RELAZIONE TECNICA DEL PROGETTO SERBATOIO PROTOTIPO

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1 RELAZIONE TECNICA DEL PROGETTO SERBATOIO PROTOTIPO A cura di Nicolò Venturelli Anno Scolastico 2012/

2 LA NECESSITA DI IMMAGAZZINARE L ENERGIA TERMICA OLTRE CHE ELETTRICA Le imprese che producono e distribuiscono energia si stanno già preoccupando del fatto che, quando il 15 o il 20% dell'elettricità di rete proverrà da energie da fonti rinnovabili, la rete stessa sarà alla mercé delle condizioni meteorologiche e ci troveremo a dover gestire cali di tensione e blackout periodici. Per questo sono allo studio ed in funzione sistemi con il compito di immagazzinare la stessa. Oltre alle metodologie di conservazione dell energia elettrica esistono inoltre sistemi grazie ai quali è possibile (e conveniente) immagazzinare energia termica, cioè calore che può essere utilizzato per soddisfare il fabbisogno termico di un utenza con conseguente risparmio di energia ed emissioni. L'accumulatore termico è un componente d impianto che ha il compito di immagazzinare l energia termica prodotta da un qualsiasi generatore, restituendola all utenza in qualunque momento venga richiesta; in genere tutti presentano l inconveniente di non riuscire a trattenere il calore per oltre 24 ore circa. Questa caratteristica, se il sistema di accumulo è fondato sull utilizzo di energie quali il sole per scaldare l acqua e se l impianto di accumulo deve alimentare una grossa utenza (come la scuola ad esempio), può diventare una importante carenza poiché, come già detto nell introduzione, vi è difficile corrispondenza tra la disponibilità della risorsa (nei mesi caldi) e il fabbisogno della stessa (nei mesi freddi). Per rispondere a tale problema si è considerata l ipotesi della stratificazione. Come tutti sappiamo in un bacino (come può essere genericamente inteso il nostro serbatoio) esteso in altezza l acqua più calda, se immessa con opportuna modalità, tende a galleggiare su quella più fredda, stratificandosi in base alla temperatura. I vari strati, a temperature differenti, spontaneamente non si mescolano e se vi è un opportuno isolamento termico dall ambiente esterno essi si mantengono separati anche per lunghi periodi. Questo è il principio sul quale si basa l intero nostro sistema, che, sia in fase di accumulo che di utilizzo, opera prelevando e immettendo acqua a diverse altezze, in corrispondenza delle diverse temperature dei singoli strati. In tal modo il sistema nella sua totalità presenta la massima efficienza, venendo gestito applicando il salto termico ottimale sotto il profilo termodinamico. Attraverso il metodo della stratificazione, infatti, otteniamo il miglior compromesso fra un sistema che scaldando acqua a temperature mediocri immagazzini la maggior quota di energia possibile ed un sistema che produca acqua alla maggior temperatura possibile, ma che assorba quantità esigue di energia

3 IL PROGETTO MAGAZZINO DEL SOLE Il progetto Magazzino del Sole è un progetto sviluppato all interno della scuola, che rappresenta la risposta del nostro istituto a tutte le problematiche di svariata natura legate all uso delle energie rinnovabili e una risposta concreta al "problema dell'energia". Il progetto prevede a livello teorico l'impiego di un sistema di pannelli solari termici e di un serbatoio di 5000 m 3, contenente acqua per l'accumulo di calore, utilizzato per fornire riscaldamento alle utenze scolastiche nel periodo invernale. Il progetto Magazzino del Sole attualmente si concretizza in un modello di scala ridotta denominato Serbatoio Prototipo. IL PROGETTO SERBATOIO PROTOTIPO Il progetto serbatoio prototipo nasce in collaborazione con ASM spa (ora a2a spa) di Brescia e consiste nella verifica sperimentale dell'ipotesi di accumulo stagionale dell energia attraverso la stratificazione termica dell'acqua. Quest anno mi è stato possibile, insieme ad altri ragazzi facenti parte del mio stesso gruppo di lavoro, di portare avanti la realizzazione del progetto, grazie anche al materiale ed alle apparecchiature messe a disposizione da ASM spa e da Fondazione Cariplo a cui va il nostro ringraziamento. Il progetto ha avuto inizio nel luglio 2006 ed è oggi ad una buona fase di realizzazione, in quanto è stata completata l installazione delle componenti dell impianto e delle apparecchiature che ne permettono il funzionamento ed è stata avviata la fase di raccolta dati; non è ancora invece operativa l automazione del sistema. Un simile impianto di immagazzinamento, funzionante, è installato presso l azienda Pressytal, che si ringrazia per la disponibilità constatata durante una visita di istruzione. Un ultimo importante ringraziamento va al professor Padula Francesco, senza la cui guida, il sostegno e l aiuto sarebbe stato impossibile portare avanti un progetto cosi importante ed ambizioso. Di seguito la relazione tecnica relativa alle componenti dell impianto di accumulo del progetto e una spiegazione schematica del processo di stratificazione dell acqua che opera il sistema (si tralascia la parte di impianto, funzionante ma al momento non completamente installata, dedicata all utilizzo del calore accumulato, realizzata da ex studenti dell istituto oggi universitari)

