Bolzano, 10.10.2008 IMPIANTI SOLARI TERMICI IN QUALI CASI CONVENGONO E QUALI RISPARMI CONSENTONO? Energytech S.r.l. Dott. Ing. Georg Felderer Dott. Ing. Norbert Klammsteiner Via Negrelli 13-39100 Bolzano Tel. 0471 054040 Fax. 0471 054041 info@energytech.it www.energytech.it Per. Ind. Alfredo Forti
Quadro generale Concetti generali sull utilizzo dell energia solare funzionamento del collettore solare l orientamento l inclinazione Il dimensionamento di impianti termici solari: per la produzione di acqua calda sanitaria per riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria il raffrescamento solare
Consumo termico complessivo di un edificio I consumi energetici di un edificio si possono suddividere in: Fabbisogno termico per il riscaldamento dell edificio e la ventilazione igienica Fabbisogno di energia per il raffrescamento dell edificio Fabbisogno di calore per la produzione di acqua calda sanitaria
Fasi e livelli di risparmio energetico La riduzione del consumo energetico intervenendo sull involucro dell edificio Copertura del fabbisogno possibilmente con energia rinnovabile energia solare geotermia biomassa Applicazione di sistemi razionali di approvvigionamento energetico cogenerazine e trigenerazione recupero termico Applicazione tradizionale però al massimo dell efficienza caldaie a gas a condensazione
Il ruolo dell energia solare Energia solare è l energia più pulita disponibile ovunque in quantità complessivamente elevatissime gratuita
Le forme dell energia solare Tutte le risorse energetiche rinnovabili con l eccezione della geotermia e delle maree sono di natura solare: l idroelettrico l eolico il moto ondoso il fotovoltaico la biomassa lo sfruttamento termico del solare
La radiazione solare sulla terra a partire dalla radiazione globale extraterrestre potenza massima incidente su superficie orizzontale: 1000 W /m 2 potenza Incidente ed apporto mensile dipendono molto da latitudine, inclinazione ed orientamento
Principio di funzionamento di un collettore solare
Concetti generali di dimensionamento L orientamento dell impianto solare Esposizione possibilmente verso SUD: in funzione del posto di montaggio a disposizione in base ad esigenze di sfruttamento più mattutino o più invernale Tenere conto di possibili ombreggiamenti per edifici o piante vicini per montagne
Utilizzo di un impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria per la produzione di acqua calda sanitaria e per il riscaldamento per la produzione di acqua calda sanitaria per il riscaldamento e per il raffrescamento
La scelta ottimizzata di un impianto solare La dimensione ottimale di un impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria La dimensione ottimale di un impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria e l integrazione al riscaldamento
Grandezze caratteristiche di un impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria Grado di copertura del fabbisogno energetico per acqua calda sanitaria: = rapporto fra energia solare fornita dall impianto solare ed energia necessaria per la produzione di acqua calda sanitaria Grado di copertura del fabbisogno energetico complessivo: = rapporto fra energia solare fornita dall impianto solare ed energia termica complessiva necessaria per la produzione di acqua calda sanitaria e per il riscaldamento Grado di utilizzo dell impianto solare: = rapporto fra energia solare fornita dall impianto solare ed energia solare teoricamente disponibile
Da un grado di utilizzo elevato dipende: la resa economica dell investimento: se il grado di utilizzo è basso l investimento diventa esagerato il bilancio energetico fra energia impiegata per la costruzione dell impianto ed energia solare recuperata nell arco della vita dell impianto stesso
Resa economica di un impianto solare Parametri dai quali dipende la resa economica dell impianto solare: Grado di utilizzo dell impianto solare: Più grande è il grado di utilizzo, maggiore è il risparmio energetico specifico al m 2 Elevati gradi di utilizzo sono realizzabili: Per impianti di piccole dimensioni e perciò per impianti con bassi gradi di copertura A parità di superficie dei collettori aumentando la complessità e la bontà dei collettori come ad esempio impiegando collettori tubolari sotto vuoto o abbassando la temperatura di utilizzo Costo specifico dell investimento: Più complesso è l impianto e più elevati sono i costi specifici al m 2 dell impianto è necessaria un ottimizzazione
