UTILIZZO DEL CALORE SOLARE E AMBIENTALE PER LA …

UTILIZZO DEL CALORE SOLARE E AMBIENTALE PER LA

CLIMATIZZAZIONE

ECOMONDO - Rimini, 07 Novembre 2013

Referente scientifico attività: ing. Nicolandrea Calabreseandrea.calabrese@enea.itwww.climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it

RICERCA DI SISTEMA ELETTRICORICERCA DI SISTEMA ELETTRICO

Accordo di Programma MSE-ENEAAccordo di Programma MSE-ENEA

2013 2Accordo di Programma MSE- ENEA “RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO”

SCENARIO DI RIFERIMENTO:

Negli ultimi anni la domanda di energia per il condizionamento estivo degli ambienti èaumentata considerevolmente ed il rispettivo trend è ancora fortemente in crescita. Ipicchi di domanda di energia elettrica si verificano infatti nei periodi estivi, inconcomitanza con le necessità di condizionamento degli ambienti e, più in generale, dialimentazione della catena del freddo.

Il crescente aumento dei prezzi dell’energia da un lato, l’inquinamento e i cambiamenticlimatici in atto sul fronte ambientale dall’altro, avranno sempre più un forte impattosull’ecosistema a livello mondiale.

Il consumo di fonti primarie, quali i combustibili fossili, gasolio e gas, per ilriscaldamento, la climatizzazione e la produzione di acqua calda sanitaria, impongonouna riflessione per la tutela e la preservazione dell’ambiente per le generazioni future,oltre che per i rilevanti costi connessi.

Senza rinunciare al comfort ed utilizzando in modo appropriato le fonti di energiarinnovabile disponibili, si ottengono oggi i risultati di risparmio desiderati, efficienzaenergetica e salvaguardia ambientale grazie alle nuove tecnologie sviluppate in questosettore.

Utilizzo del calore solare e ambientale per la climatizzazione


SCENARIO DI RIFERIMENTO:

Diverse attività di ricerca e sviluppo tecnologico si sono quindi focalizzate sullo studio diprocessi per il condizionamento degli edifici basati su tecnologie innovative che utilizzanol’energia solare (solar heating and cooling) o comunque fonti di energia alternative.

L’impiego dell’energia solare e del calore ambientale, sia nella stagione invernale che inquella estiva, costituisce una soluzione tecnica molto interessante dal punto di vistaenergetico: l’utilizzo di queste fonti è reso possibile dallo sviluppo tecnologico dicomponenti (collettori solari termici, pompe di calore, serbatoi di accumulo termico di

nuova generazione, Logiche di regolazione dedicate) e sistemi (impianti di solar heating

and cooling) volti a massimizzare la quota rinnovabile dell’energia utilizzata.


IL DLgs 3 marzo 2011, n°°°°28: Decreto fonti rinnovabili

Attuazione della direttiva 2009/28/CEArt. 2 – Definizioni

a) «energia da fonti rinnovabili»: energia proveniente da fonti rinnovabili non fossili, vale a dire energia

eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas

residuati dai processi di depurazione e biogas;

b) «energia aerotermica»: energia accumulata nell'aria ambiente sotto forma di calore;

c) «energia geotermica»: energia immagazzinata sotto forma di calore nella crosta terrestre;

d) «energia idrotermica»: energia immagazzinata nelle acque superficiali sotto forma di calore;



IL DLgs 3 marzo 2011, n°°°°28 ALLEGATO 3:

Obblighi per i nuovi edifici o gli edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti

1. Nel caso di edifici nuovi o edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti, gli impianti di produzione di

energia termica devono essere progettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto

della copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili,

- del 50% dei consumi previsti per l'acqua calda sanitaria e

- delle seguenti percentuali della somma dei consumi previsti per l'acqua calda sanitaria, il

riscaldamento e il raffrescamento:

a) il 20 per cento quando la richiesta del pertinente titolo edilizio é presentata dal 31 maggio 2012 al

31 dicembre 2013;

b) il 35 per cento quando la richiesta del pertinente titolo edilizio é presentata dal 1°°°°gennaio 2014 al

31 dicembre 2016;

c) il 50 per cento quando la richiesta del pertinente titolo edilizio è presentata dal 1°°°°gennaio 2017.

