Collettori solari. Prof.ssa Matilde Pietrafesa

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1 Prof.ssa Matilde Pietrafesa Università Mediterranea Reggio Calabria Dipartimento DIIES dell Informazione, delle Infrastrutture e dell Energia Sostenibile Collettori solari 04/04/2016 1

2 Generazione distribuita Energia solare in edilizia Produzione energia elettrica Riscaldamento edifici Produzione acqua calda sanitaria Raffrescamento edifici

3 Impianto a collettori solari Viene utilizzato per produrre acqua calda a temperatura che può raggiungere 80 C Le parti che lo compongono sono essenzialmente tre: serbatoio pompa pannello solare Il collettore solare: trasferisce il calore dalla luce solare all'acqua Il serbatoio: per contenere l'acqua La pompa: per la circolazione dell'acqua.

4 Collettore solare È formato da: una lastra nera (in rame, in acciaio) un sistema di tubazioni una superficie di vetro un involucro isolato lastra vetro involucro tubazioni

5 Componenti del collettore solare piano Assorbitore: ha la funzione di captare l energia solare e trasferirla sotto forma di energia termica al fluido che circola all interno Copertura trasparente: permette il passaggio della radiazione solare, ma è opaca alla radiazione emessa dalla piastra assorbente (con lunghezze d onda > 3 μm) Isolante: limita le dispersioni termiche Telaio: racchiude i componenti del collettore solare e costituisce la struttura di supporto REQUISITI Elevato isolamento termico Elevato assorbimento a (PIASTRA) Elevata trasparenza t (COPERTURA)

6 Il Collettore a tubi evacuati

7 Qualche altra immagine.

8 La risorsa solare: bilanci annuali

9 Posizionamento dei collettori Bisogna evitare l ombreggiamento reciproco fra i collettori L angolo di inclinazione alle nostre latitudini assume i valori:

10 Equazione di bilancio energetico Perdite per convezione Radiazione incidente Perdite per irraggiamento Acqua calda Radiazione riflessa Radiazione diffusa Perdite per conduzione I n = radiazione solare incidente A c = superficie utile del collettore τ = coeff di trasmissione della copertura = coefficiente di assorbimento della piastra q ut = calore trasferito al fluido termovettore q p = calore disperso verso l ambiente Acqua fredda Equazione di bilancio

11 Efficienza e potenza dispersa Efficienza del collettore solare: rapporto fra il calore utile trasferito al fluido ed il flusso solare totale disponibile : Potenza termica dispersa dal collettore (per convezione, conduzione e irraggiamento): t c : temperatura media del collettore t a : temperatura ambiente U L : coefficiente di perdita globale

12 Potenza utile Dal bilancio energetico del collettore determiniamo l espressione del calore utile trasferito al fluido: Si può riscrivere l efficienza del collettore:

13 I costruttori forniscono l efficienza nella forma: Efficienza η c o k 1 t mf I t n a k 2 t mf I t n a 2 t mf = temperatura media del fluido η 0, k 1 e k 2 sono riportati nella scheda tecnica ESTATE I sol = 800 t a = 30 C t mf = 70 C t mf I t sol a η = 0.6 INVERNO I sol = 500 t a = 10 C t mf = 60 C t mf I t sol a η = 0.35

14 Confronto delle prestazioni c o k 1 t mf I n t a k 2 t mf I n t a 2 η 0 k 1

15 Confronto delle prestazioni in diverse condizioni climatiche Temperatura aria: 30 C Irraggiamento: 800 W/m 2 Temperatura aria: 20 C Irraggiamento: 500 W/m 2

16 Esempio di scheda tecnica Valori di default (UNI 11300/4)

17 Altri componenti di impianto Serbatoio di accumulo: immagazzina l acqua riscaldata dall energia solare per utilizzarla al bisogno. E isolato con spessori di mm. Ha dimensioni pari a litri/m 2 di superficie captante. Pompa: consente la circolazione nel circuito primario. La portata d acqua è l/h m 2 di superficie captante Fluido : miscela acqua-glicole (circa 10-20% in volume) con funzioni antigelo.

18 Schema di impianto L'acqua riscaldata dal pannello riscalda, attraverso uno scambiatore di calore, l'acqua da utilizzare per scopi sanitari, contenuta nel serbatoio. Dal serbatoio partono due circuiti idraulici separati: quello per scopi sanitari e quello per il riscaldamento. Se l acqua accumulata n serbatoio (parte alta, dov avviene il preliev ha una temperatura inferiore quella desiderata, si attiva u sistema ausiliario (caldai resistenza elettrica) p raggiungere tale temperatura.