Calcolo tipo di un edificio residenziale con un impianto solare Definizione di dati climatici tipo Definizione di un collettore solare piano di media qualità e calcolo del rendimento medio in base alla temperatura esterna media Definizione di un edificio tipo residenziale con 4 appartamenti: Calcolo del fabbisogno di calore mensile per riscaldamento considerando tre tipi di edifici: Scarsamente isolato con valore U medio pari a 1,11 W/m²K Discretamente isolato con valore U medio pari a 0,59 W/m²K Molto isolato con valore U medio pari a 0,32 W/m²K Calcolo del fabbisogno di calore per la produzione di acqua calda sanitaria
Dati climatici di riferimento Andamento dei gradi giorno e della temperatura media esterna gradi giorno 800 700 600 500 400 300 200 100 0 723 691 606 19,4 18,8 16,5 489 507 13,9 13,1 8,2353 349 8,8 4,2 203 147 3,1-0,9-3,3 0 0 0-2,3 Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0 temperatura in C GT Tmed in C
Disponibilità dell energia solare Disponibilità di energia solare al m2 di csuperficie piana kwh/m2 200 180 160 140 120 100 80 60 61 79 121 145 169 175 184 165 142 107 60 48 40 20 0 gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre Rad. globale/m2 in kwh/m2
Resa dei panelli solari Rendimento medio mensile di un collettore piano di medie prestazioni 0,70 0,65 0,60 0,59 0,61 0,61 0,61 0,62 0,62 0,63 0,63 0,62 0,55 0,54 0,55 kwh/m2 0,50 0,49 0,45 0,40 0,35 η K = η 0 a 1 θ K θ e G K a 2 ( θ θ ) K G K e 2 0,30 gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre h
200 180 160 140 Disponibilità di energia solare al m2 di colletore e rendimento medio di un collettore piano di medie prestazioni 0,54 0,59 0,61 145 0,61 169 0,61 175 0,62 184 0,62 0,63 165 142 0,63 0,62 0,55 0,49 0,70 0,60 0,50 kwh/m2 120 100 80 79 121 107 0,40 0,30 60 61 60 48 0,20 40 20 0,10 0 gennaio febbraio Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 0,00 G/m2 in kwh/m2 h
Fabbisogno termico per riscaldamento e acqua calda sanitaria di un edificio con scarso isolamento termico U medio : 1,11 W/m 2 K Fabbisogno di energia termica complessivo e produzione acqua calda sanitaria per un edificio scarsamente isolato U medio = 1,11 W/m2K 25.000 24.985 23.834 20.000 20.265 16.614 17.302 15.000 kwh 11.793 11.560 10.000 5.000 5.861 6.546 1.395 1.395 1.395 0 gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno Qww luglio Qges agosto settembre ottobre novembre dicembre
Fabbisogno termico per riscaldamento e acqua calda sanitaria di un edificio con buon isolamento termico U medio : 0,32 W/m 2 K Fabbisogno di energia termica complessivo e produzione acqua calda sanitaria per un edificio scarsamente isolato U medio = 1,11 W/m2K 25.000 20.000 15.000 kwh 10.000 11.019 9.093 7.603 7.884 10.549 5.000 5.637 3.217 3.496 1.395 1.395 1.395 5.542 0 gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno Qww luglio Qges agosto settembre ottobre novembre dicembre
Copertura solare della produzione di acqua calda sanitaria Fabbisogno di calore per la produzione di acqua calda sanitaria e disponibilità di energia solare per un impianto solare di 18 m2 3.000 2.000 1.856 1.953 2.050 1.870 1.596 1.611 kwh 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.330 1.199 1.000 834 589 592 427 0 gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre Qww Qsol
Grado di copertura e di utilizzo per un impianto solare per la sola produzione di acqua calda sanitaria in funzione del grado di isolamento dell'edificio 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 in % 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Superficie dell'impianto solare in m2 Grado di copertura per la produzione di acqua sanitaria Grado di utilizzo per la produzione di acqua sanitaria k=1.11 Grado di copertura al fabbisogno complessivo di calore k=0,59 Grado di copertura al fabbisogno complessivo di calore k=0,32 Grado di copertura al fabbisogno complessivo di calore
Impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria e per il riscaldamento Grado di copertura del fabbisogno energetico per acqua calda sanitaria: = rapporto fra energia solare fornita dall impianto solare ed energia necessaria per la produzione di acqua calda sanitaria Grado di copertura del fabbisogno energetico per riscaldamento: = rapporto fra energia solare fornita dall impianto solare ed energia termica necessaria per il riscaldamento Grado di copertura del fabbisogno energetico complessivo: = rapporto fra energia solare fornita dall impianto solare ed energia termica complessiva necessaria per la produzione di acqua calda sanitaria e per il riscaldamento Grado di utilizzo dell impianto solare: = rapporto fra energia solare fornita dall impianto solare ed energia solare teoricamente disponibile
Copertura del fabbisogno complessivo di energia Fabbisogno di calore complessivo per riscaldamento e acqua calda per l'edificio ben isolato e disponibilità di energia solare per un impianto solare di 18 m2 15.000 11.019 10.549 10.000 9.093 kwh 7.603 7.884 5.637 5.542 5.000 3.217 3.496 589 834 1.330 1.596 1.856 1.953 2.050 1.395 1.395 1.395 1.870 1.611 1.199 592 427 0 gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre Qges Qsol