2. Gli obblighi di cui al comma 1 non possono essere assolti tramite impianti da fonti rinnovabili che

producano esclusivamente energia elettrica la quale alimenti, a sua volta, dispositivi o impianti per la

produzione di acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento.

5. L’’’’obbligo di cui al comma 1 non si applica qualora l’’’’edificio sia allacciato ad una rete di

teleriscaldamento che ne copra l’’’’intero fabbisogno di calore per il riscaldamento degli ambienti e la

fornitura di acqua calda sanitaria.


A1. Integrazione nell’impianto di solar heating and cooling realizzato a servizio

dell’edificio F92 di un accumulo termico del tipo a cambiamento di fase



A1. Integrazione nell’impianto di solar heating and cooling realizzato a servizio

dell’edificio F92 di un accumulo termico del tipo a cambiamento di fase


CHARGE PHASE

• Test prestazionali impianto di solar heating andcooling in condizioni reali di utilizzo dell’Edificioed in condizioni di «carica e scarica» delserbatoio

• Acquisizione e validazione dati sperimentaliacquisiti

Sensible

Sensible

Sensible

Latent

Temperature of

the phase change


A2. Campagna di prove sperimentali di un impianto di solar cooling a servizio di una

serra per colture intensive


Impianto collaudato il 18/04/2013 ed avviato in funzionamento estivo

Impianto ENEA Roma loc. Casaccia "Serra bioclimatica"

• Test prestazionali impianto di solar cooling incondizioni reali di funzionamento

• Acquisizione, validazione ed analisi dei datisperimentali acquisiti


A3. Sviluppo di logiche di regolazione progettate ad hoc per impianti di solar heatingand cooling e per impianti a pompa di calore a compressione


• Sviluppo logiche di regolazione e test dellelogiche progettate su impianti sperimentali ENEA

• Programmazione logiche di regolazione su sistemiBMS di tipo commerciale

• Simulazioni numeriche dell’interazione impianto-utenza di differenti logiche di regolazioneimpostate su impianti di climatizzazione assistitida fonti rinnovabili, al fine di ottimizzare la quotarinnovabile di energia riducendo il ricorso allefonti energetiche NON rinnovabili

Dimostratore per collaudo logiche di regolazione avanzate


A4. Sviluppo di analisi di sensibilità: solar heating and cooling


• Dati sperimentali di funzionamento e risparmieconomici conseguibili su impianti di solarheating and cooling «campione»

• Determinazione delle soglie di costo iniziale perimpianti di solar heating and cooling

All’aumentare della taglia della macchina frigorifera, il prezzo per unità di potenza diciascun componente tende sensibilmente a diminuire.




VAN €

AnniIl tempo di ritorno attualizzato per impianti dipiccola taglia risulta molto alto nonostante siè in presenza del regime incentivante.

VAN €

Anni

La tecnologia di SH&C inizia a diventarecommercialmente attraente per potenze dicirca 100 kWf (tempo di ritorno attualizzato 11anni).

In presenza dell’attuale regime

d’incentivazione: D.M. 28/12/2012 (Conto

Energia Termico)

CON INCENTIVI




SOLUZIONE PER LE SMART CITIES:

GENERAZIONE CENTRALIZZATA E

DISTRIBUZIONE DELL’ENERGIA

TERMICA E FRIGORIFERA PRODOTTA

GRID STRUCTURE

UTENZE DIVERSE PER TIPOLOGIA

DIVERSI PROFILI DI PRELIEVO

MAGGIORE SFRUTTAMENTO RADIAZIONE

SOLARE

MINORE TEMPO DI RITORNO



B1. Ricerca e sperimentazione su concentratori per applicazioni a media temperatura

� Attività di Modellazione ottica (tool open source di RAY-TRACING integrati con MATLAB) e termo-fluidodinamica(COMSOL) su due tipologie di concentratori per l’analisi delle prestazione energetiche a breve e lungo periodo