4 DESCRIZIONE TECNICA COMPONENTI DEL PROGETTO SERBATOIO PROTOTIPO SCHEMA GENERICO DELL IMPIANTO: 1) SERBATOIO 2) PANNELLI SOLARI TERMICI 3) PANNELLO PILOTA 4) POMPE / CIRCUITI IDRAULICI 5) SCAMBIATORE DI CALORE 6) PRESE DI IMMISSIONE / VALVOLE MOTORIZZATE 7) SONDE DI TEMPERATURA (ROSSE) 8) PC / MULTIMETRO 9) QUADRO ELETTRICO SERBATOIO ED ISOLANTE Il nostro sistema è composto innanzitutto dal serbatoio,, di forma cilindrica e realizzato in acciaio inox, con una capacità di 4400 litri; esso è il nucleo dell impianto ed ha il compito di conservare l energia termica. 1 - SERBATOIO Per evitare dispersioni di calore il serbatoio è isolato termicamente verso l esterno, sul fondo e sul coperchio, e sui lati attraverso uno strato di isolante (lana di vetro, spessore 50 cm) che deve essere ancora installato. Nelle condizioni nominali, presentando lo strato isolante, la costante di tempo del sistema (cioè il tempo necessario affinché il sistema perda tutto il calore accumulato) risulta di 6 mesi; uno degli obbiettivi del serbatoio prototipo sarà proprio quello di verificare che essa, nonostante cause di dispersione secondarie rimanga elevata, poiché nel caso contrario l utilizzo del sistema per l accumulo di tipo stagionale diventerebbe inutile. 1.A - ISOLANTE TERMICO - 4 -

5 PANNELLI SOLARI TERMICI L energia termica è generata da una serie di 3 pannelli solari termici per una superficie totale di 7.54 metri quadrati; si prevede già un ampliamento a 5 pannelli, per aumentare la potenza dell impianto. Tali pannelli sono installati sul tetto soprastante il laboratorio di energia, e sono di marca WALLNOFER. Ogni pannello misura 1.07x2.35 metri, con uno spessore di 8.8 centimetri, ed ha una capacità di 1.72 litri. 2 - PANNELLI SOLARI TERMICI PANNELLO PILOTA Sul tetto, a fianco dei pannelli solari termici è installato il pannello pilota, costruito da noi ad inizio anno e costituito da una sonda posizionata a contatto di una superficie captante dalle stesse caratteristiche dei pannelli, che ha il compito di rilevare la temperatura massima raggiungibile dai pannelli solari. Una seconda sonda è posizionata sul retro del pannello, in ombra, e misura la temperatura dell aria (ambiente). 3 - PANNELLO PILOTA Il pannello pilota è molto importante, poiché grazie ai dati ricevuti da esso è possibile ricavare, tramite una semplice operazione, il punto di funzionamento, cioè la temperatura teoricamente raggiunta dall acqua circolante nei pannelli solari termici. Il punto di lavoro si trova a metà strada fra la condizione che vede l acqua circolante nei pannelli alla temperatura massima ed un rendimento pari allo 0%, e la condizione che presenta rendimento pari al 100% ma una temperatura dell acqua così bassa da renderla inutilizzabile. 3.A - SONDA TEMPERATURA PANNELLO 3.B - SONDA TEMPERATURA ARIA La temperatura di funzionamento da noi ipotizzata è data per il 50% dalla temperatura dei pannelli e per il 50% dalla temperatura dell aria esterna. T FUNZ = (T pann x 0.5) + (T aria x 0.5) - 5 -