19 Circolazione naturale/forzata Gli impianti a circolazione naturale sono molto più semplici ed economici, ma il serbatoio deve essere posizionato più in alto dei collettori per consentire la circolazione In un impianto a circolazione forzata il circuito primario contiene una serie di dispositivi di sicurezza e controllo.

20 Convezione naturale

21 Collegamento dei collettori Possono essere collegati in serie, ma in numero ridotto, per non avere portate troppo elevate attraverso il singolo collettore e perdite di carico eccessive. Collegamento serie/parallelo

22 Pannelli radianti L impianto può essere efficacemente utilizzato accoppiandolo con dei pannelli radianti per il riscaldamento ambiente, che necessitano di acqua calda a bassa temperatura.

23 Produzione di acqua calda sanitaria Fabbisogno quotidiano procapite di acqua calda: 60 litri Temperatura acqua calda: 50 C Energia necessaria: 2,5 kwh In un anno: 800 kwh Insolazione media (sud Italia): 1863 kwh/m 2 anno Efficienza collettore: 60% Produzione: 1120 kwh/m 2 anno 1m 2 copre più del fabbisogno annuo di acqua calda di una persona Costo dell impianto circa 1000 /m 2

24 Dimensionamento della superficie captante E funzione dell irraggiamento solare del luogo e del fabbisogno termico Per effettuarlo ci si basa su esigenze di: soddisfacimento del carico minimizzazione del costo di gestione e di ammortamento dell impianto

25 Metodo F-Chart Consente di determinare l aliquota mensile f di fabbisogno (E) soddisfatta dall impianto solare in funzione di due parametri X ed Y, indicativi rispettivamente delle perdite e degli apporti di calore su collettore: A è un fattore di qualità del collettore e dello scambiatore di calore; S è la superficie captante al netto dell intelaiatura e dei supporti [m 2 ] U è la trasmittanza del collettore [W/m 2 C]; t a è la temperatura dell aria [ C]; τα è il prodotto tra i coefficienti di trasmissione ed assorbimento; I β è la radiazione solare media mensile incidente [Wh/m 2 day]

26 Fabbisogno di energia per il riscaldamento Il fabbisogno mensile di energia per il riscaldamento dell acqua sanitaria è dato da: E = (C p l p ΔT n g )/860 [kwh] C p è il calore specifico dell acqua (1 kcal/kg C) l è il consumo d acqua per famiglia al giorno (l/famiglia) p è il numero di persone ΔT è il salto termico tra l acqua calda e l acqua di rete n g è il numero dei giorni del mese

27 Frazione solare mensile La frazione solare mensile è quindi individuata in funzione di X ed Y utilizzando appositi diagrammi: Il suo valore può essere anche ottenuto per via analitica:

28 Grado di copertura annuale A partire dalla frazione mensile coperta dal sistema solare si può calcolare il grado di copertura annuale (rapporto tra l energia fornita annualmente dal sistema solare e il fabbisogno complessivo annuale dell edificio) 100% 90% 80% 70% 60% f ann 50% 40% 30% 20% 10% 0% superficie (m 2 )

29 Determinazione della superficie ottimale Il costo dell impianto integrato (convenzionale + solare) varia al variare della superficie dei collettori. Al suo crescere: a) aumenta il costo dei pannelli b) diminuisce il costo del combustibile dell impianto ausiliario. Esiste una superficie che rende minimo il costo complessivo dell impianto.

30 Net Present Cost NPC ( ) Esempio di determinazione della superficie ottimale Impianto ad integrazione Impianto tradizionale Superficie (m 2 )

31 Solar cooling L energia termica serve alla produzione del freddo, utilizzando cicli frigoriferi ad assorbimento.

32 Diffusione della tecnologia Attualmente questa tecnologia è in commercio solo con sistemi centralizzati che forniscono aria condizionata e/o acqua refrigerata ad un intero edificio o a vaste zone di esso. Sistemi di piccola taglia (2-4 kw) utilizzabili per la climatizzazione di singoli ambienti, non sono ancora disponibili sul mercato

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34 Esempio di profili annuali

35 Esempio di profili giornalieri

36 Coerenza tra fabbisogno e soleggiamento Radiazione solare Riscaldamento Raffrescamento

37 Solar cooling:schema semplificato Collettore solare Torre evaporativa Condizionatori Serbatoio accumulo Macchina ad ASSORBIMENTO Per l alimentazione sono necessarie temperature dell ordine degli C Pannelli solari sottovuoto

38 I Un calcolo di massima Collettori solari S Torre evaporativa η Condizionatori Q frig Serbatoio accumulo Macchina ad ASSORBIMENTO Pannello solare : S = 2 m 2 Irraggiamento I = 800 W/m 2 Q ISCOP 670 W Efficienza : η = 0.6 COP assorb. : COP = 0.7 frig