Risultati delle analisi ottiche e termo-fluidodinamiche effettuate sul modello di concentratore parabolico lineare per applicazioni a

media temperatura

Modello geometrico considerato

(Corda circa 2,5 metri)

Calore utile estratto dal ricevitore per unità di lunghezza al variare dell’emissività del coating superficiale

10

20

30

40

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Distribuzione della radiazione solare concentrata sul tubo ricevitore

Campo termico del ricevitore parabolico lineare

y = -0.0043x2 + 0.2869x + 1593.9R² = 0.9941

y = -0.0032x2 + 0.4648x + 1622.5R² = 0.9993

y = -0.0084x2 + 1.2445x + 1500.6R² = 0.9997

1200.0

1250.0

1300.0

1350.0

1400.0

1450.0

1500.0

1550.0

1600.0

1650.0

1700.0

80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 240.0 260.0

Po

ten

za t

erm

ica

uti

le [

W/

m]

Temperatura olio diatermico [°C]

CASO 1 - Concentratore Parabolico linearePotenza termica utile ceduta al fluido in W/m

Qu_eps0.15 Qu_eps0.5 Qu_eps0.85




Risultati delle analisi ottiche e termo-fluidodinamiche effettuate sul modello di concentratore a specchi lineari di Fresnel per

applicazioni a media temperatura

Modello geometrico considerato

(Corda circa 3,6 metri)

Calore utile estratto dal ricevitore per unità di lunghezza al variare dell’emissività del coating superficiale

Distribuzione della radiazione solare concentrata sul tubo ricevitore

Campo termico del ricevitore a specchi lineari di Fresnel

10

20

30

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

y = -0.0025x2 + 0.2412x + 2156.8R² = 0.9998

y = -0.0047x2 + 0.5539x + 2114.4R² = 0.9999

y = -0.0069x2 + 0.9879x + 2051R² = 0.9998

1850

1900

1950

2000

2050

2100

2150

2200

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Po

ten

za t

erm

ica

uti

le

[W

/m

]

Temperatura olio diatermico [°C]

CASO 2 - Concentratore a specchi lineari di FresnelPotenza termica utile ceduta al fluido in W/m

Qu_eps0.15 Qu_eps0.5 Qu_eps0.85

� Attività di Modellazione ottica (tool open source di RAY-TRACING integrati con MATLAB) e termo-fluidodinamica(COMSOL) su due tipologie di concentratori per l’analisi delle prestazione energetiche a breve e lungo periodo



� Analisi e sperimentazione di ricevitori a minicanali da utilizzarsi in applicazioni solari a media temperatura contemperature di lavoro comprese tra 150 e 200 ⁰C

Attività svolte:• Realizzazione di un prototipo di ricevitore solare

piano a minicanali• Attività modellistica al fine di valutare le

performance• Test del ricevitore su un concentratore parabolico a

fuoco lineare con inseguimento a due assi

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

ηth

,co

nc

[-]

T*m [K m2 W-1]

Model

Thermal receiver: roll-bond

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17

ηth

,co

nc

[-]

T*m [K m2 W-1]

Simulation two-phase: R245fa

Simulation two-phase: water

Experimental water single-phase

Confronto tra dati sperimentali e curva ottenuta

con il modello numerico (solo in fase liquida)

Risultati ottenuti con il

modello numerico nel caso

di fluido in vaporizzazione




B2. Elaborazione di studi per valutare le potenzialità di applicazione di sistemi co- e tri-

generativi di piccola taglia

Le attività di caratterizzazione energetica si sono basate:1. Per i sistemi CSP abbinati a cicli ORC, su stime teoriche (non potendosi effettuare misure in campo)2. Per i sistemi Dish/Stirling e per i sistemi CPVT, su campagne sperimentali che hanno permesso di monitorare le

prestazioni energetiche su medio-lungo periodo

CASO 1 – Mini e micro CSP abbinati a cicli ORC

Impianto CSP a lenti di Fresnel su ORC CLEAN CYCLE WHG INGECO – GE (Tin150°°°° C)Eth [MJ] Eel [MJ] Esol [MJ] ηel [-] ηth [-] η [-]

