATURA ESTERNA [1 APRILE - 15 APRILE] INVERNO ESTATE IRRAGGIAMENTO SOLARE GLOBALE ORIZZONTALE [13 MARZO - 19 MARZO] TEMPERATURA [ C] [W/m 2 ] Sun Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun Mon GIORNO [-] Tue Wed Thu Fri Sat Sun GIORNI [-] 0

22 Conclusioni Nel confronto 2013 vs 2012 (serbatoio latente vs sensibile): Diverse le condizioni ambientali: maggiore temperatura dell aria ma minore radiazione solare d inverno, minori temperature dell aria e minore radiazione solare d estate Maggiore set point interno d inverno (20 22 ºC), minore d estate (26 24 ºC) Maggior apporto endogeno (persone) d estate Maggiore fabbisogno dell edificio d inverno, minore d estate

23 Conclusioni Nel confronto 2013 vs 2012 (serbatoio latente vs sensibile): Maggiore copertura solare d inverno (51% 52%), minore d estate (68% 60%) La convenienza energetica (ed economica) degli accumuli PCM negli impianti di solar cooling/heating va attentamente valutata in ragione: delle caratteristiche dell impianto (prestazioni e dimensioni campo solare, chiller, salto termico accettabile nell accumulo, ecc.); delle caratteristiche dell utenza (carichi termici/frigoriferi, schedulazione carichi endogeni, ecc.)