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- fedOA - Università degli Studi di Napoli Federico II

1. COLLETTORE 1 RITORNO 75 C 9 gt ASS 01 mati LEGENDA SONDE po CALDAIA ENEL GEOTERMICHE J ENERGIA PRIMARIA i i ENERGIA MECCANICA Ea ENERGIA ELETTRICA Ri o ENERGIA TERMICA ENERGIA FRIGORIFERA JA AAA 4 I I I I I I I I I M E 3 E MARMITTA r1 uc A SILENZIATRICE 238 I 8 1 I CATALIZZATORE MANDATA ACQUA 1 T CALDA UTENZE 90 C gt s gt gt A PEE LEER RITORNO ACQUA amp MISURATORE A ULTRASUONI SCAMBIATORE D RECUPERO FUMI I I m g MISURATORE A TURBINA 1 I SCAMBIATORE DI QUADRISTICA DI 4 DISAGGOPPIAMENTO papale Y REM o REGOLAZIONE E CONTROLLO B GRUPPO E AUSILIARI i 2 gt gt gt T 3 pe uu pe AY INTEREDDL g COLLETTORE 1 MANDATA 90 2 STADIO M 4 LL Ll 1 ALIV LILLL RLLL LL LLL QJ eeu a aa Ln e
2. 99 I Figura 5 5 3 Andamento del consumo annuo di energia termica per l acqua calda sanitaria 161 Confrontando i dati ricavati dalla indagine condotta presso la struttura ospedaliera con gli analoghi desunti dalla simulazione si riscontrato un modesto scostamento pari a circa 11 Tale risultato ha permesso di ritenere ampiamente validata detta simulazione pertanto stato possibile utilizzare i diagrammi dei carichi termici orari necessari al dimensionamento dell impianto di cogenerazione trigenerazione Infatti i consumi annui di gas naturale rilevati in loco sono risultati corrispondere a complessivi 306 509 equivalenti ad una energia termica pari 2713 MWh anno mentre d quelli desunti dalla simulazione in TRNSYS si ricavato che l energia termica complessiva richiesta risultata pari 2737 MWh anno Nelle figure seguenti si riportano gli andamenti del carichi di energia termica annua e mensile su base oraria 1500 1000 vam 1200 Ei E 5 E E y y 3 3 8 il m m m Lul m i IBA o I ENS a E Figura 5 5 4 Diagramma del carico di energia termica annuo complessivo su base oraria Risc Inv A C S 000 E 5 5 E E E E E 3 I i i lu m o 0 730 1460 2190 2020 EI 4350 sto 5840 6570 7300 8030 8760 Figura 5 5 5 Diagramma del caric
3. 50 rrr T_T OTI E o 45 Jenbacher JMS 520 E M E aL Jenbacher 820 C02 A Cat G3508 LE 7 3 35 L Stonepower 2 230 Tema 20 Tema 50 g 3 sor i sai SS 20 sten petad 111 1 10 100 1000 10000 Potenza elettrica KW Figura 2 6 1 2 AAA AAA AAA E 7 105 4 100 Ma El 9 E 90 F 4 potenza potenza Sl 85 E 4 so Brie VAN Las A VS O I O oye d dog get 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperatura ambiente Figura 2 6 1 3 Prestazioni in assetto cogenerativo e caratteristiche dell energia termica disponibile I fumi allo scarico di un MCI si trovano a temperature dell ordine di 350 450 C e contengono quindi elevate quantit di calore che possono essere recuperate Inoltre il recupero termico possibile anche dall acqua di raffreddamento del motore che utilizzata anche in pressione asporta calore dalle camicie dei cilindri e si trova generalmente a temperature intorno ai 90 100 C possibile realizzare un terzo recupero termico sfruttando il calore asportato 45 dall olio di lubrificazione del motore che pu ad esempio venire raffreddato da un radiatore da 90 C a 70 C Infine il calore pu essere recuperato dall intercooler a temperature di 40 50 C e dal raffreddamento del generatore elettrico I coefficienti di utilizzo del combustibile che si riescono ad ottenere in condizioni di recupero totale del calore sono superiori all 8
4. Nel caso invece di funzionamento nel periodo estivo il parametro che caratterizza le prestazioni della macchina viene definito EER ovvero come rapporto fra la potenza frigorifera espressa in Btu h e la potenza elettrica espressa in W Si rileva che l EER si determiner quando entrambi i valori sono espressi in W Di conseguenza nella configurazione estiva all ambiente che si trova a 78 temperatura Ty viene sottratta una quantit di calore Qb consumando una quantit di lavoro L quindi l EER rappresentabile dalla seguente relazione EER L Le prestazioni di una pompa di calore risultano fortemente condizionate dalla sorgente termica L aria esterna risulta la sorgente pi utilizzata per la semplicit con cui disponibile ma risulta essere la meno adatta dal punto di vista termodinamico poich 1 2 Al decrescere della temperatura dell aria esterna aumenta il carico termico dell edificio e diminuiscono sia il COP che la capacit della pompa di calore Ci accade a causa della diminuzione della densit del fluido frigorifero in aspirazione con conseguente riduzione della portata di massa elaborata dal compressore Per temperature intorno agli 0 C e con umidit relativa elevata l aria scambiando con l evaporatore pu raggiungere le condizioni di saturazione e condensare sulla superficie dell evaporatore che si trova a temperature minori di 0 C e quindi determinare le condizio
5. INTERCOOL e 252 NET N CC POTENZA pon RIEMPIMENTO CIRCUITO 1 ELETTRICA M BOLCTI t AHEL gt DALL ADDOLCITORE kad gt CoD D GENERATORE LUBRIFICANTE J ES ere 8 f ETT A FASCIO TUBIERO DI SOCCORSO 9 L a ALLE CALDAIE GRUPPO COGENERATORE C EP 10 SCAMBIATORE CON FUNZIONE DI INTEGRAZIONE ALLE CALDAIE Caldaia Condensazione rz COLLETTORE 2 MANDATA 60 C COLLETTORE 2 RITORNO 50 C COLLETTORE 3 MANDATA 07 C EP 07 PRESTAZIONI DEL GRUPPO DI COGENERAZIONE Potenza elettrica generata carico 100 cos phi 1 0 KW el 300 Potenza termica utile carico 100 KW 400 Efficienza elettrica a pieno carico 38 2 Efficienza termica a pieno carico 50 9 Efficienza totale a pieno carico 89 1 Consumo combustibile carico 100 PCI 9 6 kWh Sm Nm h 82 TORRE EVAPORATIVA TEV Potenza termica kW 400 Temperatura ingresso acqua C 36 5 Temperatura uscita acqua C 31 Quantit totale acqua evaporata m h 0 6 GRUPPI FRIGORIFERI AD ASSORBIMENTO
6. TIT 950 C TIT 850 C senza recupero Fig 2 6 3 2 Variazione dell efficienza della microturbina al variare del rapporto di compressione 10 12 Rapporto di compressione 59 La microturbina a gas si presta all impiego cogenerativo in quanto i gas di scarico uscenti dal recuperatore alla pressione ambiente possiedono ancora una temperatura elevata tipicamente dell ordine di 250 300 C dunque questo contenuto termico nei fumi pu essere ulteriormente recuperato con uno scambiatore Negli impianti cogenerativi basati su microturbina a gas i fumi vengono tipicamente sfruttati raffreddandoli fino a temperature prossime anche inferiori a 100 C per produrre acqua calda a temperature massime in genere di 70 90 C In particolare i fumi vengono convogliati in uno scambiatore di calore gas acqua del tipo a piastra tubiera dove si ha il riscaldamento di acqua fluente nel circuito esterno Gli impianti cogenerativi a MTG hanno prestazioni cogenerative elevate in quanto il rendimento termico quando si effettua il pieno recupero termico dell ordine di 45 55 e dunque il coefficiente di utilizzazione del combustibile considerando la somma delle energie elettrica e termica prodotte pu arrivare a 80 90 Il rapporto elettricit calore mediamente pari a 0 55 0 70 una MTG da 100 kW elettrici pu produrre fino a 170 200 kW termici Costi di manutenzione e di impianto Sulla base dei prezzi i
7. 400 Hassi WI li ul NUI LET BER A Figura 5 5 18 Diagramma del carico di energia termica per l acqua calda sanitaria relativa al mese di Aprile 1000 2 1000 E E s amp um i i Figura 5 5 19 Diagramma del carico di energia termica complessiva relativa al mese di Maggio riscaldamento acs E Ta m s am E Ll Potenza Termica kW Potenza Termica KW Potenza Termica kW Figura 5 5 20 Diagramma del carico di energia termica per il riscaldamento invernale relativa al mese di Maggio 167 Potenza Termica kW Potenza Termica kW Figura 5 5 21 Diagramma del carico di energia termica per l acqua calda sanitaria relativa al mese di Maggio li Nel periodo estivo ovviamente non vi alcuna richiesta di energia termica per il riscaldamento e quindi i diagrammi della potenza termica risultano essere pari alla sola richiesta di acqua calda sanitaria Figura 5 5 22 Diagramma del carico di energia termica per l acqua calda sanitaria relativa al periodo estivo Giugno Luglio Agosto Settembre Potenza Termica KW Potenza Termica KW 168 Figura Potenza Termica KW mica kW 0 E VAN UM o o sao 87440 66300 69920 7180 7020 5 5 23 Diagramma del carico di energia
8. Potenza frigorifera kW 278 Circuito Acqua Calda Temperatura in ingresso C 90 Temperatura in uscita C 80 Portata m h 22 0 Circuito Acqua Refrigerata Temperatura in ingresso 12 Temperatura in uscita C T Portata mh 47 8 Circuito Acqua di Raffreddamento Temperatura in ingresso C 31 Temperatura in uscita C 36 5 Portata m h 103 4 LEGENDA VALVOLE ISARACINESCA A CORPO PIATTO IN GHISA FLANGIATA VALVOLA A FLUSSO AVVIATO IN GHISA FLANGIATA VALVOLA IN GHISA DUE VIE MOTORIZZATA FLANGIATA VALVOLA IN GHISA TRE VIE MOTORIZZATA FLANGIATA VALVOLA DI RITEGNO IN GHISA FLANGIATA S SIRO GIUNTO ANTIVIBRANTE IN GOMMA FLANGIATO FILTRO IN GHISA FLANGIATO VALVOLA DI RITEGNO FILETTATA FILTRO FILETTATO VALVOLA DI SOVRAPRESSIONE FILETTATA VALVOLA MISCELATRICE FILTRO DI SICUREZZA PER ACQUA POTABILE FILETTATO VALVOLA DI REGOLAZIONE E SICUREZZA VAPORE ANOMETRO A QUADRANTE TER OMETRO AD li MERSIONE TERMOMETRO A QUADRANTE INDICATORE DI PRESSIONE ANTIVIBRANTE RA PA GAS FILTRO GAS PRESA PRESSIONE REGOLATORE PRESSIONE GAS VALVOLA INTERCETTAZIONE CO BUSTIBILE VALVOLA DI SICUREZZA SCARICATORE DI CONDENSA INDICATORE DI PASSAGGIO SONDA DI TEMPERATURA A I MERSIONE SONDA DI TEMPERATURA A I MERSIONE PER CONTATORE DI CALORE DI TIPO FISCALE SON
9. po 1 Andamento del flusso d acqua all interno delle sonde illustrate precedentemente 92 La soluzione a doppia U ormai la scelta adottata nella maggior parte dei casi data la sua elevata affidabilit in quanto presenta i seguenti vantaggi e di blocco per occlusione di uno dei tubi ad U l altro tubo che resta in funzione riesce a garantire a seconda delle condizioni geologiche del terreno dal 70 all 85 della potenza originaria consentendo di intervenire e riparare il sistema riportandolo nelle condizioni di funzionamento ottimali e si determina una minore resistenza termica del pozzo rispetto al caso di sonde a singolo U infatti utilizzando tubi di diametro minore e pareti di minor spessore si ottengono coefficienti di scambio termico pi elevati e effettuando una accurata analisi delle perdite di carico si possono determinare i valori dei diametri ottimali tali da garantire minori perdite di carico a parit di portata Ad oggi la quasi totalit delle istallazioni utilizza scambiatori in polietilene ad alta densit PE 100 PN 10 16 dove la sigla PN 16 sta a significare che il tubo garantito per mantenere le proprie caratteristiche meccaniche fino a 16 bar Le sonde ad U posizionate mediante perforazioni possono avere profondit da 40 a 180 m in relazione alla richiesta termica ed alle caratteristiche del terreno I sistemi verticali a ciclo chiuso sono adatti a grandi edifici per la
10. Figura 5 8 2 3 differenza di temperatura tra T9 e T10 Il grafico 5 8 2 3 mostra come il COP sia influenzato dal lift di temperatura 228 Capitolo 6 CONCLUSIONI In conclusione il conseguimento di risultati energeticamente ottimi mediante il ricorso alla produzione combinata di energia termica ed elettrica costituisce un problema complesso Non possibile infatti quantificarne i benefici prescindendo da una conoscenza accurata dei carichi dell utenza in esame Il numero di variabili che intervengono nel problema tale inoltre da stravolgere completamente i margini di risparmio energetico ed economico al mutare del quadro normativo tariffario o dello scenario energetico di riferimento La dipendenza dalla configurazione impiantistica e della relativa logica di gestione altrettanto significativa Un analisi di previsione del tipo di quella proposta fondamentale quindi per cercare una soluzione impiantistica taglia del cogeneratore schema d impianto logica di gestione taglia dell eventuale macchina frigorifera ad assorbimento pompa di calore campo di sonde ecc che si avvicini alla soluzione energetica pi valida pur garantendo un adeguato profitto Lo studio mostra come la ricerca di configurazioni orientate alla massimizzazione del risparmio energetico complessivo conduce verso risultati peggiorativi rispetto alla logica della massimizzazione della redditivit economica per quanto concerne i param
11. 0 4 0 38 0384 0388 0392 0395 04 0404 0408 0412 0416 042 Rendimento elettrico Figura 5 3 1 Relazione tra il rendimento termico nominale ed il rendimento elettrico Effettuando un confronto tra la produzione di energia elettrica e termica in un sistema tradizionale ed in uno cogenerativo stato possibile definire il parametro REP risparmio di energia primaria Tale parametro rappresenta il rapporto tra la variazione di energia primaria rispetto a quella di riferimento Tale parametro valutabile mediante la relazione 5 2 156 E 1 52 Me M Teri Dove AE rappresenta il risparmio conseguibile adottando il sistema cogenerativo rispetto al sistema tradizionale Ep nr rappresenta l energia primaria consumata nel sistema tradizionale la produzione separata di energia elettrica e termica Ep rappresenta l energia primaria consumata nel sistema di cogenerazione per la produzione combinata di energia elettrica e termica rappresenta il rendimento elettrico del sistema cogenerativo rappresenta il rendimento elettrico di riferimento centrale elettrica n rappresenta il rendimento termico del sistema cogenerativo Nirit rappresenta il rendimento termico di riferimento di un generatore tradizionale Il Risparmio di Energia Primaria REP calcolato con la 5 2 puramente ideale in quanto tale relazione valida nelle ipotesi di completo sfruttamento dei reflui termici ed rappresentabile
12. C Temperatura di ingresso del fluido del circuito di fluido refrigerato Tenw out C Temperatura di uscita del fluido del circuito di fluido refrigerato PLR 0 1 Rapporto di carico parziale del refrigeratore P kJ h Potenza assorbita dal refrigeratore alle condizioni attuali FFLP 0 1 Frazione di potenza a pieno carico Questo dispositivo un condizionatore d aria che raffredda un flusso di fluido sul lato evaporatore mentre elimina il calore di un flusso d aria sul lato condensatore Per impostare il modello l utente deve fornire due file di dati testuali nel formato standard dei file dati di TRNSYS Il primo di questi files fornisce per diversi valori di temperatura del set point dell acqua refrigerata in C e per vari valori della temperatura dell ambiente esterno in C una coppia di valori rappresentanti il primo il rapporto tra la potenza alle condizioni di progetto e quella determinata dalla variazione delle temperature dell acqua refrigerata e dell ambiente esterno il secondo il rapporto che sussiste tra il COP del refrigeratore nelle condizioni di progetto e il corrispondente valore che varia in funzione della variazione delle temperature dell acqua refrigerata e della temperatura esterna Il secondo file di dati fornisce i valori della frazione di potenza del refrigeratore a pieno carico per i diversi valori di carico parziale ad esempio 25 50 7596 La Type 655 prima esegue una chiamata alla routine TRNS