6 CIRCUITI IDRAULICI 4.A - POMPA CIRCUITO SERBATOIO A collegare serbatoio e pannelli solari termici vi è un sistema idraulico composto da due circuiti diversi. E importante infatti specificare che l acqua circolante nei pannelli e l acqua contenuta nel serbatoio (usata per il riscaldamento dell utenza) sono diverse: la prima infatti è demineralizzata (per evitare la formazione di calcare), in pressione (per evitare l ebollizione) e con l aggiunta di antigelo (per evitare il congelamento), la seconda è acqua comune. I due circuiti dell acqua (che chiamerò circuito pannelli e circuito serbatoio) sono a circolazione forzata, per mezzo di due pompe; la pompa del circuito serbatoio è azionata da un motore asincrono trifase, la pompa del circuito pannelli da un motore asincrono mono-bifase B - POMPA CIRCUITO PANNELLI (IN ALTO A DESTRA IL POLMONE D ARIA CHE MANTIENE IL CIRCUITO IN PRESSIONE) SCAMBIATORE DI CALORE L energia termica è in grado di trasferirsi dall acqua circolante nei pannelli a quella nel serbatoio grazie ad uno scambiatore di calore, nel quale le due diverse acque circolano l una accanto all altra, senza mischiarsi, in direzioni opposte; in tal modo il calore si trasferisce da un circuito all altro, con un salto medio di temperatura, da un circuito all altro, di circa 5 gradi. L acqua in ingresso nello scambiatore dal lato serbatoio, invece, si scalda attraverso esso di circa 10 gradi. 5 - SCAMBIATORE DI CALORE - 6 -

7 PRESE DI PRELIEVO ED IMMISSIONE Ho già parlato della stratificazione quale principio che permette il funzionamento del sistema; tale stratificazione avviene grazie ad una serie di 6 prese poste a distanza regolare (circa 50 cm) l una dall altra lungo il lato del serbatoio. Ciascuna presa è collegata ad un diffusore ad anello posto all interno del serbatoio, al fine di evitare la creazione di moti e turbolenze nell acqua durante la fase di immissione o di prelievo, in grado di disturbare la stratificazione del liquido (tale sistema di diffusori è stato studiato ed installato dai ragazzi creatori del sistema di utilizzo). 6.B - PRESE DI PRELIEVO/IMMISSIONE VALVOLE MOTORIZZATE Per rendere possibile la fisica fase di immissione e prelievo sono installate 6 valvole motorizzate a 3 vie, in grado di posizionarsi su 3 diverse posizioni: - La prima porta alla chiusura della via inferiore, utilizzata dalla valvola corrispondente alla presa di immissione dell acqua (1) - La seconda porta alla chiusura della via superiore ed è utilizzata dalla valvola corrispondente alla presa di prelievo (2) - La terza posizione chiude la via che conduce alla presa di immissione prelievo, in tal modo la presa stessa viene scavalcata (3) 6.B - SCHEMA DI UNA VALVOLA MOTORIZZATA IN CUI SI VEDONO LE 3 DIVERSE POSIZIONI ASSUNTE DALLA STESSA E IL RELATIVO PERCORSO SEGUITO DALL ACQUA - 7 -

8 SONDE DI TEMPERATURA Per funzionare in modo regolare il sistema necessita di una serie di sensori, che siano in grado di fornire al computer le informazioni necessarie al suo funzionamento. Per questo motivo sono installate 17 diverse sonde di temperatura, con le seguenti distinzioni: 7.A - ASTE PORTASONDE (UNA INSTALLATA PER IL CIRCUITO UTILIZZATORE REALIZZATO DAGLI UNIVERSITARI) - 11 sonde (di tipo NTC) sono posizionate sul lato del serbatoio lungo tutta la sua altezza, in corrispondenza delle 6 prese ed a una distanza intermedia fra esse; queste sonde hanno il compito di rilevare la temperatura dei diversi strati d acqua che si vengono a creare all interno del serbatoio. Per rendere possibile l intervento su di esse anche dopo l installazione dell isolante le sonde sono fissate ad un asta (cosiddetta asta portasonde), posizionata all interno di una canalina e pressata contro il serbatoio da una sorta di camera d aria riempita d acqua. A pressare fisicamente contro il serbatoio non sono le sonde, ma dei blocchetti di alluminio che fanno da conduttore termico. Questo sistema di fissaggio è stato realizzato da noi stessi. 7.B - PARTICOLARE DELL ASTA PORTASONDE, CONDUTTORE TERMICO (BLOCCHETTO DI ALLUMINIO) E SONDA DI TEMPERATURA NTC - 2 sonde (di tipo PT 1000) sono collocate a contatto dei tubi del circuito pannelli, una all entrata ed una all uscita dei pannelli solari termici, per misurare la temperatura di entrata ed uscita dell acqua stessa da essi. - 2 sonde (anch esse di tipo PT 1000) sono invece situate all entrata ed all uscita dello scambiatore di calore, sul circuito serbatoio, per verificare il riscaldamento effettivo dell acqua. Queste e le precedenti 2 sonde sono foderate da uno strato di lamina di alluminio per favorire lo scambio termico tra conduttura e sonda ed uno strato di isolante, realizzato con semplice polietilene a bolle d aria, allo scopo di ridurre al minimo la dispersione termica verso l esterno. 7.C - SONDA PT 1000 (CON LAMINA DI ALLUMINIO) - 2 sonde (sempre di tipo PT 1000) compongono infine il pannello pilota, come illustrato in precedenza