ROMALUGLIO 51,85 8,10 111,35 0,073 0,466 0,538

GENNAIO 15,92 2,49 35,35 0,070 0,450 0,521

PALERMOLUGLIO 51,85 8,10 108,81 0,074 0,476 0,551

GENNAIO 16,49 2,58 36,35 0,071 0,453 0,524

TRISAIALUGLIO 51,85 8,10 108,94 0,074 0,476 0,550

GENNAIO 14,10 2,20 31,65 0,070 0,446 0,515

Esempio di installazione (Fonte: INGECO mod. Clean Cycle WHG 125 KWe)

Valori calcolati di producibilità giornaliera e relative efficienze

Regime co-generativo con temperature dell’acqua di raffreddamento in uscita dal condensatore rispettivamente di 60 °C /80 °C per il TD6 CHP della

Turboden e di circa 35° C

Produzione in Cogenerazione

(Motore endotermico)

ηe = Ee/Ec = 0,38ηt = Et/Ec = 0,45ηtot = CUCCOG = (Ee+ Et )/Ec = 0,83




generativi di piccola taglia

Sistema Dish/Stirling

installato in Trisaia per la

sua caratterizzazione e

valutazione delle

potenzialità di

produzione elettrica e

termica su medio-lungo

periodo.

Esempio di analisi ottica condotta sul

sistema al fine di valutarne le performance

Andamento delle prestazioni energetiche giornaliere

durante il periodo di monitoraggio

CASO 2 – Sistemi Dish/Stirling

Eth [MJ] Eel [MJ] Esol [MJ] ηel [-] ηth [-] η [-]

MILANO LUGLIO 161.27 61.35 494.44 0.1241 0.3262 0.4503

GENNAIO 36.16 13.40 110.19 0.1216 0.3281 0.4497

ROMA LUGLIO 181.14 68.97 555.48 0.1242 0.3261 0.4503

GENNAIO 91.33 34.55 279.63 0.1235 0.3266 0.4501

PALERMO LUGLIO 183.10 69.72 561.50 0.1242 0.3261 0.4503

GENNAIO 91.70 34.69 280.79 0.1235 0.3266 0.4501

TRISAIALUGLIO 172.55 65.68 529.09 0.1241 0.3261 0.4503

GENNAIO 77.41 29.21 236.88 0.1233 0.3268 0.4501

Producibilità giornaliera ed efficienze del sistema Dish/Stirling

Regime co-generativo con temperature dell’acqua di raffreddamento in uscita dal motore stirling di circa 60 - 65° C




generativi di piccola tagliaCASO 3 – Sistemi CPVT

Prototipo del sistema

CPVT durante le prove

all’Università di Padova

Modulo fotovoltaico-termico installato sul concentratore

Esempio di analisi ottica condotta sul ricevitore CPVT

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

-0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Eff

icie

ncy

[-]

T*m [K m2 W-1]

electric electrical (model)

thermal thermal (model)

global global (model)

Eth [MJ] Eel [MJ] Esol [MJ] ηel [-] ηth [-] η [-]

ROMAGENNAIO 13.09 7.37 35.24 0.209 0.371 0.580GIUGNO 22.25 11.99 57.48 0.209 0.387 0.596

CATANIAGENNAIO 11.93 6.82 32.59 0.209 0.366 0.575GIUGNO 20.50 11.01 52.79 0.209 0.388 0.597

PADOVAGENNAIO 10.74 6.28 29.95 0.210 0.358 0.568GIUGNO 23.09 12.30 59.19 0.208 0.390 0.598

TRISAIAGENNAIO 12.98 7.30 34.97 0.209 0.371 0.580GIUGNO 23.99 12.51 60.42 0.207 0.397 0.604

IL CAIROGENNAIO 14.68 8.09 38.73 0.209 0.379 0.588GIUGNO 20.23 10.73 51.38 0.209 0.394 0.603

Efficienza in funzione della temperatura media

ridotta: valori misurati (punti) e curve di

previsione del modello in condizioni di

stazionarietà con il carico elettrico connesso

Regime co-generativo con temperature dell’acqua di raffreddamento in uscita sistema CPVT di circa 80° C