13. ritorno Fon mandata ANT IV 3 2 A els I compressore II condensatore valvola laminazione X I IV evaporatore ground heat dd exchanger Il 1 Y Ground level riarmo mandata Cw Figura 5 8 1 schema di riferimento Ground Source Heat Pump 223 5 8 1 Analisi della temperatura della sorgente geotermica In figura 5 8 1 1 si riportano i valori di temperatura medi giornalieri ottenuti come media dei dati acquisiti ogni minuto della soluzione di acqua e glicole di mandata e di ritorno dalle sonde In figura 5 8 1 2 viene riportato l andamento della temperatura valori medi giornalieri della sorgente geotermica in tutto il periodo caldo Tale valore fornito direttamente dal software TRNSYS ed stato calcolato come media dei dati acquisiti ogni minuto 24 00 Giugno Luglio Agosto Settembre 23 00 22 00 2100 4 20 00 Temperatura C 19 00 18 00 17 00 16 00 4 T 1 6 1 16 21 26 31 36 46 51 56 61 66 71 Giorni Figura 5 8 1 1 Andamento della soluzione di acqua e glicole in uscita dalle sonde T10in ed in ingresso alle sonde T100ut durante il periodo caldo Temperatura del sottosuolo Giugno Luglio Settembre j gl El gosto 14 20 e p ER 8 Temperatura C E c 2 1340 13 20 13 00 4 12 80 H gt H 1 4 7 1013 L6 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70
14. EE In ll dE WA VI J I n aun Potenza Termica KW Potenza Termica kW Potenza Termica kW 10 Diagramma del carico di energia termica complessiva relativa al mese di Febbraio riscaldamento invernale 164 Figura 5 5 13 Diagramma del carico di energia termica complessiva relativa al mese di Marzo riscaldamento Potenza Termica KW Figura 5 5 12 Diagramma del carico di energia termica per l acqua calda sanitaria relativa al mese di Febbraio Potenza Termica KW Potenza Termica KW Potenza Termica KW Potenza Termica KW Potenza Termica KW Figura 5 5 14 Diagramma del carico di energia termica per il riscaldamento invernale relativa al mese di Marzo 165 Potenza Termica KW mica kW TA Di Figura 5 5 15 Diagramma del sm il li li iMi NI M E z a 3 8 E E E 2 2 Figura 5 5 16 Diagramma del carico di energia termica compl relativa al mese di Aprile riscaldamento acs 1000 1500 so E g osx 2 A I LA T bd E UV A I CVA AU la aal c so 2090 a Figura 5 5 17 Diagramma del carico di energia termica per il riscaldamento invernale relativa al mese di Aprile 166 1000 z La m 5 til E
15. del valore ISO ciclo a vapore 95 70 0 5 0 15 20 25 3 35 5 15 20 25 30 35 Temperatura ambiente C Temperatura ambiente C Fig 2 6 5 3 Variazioni rispetto ai valori in condizioni ISO del consumo specifico inverso del rendimento elettrico e della potenza elettrica Il ciclo combinato nasce per la produzione elettrica ad alta efficienza ma pu essere adattato all impiego cogenerativo previa modifica del circuito del vapore In particolare si pu utilizzare una parte del vapore per soddisfare una richiesta termica prelevandolo dalla turbina con apposito spillamento ed inviandolo ad uno scambiatore di calore che riscalda il fluido vettore dell utenza termica figura 2 6 5 4 Il vapore estratto dalla turbina dopo che ha ceduto calore all utenza termica viene riportato alla pressione del condensatore ed unendosi alla portata scaricata dalla 64 turbina pu proseguire nel ciclo termodinamico con la condensazione La modalit con cui viene effettuato lo spillamento e la posizione di questo sulla turbina dipendono dalle condizioni di temperatura e pressione richieste dall utenza termica Nel caso di pi utenze termiche caratterizzate da livelli di temperatura differenti si realizzano pi prese di vapore dalla turbina a pressione diversa In genere poich la pressione massima del vapore disponibile in uscita dall HRSG raggiunge facilmente i 30 40 bar gli spillamenti possono
16. una funzione del tempo e della distanza dal tubo e fanno riferimento a flussi termici costanti Kavanaugh svilupp una equazione per la differenza di temperatura lungo il tubi nel caso di flusso di calore non uniforme sulle superfici dei tubi ad U AT ia 27h dove N rappresenta il numero tubi ad U presenti nel pozzo e C un fattore di correzione per il flusso di calore non uniforme mentre heq rappresenta il coefficiente di trasmissione del calore equivalente dalla superficie esterna del tubo al fluido termovettore per unit di area dato dalla Le kon dove il raggio interno del tubo e hi il coefficiente di convezione calcolato in funzione del seguente formula numero di Nusselt mediante le equazioni del regime turbolento Pertanto la temperatura media dell acqua T4 viene calcolata dalla somma delle variazioni di temperatura tra la temperatura del suolo e la temperatura dell intorno del tubo T 1 Eo Ez Effettuando un bilancio termico dell intero ciclo possibile ottenere la differenza totale di temperatura tra l acqua in ingresso ed in uscita 2L wC pw dove m e cpw sono la portata ed il calore specifico del fluido ed L la profondit del pozzo Ponendo 105 T tT aw 2 si ottiene che 01 m c wC pw Questo modello preciso qualora si usa molta attenzione a scegliere le propriet termiche del sottosuolo Partendo da questo modello Kava
17. 5 8 1 5 8 2 Monitoraggio delle utenze e determinazione delle curve di carico Analisi dei risultati conseguibili con l applicazione co trigenerativa Configurazione cogenerativa Configurazione trigenerativa L applicazione geotermica Simulazione Ground Response Test Applicazione della metodologia di dimensionamento ASHRAE Modello di Kavanaugh e Raffaerty Layout dell impianto geotermico Caratteristiche tecniche pompa di calore Risultati dell applicazione della pompa di calore geotermica GSHP Analisi della temperatura della sorgente geotermica Analisi del COP della pompa di calore Capitolo 6 Conclusioni Schema impianto di trigenerazione e geotermico Bibliografia 160 190 190 208 214 214 216 219 220 223 224 226 229 231 ENERGIE RINNOVABILI PER LA SALUTE L impianto di trigenerazione e sonde geotermiche per l Ospedale San Giovanni Bosco di Napoli Capitolo 1 LO SCENARIO ENERGETICO 1 1 Premessa Lo scenario energetico ha subito negli ultimi 40 anni un radicale cambiamento In seguito al la crisi petrolifera lo studio dell analisi energetica ha destato crescente interesse e si inco minciato attivamente a parlare di uso razionale dell energia con un rigoroso approccio meto dologico Grande diventata oggi l attenzione alle tematiche sul risparmio energetico e sull efficienza nella produzione di energia con particolare riguardo alla cogenerazione ovvero alla produ zione combin
18. Il successivo confronto ora ora tra il valore assunto dalla grandezza ACE CE eny 0 CE scoe h ed il valore di soglia minimo tollerato corrispondente ad un valore minimo del guadagno conseguito nella autoproduzione dell energia elettrica mediante tali impianti consente di determinare il campo di funzionamento dell impianto di cogenerazione in condizioni di redditivit Utilizzando tali modalit di gestione noti i carichi termici elettrici e frigoriferi dell utenza si determinano il numero di ore anno di funzionamento e o di spegnimento dell impianto unitamente ad una stima degli indicatori energetici CUC ed alla valutazione dell indice per l accesso ai benefici di legge PES Infine la conoscenza dei coefficienti di emissione di anidride carbonica del parco termoelettrico nazionale kg CO2 kWh elettrico relativi al metano utilizzato per l alimentazione delle caldaie e del 159 cogeneratore consentono di determinare per entrambe le metodologie utilizzate i benefici in termini di riduzione delle emissioni di CO in ambiente 5 5 Monitoraggio dell utenza e determinazione delle curve di carico Una volta definita la metodologia da utilizzare per il dimensionamento degli impianti di co trigenerazione necessario determinare i risultati di tale metodologia applicandola al caso dell Ospedale San Giovanni Bosco di Napoli Durante il corso degli anni del dottorato di ricerca si sono svolte attivit sper
19. Potenza elettrica assorbita 2 40 M MS PR lu 558 2 00 Ts 25 1 80 Ts 30 1 70 Tsz 35 50 Ts 40 Ts 45 Potenza elettrica assorbita KW a e O A E E O E E A e e 7 7 5 8 85 9 9 5 1010 51111 51212 51313 51414 515 Temperatura Ta acqua all uscita dell evaporatore C Figura 5 7 4 4 Potenza elettrica assorbita dalla pompa di calore in varie condizioni di funzionamento Tali dati sono stati utilizzati per creare il file di prestazione in raffrescamento della pompa di calore per simulare il suo funzionamento in TRNSYS In conclusione in figura 5 7 4 5 si riporta la pompa di calore selezionata Figura 5 7 4 5 Pompa di calore Riello HP GEO 222 5 8 Risultati dell applicazione della pompa di calore geotermica GSHP Di seguito si analizza il funzionamento della Ground Source Heat Pump In figura 5 8 1 si riportano i principali componenti ed uno schema esemplificativo del sistema Ground Source Heat Pump evidenziando le temperature che saranno analizzate sia sul circuito delle sonde geotermiche 7 0in T10out che sul circuito del fluido termovettore interagente con l evaporatore T9in T9out In particolare 7 00ut rappresenta la temperatura di mandata dal condensatore del fluido miscela acqua glicole alle sonde geotermiche mentre 7 0in rappresenta la temperatura del fluido miscela acqua glicole di ritorno dalle sonde
20. di energia elettrica prodotta in Europa da impianti cogenerativi si attestata per l anno 2006 a circa 370 TWh ovvero a circa il 11 della produzione elettrica totale La Germania si presenta come il paese con la produzione pi elevata figura 2 4 1 con circa 80 TWh mentre la Danimarca e la Lettonia sono gli unici paesi che coprono con la cogenerazione pi del 40 della propria produzione elettrica 34 Olanda Finlandia Polonia Gran Bretagna Spagna Danimarca Francia Rep Ceca 1 produzione Svezia percentuale rispetto produzione elettrica totale Romania Austria Slovacchia Ungaria Belgio Portogallo Bulgaria Lettonia Lituania produzione TWhe percentuale rispetto alla produzione elettrica totale Figura 2 4 1 Produzione di elettricit da cogenerazione dati Eurostat 1 anno 2006 Nella tabella 2 4 1 vengono sinteticamente analizzati alcuni aspetti della cogenerazione nei paesi europei dove la produzione cogenerativa pi significativa 35 Paese Diffusione della cogenerazine Austria La cogenerazione copre il 16 della produzione elettrica totale e il 77 della produzione per via termica cogenerativa soprattutto nel teleriscaldamento e nel settore industriale L utilizzo del gas naturale si attesta al 40 circa i combu
21. di volume u si ottiene 0 2 1 0 K app 2 1 0T 2 0 Supponendo che l energia interna u sia funzione solo della temperatura e sfruttando la definizione di capacit termica per unit di volume ci si ha che Ou oT da cui c z 0 0 T z t 0 k 2 0 T 2 0 h app Tale equazione non lineare in quanto Knapp dipende dalla temperatura Assumendo che knapp Ch risultino indipendenti dalla profondit dal tempo e dalla temperatura l equazione pu essere ridotta a 0 T z t D ra TED Le soluzioni analitiche di tali equazioni sono difficili da determinare e pertanto si utilizzano approcci di tipo numerico anche se le soluzioni di tipo analitico possono contenere un significato fisico e possono essere utilizzate come verifica dei modelli numerici pi complessi di trasmissione del calore La temperatura T del suolo data dalla serie di Fourier FRE Ya 2e n 0 Assumendo le propriet del terreno indipendenti oltre che dal tempo e dalla temperatura anche dalla profondit ed imponendo come condizioni al contorno quale temperatura a profondit zero la T superficiale mentre quella a profondit infinita la temperatura del terreno indisturbato si ottiene la seguente soluzione TG T E b cos ont 29 c sin ont DI dove b e c sono i coefficienti di Fourier e d la profondit di smorzamento espressa dalla seguente relazione 84 La profondit di smorzamento e fra
22. economico 3 3 Gli impianti geotermici Come detto gli impianti geotermici sono soliti essere utilizzati per la climatizzazione estiva degli ambienti In tal caso la pompa di calore viene collegata ai terminali quali fan coil pannelli radianti mentre nel caso invernale il riscaldamento degli ambienti avviene collegando la pompa di calore a terminali a bassa temperatura quali pannelli radianti a pavimento a parete a soffitto Si riscontra che minore la temperatura di mandata ai terminali dell impianto geotermico maggiore risulter il rendimento dell impianto L utilizzo di terminali ad alta temperatura superiore ai 65 C quali i comuni radiatori determinano condizioni tali da rendere l impianto geotermico antieconomico Negli impianti di climatizzazione di fondamentale importanza raggiungere le condizioni di benessere termoigrometrico rappresentate da alcuni parametri entro i quali le persone che soggiornano negli ambienti non avvertono condizioni di disagio I parametri da cui dipende il benessere fisiologico del corpo umano sono 1 temperatura dell aria 2 umidit dell aria 3 velocit dell aria 4 purezza dell aria 5 temperatura delle pareti degli ambienti 6 parametri soggettivi vestiario Nella progettazione quindi bisogna tener conto di tutti questi parametri i quali sono fissati a seconda della destinazione d uso degli edifici mediante norme UNI e leggi nazionali Per regolare il tasso
23. 10MW IRE 0 10 LT 033 0 2 0 25 0 3 0 35 04 045 0 5 Rendimento elettrico Figura 2 6 1 7 La figura 2 6 1 8 fornisce i valori di IRE e limite termico dei motori considerati in figura 2 6 1 7 Si osserva che al ridursi della taglia di potenza elettrica a seguito dei minori rendimenti elettrici il limite termico cresce passando da valori in media di circa 0 5 a valori pari a 0 7 0 8 il valore dell IRE stato calcolato ipotizzando un alimentazione a gas naturale applicazione dell energia termica in ambito civile ed una connessione in MT 908 AAA 9 oom E E 045 207 d og el E ie puoi E E r Biel zl p id i a 035 i PERS M 1 SERES L 1 os H d et H 1 025 NE 04 i MES 1 i H 020 i 1 i galanna La sis ial aa 1 10 100 1000 1 10 100 1000 Potenza elettrica KW Potenza elettrica kW Figura 2 6 1 8 Nelle tabelle seguenti si riportano le caratteristiche di alcuni motori a c i di piccola taglia 135 500 kW in assetto cogenerativo attualmente in commercio 48 Marca Modello Fuel Pa Pa Na Too NOx co kW kW C mg Nm mg Nm EMD EMD 150 GN OV G 135 200 220 0 319 0 472 70 90 Ecogen EG140 GN GPL G 140 207 0 351 0 519 70 90 250 300 MDE ME 3066 LH GN 165 256 0 344 0 534 80 100 500 300 MDE ME 3066 L GN 182 279 0 350 0 5