9 COMPUTER MULTIMETRO E QUADRO ELETTRICO Il cervello dell intero sistema è un computer, con sistema operativo DOS, che facciamo funzionare nel ruolo di PLC, acquisendo i dati i dati attraverso un multimetro e regolando il sistema di conseguenza. Il computer opera attraverso un ciclo di lavoro: acquisisce i dati relativi alle temperature delle posizioni delle diverse sonde, i dati sulle condizioni di lavoro delle pompe e sulla posizione delle elettrovalvole; dopodiché decide le nuove condizione di lavoro in cui far funzionare il sistema e di conseguenza modifica la posizione delle valvole di immissione e prelievo, e eventualmente spegne o accende le pompe. 8 - COMPUTER E MULTIMETRO 9 - QUADRO ELETTRICO Per poter fisicamente permettere lo scambio di informazioni fra le sonde ed il multimetro e trasmettere i comandi alle valvole motorizzate ed alle pompe abbiamo installato un quadro elettrico, contenente: -interruttore magnetotermico differenziale da 16 A - trasformatore 230/24 V, per l alimentazione dei relè - condensatore e ponte di diodi, al fine di ottenere corrente continua - scheda elettronica composta da 8 relè che ricevono i comandi dal PC tramite porta parallela - 10 relè 24 V DC 4 contatti, 10 relè 24 V DC 3 contatti e 2 relè 24 V AC 3 contatti; i relè, opportunamente disposti in serie ed in parallelo ed accesi o spenti mediante i segnali che arrivano dal computer, provvedono a indirizzare il segnale verso un uscita, che sia una sonda, una valvola motorizzata o una pompa, sempre diversa - 1 teleruttore e un relè termico, per il comando della pompa del circuito serbatoio - canaline passacavi, per un maggior ordine Abbiamo provveduto anche ad installare un adeguato sistema di distribuzione dei cavi: canaline metalliche per la posa dei cavi di comando delle valvole motorizzate e delle pompe, tubi per la posa dei cavi per il segnale delle sonde. IMPIANTO DI ACCUMULO NEL SUO COMPLESSO (ESCLUSI NATURALMENTE I PANNELLI SITUATI SUL TETTO E L ISOLANTE TERMICO) È stato inoltre installato un termostato che, facendo da sistema di sicurezza avvia la pompa del circuito serbatoio se la temperatura del circuito pannelli supera i 70 gradi. Questo durante la fase attuale, in cui non è operativo il programma di controllo delle pompe e delle valvole, al fine di evitare che l acqua del circuito pannelli non scambiando abbastanza calore arrivi a temperature troppo elevate e vada a ebollizione

