PLUS Comune di Monterotondo (RM) Intervento n 3: Nuova sostenibilità del verde

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2 0 Indice 0 Indice Premessa Introduzione Normativa Principi di calcolo e dimensionamento Dimensionamento cavi Cadute di tensione Dimensionamento conduttori di neutro Dimensionamento conduttori di protezione Calcolo della temperatura dei cavi Calcolo dei guasti Calcolo delle correnti massime di cortocircuito Calcolo delle correnti minime di cortocircuito Impianto elettrico - componenti principali Quadro elettrico Supporto Infrastrutturale Forza motrice Conduttori elettrici Impianto interno padiglione Impianto illuminazione esterna Viali e camminamenti Zona barbecue Impianto di terra Impianto fotovoltaico Premessa Ipotesi generali Stima del fabbisogno dell utenza Stima dell energia producibile Scelta della tipologia d impianto Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 2

3 1 Premessa La presente relazione tecnica è inerente le opere elettriche a servizio della riqualificazione di un parco per bambini e svago sito in Monterotondo Scalo. L impianto trae origine dal punto di consegna dell Ente erogatore posto tra il limite di confine del parco e via Salaria e alimenta l illuminazione notturna dei camminamenti verso il padiglione (piccola costruzione adibita a varie attività) lato via Val Pusteria e sul fronte prospiciente via Salaria. Alimenta inoltre illuminazione e forza motrice del padiglione stesso, l illuminazione della casetta di allattamento bimbi (adiacente la zona giochi); viene inoltre predisposta l illuminazione della zona barbecue e del campo di bocce. Particolare cura è stata disposta nella scelta energetica dei corpi illuminanti, tutti con possibilità di montare lampade del tipo a led a basso consumo. L impianto è completato da una serie di pannelli fotovoltaici per cui è prevista l interconnessione con la rete e che consentono, in condizioni normali di funzionamento, l autosostentamento energetico. 2 Introduzione Gli impianti/dispositivi oggetto della presente relazione sono riassunti in: Quadro elettrico generale di potenza a servizio dell impianto elettrico e sottoquadri; Impianto elettrico di forza motrice e illuminazione del padiglione a partire dal quadro fino alle utenze e impianto di illuminazione casetta allattamento; Impianto di alimentazione illuminazioni esterne; Impianto di terra; Impianto fotovoltaico. 3 Normativa Tutti gli impianti, i materiali e le apparecchiature devono essere realizzate a regola d arte, come prescritto dalle leggi n.186 del 01/03/68 e dal D.M. n. 37/08 e successive modificazioni. Le caratteristiche degli impianti e dei loro componenti devono essere conformi: alle Norme CEI; alle prescrizioni dei VV.F. e delle Autorità Locali; alle prescrizioni e alle indicazioni dell Ente erogatore dell energia elettrica, per quanto di loro competenza nei punti di consegna. Le principali Leggi e Decreti alle quali ci si deve attenere nella realizzazione degli impianti sono: D.P.R. n 547 del 15/04/55: Norme per la prevenzione degli infortuni sul lavoro e s.m.i.. Legge 186 del 01/03/68: Disposizioni concernenti la produzione di materiali, apparecchiature, macchinari, installazione ed impianti elettrici ed elettronici; Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 3