24. 58 Congresso Nazionale ATI Padova S Martino di Castrozza 9 13 settembre 2003 Abagnale Blasi Dentice d Accadia Iodice Migliaccio Analysis of a Trigeneration Plant For a new Urban Agglomeration ASME ATI UIT 2010 Conference on Thermal and Environmental Issues in Energy Systems 16 19 May 2010 Sorrento Italy Blasi Castaldo Dentice d Accadia Hubler Iodice Migliaccio Analisi di un Impianto di Trigenerazione per la Riqualificazione di un Area Industriale Dismessa 63 Congresso Nazionale ATI Palermo 23 26 settembre 2008 Tesi di laurea in Macchine Universit degli studi di Napoli Federico II Relatore Ch mo Prof Ing M Blasi Correlatore Dott Ing R Blasi Autore Tammaro Studio di un impianto di Microcogenerazione con turbogas alimentato a biomassa Anno accademico 2009 2010 Tesi di laurea in Macchine Universit degli studi di Napoli Federico II Relatore Ch mo Prof Ing M Blasi Correlatore Dott Ing R Blasi Autore E Tione La microcogenerazione ed il quadro normativo italiano di riferimento Anno accademico 2009 2010 Tesi di laurea in Macchine Universit degli studi di Napoli Federico II Relatore Ch mo Prof Ing M Blasi Correlatore Dott Ing R Blasi Autore A Tammaro Studio di un impianto di Microcogenerazione con turbogas alimentato a biomassa Anno accademico 2009 2010 Muccillo M Criteri di Otti
25. al variare del rendimento elettrico dal diagramma di Figura 5 3 2 031 0 295 T T 02 i 0 265 029 0235 REP 022 0 205 01 1 0 179 01 020 0294 0306 0322 0336 035 0364 0378 0392 0406 042 Rendimento elettrico Figura 5 3 2 Relazione tra il Risparmio di Energia Primaria ed il rendimento elettrico La Figura 5 3 2 mostra come per massimizzare il Risparmio di Energia Primaria sia necessario massimizzare il rendimento elettrico rappresentativo della taglia dell impianto di cogenerazione comunque in accordo con le richieste elettriche e termiche dell utenza 157 Si valuter l incidenza che si ha sul Risparmio di Energia Primaria nel caso di una eventuale impossibilit di utilizzare i reflui termici In questi casi il rendimento termico effettivo risulta minore del rendimento termico nominale in Figura 5 3 3 rappresentato il grafico del REP in funzione del recupero dei reflui termici Si riscontra dalla figura che non possibile ottenere un risparmio energetico se non si raggiunge un valore minimo del rendimento termico effettivo ovvero lo sfruttamento di un certo quantitativo dei reflui termici 0 4 0 34 0 28 0 22 0 16 0 1 0 04 0 02 0 08 0 14 0 2 REP 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Recupero dei reflui termici 0 1 Figura 5 3 3 Relazione tra il Risparmio di Energia Primaria ed il recupero de
26. cogeneratori presenti sul mercato europeo Figure 5 6 1 2 e 5 6 1 3 1000 Carico elettrico utenza 900 Jenbacher 312 800 Jenbacher 208A 3 700 Jenbacher 2088 Mtu ME3066LH S 600 5 Ecogen EG350 amp 500 S 400 5 E 300 a 200 100 0 0 2000 4000 6000 8000 Ore anno h Figura 5 6 1 2 Analisi di sensibilit del carico elettrico 1400 Carico Termico utenza Jenbacher 312 1200 enbacher 208A Jenbacher 2088 1000 z Mtu ME3066LH Ecogen EG350 800 E e g 600 2 5 e 400 200 0 0 2000 4000 6000 8000 Ore anno h Figura 5 6 1 3 Analisi di sensibilit del carico termico 191 Analizzando gli andamenti delle curve caratteristiche dell analisi di sensibilit del carico elettrico si nota che il cogeneratore Jenbacher 312 risulta sovradimensionato rispetto alle esigenze elettriche producendo eccedenze superate 1800 ore di funzionamento annue Si sono quindi selezionati cogeneratori di taglia intorno ai 300 kW Jenbacher 208A Jenbacher 208B ed Ecogen EG350 a cui corrispondono una produzione di eccedenze superate 3800 ore di funzionamento annue E stato selezionato infine il cogeneratore Mtu ME3066LH di piccola taglia 165 kWe a cui non si associano eccedenze elettriche durante l anno Pi significativa l analisi di sensibilit termica dovuta al fatto che rispetto al caso elettrico in cui un eventuale
27. precisamente variabile nel range 0 60 75 con valori superiori per le macchine a bromuro di litio rispetto a quelle ad ammoniaca per le macchine a doppio effetto l EER pu raggiungere valori superiori all unit in genere nel range 1 1 1 3 Si tenga presente che le prestazioni variano se la macchina funziona a carico parziale in Fig 2 6 6 4 si riporta il legame tra carico frigorifero ed energia entrante nell impianto sia per un frigorifero ad assorbimento sia a compressione la bisettrice corrisponde ad un comportamento ideale ad EER costante al variare del carico Si osserva che una macchina ad assorbimento mostra un minore consumo rispetto ad una macchina a compressione ed in particolare l EER del frigorifero ad assorbimento a carico parziale pu risultare superiore al corrispondente valore a pieno carico Ci dovuto all assenza nei frigoriferi ad assorbimento di macchine con parti in movimento escludendo la pompa il cui contributo poco significativo le cui prestazioni decadono sempre ai carichi parziali ed inoltre all incremento di efficienza di scambio negli scambiatori del sistema quando questo opera con portate inferiori a quelle di progetto 69 Consumo rispetto al nominale 100 m 1 i 0 m 80 Carico rispetto al nominale Figura 2 6 6 4 La figura 2 6 6 5 mostra invece che le prestazioni del frigorifero ad assorbimento in termini di potenza utile frigorifera variano al v
28. principali Il motore alternativo a combustione interna una macchina che richiede manutenzione ordinaria periodica principalmente per la sostituzione dell olio dei filtri e delle candele per quanto riguarda i motori ad accensione comandata I costi di manutenzione seppur variabili in base al costruttore e al modello in media si aggirano intorno ai 7 10 kW in rapporto all energia elettrica producibile si hanno valori dell ordine di 8 25 MWh dove i valori minimi si riferiscono ai motori di taglia maggiore I costi fissi di manutenzione rappresentano una voce di bilancio significativa se il numero di ore di funzionamento risulta esiguo ossia per gli impianti di piccola taglia Inoltre la manutenzione straordinaria pu richiedere la sostituzione di parti importanti testa motore alternatore componenti elettronici sistemi di iniezione ecc 51 2 6 2 Turbine a gas La turbina a gas un sistema che converte l energia chimica di un combustibile in energia meccanica operando secondo un ciclo aperto che si rif al ciclo termodinamico di Brayton La turbina a gas costituita essenzialmente da un compressore accoppiato ad una turbina e da una camera di combustione situata tra questi due componenti come mostrato schematicamente in Fig 2 6 2 1 Fig 2 6 2 1 Turbina a gas L aria viene aspirata dall ambiente dal compressore compressa e successivamente inviata in camera di combustione dove viene effettuata la combu
29. 0 TEMPERATURE HOT A FLOW RATE m h 10 3 11 1 13 1 13 9 15 3 16 7 18 1 19 5 22 0 23 6 25 9 27 8 30 0 32 0 WATER PRESSURE bar 0 20 0 24 0 25 0 28 0 27 0 32 0 38 0 44 0 39 0 45 0 39 0 45 0 39 0 44 DROP SOLUTION kw 0 55 0 4 0 75 0 4 2 2 1 5 PUMP PUMP REFRIG PUMP kw 0 2 04 04 VACUUM PUMP kw 0 4 71 Capitolo 3 LA SOLUZIONE INTEGRATIVA GEOTERMICA 3 1 Premessa Con il termine geotermia si soliti intendere tutti i processi tecnologici che consentono lo sfruttamento della energia termica immagazzinata nel sottosuolo La geotermia ovvero il calore reso disponibile dalla terra costituisce una fonte di energia rinnovabile quindi inesauribile e costantemente disponibile Essa pu essere classificata in base alle temperature a cui pu essere prelevato il calore e quindi alle possibili applicazioni Parte di questa energia pu essere sfruttata tramite un fluido termovettore e la risorsa energetica ottenuta pu essere classificata in e risorsa ad alta entalpia se il fluido ha una temperatura superiore a 150 C ed il cui sfruttamento diretto permette la produzione di energia elettrica e risorsa a media entalpia se il fluido ha una temperatura tra gli 85 ed i 150 C permettendo l utilizzo diretto di calore o la produzione tramite un fluido intermedio di energia elettrica e risorsa a bassa entalpia se il fluido non pu superare gli 85 C rendendolo idoneo alla produzione
30. 1 La quantit di energia sottratta al carico ed immessa nella sorgente viene calcolata dall equazione 43 1 2 Qrejectea Peooitng Equazione 4 3 1 2 Le temperature in uscita delle due correnti liquide possono essere calcolate mediante le equazioni 4 3 1 3 4 3 1 4 Arefectea Tsource out Tsource in a Equazione 4 3 1 3 f CaPcoci ng A I Equazione 4 3 1 4 4 3 2 TYPE 557 vertical ground heat exchange Questa subroutine modella uno scambiatore verticale interagente termicamente con il terreno E un modello di scambiatore molto usato nelle applicazioni con pompe di calore Questa subroutine modella scambiatori interagenti col suolo sia ad U che concentrici Un fluido termovettore viene fatto circolare attraverso lo scambiatore e cede energia termica al suolo o la assorbe a seconda del AT tra suolo e fluido In figura 4 3 2 1 e 4 3 2 2 sono mostrati gli scambiatori descritti 132 n Boreholes Storage DO Side View Top View Figura 4 3 2 1 U Tube Ground Heat Exchanger Boreholes Storage Side View Top View Figura 4 3 2 2 Concentric Tube Ground Heat Exchanger Il programma assume che i pozzi sono disposti uniformemente all interno di un volume di accumulo cilindrico del suolo storage volume All interno dei tubi c uno scambio convettivo di energia termica mentre c uno scambio conduttivo di energia termica nello storage
31. 320 Corr d avviamento riduttore 29 3 44 175 25 325 35 35 40 45 525 65 80 Corr a motore bloccato LRA 60 74 120 46 50 66 74 74 99 123 127 167 198 Alimentazione compressore 2015 400 350 Condensatore lato impianto Contenuto acqua incl flessibili 1 13 13 135 15 15 18 19 19 26 28 26 34 34 Portata nominale solo riscaldam ih 666 798 1008 1182 1476 1770 2124 2272 2652 3270 3758 4668 5104 Perdita di carico kPa 2 5 AZ w Versione reversibile A in funzione raffreddamento Portata nominale A R 7 12 C 975 1260 1497 1764 2167 2689 3236 3218 4093 4914 5652 7020 8478 Perdita di carico kPa 6 0 M M 20 2 26 26 21 30 39 36 50 Evaporatore lato sonde geotermiche Contenuto acqua I 17 U 22 22 zz 27 2 3 50 5 N m Potenza frigorifera kW 42 50 63 74 92 111 135 145 166 204 239 294 340 Portata acqua glicolata A R 3 0 C l h 1326 1584 1992 2352 2928 3516 4272 4625 5250 6462 7092 9312 10497 Perdite di carico evaporatore kPa 1 18 M 19 21 M 98 193 Versione reversibile R in funzione raffreddamento Potenza caldo da dissipare kW 61 79 94 11 0 136 166 197 209 249 300 345 430 520 Portata acqua glicolata A R 40 35 l h 1166 1504 1782 2102 2577 3211 3837 4000 4899 5871 6699 8352 10184 Pardite di carico evaporatore Wa 8 6 3 10 n 15 16 5 4 6 5 1 Fluido rafrigeranta Tipo R407C Carica di fluido refrigerante kg 120 1 35 145 165 175 180 185 185 250 370 390 400 400 Versione reversibile A C
32. 4 2 1 15 Parametri caratteristici delle caratteristiche di scambio termico delle pareti trasparenti definite dall utente 4 2 2 TYPE 120 La Type 120 un modello matematico per un cogeneratore costituito da un motore a combustione interna Il modello basato su una relazione empirica 120 una polinomiale di primo ordine il consumo di carburante espressa funzione della potenza elettrica normalizzata I rendimenti elettrici e il carburante sono entrambi calcolati Il modello pu simulare un certo numero di unit identiche di cogeneratori La Type 120 pu essere utilizzata per prevedere le prestazioni di un cogeneratore specifico purch sia data la curva di consumo del carburante In alternativa pu essere utilizzato un modello generico per prevederne il funzionamento nella gamma di potenza tra 5 500 kW Il modello generico estrapola una curva di efficienza del carburante di riferimento media di 5 cogeneratori diversi Il modello generico incorpora un fattore di correzione derivato da dati reali misurati sul cogeneratori con potenze operative medie nell intervallo 5 186 kW 123 Il carburante gasolio predefinito ma un database con propriet di carburanti inclusi nella Type 120 permette di calcolare le equivalenti portate di combustibili liquidi o gas per 5 combustibili alternativi gas liquefatto GPL propano C3H8 metano CH4 gas naturale ed idrogeno H2 La figura 4 2 2 1 mostra un esempi
33. 50 ore si ha un errore del 5 In ogni caso la durata del test non deve essere inferiore ad un tempo tm dato dalla seguente relazione dove r ilraggio della perforazione A la conduttivit termica a pcp la diffusivit termica Il metodo pi semplice per l elaborazione dei dati del test di resa termica introdotto nel 1948 da Ingersoll e Plass e rielaborato da Sanner et al nel 1992 si basa sulla teoria della sorgente lineare 87 In tal caso la sonda geotermica viene approssimata ad una linea come si vede nella seguente figura Sorgente termica Figura 3 4 2 Schema per Pelaborazione della teoria della sorgente lineare In risposta al flusso di energia termica q costante nel tempo il campo di temperatura funzione del raggio e del tempo attorno a questa linea dato dalla seguente equazione 5 Tr du SA Equazione 3 4 1 dove conducibilit termica W mK a diffusivit termica m s E integrale esponenziale Il valore di E pu essere approssimato con la seguente relazione fa a dat at DE E ka ins y senis Equazione 3 4 2 dove y 0 5772 la costante di Eulero Facendo riferimento alle seguente figura la temperatura del fluido all interno della sonda sar data da 88 Tf t TE t 4 qR To Equazione 3 4 3 Ro To Rground Tground ANNA To Tground Fluid Ji Rock Pipe wall Filling Borehole wal
34. 73 76 7982 85 88 91 94 97 Giorni Figura 5 8 1 2 Andamento della temperatura della sorgente geotermica durante tutto il periodo caldo 224 Da tale grafico si evince che la sorgente aveva inizialmente una temperatura di circa 13 C poi si avuto un incremento fino a circa 14 20 C a fine periodo caldo Tale incremento della temperatura giustificato dal fatto che l analisi effettuata nel periodo estivo in cui la richiesta termica per raffreddamento massima e quindi bisogna tenere conto che viene ceduta energia termica al sottosuolo Per una analisi pi completa nelle figure 5 8 1 3 e 5 8 1 4 sono riportati i risultati dell analisi condotta incrociando tali dati con i valori assunti dalla temperatura esterna Giugno Luglio Agosto Settembre 28 00 26 00 E 3 E 3 22 00 E 20 00 18 00 16 00 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 s1 56 61 66 71 Giorni Figura 5 8 1 3 Confronto tra le temperature della soluzione di acqua e gli le in ingresso ed in uscita dalle sonde geotermiche 1 temperatura dell aria esterna durante il periodo caldo 225 Giugno Luglio Agosto Settembre Tground Tamb 5 5 m in 5 ae T_ _r_rr_r rss A MA 1 4 7 101316 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 Giorni Figura 5 8 1 4 confronto della temperatura dell ambiente esterno con la temperatura del sottosuolo In figura 5