Fabbisogno di calore complessivo per riscaldamento e acqua calda per l'edificio ben isolato e disponibilità di energia solare per un impianto solare di 50 m2 15.000 11.019 10.549 10.000 9.093 kwh 7.603 7.884 5.000 5.637 4.435 5.155 5.425 5.695 5.194 4.476 5.542 3.694 3.217 3.496 3.329 1.636 2.316 1.395 1.395 1.395 1.645 1.186 0 gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre Qges Qsol
Grado di copertura e di utilizzo per impianti solari per acqua calda sanitaria e riscaldamento: 100,0 90,0 80,0 79 Copertura del 30% del fabbisogno complessivo di energia termica per riscaldamento e acqua calda sanitaria dell edificio in % 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 73 67 63 61 20,0 10,0 0,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Superficie dell'impianto solare in m2 k=1,11 Grado di copertura al fabbisogno di calore per riscaldamento k=1,11 Grado di copertura al fabbisogno di calore complessivo k=1,11 Grado di utilizzo dell'impianto solare k=0,59 Grado di copertura al fabbisogno di calore per riscaldamento k=0,59 Grado di copertura al fabbisogno di calore complessivo k=0,59 Grado di utilizzo dell'impianto solare k=0,32 Grado di copertura al fabbisogno di calore per riscaldamento k=0,32 Grado di copertura al fabbisogno di calore complessivo k=0,32 Grado di utilizzo dell'impianto solare
Grado di copertura e di utilizzo per impianti solari per acqua calda sanitaria e riscaldamento: 100,0 90,0 80,0 Copertura del fabbisogno complessivo di energia termica per riscaldamento e acqua calda sanitaria dell edificio, raggiunta con un impianto di 50 m 2 di panelli solari piani in % 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 73 67 63 43 33 25 23 18 12 0,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Superficie dell'impianto solare in m2 k=1,11 Grado di copertura al fabbisogno di calore per riscaldamento k=1,11 Grado di copertura al fabbisogno di calore complessivo k=1,11 Grado di utilizzo dell'impianto solare k=0,59 Grado di copertura al fabbisogno di calore per riscaldamento k=0,59 Grado di copertura al fabbisogno di calore complessivo k=0,59 Grado di utilizzo dell'impianto solare k=0,32 Grado di copertura al fabbisogno di calore per riscaldamento k=0,32 Grado di copertura al fabbisogno di calore complessivo k=0,32 Grado di utilizzo dell'impianto solare
Confronto di impianti solari: per la produzione di acqua calda sanitaria e di impianti per il riscaldamento invernale Impianti solari per la produzione di acqua calda sanitaria Un impianto dimensionato per il periodo estivo porta a massimizzare il grado di utilizzo, abbassando allo stesso tempo i costi specifici d investimento Poca energia estiva non sfruttabile porta ad elevati gradi di utilizzo. Impianti semplici con collettori piani portano a costi d investimento contenuti
Impianto solare per il riscaldamento degli ambienti A parità di grado di copertura del fabbisogno energetico complessivo (30%) il grado di utilizzo dell impianto per un edificio ben isolato termicamente è al di sopra del grado di utilizzo per un edificio isolato scarsamente Al peggioramento dell involucro edilizio dal punto di vista dell isolamento termico aumenta la superficie dell impianto solare per arrivare allo stesso grado di copertura Impianti solari per il riscaldamento sono interessanti soltanto in casi di ottimo isolamento termico dell edificio
Considerazioni generali sul dimensionamento: Impianti solari sono interessanti energeticamente ed economicamente se: dimensionati con cura e non sovradimensionati per la generazione di acqua calda sanitaria impiegati per il riscaldamento soltanto in casi di edifici termicamente ben isolati con basso consumo energetico
Il raffrescamento solare Il raffrescamento solare è possibile: indirettamente mediante impianto fotovoltaico che produce energia elettrica e fa funzionare un impianto frigorifero elettrico direttamente mediante impianto solare termico che fornisce energia motrice per un impianto di refrigerazione ad assorbimento
Conclusioni: Impianti solari sono interessanti energeticamente ed economicamente con un elevato potenziale di applicazione per la produzione di acqua calda sanitaria e bisogna spingere in tutti i modi alla diffusione degli impianti Impianti per la produzione di acqua calda sanitaria e per riscaldamento vanno dimensionati con cura e non sovradimensionati ed applicati per edifici a basso consumo energetico Ci sarà un notevole potenziale per il raffrescameto legato però allo sviluppo delle macchine ad assorbimento
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