4 Legge 791 del 18/10/77: D.M. del 10/04/84: Attuazione alla direttiva del consiglio della Comunità Europea (n 73/23/CEE) relativa alle garanzie di sicurezza che deve possedere il materiale elettrico destinato ad essere utilizzato entro alcuni limiti di tensione. Eliminazione dei radiodisturbi. D.M.37 del 22/01/08: Regolamento attuazione della Legge 248 del 02/12/05 - Norme per la sicurezza degli impianti. Per quanto concerne le Norme CEI, devono essere ottemperate le disposizioni contenute nelle seguenti Norme: CEI 3-14 CEI 3-15 CEI 3-19 CEI 3-20 CEI 3-23 CEI 64-8 e varianti CEI CEI CEI 64-9 CEI Principi di calcolo e dimensionamento Nel seguito sono esposti i principi e le formule di calcolo che sono state adottate nel dimensionamento degli impianti oggetto della presente relazione; i risultati, in termini di corrente nominale, sfasamento, valori della corrente di corto circuito, bilanciamento delle fasi, cadute di tensione (poste inferiori al 4%), sono riassunti nell elaborato contenente gli schemi elettrici unifilari. E stato adottato un coefficiente di sicurezza pari a 1.1 e la temperatura massima imposta è di 30 C. 4.1 Dimensionamento cavi Il dimensionamento dei cavi è eseguito secondo la tabella CEI UNEL (IEC ), in modo da garantire la protezione della conduttura alle correnti di sovraccarico. In base alla norma CEI 64-8/4 il dispositivo di protezione deve essere coordinato con la conduttura in modo tale che siano soddisfatte le condizioni: a) I b < I n <I z b) I f <1.45 I z Per soddisfare la condizione a è necessario dimensionare il cavo in base alla corrente nominale della protezione a monte (valori normalizzati) e con questa si procede alla scelta della sezione. La scelta viene fatta in base alla tabella che riporta la corrente ammissibile I z in funzione del tipo di isolamento del cavo che si vuole utilizzare, del tipo di posa e del numero di conduttori attivi; la portata che il cavo dovrà avere sarà pertanto: a) I z minima = I n /k Dove il coefficiente K di declassamento tiene conto anche di eventuali paralleli. La sezione viene scelta in modo che la sua portata (moltiplicata per il coefficiente K) sia immediatamente superiore Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 4

5 a quella calcolata tramite la corrente nominale (I z minima). Gli eventuali paralleli vengono calcolati, nell' ipotesi che essi abbiano tutti la stessa sezione, lunghezza, posa, etc. (par.433.3), considerando la portata minima come risultante della somma delle singole portate( declassate dal numero di paralleli nel coefficiente di declassamento per prossimità ). La condizione b non necessita di verifica in quanto gli interruttori che rispondono alla norma 23.3 IV Ed. hanno un rapporto tra corrente convenzionale di funzionamento I f e corrente nominale I n minore di 1,45. Ne deriva che in base a queste normative la condizione b sarà sempre soddisfatta. Le condutture dimensionate con questo criterio sono pertanto protette contro le sovracorrenti. Dalla sezione del cavo di fase deriva il calcolo dell'i 2 t del cavo o massima energia specifica dal cavo come: I 2 t K 2 S 2 La costante K viene data dalla norma 64-8/4 (par ), in funzione del materiale conduttore e del materiale isolante: Conduttore in rame e isolato in PVC K= 115 Conduttore in rame e isolato in gomma G: K= 135 Conduttore in rame e isolato in gomma etilenpropilenica G5-G7: K= 143 Conduttore in alluminio e isolato in PVC K= 74 Conduttore in alluminio e isolato in G, G5-G7: K= Cadute di tensione Le cadute di tensione sono valutate in base alle tabelle UNEL La caduta di tensione da monte a valle (totale) di un'utenza viene determinata tramite la somma delle cadute di tensione, assolute di un solo conduttore, dei rami a monte all'utenza in esame, da questa viene successivamente determinata la caduta di tensione percentuale riferendola al sistema (trifase o monofase) e alla tensione nominale dell'utenza in esame. 4.3 Dimensionamento conduttori di neutro La norma CEI 64-8 prevede che la sezione del conduttore di neutro, nel caso di circuiti polifase, può avere una sezione inferiore a quella dei conduttori di fase se sono soddisfatte le seguenti condizioni: il conduttore di fase abbia una sezione maggiore di 16 mm 2 ; La massima corrente che può percorrere il conduttore di neutro non sia superiore alla portata dello stesso; La sezione del conduttore di neutro sia almeno uguale a 16 mm se conduttore in rame e 25 mm 2 se conduttore in alluminio. Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 5