35. 80 85 90 95 100105110115120 Tempo h Figura 5 7 1 1 Andamento temperature in ingresso ed in uscita dalla sonda geotermica Nella tabella 5 7 1 2 si riportano i risultati della simulazione Ty PC 32 40 Tuo 28 40 Tabella 5 7 1 2 risultati della simulazione Scenario 2 sottosuoli sterili sedimenti secchi Dati di ingresso Energia termica costante immessa kWh 4 60 Lunghezza del pozzo m 100 00 Conducibilit termica del terreno ipotizzata W mK 0 83 Durata GRT h 120 Tabella 5 7 1 3 dati di ingresso usati per simulare il GRT nello scenario 2 Di seguito si riportano i risultati ottenuti dalla simulazione indicando con Tw e Two la temperatura dell acqua in ingresso ed in uscita dalla sonda rispettivamente 215 38 00 Andamento temperature 36 00 34 00 32 00 30 00 ura C 3 28 00 2 26 00 Tvi 24 00 Tempera Two 22 00 20 00 18 00 16 00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Tempo h Figura 5 7 1 2 Andamento temperature in ingresso ed in uscita dalla sonda geotermica Nella seguente Tabella 5 7 1 4 si riportano i risultati della simulazione Twi C 37 00 Two C 33 00 Tabella 5 7 1 4 risultati della simulazione In assenza di dati specifici sul suolo in esame si scelto di dimensionare il sistema intera
36. D M 18 settembre 2002 infatti sono previsti a tal scopo in ogni piano dei vari corpi di fabbrica idranti antincendio UNI 45 posizionati in modo tale da poter raggiungere con la tubazione flessibile ogni zona del piano cos protetto La rete di idranti antincendio costituita da un anello di base e varie montanti a servizio degli idranti nei piani in elevazione a cui collegato un attacco UNI 70 con valvola di ritegno per attacco motopompa del VV F Inoltre sono previsti degli estintori che per classe e per numero risultano essere conformi al sopra citato D M A servizio dell impianto antincendio idrico presente una riserva idrica costituita da una va sca in c a interrata ed un gruppo di pressurizzazione conforme alla norma UNI EN 12845 co stituito da elettropompa motopompa e pompa pilota di opportune portate e prevalenze La vasca antincendio stata dimensionata in modo tale da garantire una portata per ciascun idrante non minore di 120 l min ad una pressione residua di almeno 2 bar considerando si multaneamente operativi non meno di 3 idranti nella posizione idraulicamente pi sfavorevo le In presenza di pi colonne montanti l impianto deve avere caratteristiche tali da garantire 15 per ogni montante le condizioni idrauliche di contemporaneit sopra indicate ed assicurare per tali condizioni il funzionamento contemporaneo di almeno due colonne montanti 1 3 3 L Impianto da adottare e l obiettivo che si intend
37. Modello di Hellstrom L Impianto geotermico dell Ospedale S Giovanni Bosco in Napoli Capitolo 4 Il Programma di Simulazione dinamica Trnsys Introduzione Componenti utilizzati simulare l impianto di cogenerazio ne trigenerazione Type 56 Type 120 Type 107 Type 665 Componenti utilizzati per simulare di un impianto geotermico a bassa ental pia Type 668 Type 557 vertical ground heat exchange Il modello di Hellstr m Hellstr m Goran Duct Ground Heat Storage Model Manual for Computer Code Il processo termico Processo termico fondamentale Processo termico secondario Processo termico locale Sovrapposizione Procedura numerica Problema globale Bilancio termico per il fluido termovettore Problema locale Energia termica trasferita dal problema locale al problema globale Problema di flusso stazionario Sovrapposizione di temperature Capitolo 5 Criteri per effettuare l analisi energetica e tecnico economica Premessa Scelta della tipologia impiantistica cogenerativa Analisi ed individuazione dei parametri fondamentali dei processi cogenera tivi Metodologia per una gestione ottimizzata degli impianti di cogenerazine 76 79 83 94 97 99 99 100 101 102 104 107 107 108 110 111 111 112 114 123 125 128 130 130 132 139 141 141 142 142 142 145 146 146 148 149 152 152 153 154 154 154 155 158 5 5 5 6 5 6 1 5 6 2 del Ste ST2 5 7 3 5 7 4 5 8
38. ad un flusso di calore proveniente dall esterno un condensatore dove il vapore proveniente dal desorbitore viene condensato con trasferimento di calore all esterno sorgente calda mediante il medesimo fluido esterno che ha operato il raffreddamento presso l assorbitore spesso il fluido vettore di raffreddamento acqua inviata in una apposita torre di raffreddamento una valvola di laminazione che riporta il fluido nell evaporatore e ne riabbassa la pressione 67 L impianto pu presentare anche altri componenti ad esempio nel caso di impiego di ammoniaca si rende necessario l impiego di una colonna di rettifica che separi il vapore di NH3 da quello di H20 Figura 2 6 6 2 Sezione alta pressione CONDENSATORE liquida Acqua di Fluido o gas da raffreddamento raffreddare APORATORE hs 1 l i COLONNA DI I Soluz ASSORBITORE RETTIFICAZIONE i 3 1 Acqua di ffreddamento Energia primaria DESORBITC ORE Fig 2 6 6 2 Fonte Baxter www baxterenergy com Una variante ulteriore costituita dall impianto ad assorbimento a doppio effetto che differisce dall impianto a semplice effetto sopra descritto essenzialmente per la presenza di due desorbitori posti in cascata si veda la figura 2 6 6 3 l impianto a doppio effetto utilizza nel desorbitore che funziona a temperatura inferiore il calore reso disponibile al condensatore di livello termico superiore In genere l impianto a doppio st
39. adatto alla struttura ospedaliera Questo aspetto determinante ai fini della valutazione tecnica economica sulla convenienza della soluzione geotermica 230 SCHEMA IMPIANTO DI TRIGENERAZIONE E SONDE GEOTERMICHE SCHEMA A BLOCCHI IMPIANTO DI TRIGENERAZIONE E SONDE GEOTERMICHE MOTORE A ASSORBITORE gt mr UTENZA ELETTRICA UTENZA TERMICA FRIGORIFERA UTENZA AN oec je TEV 02 CIRCUITO CHIUSO i 9 5 IN FOGNA EP 06 REINTEGRO pee TEV 01 o sa ADDOLCITORE IN FOGNA P REINTEGRO DA CAMPO SONDE GEOTERMICHE
40. alimentazione dell aria per la combustione avviene attraverso un condotto di aspirazione mentre 42 l evacuazione dal cilindro dei gas esausti si ha attraverso il condotto di scarico Il combustibile pu essere immesso direttamente in camera di combustione o nel condotto di aspirazione a seconda della tipologia del motore La combustione genera una spinta meccanica sulla testa del pistone e lo mette in movimento lungo l asse del cilindro il pistone si muove di moto alternativo e trasmette energia meccanica all albero motore attraverso il manovellismo di spinta Nelle applicazioni stazionarie l energia meccanica sotto forma di moto di rotazione dell albero motore pu essere trasferita ad un alternatore connesso all albero stesso L alternatore presiede alla conversione dell energia meccanica in energia elettrica a corrente alternata Dal punto di vista funzionale i MCI possono poi essere suddivisi in motori a due tempi 2T e motori a quattro tempi 4T a seconda del numero di corse effettuate dal pistone ad ogni ciclo I MCI utilizzati nella cogenerazione sono per lo pi tutti a 4T I MCI possono essere inoltre classificati sulla base del ciclo termodinamico che li contraddistingue in motori a ciclo Otto ad accensione comandata in quanto necessitano di un sistema che inneschi la combustione ad ogni ciclo e in motori a ciclo Diesel o ad accensione spontanea in quanto la combustione si innesca spontaneamente ad og
41. alle condizioni climatiche Continuando la rilevazione per 2 3 anni si riscontrato un lieve abbassamento della temperatura che si attenua al passare del tempo e si attesta intorno ad un valore di 1 2 C rispetto alle condizioni del terreno indisturbato Ripetendo nel tempo la rilevazione si riscontrato che il terreno raggiunge autonomamente condizioni stazionarie accettabili I dati raccolti da tali rilevazioni furono utilizzati per validare il modello numerico sviluppato da Eugest e Rybach 3 2 1 Vantaggi e limiti degli impianti geotermici Come detto gli impianti geotermici possono essere efficacemente impiegati nella climatizzazione invernale ed estiva degli edifici L istallazione di tali impianti risulta particolarmente vantaggiosa per i seguenti motivi a La pompa di calore geotermica sostituisce la caldaia per il riscaldamento invernale ed i gruppi frigo per la climatizzazione estiva Di conseguenza una sola macchina particolarmente silenziosa e di dimensioni contenute pu essere impiegata sia in regime invernale che estivo b Dal punto di vista della sicurezza l impiego di pompe di calore geotermiche evita l istallazione della caldaia e quindi consente di azzerare i pericoli dovuti alle perdite di gas c Gli impianti di climatizzazione geotermici secondo il rapporto EPA sono il sistema che ha il pi basso valore delle emissioni di CO2 fra le tecnologie disponibili per la climatizzazione ed il pi basso impatto a
42. calore mediante olio diatermico acqua o vapore in quest ultimo caso possibile l accoppiamento tra l assorbitore ed un impianto cogenerativo per impiego tri generativo Qc ass il Condensatore Desorbitore Soluzione concentrata Assorbitore Evaporatore Soluzone sil Or Fig 2 6 6 1 Il frigorifero ad assorbimento si basa sull impiego di una miscela binaria di fluidi ad esempio una soluzione di acqua e bromuro di litio H2O BrLi oppure ammoniaca ed acqua NH3 H20 la prima delle due sostanze della miscela si comporta come fluido refrigerante e la seconda come solvente in cui il refrigerante disciolto in concentrazione pi o meno elevata a seconda del punto dell impianto L impianto rappresentato in modo schematico in Figura 2 6 6 1 presenta i seguenti componenti essenziali un evaporatore nel quale si ha la sottrazione di calore dall ambiente da raffreddare con l evaporazione del fluido refrigerante un assorbitore nel quale il refrigerante evaporato fortemente concentrato viene riassorbito dalla soluzione diluita grazie ad una differenza di concentrazione e con un raffreddamento con fluido esterno non mostrato in figura una pompa che invia la soluzione dall assorbitore al desorbitore e aumenta la pressione del fluido un desorbitore anche detto generatore presso il quale la soluzione rilascia una frazione di soluto per evaporazione grazie
43. che unit di piccola cogenerazione un unit di cogenerazione con una capacit di generazione installata inferiore a 1 MWe unit di microcogenerazione un unit di cogenerazione con una capacit di generazione massima inferiore a 50 kWe La deliberazione n 328 07 alla luce di quanto predetto nell ambito dell attivit di monitoraggio degli impianti di generazione sono state introdotte le seguenti nuove definizioni Generazione distribuita GD l insieme degli impianti di generazione con potenza nominale inferiore a 10 MVA Piccola generazione PG l insieme degli impianti per la produzione di energia elettrica anche in assetto cogenerativo con capacit di generazione non superiore a 1 MW un sottoinsieme della GD Microgenerazione MG l insieme degli impianti per la produzione di energia elettrica anche in assetto cogenerativo con capacit di generazione inferiore a 50 kWe un sottoinsieme della GD e della PG Per contestualizzare ed evidenziare lo sviluppo e la presenza sul territorio nazionale di impianti di piccola generazione stato analizzato il documento dell AEEG Monitoraggio dello Sviluppo degli Impianti di Generazione Distribuita per l anno 2010 Da tale documento si evince che la produzione lorda di energia elettrica da impianti di Piccola Generazione nel 2010 stata pari a 4 980 GWh circa il 25 1 dell intera produzione nazionale di energia elettrica da GD con un i
44. che costituiscono un sistema chiuso viene fatto circolare un fluido termovettore che rappresenta il mezzo fisico attraverso cui avviene lo scambio termico Le sonde geotermiche possono essere ottimamente accoppiate alle pompe di calore Tale tecnologia largamente sfruttata per la climatizzazione degli edifici sfrutta un apporto di energia elettrica per prelevare calore da una sorgente termica esterna e convogliarlo a temperatura maggiore all ambiente da climatizzare Le sonde geotermiche possano essere utilizzate vantaggiosamente per sfruttare il suolo come sorgente termica per le applicazioni in pompa di calore La temperatura praticamente costante del sottosuolo sfruttabile facendo circolare il fluido termovettore nelle sonde permette infatti di migliorare le prestazioni della macchina rispetto all utilizzo dell aria esterna come sorgente Un ulteriore vantaggio ottenibile con l utilizzo del sistema sonde pompa di calore nel caso di edifici ad alta efficienza termica e localit caratterizzate da estati non particolarmente calde consiste nel poter sfruttare la bassa temperatura del terreno per la climatizzazione estiva dell edificio senza alcun consumo energetico free cooling In tale contesto le sonde fungono da sorgente calda nei periodi di riscaldamento e da sorgente fredda durante il raffrescamento estivo Durante il ciclo di riscaldamento invernale infatti il fluido scende a bassa temperatura nel tubo della sonda per ri
45. convertita in una serie di fattori di risposta in temperatura adimensionali definiti g function La g function permette di calcolare la variazione di temperatura alla parete del pozzo in risposta ad un impulso di calore a gradino per un determinato intervallo di tempo Una volta che la risposta in temperatura di un campo di scambiatori per un determinato impulso termico a gradino rappresentata da una g function la risposta di un andamento arbitrario del calore di condensazione estrazione in funzione del tempo pu essere determinata suddividendo tale andamento in una serie di impulsi a gradino e sovrapponendone le risposte Nella figura seguente possibile osservare il modello applicato al funzionamento dell impianto in modalit riscaldamento per un periodo di 4 mesi Fissando l impulso termico di base pari all intero periodo 4 mesi ed invece gli altri impulsi sono sovrapposti per differenza e quindi paria 107 Qr Qi Q Q2 Q1 Q3 Q3 Q2 Q4 Q4 Q3 E possibile calcolare la temperatura sulla superficie del pozzo in funzione del tempo andando a sommare le risposte ai 4 impulsi a gradino Sovrapposizione dei vari impulsi a gradino Estendendo il ragionamento ad n impulsi termici si perviene alla determinazione della temperatura sulla superficie del pozzo mediante la risoluzione della seguente relazione Trorehote T ground M Come gi detto il modello di Eskilson