B3. Messa a punto della facility di test per prove indoor su collettori solari

Schemi delle sezioni idrauliche ed aerauliche a servizio del “Cielo artificiale”

Foto della facility di test per prove indoor durante le fasi di installazione dei nuovi

componenti idraulici ed aeraulici


C1. Realizzazione di una macchina frigorifera sperimentale di piccola potenza (Pf= 3,0

kW) per la prova e la verifica prestazionale di differenti fluidi frigoriferi


R134aFreon

R290Propano

• Modellizzazione macchina frigoriferasperimentale a compressione di vapore

• Analisi parametrica del funzionamento edimensionamento componenti

• Progettazione delle macchinesperimentali di piccola potenza

• Analisi dei differenti fluidi frigoriferi chesarà possibile testare con le macchinefrigorifere sperimentali (oltre all’R290 edR134a)





• installazione banchi prova in laboratorio,realizzazione sistema di acquisizione datidi funzionamento macchina frigorifera

• verifica prestazionale di differenti fluidifrigoriferi utilizzati nelle pompa di calorea compressione

• valutazione:o impatto ambientale dovuto alla

produzione dei vari refrigerantio prestazioni energetiche in termini di

COP/EER delle macchine in funzionedei refrigeranti utilizzati

o impatto ambientale dovuto a perditeaccidentali/smaltimento dei differentirefrigeranti


C2. Campagna di prove sperimentali di un prototipo di pompa di calore ad CO2 (R744)

invertibile del tipo aria-aria


VENTILATORI PLUG FAN E STACCO PER IMMISSIONE ARIA NEI VARI

AMBIENTI

Dati di targa

Pgc 36,3 kW

Tamb 5 °C

Tin,air 16 °C

Tout,air 34°C

• campagna di provesperimentali roof top adR744 in funzionamentoinvernale ed estivo


C3. Studio di fattibilità per la produzione di Acqua Calda Sanitaria (ACS) in modalitàistantanea a mezzo di una pompa di calore a CO2 (R744)


• PdC commerciale a CO2 per produzione di ACS di potenza 4,5 kW.

• Strumentata con termocoppie, trasmettitori di pressione e misuratori di portata a effetto Coriolis per monitorare lo stato termodinamico della CO2 in condizioni di esercizio in ingresso/uscita dei principali componenti:

� compressore rotativo bistadio con inverter

� scambiatore ad acqua (gas cooler tubo in tubo) e ad aria (evaporatore)

� valvola elettronica di espansione

� ricevitoreParticolare freezing

protection

Particolare gas cooler

• campagna di provesperimentali PDC ad R744per la produzione diAcqua Calda Sanitaria

• Sviluppo di un sistema diaccumulo a fortestratificazione dell’acquacalda prodotta



UTTEIUNITÀ TECNICA TECNOLOGIE AVANZATE PER L'ENERGIA E L'INDUSTRIA

GAS ABSORPTION HEAT PUMP SOLUTION

FOR EXISTING RESIDENTIAL BUILDINGS

http://www.heat4u.eu/it/

Coordinatore del Progetto HEAT4U:

NEXT GENERATION OF HEAT PUMPS

WORKING WITH NATURAL FLUIDS

http://www.nxthpg.eu/

Coordinatore del Progetto NxtHPG:



INIZIO ATTIVITA’ DI RICERCA: 01 Novembre 2011

Fino al 31 ottobre 2014



INIZIO ATTIVITA’ DI RICERCA: 01 Dicembre 2012

Fino al 30 Novembre 2016



Le tecnologie di approvvigionamentoenergetico degli ambienti urbanicome per esempio le pompe di

calore, il solare termico, ilfotovoltaico PV, i sistemi di accumulodell’energia, costituiscono gli elementichiave per la creazione di future cittàintelligenti, le smart cities.

È necessario sviluppare sia nuovicomponenti che sistemi energetici,nonché integrare le diversetecnologie di produzione di energia(generazione distribuita) in modoefficiente, efficace e conveniente inrealtà quali il quartiere e la città.



Grazie per l’attenzione

Le nostre attività di ricerca e sviluppo:

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