6 Nel caso in cui si abbiano circuiti monofasi o polifasi con sezione del conduttore di fase minore di 16 mm 2, se conduttore in rame, e 25 mm 2, se conduttore in alluminio, il conduttore di neutro deve avere la stessa sezione del conduttore di fase. Il criterio consiste nel calcolare la sezione nel calcolare secondo il seguente schema: S n = S f se <16 mm 2 S n =16 mm 2 se 16< = S f < = 35 mm 2 S n = S f /2 se S f > 35 mm Dimensionamento conduttori di protezione Le norme CEI 64.8 prevedono due metodi di dimensionamento dei conduttori di protezione: Determinazione in relazione alla sezione di fase; Determinazione tramite calcolo. Il metodo adottato in questo progetto è la determinazione in relazione alla sezione di fase. 4.5 Calcolo della temperatura dei cavi La valutazione della temperatura dei cavi viene fatta alla corrente di impiego e alla corrente nominale, tramite la seguente espressione: T cavo = T ambiente + [a cavo (I b /I z )] T cavo = T ambiente + [a cavo (I n /I z )] Espresse in C. Esse derivano dalla considerazione che la sovratemperatura del cavo a regime è proporzionale alla potenza in esso dissipata. Il coefficiente a cavo tiene conto del tipo di isolamento del cavo e dal tipo di posa che si adotta. 4.6 Calcolo dei guasti Il calcolo dei guasti viene fatto in modo da determinare le correnti di cortocircuito minime e massime immediatamente a valle della protezione (inizio linea) e a valle dell'utenza (fine della linea). Le condizioni in cui vengono determinate sono: Guasto trifase (simmetrico) Guasto fase fase (asimmetrico) Guasto fase terra (asimmetrico) Ztot R Vn S T Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 6

7 I valori della corrente di corto circuito trifase vengono calcolati dividendo la tensione di fase dell impianto per la sommatoria di tutte le impedenze precedentemente analizzate: I!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! [A] Corto circuito fase-fase Vn Ztot R S T I!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! [A] Corto circuito fase-neutro Vn Ztot R S T N Zn Dove: R n : resistenza totale del conduttore di neutro [Ω] X n : reattanza totale del conduttore di neutro [Ω] Corto circuito fase-conduttore di protezione Ztot I!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! [A] R Vn S T PE Zpe I!!"!!"!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!"! [A] R pe : resistenza totale del conduttore di protezione [Ω] X pe : reattanza totale del conduttore di protezione [Ω] Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 7

8 4.7 Calcolo delle correnti massime di cortocircuito Il calcolo viene eseguito nelle seguenti condizioni: a) la tensione nominale deve essere moltiplicata per il fattore di tensione pari a 1; b) l'impedenza di guasto minima è calcolata alla temperatura di 20 C. 4.8 Calcolo delle correnti minime di cortocircuito Le correnti di cortocircuito minime vengono calcolate come descritto nella norma CEI (par. 9.3), pertanto tenendo conto che: la tensione nominale deve essere moltiplicata per il fattore di tensione di 0.95 (tab. 1 della norma CEI 11.25); la resistenza diretta e quella omopolare dei cavi, vengono determinate alla temperatura ammissibile dagli stessi alla fine del cortocircuito. La temperatura alla quale vengono calcolate le resistenze sono date dalla norma CEI 64-8/4 (par ) in cui vengono indicate le temperature massime ammesse in servizio ordinario a seconda del tipo di isolamento di cavo, precisamente: isolamento in PVC T max = 70 C isolamento in G T max = 85 C isolamento in G7 T max = 90 c 5 Impianto elettrico - componenti principali 5.1 Quadri elettrici Il quadro elettrico generale contenente le apparecchiature di sezionamento, di protezione e di comando per la distribuzione dell energia elettrica, è posto all interno del padiglione; deve essere ubicato in posizione visibile, segnalata e facilmente identificabile. Le apparecchiature all interno sono elencate e descritte nello schema unifilare (vedi elaborato specifico). Data l ubicazione territoriale se ne prescrive il grado di protezione non inferiore a IP65 e sarà realizzato in materiale plastico; dovrà contenere tutte le protezioni e i dispositivi di controllo nonché delle opportune riserve per futuri ampliamenti. Dal quadro menzionato vengono alimentati anche piccoli quadri locali a servizio rispettivamente della casetta allattamento e della pompa di irrigazione posta adiacente un pozzo presente. 5.2 Supporto Infrastrutturale E l insieme di canalizzazioni, tubazioni, cassette e scatole di derivazione, pozzetti interrati, ecc., che costituiscono il sistema infrastrutturale portante degli impianti elettrici. Il sistema di supporto infrastrutturale comprende gli elementi (canalizzazioni, tubazioni etc..) necessari al passaggio dei circuiti di alimentazione elettrica delle linee dorsali delle condutture elettriche di potenza ed eventualmente di segnale di tutti gli impianti. Sia per l alimentazione principale del quadro generale che per le distribuzioni alle utenze è utilizzato del cavo tipo FG7OR che consente anche la posa a vista. Ciò nonostante i tratti interrati saranno Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 8