46. costo tuttavia molto elevato anche se la loro progressiva penetrazione sul mercato potrebbe nell arco dei prossimi 5 10 anni aumentarne significativamente la competitivit Per quanto sopra scritto nel presente lavoro varr analizzato il caso di utilizzo dei motori a combustione interna a fini co trigenerativi Nella applicazione trigenerativa il gruppo cogeneratore verr accoppiato ad una macchina ad assorbimento Acqua BrLi a singolo stadio caratterizzata da un COP pari a 0 7 utile alla produzione di energia frigorifera da impiegare in estate nella climatizzazione ambientale 5 3 Analisi ed individuazione dei parametri fondamentali dei processi co trigenerativi e delle varie interdipendenze Si proceder ad effettuare una analisi dei parametri fondamentali quali gli indicatori energetici economici ed ambientali dei processi co trigenerativi per conseguire informazioni di tipo generale sul funzionamento di tali impianti L analisi stata effettuata per individuare le variabili che influenzano il processo di produzione di energia termica ed elettrica tramite le quali possibile evidenziare la bont o l inutilit dal punto di vista energetico ed economico di un impianto di co trigenerazione L analisi stata condotta tenendo sempre presente gli aspetti normativi correlati a tali tipi di impianti Facendo riferimento alla configurazione impiantistica di una generica utenza si ipotizzato che i carichi termici s
47. definire l espressione della distribuzione della temperatura 2 2X ENS 2 N T T D m 0psigs 27 1 4 CD n 2 r 2r 4x 2 ri 2Nx N r dove r rappresenta la distanza radiale a cui si vuole conoscere la temperatura La definizione del concetto del raggio limite molto importante in quanto delimita la zona intorno alla quale si nota l influenza della presenza dello scambiatore Negli impianti caratterizzati da un numero elevato di scambiatori questa grandezza molto importante per valutare l effetto dell interferenza che risulta trascurabile se la distanza tra i centri dei pozzi superiore al raggio limite e deve invece essere calcolata per sovrapposizione se la distanza minore del raggio limite 3 6 2 3 Modello IGSHPA Il modello di dimensionamento sviluppato dall IGSHPA si basa sulla teoria della sorgente lineare di Kelvin e mediante tale modello si definiscono le equazioni del calcolo della resistenza termica di uno scambiatore verticale ossia 102 I X RX 2 2 dove X 24e Con X si considera un integrale esponenziale ro rappresenta il raggio esterno del tubo a la diffusivit termica del terreno m h k la conduttivit termica del terreno W m C e t rappresenta il tempo h Per calcolare l integrale esponenziale si possono applicare delle approssimazioni per 0 lt X 1 e 1 lt X oo se 0 lt X I I X x ema 0 57721566 0 99999193X 0 24991
48. del fluido 4 186 kJ kgK Rendimento 0 90 Tabella 4 2 1 parametri TYPE 6 TYPE 655 il modello del chiller tale modello necessita in input di opportuni parametri quali ad esempio la potenza termica a pieno carico nelle ipotesi di funzionamento nelle condizioni di progetto il valore del COP ecc Nel caso specifico sono stati impostati i parametri relativi ad un gruppo refrigeratore selezionato per soddisfare i fabbisogni dell edificio nel periodo estivo TYPE 120 il modello tramite il quale si simula il funzionamento dell impianto di cogenerazione costituito da un motore a combustione interna Il modello pi simulare svariate taglie di cogeneratori necessario allo scopo specificare in input i valori dei parametri caratterizzanti il funzionamento della macchina prescelta quali ad esempio la potenza elettrica la potenza termica ed i relativi valori dei rendimenti ecc TYPE 107 il modello del chiler ad assorbimento i parametri impostati sono relativi al gruppo ad assorbimento opportunamente prescelto per essere accoppiato al gruppo cogenerativo 113 4 2 1 TYPE 56 Nelle simulazioni pi complesse degli edifici si soliti effettuare una modellazione multizona dell edificio oggetto di studio utilizzando interfaccia grafica del programma TRNBUILD Mediante questo programma possibile modellare il comportamento termico di un edificio diviso in diverse zone termiche e generare un componente s
49. dell Angelo 25 aprile 1 maggio 2 giugno 15 agosto 1 novembre 8 25 e 26 dicembre Figura 5 6 1 4 Fasce orarie per la tariffa multioraria Per la determinazione dei risultati economici caratteristici della configurazione impiantistica applicando questa modalit di gestione si utilizzeranno i parametri tecnico economici di riferimento relativi al costo dell energia elettrica del gas costi di manutenzione ecc riportati nella seguente Tabella 5 6 1 1 T Nm Tum M Pun Puers Cuni Cur Curs Nm kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh 0 38 0 0187 0 015 0 12 0 096 0 065 0 16 0 117 0 088 Hi Me kWh Nm 9 58 0 46 0 9 Tabella 5 6 1 1 Parametri tecnico economici di riferimento Si supposto di alimentare l utenza ad una temperatura variabile tra il valore di uscita dallo scambiatore ed il valore massimo di esercizio ogni qual volta il carico termico richiesto dall utenza risulti essere minore o uguale al quello erogato dal cogeneratore P lt Pinom Invece nelle ore in cui 193 P 7 Pinom si adegua il carico termico richiesto dall utenza facendo ricorso all energia termica erogata da una caldaia di integrazione Peak boiler Si riportano nel seguito i risultati ottenuti applicando la modalit di gestione finalizzata alla massimizzazione del risultato economico al caso della soluzione Jenbacher 208
50. di inquinanti e il relativo impatto sull ambiente utilizzare in modo razionale le risorse attraverso la riduzione dei consumi energetici da combustibili fossili ottimizzare la gestione dei servizi energetici Tali obiettivi sono conseguibili tramite interventi mirati al miglioramento delle prestazioni dell involucro edilizio incremento dell isolamento termico sostitu zione dei serramenti installazione di idonei sistemi di schermatura solare alla sostituzione di componenti obsoleti degli impianti di climatizzazione invernale e o estiva e di illuminazione con altri pi efficienti dal punto di vista energetico e con mi nore impatto sull ambiente in termini di emissioni prodotte all utilizzo dell energia gratuita del sole e del terreno per la produzione di energia elet trica pannelli fotovoltaici e termica collettori solari e sonde geotermiche alla revisione della contrattualistica inerente ai servizi energetici e all introduzione di sistemi di contabilizzazione individuale dell energia per la sensibilizzazione alla ridu zione dei consumi Da una preliminare Analisi Energetica del complesso ospedaliero si evince che i consumi complessivi di energia primaria dell Ente energia elettrica e gas ammontano a circa 5 825 000 kWh anno di cui 3 136 166 kWh anno per consumi di energia elettrica e 2 688 834 kWh anno per consumi di gas naturale valore che rapportato alla superficie totale degli edifici dell Ospedal
51. di risparmio energetico e di impatto ambientale per la collettivit rispetto ad altri possibili criteri tecnici Tale definizione assume specifica rilevanza in relazione al particolare ruolo riconosciuto alla cogenerazione dal decreto legislativo n 79 99 L articolo 4 comma 2 del decreto legislativo n 79 99 prevede che entro sei mesi dalla data di entrata in vigore del decreto il Ministro dell industria sentiti il Ministro del commercio con l estero e l Autorit adotta gli indirizzi ai quali si attiene l acquirente unico al fine di salvaguardare la sicurezza e l economicit degli approvvigionamenti per i clienti vincolati nonch di garantire la diversificazione delle fonti energetiche anche con l utilizzazione delle energie rinnovabili e dell energia prodotta mediante cogenerazione L articolo 11 comma 4 del decreto legislativo n 79 99 prevede che il gestore della rete di trasmissione nazionale assicuri la precedenza all energia elettrica prodotta da impianti che utilizzino nell ordine fonti energetiche rinnovabili sistemi di cogenerazione sulla base di specifici criteri definiti dall Autorit e fonti nazionali di energia combustibile primaria queste ultime per 28 una quota massima annuale non superiore al quindici per cento di tutta l energia primaria necessaria per generare l energia elettrica consumata Di seguito sono quindi elencati i principali benefici previsti per la cogenerazione ad alt
52. diretta di calore mediante le pompe di calore 3 1 1 Risorsa ad alta entalpia Il calore del sottosuolo pu essere utilizzato non solo ai fini termici ma anche per la produzione di energia elettrica Nelle zone caratterizzate da faglie sono presenti anomalie termiche nel sottosuolo che consentono di sfruttare la pressione esercitata dal vapore contenuto nei pozzi per azionare una turbina accoppiata ad un generatore elettrico Esistono nel mondo varie applicazioni di centrali geotermiche per la produzione di energia elettrica In Italia tale applicazione rappresentata dalla centrale geotermica di Larderello in Toscana mentre la pi grande centrale al mondo la centrale The Geysers che si trova a circa 140 km a nord di San Francisco USA che ha una potenzialit di 800 MW Nel caso di pozzi d acqua sottoposti a pressioni e temperature elevate nei quali si produce acqua calda e non vapore definiti acquiferi ad acqua dominante si alimentano centrali in cui l acqua che si trova ad una temperatura di circa 200 350 C arriva in superficie passando rapidamente da elevatissime pressioni nel sottosuolo alla pressione atmosferica Si genera cos la vaporizzazione di una parte dell acqua del pozzo che viene sfruttata in centrale per la produzione di energia elettrica e che viene rimessa in profondit tramite il pozzo stesso Applicazioni di tale metodologia si possono 72 ritrovare nei campi geotermici di Travale Montier
53. gas naturale 67 e del carbone 15 Spagna Circa il 7 della produzione elettrica cogenerativa generata soprattutto nel settore industriale quasi ente il teleriscaldamento Prevalente l utilizzo di gas naturale 77 seguito dai combustibili rinnovabili 9 e dal petrolio e suoi derivati 7 Svezia La cogenerazione rappresenta circa il 8 della produzione elettrica totale utilizzata soprattutto nelle reti di teleriscaldamento e nelle utenze industriali Le biomasse sono di gran lunga il combustibile pi utilizzato 62 seguite da carbone 10 e petrolio 12 Scarso impiego del gas naturale 4 Gran Bretagna La cogenerazione rappresenta circa il 6 della produzione elettrica totale Importante la potenza installata su impianti industriali di larga scala Il gas naturale oggi il combustibile principale 72 seguito da combustibile di processo 20 Romania La cogenerazione contribuisce per il 18 alla produzione di elettricit nazionale con scarsa presenza di autoproduttori Utilizzo quasi esclusivo di gas naturale 45 e carbone 45 Polonia La cogenerazione contribuisce per il 16 alla produzione di elettricit nazionale con una minoritaria quota di autoconsumo elettrico 23 Quasi esclusivo utilizzo di combustibili solidi 91 Repubblica Ceca Circa il 15 della capacit elettrica totale in cogenerazione con una minoritaria quota di auto
54. h kWh risulta superiore al costo dell energia elettrica di riferimento nella generica fascia oraria F 158 CEuerirri h KWh Tali costi caratteristici dell analisi della redditivit economica sono rappresentati dalle seguenti equazioni LA 1 nh h e Cay M Lam raa ae Eq 5 3 E D Presi Eveccri A Eurih E h CE n M Eq 5 4 Dove Me Circo TA lea _ 0 417 rappresenta il costo unitario del combustibile Nm utilizzato per alimentare il cogeneratore al netto della defiscalizzazione del gas naturale corrispondente a 0 250 Nm kWh elettrico C TL rappresenta il costo del combustibile ENm per l alimentazione delle caldaie di integrazione non soggetto a defiscalizzazione La rappresentazione del costo CEuerifri h come media pesata tra il costo di acquisto dell energia elettrica ed il prezzo di vendita delle eccedenze trova giustificazione dal fatto che un eventuale spegnimento dell impianto comporter un esborso economico corrispondente al costo del kWh relativo alla quota dell energia elettrica autoconsumata ed un mancato guadagno corrispondente al prezzo di vendita dell energia relativa alla quota dell energia elettrica eccedente Nel caso in cui la potenza elettrica dell impianto non ecceda il carico richiesto dall utenza il costo di riferimento si traduce nel solo costo del kWh relativo alla quota dell energia elettrica autoconsumata
55. i valori massimi e minimi e comparir un warning nel simulation log file e nel listing file di TRNSYS In tabella 4 3 1 1 sono riportate le grandezze utilizzate da questo componente Grandezza Descrizione Unit Potenza frigorifera della pompa di calore nelle correnti condizioni kJ h Qrejected Energia sottratta al carico kJ h Temperatura ingresso pompa di calore lato sorgente j Temperatura uscita pompa di calore lato sorgente C Tioad in Temperatura ingresso pompa di calore lato carico C Tioad out Temperatura uscita pompa di calore lato carico C Portata massica ingresso pompa di calore lato sorgente Kg h CPsource Calore specifico liquido ingresso pompa di calore lato sorgente kJ kgK Mioad Portata massica ingresso pompa di calore lato carico Kg h CPioad Calore specifico liquido ingresso pompa di calore lato carico kJ kgK Tabella 4 3 1 1 Grandezze utilizzate dalla TYPE 668 Cooling performance data valori di temperatura di ingresso del fluido interagente col carico devono essere tutti espressi in 2C separati da una virgola e collocati sulla prima riga del file valori di temperatura di ingresso del fluido interagente con la sorgente devono essere tutti espressi in C separati da una virgola e collocati sulla seconda riga del file L utente pu specificare pi valori o meno valori per ognuna di queste due variabili ma poi deve modifi