10 LA STRATIFICAZIONE, IL FUNZIONAMENTO Durante il funzionamento la parte di impianto preposta alla stratificazione opera nel seguente modo: il computer che controlla il sistema determina ermina a quale temperatura esso può ottimamente funzionare e, in base ad essa, riscalda l acqua attraverso dei pannelli solari termici. Dal serbatoio l acqua, stratificatasi in base alla temperatura, viene prelevata ad immessa attraverso 2 diverse prese sulle 6 disponibili. L acqua entra nello scambiatore di calore e qui si riscalda, come già illustrato grazie alla parallela circolazione di acqua a temperature elevate proveniente dai pannelli solari termici. È necessario ricordare che tra la temperatura dell acqua circolante nei pannelli e quella proveniente dal serbatoio si instaura un salto termico di 5-10 gradi; inoltre l acqua, se fatta scorrere in modo continuativo nello scambiatore, si scalda di circa 10 gradi ma può esserci un maggiore riscaldamento se essa circola ad intervalli inframmentati da pause (durante le quali la temperatura dell acqua circolante nei pannelli sale notevolmente). Per comodità di esposizione dividerò il funzionamento in alcuni step,, che cercherò di illustrare attraverso un esempio. - STEP A Un qualsiasi giornata il computer, iniziando il ciclo di lavoro, determina, attraverso il pannello pilota, il punto di funzionamento del sistema,, cioè la temperatura a cui si scalda l acqua circolante nei pannelli, ad esempio 76 gradi. Una volta trovato il punto di funzionamento, considerando lo scarto fra la temperatura dell acqua nel circuito pannelli e quella nel circuito serbatoio calcola a che temperatura teoricamente il sistema può riscaldare l acqua contenuta nel serbatoio: 76-5 = 71 gradi. - STEP B A quel punto imposta: - come valvola di immissione quella alla cui altezza si registra la temperatura più vicina a 70 gradi ma minore o uguale ad essa, che nel caso dell esempio è la seconda dall alto, a cui si registra una temperatura di 70 gradi; - come valvola di prelievo quella immediatamente sotto alla prima, a cui si registra una temperatura diversa (se lo strato fosse esteso in altezza, potrebbero esserci più prese alla cui altezza l acqua ha la stessa temperatura); nel nostro esempio strato possiede una temperatura di 55 gradi. - STEP C Adesso il sistema presenta (dal lato serbatoio) una temperatura di 55 gradi all entrata dello scambiatore, e lo strato relativo alla presa di immissione a 70 gradi. Se facessimo scorrere in modo continuativo l acqua nello scambiatore, nonostante la temperatura di uscita teorica sia di 71 gradi, esso la scalderebbe fisicamente di circa 10 gradi, quindi ad una temperatura di 65 gradi (55+10); è perciò non conveniente immettere l acqua cosi scaldatasi nello strato a 70. il computer per questo motivo, rilevando che la temperatura non è abbastanza elevata attraverso una sonda di temperatura posta all uscita dello scambiatore, spegne la pompa del circuito serbatoio, lasciando invece accesa quella del circuito pannelli; l acqua in tale circuito, circolando senza scambiare calore, aumenterà di temperatura

11 - STEP D Il computer a questo punto deve determinare quando è conveniente riavviare la pompa perché l acqua del circuito serbatoio possa essere immessa nello strato a 70 gradi; la sonda posta all uscita dello scambiatore diventa inaffidabile se la pompa è spenta, perciò utilizza la sonda posta all uscita dei pannelli solari termici. Il computer ha già acquisito che il salto termico fra presa di prelievo e presa di immissione si attesta pari a 15 gradi, calcola perciò la differenza fra reale ed ideale salto termico (15-10=510=5 gradi) e lascia scorrere l acqua nel circuito pannelli fino a che la temperatura di quest ultima non si è innalzata della differenza appena misurata (inizialmente l acqua raggiungeva una temperatura di 76 gradi, il computer la lascia scorrere fino a far aumentare la sua temperatura a 76+5=81 gradi). A quel punto il computer riavvierà la pompa del circuito serbatoio ed il sistema avrà le seguenti condizioni di funzionamento: - acqua nel circuito pannelli è alla temperatura di 81 gradi all entrata dello scambiatore; - acqua nel circuito serbatoio è alla temperatura di 55 gradi all entrata dello scambiatore; - acqua nel circuito serbatoio è alla temperatura di 70 gradi all uscita dello scambiatore; Durante il funzionamento i circuiti scambieranno calore che verrà immagazzinato nel serbatoio, quando le temperature torneranno ad abbassarsi, il computer monitorandole ndole fermerà di nuovo la pompa in modo da garantire la produzione di acqua solamente alla temperatura voluta; nello stesso modo se dovesse cambiare il punto di funzionamento e si rivelasse non più conveniente produrre acqua a 70 gradi, il computer modificherebbe le prese di immissione e prelievo del serbatoio, adeguando di conseguenza il resto del sistema. LA STRATIFICAZIONE, CONCLUSIONI Analizzando il progetto da noi realizzato, è chiara l innovazione da esso rappresentata, per i due aspetti peculiari che lo caratterizzano: - la capacità di conservare il calore prodotto per lunghi periodi,, che risponde ad un importante necessità presentata di alcuni tipi di utenze; - la capacità di immagazzinare tale calore secondo una logica ben precisa, che consente di immagazzinare quantità di energia notevoli ed allo stesso tempo soddisfa il bisogno di avere a disposizione acqua a temperature elevate, caratteristica non comune agli altri tipi di accumulatore termico;