9 disposti in tubazione di PVC flessibile tipo pesante, mentre eventuali tratti a vista esterni saranno all interno di cavidotti in PVC rigido tipo pesante. Considerato il collocamento dell attività, soggetto a possibili esondazioni, si prescrive il grado di protezione IP65 come minimo fino a quote 100 cm dal piano di calpestio. 5.3 Forza motrice L impianto di forza motrice comprende i punti di alimentazione elettrica delle prese all interno del padiglione. Alimentazione dedicata è predisposta per il gruppo frigorifero a pompa di calore che sarà installato nel padiglione la cui moto condensante è posta esternamente sulla copertura. Non sono previste ulteriori utenze. 5.4 Conduttori elettrici Per la realizzazione dell'impianto si utilizzano cavi elettrici multipolari flessibili in rame con isolamento in gomma EPR del tipo FG7OR sia per la dorsale di alimentazione del quadro elettrico generale che per la distribuzione alle utenze. 6 Impianto interno padiglione e casetta allattamento L impianto interno è composto essenzialmente da un quadro elettrico di protezione sezionamento e controllo che alimenta anche i circuiti esterni, ed una serie di alimentazioni alle utenze. Le alimentazioni presenti sono l illuminazione interna, le prese forza motrice presenti e una alimentazione dedicata al gruppo condizionatore la cui motocondensante e posta sulla copertura del locale. L alimentazione presente nella casetta allattamento è la sola l illuminazione interna. Esternamente a tale casetta è posto un involucro chiuso contenente 2 prese interbloccate per possibili attività esterne. 7 Impianto illuminazione esterna 7.1 Viali e camminamenti Dal quadro generale interno al padiglione partono due alimentazioni dedicate ai due camminamenti previsti di illuminazione. Sono disposti dei pozzetti interrati rompi tratta a distanze tra i 6 e 10 metri max. I corpi illuminanti, disposti su palo altezza cm sono del tipo con lampade LED a basso consumo, con temperatura di colore 3100 K e risultano di luce bianca calda ; ognuno dei corpi ha flusso luminoso pari a 480 lm ed una potenza impegnata di 6 W (vedi calcolo illuminotecnico). Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 9