56. indice era espresso mediante la seguente relazione ten 5 _q49 2 6 0 51 0 90 dove con ne ed sono espressi rispettivamente il rendimento elettrico e termico medi del gruppo cogenerativo ovvero rispettivamente il rapporto tra l energia elettrica netta ed il consumo di energia primaria ed il rapporto tra energia termica recuperata ed effettivamente utilizzata ed il consumo di energia primaria Secondo il Cip n 6 92 si poteva assimilare la cogenerazione a fonte rinnovabile se il valore dell Indice energetico risultava 5 Q7 90 22 2 3 3 Le condizioni previste dalla delibera AEEG 42 02 e successivi aggiornamenti La produzione combinata di energia elettrica e calore che rispetta le condizioni previste dalla delibera 42 02 viene definita Cogenerazione ad Alto Rendimento sulla base di quanto riportato nell art 3 del decreto legislativo n 20 del 8 febbraio 2007 Tale decreto introduce anche il concetto di Garanzia di origine GOc dell elettricit prodotta da cogenerazione ad alto rendimento si tratta di un documento rilasciato su richiesta del produttore dal GSE attraverso un apposita procedura per produzioni annue superiori a 25 MWhe che accompagna l energia elettrica prodotta da un sistema cogenerativo ad alto rendimento La GOc attesta l ubicazione dell impianto la tecnologia il combustibile e il suo PCI la quantit di combustibile utilizzata e l elettricit da cogenerazione
57. integrati con unit a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario Report RSE 2009 18 ENEA Aprile 2009 M Dentice d Accadia M Sasso S Sibilio L Vanoli Micro combined heat and power in residential and light commercial applications Applied Thermal Engineering 23 2003 1247 1259 Cirillo N C La microcogenerazione con Motori Alternativi a alimentati con combustibili gassosi Tesi di Dottorato in Ingegneria delle Macchine X Ciclo 1998 Cirillo N C Cozzolino R Micro cogeneration with LPG fuelled S I engines new ways for emissions control The 1998 Fall Technical Conference of the ASME Internal Combustion Engine Division Part 1 of 3 Clymer NY USA 27 30 Sept 1998 pp 63 69 N C Cirillo R Cozzolino Un prototipo di microcogeneratore da 3kW realizzazione e risultati 53 Congresso ATI Firenze Italia 1998 R Cozzolino M no Migliaccio N C Cirillo P Grassia P Capaldi Un microcogeneratore con motore a c i alimentato a GPL Convegno Tekna Napoli Ottobre 2000 232 25 26 27 28 29 30 P Capaldi R Cozzolino P Grassia M Migliaccio A Natale Un microcogeneratore da 6kWe ad alta efficienza e basso impatto ambientale 57 Congresso Nazionale ATI Pisa 17 20 settembre 2002 P Capaldi P Grassia M no Migliaccio A Del Pizzo Un microcogeneratore da 10kWe ad alta efficienza e basso impatto ambientale
58. loro possibilit di fornire la necessaria potenza termica limitando lo spazio orizzontale dell impianto Schema tipico di un impianto geotermico con scambiatori verticali 93 Sapendo che il terreno ha la caratteristica di avere temperatura pressoch costante da circa 10 m sotto il piano di campagna fino ai 200 m di profondit pu essere utilizzato come fonte di energia calda o fredda grazie alle sonde geotermiche accoppiate a pompe di calore Nello specifico in regime invernale le pompe di calore trasferiscono calore dal sottosuolo a temperatura di circa 12 C all acqua calda sanitaria la cui temperatura di progetto 50 C L impianto potrebbe essere del tipo closed loop verticale e costituito da sonde geotermiche a scambio verticale in polietilene ad alta densit a doppio U PN 16 di diametro 32 mm alloggiate in fori di diametro 152 mm di profondit compresa tra 80 100 m Affinch non vi sia interferenza termica tra sonde affiancate si deve scegliere un interasse di posa di almeno 8 m circa 50 mq Le sonde vengono poi riempite con miscela di acqua e glicole monopropilenico inibito al fine di abbassare la temperatura di congelamento del fluido a 10 C 3 5 Il dimensionamento del campo geotermico La valutazione del dimensionamento delle sonde geotermiche uno dei fattori che maggiormente influenza il corretto funzionamento di un impianto geotermico Infatti un sovradimensionamento comporter un esborso ec
59. oltre che l andamento annuo delle temperature dello scambiatore geotermico Infatti deve essere valutato al andamento di tali temperature in un periodo di 20 30 anni affinch si verifichi che la temperatura massima e minima di ingresso ed uscita della pompa di calore non si discostino da quelle imposte da progetto inoltre tali temperature influenzano la lunghezza delle sonde pertanto una errata valutazione in fase progettuale pu portare ad un sovradimensionamento dell impianto Per impianti di grossa taglia necessario effettuare 1 untest di risposta termica del suolo Thermal Response Test TRT 2 Simulare l accoppiamento edificio impianto mediante software quali il TRNSYS Il TRT un test che consente di conoscere le propriet termiche del terreno pervenendo alla determinazione della conduttivit termica equivalente del terreno e alla resistivit termica del pozzo geotermico Pertanto per pervenire ad un corretto dimensionamento dell impianto necessario conoscere 1 la conduttivit termica del terreno 2 la resistenza termica del pozzo 3 le caratteristiche della sonda 4 le caratteristiche del pozzo geotermico 5 la temperatura indisturbata del terreno 6 la portata del fluido termovettore nel pozzo 7 le caratteristiche di funzionamento della pompa di calore 8 il fabbisogno termico dell edificio mese per mese 9 il carico termico di picco mese per mese Per pervenire alla conoscenza dei fabbis
60. ospedale costituito da 6 corpi di fabbrica Nella zona circostante i fabbricati sono dislocate aree adibite a parcheggi per le autovetture del personale e giardini 1 3 1 Involucro edilizio Per procedere alla determinazione dei carichi termici dei vari ambienti della struttura ospeda liera necessario conoscere dettagliatamente la stratigrafia dei muri che come in questo caso risulta alquanto difficoltosa poich sarebbe necessario condurre dei sondaggi invasivi sulla struttura muraria ed inoltre come evidenziato nel paragrafo precedente lo stato di manuten zione edile dei vari corpi risulta scadente e soprattutto i corpi Bl e B2 sono in pessimo stato Per quanto sopra scritto per determinare la stratigrafia dei pacchetti delle superfici opache muri perimetrali e trasparenti vetri delle finestre si fatto ricorso per i primi all appendice B della norma UNI TS 11300 1 Abaco delle strutture murarie utilizzate in Ita lia in edifici esistenti mentre per i secondi ad una indagine effettuata in loco Dallo studio dell Abaco delle strutture murarie utilizzate in Italia in edifici esistenti presente nella norma UNI si riscontra che la struttura muraria largamente utilizzata all epoca 12 dell edificazione del nosocomio rappresentata dalla muratura a cassa vuota che risulta essere costituita procedendo dall interno verso l esterno dai seguenti materiali e Intonaco interno costituito da calce e ge
61. posizionati sulla superficie del suolo al di sopra della regione di accumulo per ridurre le perdite di energia termica Questi fattori e molti altri influenzano lo scambio termico globale Il processo locale nell intorno di ciascun pozzo veramente importante Esso dipende da quanto grande l estensione dei canali di flusso nei ground heat exchanger 4 5 1 2 Processo termico secondario Altri processi che possono influenzare il comportamento termico dell accumulo di energia termica al suolo sono giudicati essere di secondaria importanza La loro influenza o piccola o pu essere calcolata preventivamente in maniera semplice Flussi di acqua in alcune regioni del suolo possono aumentare le perdite di energia termica in accumuli sviluppati in strati di suolo permeabili Uno studio numerico di van Meurs 1985 riguardanti un mezzo poroso con propriet idrauliche omogenee indica che un accumulo richiede uno schermo di protezione se il flusso d acqua eccede i 50 mm giorno I flussi di acqua in terreni rocciosi avvengono attraverso le fessure e le fratture che si creano all interno della roccia L ampiezza di tale flusso dipende dal numero di fessure dalla loro lunghezza dall estensione delle fratture e da gradienti idraulici locali Questi fattori sono in realt specifici del sito considerato e in generale difficile valutare la loro influenza sul comportamento termico del suolo 4 5 1 3 Processo termico locale 142 Il probl
62. prodotta mensilmente l uso del calore cogenerato e il risparmio di energia primaria Primary Energy Saving PES La delibera 42 02 impone ad un impianto cogenerativo di produrre almeno una quantit minima di calore e di conseguire un risparmio di energia primaria tali condizioni vengono espresse attraverso il limite termico LT e l indice di risparmio energetico IRE LT gt LT min IRE gt IRE min Il limite termico definito come dove E energia elettrica al netto degli ausiliari prodotta nell anno solare 2 0 33 dall impianto cogenerativo energia termica utile prodotta nell anno solare utilmente utilizzata a scopi civili o industriali e rappresenta la quota parte di produzione termica dell impianto cogenerativo rispetto alla produzione totale un LT pari a 0 10 sta a significare che il 10 della produzione totale dell impianto cogenerativo dovuta al calore 23 L IRE invece definito come IRE 1 E 1 1 Boats Me 7 P Mop Neri N rip dove E energia del combustibile utilizzato valutata nel corso dell anno solare con riferimento al potere calorifico inferiore Ne rendimento elettrico netto di riferimento della produzione elettrica separata Meir rendimento elettrico di riferimento nella produzione termoelettrica convenzionale rendimento termico di riferimento della produzione termica separata Tir rendimento termico di rifer
63. rimpiazzato Il gradiente che si viene a determinare far s che si abbia un aumento della resistivit in quanto non si avr pi liquido per garantire lo smaltimento del calore Ci determina l istaurarsi delle condizioni di instabilit termica nel terreno Per valutare la stabilit termica del terreno sono stati definiti i valori critici dell umidit sia per terreni a grana fine che per quelli a grana grossa Si riscontra inoltre che all aumentare del contenuto d acqua si ha l aumento della porosit del terreno che comporta il distanziamento dei granuli per uno stesso materiale possono essere definiti vari stati di comportamento del terreno ed il passaggio da uno all altro avviene in corrispondenza di un determinato valore del tasso di umidit del terreno Questi valori vengono definiti limiti di Atterberg e possono essere utilizzati per classificare ed identificare le propriet di un suolo Sono definiti tre limiti di Atterberg in funzione del tasso di umidit 1 il limite di ritiro RL ws che rappresenta il limite inferiore della riduzione del volume al di sotto del quale tutta l acqua evaporata 2 il limite plastico PL o wp che rappresenta il valore inferiore di plasticit in cui si riscontra che il terreno pu essere ridotto ad un filo di 1 8 di pollice rullandolo con le mani 3 il limite liquido LL o wL che rappresenta il limite inferiore di scorrimento viscoso al di sotto del quale diventa plastico Salomone introdusse
64. termica complessiva relati acqua calda sanitaria Potenza Termica KW AMAA i Lila Li 70540 Figura 5 5 24 Diagramma del carico di energia termica per il riscaldamento invernale relativa al mese di Ottobre m ica kW P m rmica KW nmm Figura 5 5 25 Diagramma del carico di energia termica per l acqua calda sanita TNI ia relativa al mese di Ottobre iva al mese di Ottobre riscaldamento invernale 169 Potenza Termica KW 5 l ann o Figura 5 5 26 Diagramma del carico di ei rmica complessiva relativa al mese di Novembre riscaldamento invernale acqua calda sanitaria Potenza Termica KW kw Figura 5 5 27 Diagramma del carico di energia termica per il riscaldamento invernale relativa al mese di Novembre 1000 1000 Potenza Termica kW Potenza Termica kW MLA Figura 5 5 28 Diagramma del carico di e ergia termica per l acqua calda sanitaria relativa al mese di Novembre 170 Termica kW Figura 5 1000 1200 om E n Goti 5 29 Diagramma del carico di energia te complessiva relativa al mese di Dicembre riscaldamento acs 10 Potenza Termica KW j li h n da ly i i 0240 3 987 8760 9 5 5 30 Diagramma del carico di energia termica per il ri
65. un indice il TSI Thermal Stability Index definito come W PL W PL TSI 81 dove Wa rappresenta in forma percentuale il contenuto minimo di umidit in condizioni di progetto PL rappresenta in forma percentuale il limite plastico Wx rappresenta in forma percentuale il limite critico dell umidit pari ad LL I valori di PL sono determinati mediante test sul terreno mentre Wa il valore minimo di umidit che si raggiunge durante il funzionamento dell impianto In funzione del valore che assume l indice TSI si possono definire le condizioni del terreno Infatti se TSI lt 0 il terreno risulter instabile e quindi si avr con semplicit la migrazione dell umidit nel terreno a causa di un gradiente termico se O lt TSI lt 1 il terreno risulter stabile e quindi la migrazione dell umidit nel terreno a causa di un gradiente termico risulter improbabile e la resistenza termica del terreno sar pressoch costante se TSI gt 1 il terreno risulter stabile e la resistenza termica aumenter con il contenuto di umidit La caratteristica pi importante del terreno utilizzato come sorgente termica rappresentata dalla stabilit della temperatura durante l anno Infatti una volta scesi ad una profondit di 10 metri si raggiunger la cosiddetta neutral zone e la temperatura si attester su un valore costante Un parametro da valutare rappresentato dal valore della temperatura del terreno indistu
66. utilizzate per la produzione combinata di energia elettrica e calore nell ambito della PG E facilmente riscontrabile che la tecnologia pi impiegata il motore a combustione interna che copre 1 89 6 delle sezioni il 91 8 della potenza efficiente lorda ed il 94 0 della produzione lorda seguita dalle turbine a gas con una potenza efficiente lorda del 3 7 ed una produzione lorda del 2 4 Nel seguito si analizzeranno le varie tipologie cogenerative analizzandone le caratteristiche i costi di gestione di manutenzione e di impianto 2 6 1 Motori a combustione interna L impiego di motori alternativi a combustione interna MCI per applicazioni stazionarie di produzione di energia elettrica e termica riguarda una fascia di potenze molto ampia che va dai motori pi piccoli di 1 5 kW di potenza elettrica fino a taglie dell ordine di poche decine di MW In particolare i motori pi grandi rappresentano una tecnologia molto matura e ben consolidata nel campo della generazione stazionaria date le elevate efficienze elettriche che possono arrivare facilmente ad oltre il 45 Descrizione della macchina e componenti fondamentali Dal punto di vista architettonico i MCI sono caratterizzati da un manovellismo di spinta costituito dall insieme di pistone biella e manovella il pistone alloggiato nel cilindro entro il quale tra la testa del pistone e la testata del motore si realizza la combustione di tipo non stazionario L