10 7.2 Zona barbecue e campo bocce E prevista la sola predisposizione, a partire dal quadro generale interno al padiglione, dell illuminazione dedicata alle quattro postazioni BBQ. Sono disposti dei pozzetti interrati rompi tratta a distanze tra i 6 e 15 metri max. E prevista la sola predisposizione, a partire dal quadro generale interno al padiglione, dell illuminazione dedicata al campo di bocce. Sono disposti dei pozzetti interrati rompi tratta a distanze tra i 6 e 15 metri max. 8 Impianto di terra L impianto di terra è composto essenzialmente dal nodo di terra (barra di rame inserita direttamente su profilato DIN nel quadro elettrico generale), dal conduttore di terra, che collega il nodo fino ai dispersori posti nel parco lungo il tracciato di alimentazione dell illuminazione, dai dispersori di terra realizzati con palina ramata di lunghezza non inferiore a 1,5 m e deve essere realizzato secondo le prescrizioni della CEI Il collegamento tra i vari dispersori è realizzato per mezzo di una treccia di rame nudo da 35 mm 2 direttamente interrata a realizzare anch essa organo dispersione. 9 Impianto fotovoltaico Sulla copertura del padiglione sono presenti una serie di travi di legno che consentono l ancoraggio di pannelli fotovoltaici. Il dispositivo inverter sarà alloggiato adiacente il quadro elettrico generale all interno del padiglione, ove presumibilmente troverà posto il contatore di energia prodotta dal sistema. Si evidenzia che in fase di realizzazione devono essere rispettate tutte le indicazioni disposte dell Ente erogatore e dal GSE in tema di scambio di energia; l Esecutore dell impianto deve farsi carico di tutte le prescrizioni imposte per la realizzazione dell impianto e per l attivazione del punto di scambio. 9.1 Premessa Il progetto di un sistema fotovoltaico raccoglie l insieme delle elaborazioni tecniche necessarie per passare dalla sua ideazione alla sua realizzazione esecutiva. In esso confluiscono i dati e le informazioni che devono servire da premessa alle fasi di dimensionamento e selezione dei componenti, di messa in opera, gestione e manutenzione dell impianto. Si noti che la progettazione di un impianto fotovoltaico si distingue per molti fattori dalle classiche progettazioni impiantistiche, innanzitutto a causa della variabilità della fonte principale, cioè l energia solare, la quale non può in nessun modo essere prevista con precisione e senza applicare margini di tolleranza. Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 10

11 9.2 Ipotesi generali Le differenti fasi in cui sono state articolate le operazioni di pianificazione per la realizzazione dell impianto fotovoltaico sono appresso riportate: calcolo del fabbisogno dell utenza da servire; determinazione della risorsa solare annua; dimensionamento e verifica del generatore; dimensionamento dei sistemi di accumulo; dimensionamento degli inverter; progetto degli altri elementi costituenti l impianto e delle interazioni con altri impianti Stima del fabbisogno dell utenza L impianto fotovoltaico va sempre dimensionato in funzione della tipologia di utenza e dei suo consumi. A tal fine, diviene necessario determinare con precisione la natura e consistenza dei fabbisogni da soddisfare con l impianto fotovoltaico, oltre alla loro distribuzione giornaliera ed anche annua. Infatti, risulta particolarmente utile capire se può essere sfruttato un certo parallelismo tra necessità di consumo e disponibilità di radiazione solare; in caso affermativo l efficienza del sistema migliora notevolmente, limitando le perdite di stoccaggio e di distribuzione. Sinteticamente, il consumo dell utenza può essere espresso nella seguente forma: = Σ i E Pi τ i essendo Pi e τi rispettivamente la potenza elettrica espressa in W e il tempo di funzionamento annuo dell i-esimo apparecchio. Generalmente i dati che più interessano nella progettazione dell impianto fotovoltaico riguardano l entità del carico complessivo nei giorni medi mensili (kwh/giorno) e su base annua (kwh/anno) Stima dell energia producibile L energia annua producibile Epv dell impianto fotovoltaico viene fornita dalla seguente espressione analitica: Epv =ηpv Apv H essendo: η pv l efficienza complessiva di conversione dell impianto fotovoltaico; A pv l area occupata dall insieme dei moduli che compongono il generatore, espressa in m 2 ; H l irradiazione solare annua incidente sulla superficie dei moduli, espressa in kwh/m 2. La medesima relazione può essere scritta per un periodo temporale diverso dall anno, ad esempio per il singolo giorno, esprimendo Epv in kwh/giorno e H in kwh/(m 2 x giorno). La disponibilità di Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 11

12 energia solare subisce notevoli variazioni giornaliere, mensili ed annuali; a tale scopo è necessario ricorrere a dati climatici relativi alla località in cui è situato l impianto. variabilità annua dell irraggiamento solare Inoltre, la quantità dell energia prodotta varia con gli angoli di inclinazione e di orientamento delle superfici captanti dei singoli moduli, oltre che da eventuali fenomeni di ombreggiamento artificiale. Si noti che, a sua vota, l efficienza complessiva di conversione dell impianto fotovoltaico ηpv dipende dall efficienza della componentistica non fotovoltaica del sistema (cablaggi, inverter, ecc), dei fenomeni di surriscaldamento dei pannelli, dalla riflessione parziale della radiazione incidente, dall efficienza di conversione, dalla formazione di depositi di polveri sui pannelli ed, infine, dall efficienza del singolo modulo ηmod. Allo stato attuale, con le tecnologie dei moduli al silicio cristallino, si può supporre che l efficienza complessiva di conversione dell impianto fotovoltaico η pv vari tra 0.09 e 0.11; per cui è lecito scrivere: E pv = 0.10 A pv H Ciò significa che si può considerare che l intero sistema produca una quantità di energia elettrica pari al 10% della radiazione solare intercettata dai suoi moduli. Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 12

13 9.2.3 Scelta della tipologia d impianto sistema grid connected Il sistema grid connected rappresenta la soluzione indubbiamente migliore per il fotovoltaico, in quanto viene caratterizzata da costi inferiori per l assenza di sistemi di accumulo e dalla massima flessibilità di impiego. L energia prodotta può essere utilizzata direttamente in loco oppure, se in eccesso rispetto al fabbisogno del momento, immessa in rete; quando il sistema fotovoltaico non supplisce interamente alle necessità o è inattivo (ore notturne), l utenza preleva normalmente elettricità dalla rete. Dunque, si nota come i criteri di dimensionamento dell impianto sono molto meno rigidi, essendo condizionati più che dalla potenza nominale necessaria, dalla disponibilità economica o dalla disponibilità di superficie di installazione dei pannelli e moduli fotovoltaici. Posto che la priorità del progetto è rappresentata dall auto sostentamento energetico dell insediamento ovvero dal quanta energia si vuol produrre, allora l incognita del problema è rappresentata dalla superficie necessaria per produrla: A pv min =11 E u /H min Area d'installazione 22,00 m 2 Inclinazione 30 Esposizione sud Potenza impianto 2,9 kwp Produzione stimata dell'impianto 4000 kwh / anno Secondo i calcoli della potenza impegnata e dell utilizzo medio previsto delle utenze i dati proposti appaiono come congrui per un auto sostentamento completo della realizzazione. Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 13

14 Infatti è da considerare che nonostante l adozione di corpi illuminanti a basso consumo, le alimentazioni destinate alla pompa irrigazione e il gruppo condizionatore costituiscono il costo energetico annuo più rilevante: Elettropompa 3 kw x 3 h x 200 gg/anno=1800 kwh/anno Condizionatore 1,5 kw x 4 h 100 gg /anno=600 kwh/anno Illuminazione notturna 0,3 kw x 10 h x 365 gg/anno=1095 kwh/anno Per un fabbisogno totale stimato di =3495 kwh/anno Caratteristiche tipiche del pannello fotovoltaico da utilizzare Dimensioni : 1500x668x46 mm Peso : kg Tipo di celle : silicio policristallino Potenza tipica : 135 Wp tolleranza +5% -5% Tensione con potenza : 17,7 Volt massima Intensità con potenza : 7,63 Ampere massima Connessioni : 1 scatola 'grid' con 2 connettori Tensione massima del : 1000 Volt sistema Tensione di circuito : 22,1 Volt aperto Intensità di cortocircuito : 8,37 Ampere Struttura esterna : cornice in Alluminio di colore nero Incapsulamento : vetro temperato / tedlar : 5 anni sui difetti di fabbrica, 20 anni sulla resa energetica con Garanzia massimo decadimento del 20% Certificazioni : IEC Classe II, CE Impianto elettrico e fotovoltaico - Relazione tecnica e principi di calcolo Pagina 14