67. volume La temperatura del suolo calcolata a partire da tre elementi una temperatura globale una soluzione locale ed una soluzione di flusso stazionario Il problema globale e locale sono risolti con l uso di un metodo esplicito alle differenze finite La soluzione di flusso stazionario ottenuta analiticamente La temperatura poi calcolata usando metodi di sovrapposizione 133 La teoria alla base della subroutine Type 557 fu elaborata dal Dipartimento di Fisica Matematica dell Universit di Lund Svezia in particolare da Hellstrom e Goran ed considerata lo stato dell arte nelle simulazioni dinamiche di ground heat exchanges La Type 557 presuppone che il terreno sia stato suddiviso in due zone una propriamente di accumulo termico di geometria cilindrica ed occupata dalle sonde geotermiche che si suppongono uniformemente distribuite in esso di caratteristiche geotermiche omogenee in cui si osserva in modo pi evidente il fenomeno di depauperamento del contenuto termico e la conseguente diminuzione di temperatura essa denominata in TRNSYS come storage volume Tale volume costituito dall associazione dei volumi di influenza delle singole sonde i quali sono individuati ciascuno dalla porzione cilindrica di terreno centrata sulla sonda e di raggio pari alla semidistanza tra le sonde bore spacing e l altra rappresentante il terreno che in qualche modo coinvolto nel processo di prel
68. 0 In termini quantitativi il calore recuperabile ad alta temperatura dai fumi generalmente pari al 40 50 del calore complessivamente recuperabile in realt la quota parte di calore recuperato effettivamente dai fumi dipende dalla particolare applicazione e pu risultare inferiore a quello teoricamente recuperabile se il livello termico dell utenza non ottimale La figura 2 6 1 4 mostra per un tipico motore la ripartizione del calore scaricato all esterno tra calore recuperato dai fumi dall acqua di raffreddamento dall olio e dall inter cooler e il calore non recuperato Calore dal MCI Fumi Acqua Olio IC non utilizz Perdite Figura 2 6 1 4 Il calore scaricato dal motore all esterno pu essere utilizzato per produrre acqua calda e o vapore per usi tecnologici industriali o per impieghi civili Uno schema di un circuito di recupero termico rappresentato in figura 2 6 1 5 che mostra la successione degli scambiatori di recupero per la produzione di acqua calda La disposizione degli scambiatori pu variare a seconda della particolare applicazione Acqua 15 C Acqua 120 C 50 80 100 C 450 C Inter cooler Cire olio Acqua motore Gas di scarico Figura 2 6 1 5 46 La figura 2 6 1 6 mostra i valori del rendimento termico di un MCI che scarica fumi a 400 C e con temperatura del fluido da riscaldare di ritorno dall utenza all ingresso della linea di scambiatori di recupero variab
69. 0 160 Ore settimana h 20 Figura 5 5 40 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Marzo 350 8 E o 2 e E nr i 8 E 3 3 el 3 pri 28 Es o 4 Ei g E O 8 E 5 m 3 3 2 5 il E E amp a nm pe E L ELT 1 5 a mum e a wu m S a ve es le s B amp OR S8 8 8 5 S S 9 S a a u MA MA es e91113919 ezusod 150 Potenza elettrica richiesta KW 350 330 w M M x M c M S m Em EI 150 0 100 200 300 400 500 600 700 Ore mese h Figura 5 5 41 Andamento del carico di energia elettrica nel mese di Aprile Potenza elettrica richiesta KW 350 330 w 290 pa 170 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Ore settimana h Figura 5 542 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Aprile 181 1000 182 100 120 140 160 60 80 Ore settimana h 40 20 900 Lada e R LI o 2 AE EL 3 8 8 La
70. 055X 0 05519968X 0 00976004X se 1 X oo 1 A 1 x n EE Dove A e B sono pari a A X 48 5733287 X5 18 059017X 8 637609 X 0 2677737 B X 9 5733223X 25 6329561X 21 099653 LX 3 9684969 Questo metodo consente di calcolare la resistenza del terreno anche nel caso di campi di scambiatori verticali multipli applicando il principio della sovrapposizione degli effetti alle singole resistenze termiche dei tubi vicini in questo modo si perviene alla definizione del diametro equivalente posto pari a D Dove n il numero di tubi ad U di un pozzo Si determina inoltre la resistenza al flusso termico per tubi singoli pari a m In mentre per tubi ad U risulta pari a 1 D Recoba 2ak Dy 0D ID 103 dove OD rappresenta il diametro esterno e ID il diametro interno Infine per ultimare il dimensionamento si devono calcolare i fattori di parzializzazione a partire dalla conoscenza delle temperature Tmax Tmin del fluido termovettore da tali temperature si determinano i COP e COPy da cui si determinano le lunghezze massime degli scambiatori di calore verticali per il riscaldamento ed il raffrescamento Per il riscaldamento COP 1 Capacity yan Eo XR R RunFunctiony s Ly T An Per il raffrescamento COP 1 Capacityc s Ep XR RunFunction i Ly zT max dove Saa sm la temperatura minima del suolo durante l anno Sanana la tempe
71. 1 22 Integrazioni e dissipazioni termiche su base mensile Gennaio 204 205 Potenza Termica 1400 00 1200 00 1000 00 800 00 600 00 400 00 200 00 0 00 Carico Termico richiesto Pot Th cog sfruttata 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Ore anno h Figura 5 6 1 25 Copertura del carico termico su base annua Potenza Termica 1400 00 1200 00 1000 00 800 00 600 00 400 00 200 00 0 00 Carico Termico richiesto Pot Th cog sfruttata n III I INI 100 200 300 400 500 600 700 Ore mese h Figura 5 6 1 26 Copertura del carico termico su base mensile Gennaio 206 Carico Termico richiesto Pot Th cog sfruttata 900 00 800 00 700 00 ezuajod 700 600 500 400 300 200 100 Ore mese h Figura 5 6 1 27 Copertura del carico termico su base mensile Aprile Carico Termico richiesto Pot Th cog sfruttata 600 00 500 00 400 00 ezuajod 700 600 500 400 300 200 100 Ore mese h Figura 5 6 1 28 Copertura del carico termico su base mensile Luglio 207 Dalle Figura 5 6 1 17 sino alla Figura 5 6 1 20 possibile valutare la variazione del rendimento termico effettivo che si det
72. 113 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 Giorni Figura 5 8 2 1 valori del COP durante il periodo caldo Di seguito si vuole evidenziare l influenza del lift di temperatura sul COP In questo caso il fluido di lavoro interagisce nell evaporatore con l acqua che va alla batteria fredda per il raffrescamento degli ambienti temperatura media tra T9in e T90out figura 5 8 1 di seguito 79 e nel condensatore con la soluzione acqua glicole temperatura media tra T 0in e T 0out figura 5 8 1 di seguito 7 0 Con riferimento al periodo caldo di analisi in figura 5 8 2 2 sono riportati gli andamenti delle temperature medie dei fluidi secondari interagenti con GSHP ed in figura 5 8 2 3 la relativa differenza di temperatura che la pompa deve superare I valori riportati sono le medie giornaliere dei dati acquisiti ogni minuto 227 29 00 Giugno Settembre 27 00 25 00 23 00 Temperatura C 21 00 19 00 LA 17 00 44 1 3 S 7 9 1113 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 Giorni Figura 5 8 2 2 Andamenti delle temperature medie dei fluidi secondari interagenti con la GSHP Giugno Luglio Agosto Settembre deltaT 9 T10 55 R 4 5 1 3 S 7 9 1113 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 Giorni
73. 2000 234 45 46 47 48 49 50 51 52 54 55 56 Burkhard Sanner G ran Hellstr m Jeff Spitler Signhild Gehlin Thermal Response Test Current Status and World Wide Application Proceedings World Geothermal Congress 2005 Antalya Turkey 24 29 April 2005 E Kondili J K Kaldellis Optimal design of geothermal solar greenhouses for the minimisation of fossil fuel consumption 2005 Applied Thermal Engineering 26 2006 905 915 Huajun Wang Chengying Qi Performance study of underground thermal storage in a solar ground coupled heat pump system for residential buildings 2007 Energy and Buildings 40 2008 1278 1286 Yigiang Jiang Yang Yao Li Rong Zuiliang Ma A Novel Integrated Frozen Soil Thermal Energy Storage and Ground Source Heat Pump System Renewable Energy Resources and a Greener Future Vol 11 4 ICEBO2006 Shenzhen China D Pahud B Matthey Comparison of the thermal performance of double U pipe borehole heat exchangers measured in situ 2001 Energy and Buildings 33 2001 503 507 Valentin Trillat Berdal Bernard Souyri Gilbert Achard Coupling of geothermal heat pumps with thermal solar collectors 2006 Applied Thermal Engineering 27 2007 1750 1755 Wei Mu Suilin Wang Shuyuan Pan Yongzheng Shi Discussion of an Optimization Scheme for the Ground Source Heat Pump System of HVAC Renewable Energy Resources and a Greener Future Vol
74. 24 Delibera ARG elt 145 08 Modifica della deliberazione dell Autorit per l energia elettrica e il gas 19 marzo 2002 n 42 02 in materia di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili in cogenerazione Decreto legislativo 8 febbraio 2007 n 20 Attuazione della direttiva 2004 8 CE sulla promozione della cogenerazione basata su una domanda di calore utile nel mercato interno dell energia nonch modifica alla direttiva 92 42 CEE Decreto Ministeriale 20 luglio 2004 Nuova individuazione degli obiettivi quantitativi per l incremento dell efficienza energetica negli usi finali di energia ai sensi dell art 9 comma 1 del D Lgs 16 marzo 1999 n 79 Provvedimento n 6 1992 Prezzi dell energia elettrica relativi a cessione vettoriamento e produzione per conto dell Enel parametri relativi allo scambio e condizioni tecniche generali per l assimilabilita a fonte rinnovabile Delibera AEEG 42 02 dell Autorit per l Energia Elettrica e il Gas Condizioni per il riconoscimento della produzione combinata di energia elettrica e calore come cogenerazione ai sensi dell articolo 2 comma 8 del decreto legislativo 16 marzo 1999 n 79 E Macchi S Campanari Silva La micro cogenerazione a gas naturale Polipress 2006 M Bianchi P R Spina G Tomassetti D Forni E Ferrero Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co trigenerativo e nei sistemi
75. 37 70 90 500 300 EMD EMD 200 GN OV G 190 250 290 0 319 0 42 72 90 Ecogen EG 200 GN GPL G 200 274 0 372 0 509 70 90 250 300 Jenbacher 208 C02 GN 294 397 0 376 0 508 70 90 250 300 EMD EMD 300 G OV 300 380 400 0 404 0 512 Caterpillar G3412 LE GN 370 493 0 352 0 469 450 300 EMD EMD 450 G OV 420 430 0 319 0 472 70 90 Jenbacher 312 C202 GN 526 664 0 386 0 487 70 90 250 300 Combustibili impiegabili I motori alternativi presentano un elevata flessibilit di impiego per quanto riguarda i combustibili utilizzabili I MCI ad accensione comandata che nel campo della propulsione funzionano prevalentemente a benzina e molto meno diffusamente a GPL e metano nell impiego stazionario sono generalmente alimentati a gas naturale anche se cominciano a diffondersi MCI ad accensione comandata alimentati a biogas e gas di discarica Il GPL pu essere usato in installazioni stazionarie di piccola taglia in un motore nato per l alimentazione a benzina il GPL causa una riduzione di potenza di circa il 10 mentre il gas naturale del 15 In realt nell impiego stazionario e per le taglie a partire da 50 kW il progetto del motore viene quasi sempre ottimizzato in funzione dell alimentazione a gas In tal caso i motori a gas a ciclo Otto funzionano tipicamente in regime lean burn con forti eccessi d aria e con precamera per la stabilizzazione dell accensione Se si impiega il biogas il funzionamento analogo ma richiesta una modifica d
76. 40 7 amp 6500 C DT MER CN US cor MR _ produzione L termica 6000 35 2003 2004 2005 2006 Figura 2 5 1 Evoluzione della potenza e della produzione da cogenerazione dal 2003 al 2006 dati GSE Negli ultimi anni sono state emanate deliberazioni che hanno introdotto nuove definizioni relativamente agli impianti di produzione di energia elettrica anche in assetto cogenerativo Le prime definizioni date ai concetti di generazione distribuita e di microcogenerazione sono state introdotte nell Allegato A alla deliberazione n 160 06 Generazione distribuita GD l insieme degli impianti di generazione con potenza nominale inferiore a 10 MVA Microgenerazione MG l insieme degli impianti per la produzione di energia elettrica anche in assetto cogenerativo con capacit di generazione non superiore a 1 MW quindi un sottoinsieme della GD Successivamente con il decreto legislativo n 20 07 sono state apportate modificazioni alla legge n 239 04 per cui risulta che definito come impianto di piccola generazione un impianto per la produzione di energia elettrica anche in assetto cogenerativo con capacit di generazione non superiore a 1 MW 38 definito come impianto di microgenerazione un impianto per la produzione di energia elettrica anche in assetto cogenerativo con capacit massima inferiore a 50 kWe Lo stesso decreto legislativo n 20 07 all articolo 2 comma 1 stabilisce
77. 50 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Ore settimana h Figura 5 5 56 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Novembre 188 Potenza elettrica richiesta KW 500 450 B 350 300 M 200 150 0 100 200 300 400 500 600 700 Ore mese h Figura 5 5 57 Andamento del carico di energia elettrica nel mese di Dicembre Potenza elettrica richiesta KW 500 450 350 300 E 1 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Ore settimana h Figura 5 5 58 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Dicembre 189 5 6 Analisi dei risultati conseguibili con l applicazione co trigenerativa Si analizzeranno nel seguito i risultati conseguibili mediante la realizzazione di un impianto co trigenerativo a servizio dell utenza ospedaliera oggetto di studio I risultati sono fortemente influenzati da numerose variabili quali ad esempio le caratteristiche del cogeneratore la distribuzione dei carichi dell utenza la modalit di gestione dell impianto il costo dei vettori energetici ecc Inoltre lo scenario normativo e tariffario di riferimento soggetto a continue modifiche che rendono ancor pi difficoltoso determinare con certezza i vantaggi deriva
78. 500 600 700 Figura 5 547 Andamento del carico di energia elettrica nel mese di Luglio 1000 900 800 700 600 500 400 300 Potenza elettrica richiesta KW 200 100 x 20 40 60 80 100 Ore settimana h 120 140 160 Figura 5 5 48 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Luglio 184 1000 900 800 700 600 500 400 300 Potenza elettrica richiesta KW 200 100 300 400 500 600 700 Ore mese h Figura 5 5 49 Andamento del carico di energia elettrica nel mese di Agosto 1000 900 800 700 600 500 400 300 Potenza elettrica richiesta KW 200 100 hi 80 100 120 140 160 Ore settimana h Figura 5 5 50 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Agosto 185 1000 900 800 700 H 600 MARE 500 400 300 Potenza elettrica richiesta KW 200 100 0 100 200 300 400 500 600 700 Ore mese h Figura 5 5 51 Andamento del carico di energia elettrica nel
79. 6 2 4 Potenza termica richiesta integrata e dissipata nell anno 212 250 200 m i 2 3 Potenza Frigorifera KW 50 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Oreanno h 5 6 2 5 Potenza Frigorifera prodotta dall assorbitore nell anno I risultati complessivi annui della soluzione analizzata sono sintetizzati nella Tabella 5 6 2 2 Ore funzionamento Tt medio PES prop h anno 6787 0 433 28 26 0 891 CUCs ir SPB RISP anni MWh 0 594 25 50 3 07 1981 VAN IP REP 1 6 837 10 1 90 23 75 Tabella 5 6 2 2 Risultati conseguiti in trigenerazione 213 5 7 L applicazione geotermica Nel dimensionamento di un sistema interagente con il suolo sono di fondamentale importanza i dati relativi al tipo di terreno sul quale si andr a lavorare Questi dati possono derivare solamente da una attenta analisi in loco dalla consulenza di un geologo e dal Ground Response Test Non avendo a disposizione tutto ci in questo lavoro si scelto di simulare attraverso TRNSYS diversi GRT modificando di volta in volta i dati relativi al tipo di suolo con il quale si interagisce al fine di analizzare come reagisce il sistema al variare della tipologia di terreno Queste analisi risulteranno utili in futuro quando si effettuer un reale Ground Respone Test nella zona interessata poich si potranno confrontare i dati reali con quel
80. 7 I certificati bianchi I certificati verdi La fiscalit della cogenerazione Il Decreto Ministeriale del 5 settembre 2011 La diffusione della cogenerazione in Europa La diffusione della cogenerazione in Italia Stato dell arte degli impianti cogenerativi e trigenerativi Motori a combustione interna Turbine a gas Microturbine a gas Impianti con turbine a vapore Cicli combinati La Macchina Frigorifera ad Assorbimento Capitolo 3 La soluzione integrativa Geotermica Risorsa ad alta entalpia Risorsa a media entalpia Risorsa a bassa entalpia Impianto geotermico a bassa entalpia Vantaggi e limiti degli impianti geotermici DUN 13 16 18 18 18 21 21 22 26 27 28 28 30 30 32 33 34 37 4l 42 52 60 62 66 72 72 72 73 74 15 3 3 34 3 4 1 3 6 3 6 1 3 6 2 3 6 2 1 3 6 2 2 3 6 2 3 3 6 2 4 3 6 2 5 3 6 2 5 1 3 6 2 5 2 3 7 41 42 42 422 423 4 2 4 43 4 3 2 4 4 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 2 4 5 2 1 4 5 2 2 4 5 2 3 4 5 2 4 4 5 2 5 4 5 2 6 hiba 5 1 5 2 5 3 5 4 Gli impianti geotermici Le propriet termiche del terreno I processi di trasmissione di calore nel suolo Il dimensionamento del campo geotermico Approccio progettuale I modelli semplificati tabellati I modelli analitici Modello di Ingersoll Modello di Hart e Couvillion Modello IGSHPA Modello di Kavanaugh e Rafferty I modelli numerici ed ibridi Il modello di Eskilson
81. 8 1 4 si pu notare come la temperatura del sottosuolo non risenta della variazione della temperatura dell ambiente esterno In figura 5 8 1 3 si pu notare come in giornate particolarmente calde la richiesta di energia termica per la climatizzazione degli ambienti sia maggiore e questo comporta valori pi elevati della temperatura della soluzione di acqua e glicole in ingresso ed in uscita dalle sonde In conclusione si pu notare come ci sia un progressivo innalzamento della temperatura del sottosuolo nella stagione estiva e ci crea una penalizzazione delle prestazioni energetiche dell unit a compressione nel suo funzionamento di refrigeratore effetto utile freddo 5 8 2 Analisi del COP della pompa di calore Di seguito si analizza l andamento del coefficiente di prestazione della Ground Source Heat Pump durante tutto il periodo caldo Esso stato calcolato come il rapporto tra l energia frigorifera fornita dalla macchina e l energia elettrica da essa assorbita In figura 5 8 2 1 si riportano i valori medi giornalieri assunti dal COP durante tutto il periodo caldo Tali valori sono stati calcolati come media giornaliera dei dati acquisiti ogni minuto Dal grafico si pu notare come il valore del COP sia sempre superiore a 3 00 e come esso in alcune giornate assuma valori anche prossimi a 6 00 226 d Andamento COP periodo caldo Agosto Settembre 2 50 2 00 150 100 0 50 0 00 1 3 5 7 9 1
82. B che si rappresentano nelle Figure 5 6 1 5 5 6 1 6 5 6 1 7 5 6 1 8 5 6 1 9 5 6 1 10 5 6 1 11 5 6 1 12 5 6 1 13 5 6 1 14 5 6 1 15 5 6 1 16 relativi alla variazione del rendimento termico effettivo alle integrazioni e dissipazioni termiche ed infine al raffronto del carico termico richiesto con quello generato dall impianto valutati sia su base annua che rispetto a tre mesi presi a riferimento Gennaio Aprile e Luglio che consente di valutare la bont della soluzione proposta 0 6 Effettivo Nominale 0 5 2 Rendimento termico o 9 0 1 m 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Ore anno h Figura 5 6 1 5 Andamento rendimento termico effettivo su base annua 194 2 E x n a o o S ensile Aprile Andamento rei 0 6 Effettivo Nominale 0 5 2 E S AA IMA 5 9 0 2 0 0 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720 Ore mese h Figura 5 6 1 8 Andamento rendimento termico effettivo su base mensile Luglio 800 Integrazioni Th Caldaia Diss Termiche 700 600 500 8 E 5 400 e E E 300 a 200 100 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Ore anno h Figura 5 6 1 9 Integrazioni e dissipazioni
83. DA DI SALINITA SONDA DI TEMPERATURA E UMIDIT RELATIVA ESTERNA MISURATORE DI PORTATA A ULTRASUONI PER CONTATORE DI CALORE DI TIPO FISCALE qualificato MID Si E ebbe ee 1 VALVOLA CON GALLEGGIANTE COLLETTORE 3 RITORNO 12 RITORNO Al DUE GRUPPI FRIGO ESI STENTI ARIA ACQUA RITORNI DA PRINCIPALI SCT ESISTENTI GR RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Eurostat European Commission Combined Heat and Power CHP in EU Turkey Norway and Iceland 2006 data Issue number 22 2008 http epp eurostat ec europa eu Monitoraggio dello Sviluppo degli Impianti di Generazione Distribuita per l anno 2010 AEEG 2010 Le Norme UNI TS 11300 quale riferimento per la Certificazione Energetica degli Edifici e la Misura della loro sostenibilit Convegno Comitato Termotecnico Italiano Energia e Ambiente Milano Expocomfort 23 marzo 2010 R Mastrullo P Mazzei V Naso R Vanoli Fondamenti di trasmissione del calore Liguori Editore Norma UNI 7357 Calcolo del fabbisogno termico per il riscaldamento di edifici Norma UNI EN 13779 2005 Ventilazione degli edifici non residenziali Requisiti per i sistemi di ventilazione e di condizionamento Linee guida per l ap
84. El E 5 z 3 sE 3 89 Bh 3 E 8 5 s 3 o E E 3 3 E E 1 3 to i e t E E o TA o o o o o o o gt 6 o o0 S 9 9 n Y MA exsaryor 29113199 MA exsaryor 29119399 Figura 5 5 44 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Maggio 100 1000 900 o E o co e o 6 o o Oo a RS n MA exsaryor e211442 100 700 600 500 400 300 200 100 Ore mese h Figura 5 5 45 Andamento del carico di energia elettrica nel mese di Giugno HI LET Lp gt eri 1000 e o o o o o G GO o n a a MA exsaryol 291191919 2 100 40 60 80 100 120 140 160 Ore settimana h 20 Figura 5 5 46 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Giugno 183 1000 900 800 700 600 500 400 300 Potenza elettrica richiesta KW 200 100 100 200 300 400 Ore mese h
85. Il programma consente all utente di andare a definire le caratteristiche del tipo di muratura in modo personalizzato cos facendo l utente pu costruirsi autonomamente il pacchetto costruttivo delle pareti opache e dei solai come mostrato nella figura 4 2 1 13 front inside Layer back total thickness 0 000 m u value W m 2K for reference only incl alpha_i 7 7 W m 2 K and alpha 0225 W m 2K 1 Solar Absorptance of Wall wx back Convective Heat Transfer Coefficient of Wall Front Back userdefined intemal calculation userdefined intemal calculation n kJ nm 2K n Je m 2K Fig 4 2 1 13 Parametri caratteristici delle pareti opache definite dall utente Una volta definito il tipo di pacchetto delle murature necessario andare a definire per ogni parete le dimensioni delle stesse e l esposizione delle singole pareti opache Analogamente a quanto fatto per determinare le caratteristiche delle pareti opache necessario andare a definire il tipo di serramenti ed i vetri utilizzati Anche in questo caso si veda la figura 4 2 1 14 all interno del programma presente una libreria di pareti trasparenti ad ognuna delle quali preventivamente associato un valore dello scambio termico 121 Window Library Program Library User Library Program Library Window T
86. N e selezionando il file desiderato oppure possibile crearne uno nuovo cliccando su FILE e su NEW Dopo aver aperto un nuovo progetto o uno esistente si aprir la finestra di inizializzazione del progetto dell edificio e saranno disponibili nel menu principale tre voci aggiuntive ZONES consente di aggiungere ed eliminare zone all edificio e GENERATE consente di calcolare il carico termico dell edificio ed eseguire il file di input in TRNSYS e TYPEMANAGER consente di modificare i tipi definiti in precedenza di pareti finestre guadagni infiltrazione ventilazione raffreddamento riscaldamento livelli e orari di utilizzo dell edificio La finestra di inizializzazione del progetto dell edificio composta da due sottofinestre la finestra Project e la finestra TRNBuild Manager rappresentata dalla seguente figura 4 2 1 2 did e oo RI eco E eZ e asa Orientations o T indon y Oter Pepica Dup s Fig 4 2 1 2 Finestra inizializzazione del progetto dell edificio in TRNBuild Nella finestra Project possono essere inseriti i dati identificativi del progetto quali il titolo la descrizione i dati del progettista con l indicazione dell indirizzo e della citt In basso sono riportati i vari orientamenti dell edificio di default il programma prevede un orientamento classico dell edificio del tipo Nord Sud Est Ovest ed Orizzont
87. Tali ricambi possono essere assunti pari ad un valore costante oppure mediante un schedario orario quale ad esempio le ore lavorative giornaliere E possibile inoltre impostare per tali ricambi i valori di temperatura ed umidit dell aria esterna immessa in ambiente si veda la figura 4 2 1 10 Impianto di climatizzazione estiva cliccando sull icona Cooling possibile fissare la temperatura dell ambiente la potenza illimitata o limitata dell impianto ed infine il valore della umidit come evidenziato dalla figura 4 2 1 11 I parametri climatici temperatura ed umidit sono fissati dalla normativa vigente in funzione della zona climatica nel caso di Napoli zona climatica C sono pari a T 26 C e U R 50 G Constant Value C Input Schedule New Ve Type ES new ventilation type MENTON Airchange of Ventilation ET 2 Temperature of Air Flow outside G other m fo C Rel Humidity of Air Flow outside Go Fig 4 2 1 10 Parametri caratteristici impianto di ventilazione forzata Room Temperature Control settemp fpe Cooling Power C unlimited G limited kh Dehumidification C off desired rel humidity on m x Fig 4 11 Parametri caratteristici impianto di condizionamento estivo Una volta terminato di definire i parametri climatici e dimensionali del singolo locale dell edificio ora necessario def
88. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II SCUOLA DI DOTTORATO IN INGEGNERIA INDUSTRIALE DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA DEI SISTEMI MECCANICI XXIV CICLO ENERGIE RINNOVABILI PER LA SALUTE L impianto di trigenerazione e sonde geotermiche per l Ospedale San Giovanni Bosco di Napoli TUTOR DOTTORANDO Prof Ing MARCELLO MANNA Dr Ing ROBERTO BLASI ENERGIE RINNOVABILI PER LA SALUTE L impianto di trigenerazione e sonde geotermiche per l Ospedale S G Bosco e 1 3 1 3 1 1 32 1 3 3 2 1 22 2 3 2 3 1 2 3 2 2 3 3 2 3 4 2 3 5 2 3 6 2 3 6 1 2 3 6 2 2 3 6 3 2 3 6 4 2 3 6 5 2 3 6 6 2 4 2 5 2 6 2 6 2 6 2 2 6 3 2 6 4 2 6 5 2 6 6 3 1 SL 3 12 3 2 3 2 di Napoli INDICE INDICE Capitolo 1 Lo scenario Energetico Premessa Introduzione Analisi dello stato attuale dell Ospedale S Giovanni Bosco di Napoli Involucro edilizio Gli Impianti Meccanici ed elettrici dell Ospedale L Impianto da adottare e l obiettivo che si intende conseguire Capitolo 2 La cogenerazione Premessa Analisi energetica La normativa europea I primi provvedimenti della Commissione Europea Provvedimento CIP n 6 92 Le condizioni previste dalla delibera AEEG 42 02 e successivi aggiornamen ti La Direttiva Europea n 2004 8 CE 11 febbraio 2004 Il Decreto Ministeriale 4 agosto 2011 I benefici per la cogenerazione ad alto rendimento Il D Lgs n 79 1999 e s m i Il D Lgs n 20 200
89. VIII 13 3 ICEBO2006 Shenzhen China V Trillat Berdal B Souyri G Fraisse Experimental study of a ground coupled heat pump combined with thermal solar collectors 2006 Energy and Buildings 38 2006 1477 1484 Ping Cui Yi Man Zhaohong Fang Modeling of Heat Transfer in Geothermal Heat Exchangers HVAC Technologies for Energy Efficiency Vol IV 10 3 ICEBO2006 Shenzhen China Valentin Trillat Berdal Bernard Souyri Gilbert Achard INTEGRATION ENERGETIQUE DANS LES BATIMENTS UTILISATION COMBINEE DE L ENERGIE SOLAIRE ET DE LA GEOTHERMIE BASSE TEMPERATURE Zhongyi Yu Xudong Yuan Bin Wang Optimal Design for a Hybrid Ground Source Heat Pump Renewable Energy Resources and a Greener Future Vol VIII 11 5 ICEBO2006 Shenzhen China Hikmet Esen Mustafa Inalli Abdulkadir Sengur Mehmet Esen Performance prediction of a ground coupled heat pump system using artificial neural networks Expert Systems with Applications 35 2008 1940 1948 235 57 David Claridge USING SIMULATION MODELS FOR BUILDING COMMISSIONING ESL IC 04 10 31 236
90. YS DynamicData con la temperatura ambiente attuale e la temperatura dell acqua refrigerata di set point ottenendo in cambio il rapporto di COP e il rapporto della capacit Il COP nominale del refrigeratore calcolato utilizzando l equazione 4 2 4 1 e la potenza alle condizioni correnti calcolata utilizzando l equazione 4 2 4 2 129 L ipotesi implicita nella prima chiamata al DynamicData che il chiller sta funzionando a pieno carico COBram COP urea COP raria Equazione 4 2 4 1 Capacity Capacityygrag Capacity aria Equazione 4 2 4 2 Il carico refrigeratore viene calcolata dall equazione 4 2 4 3 Th CT enw Tonw sor Equazione 4 2 4 3 Il PLR rapporto di carico parziale quindi calcolato dall equazione 4 2 4 4 a Capacity Se il PLR calcolato superiore all unit la Type 655 limita automaticamente il carico prelevato dal PLR Equazione 4 2 4 4 refrigeratore al valore della potenza della macchina in quel dato istante Con un valore del PLR calcolato tra 0 e 1 la routine DynamicData viene chiamata di nuovo questa volta specificando il secondo file di dati Il valore risultante la frazione della capacit di pieno carico per le condizioni attuali La potenza assorbita dal refrigeratore data dall equazione 4 2 4 5 Capacity COR n Il valore del COP corretto viene quindi calcolato dall equazione 4 2 4 6 Qmer ss Equazione 4 2 4 6 FFLP Equazione 4 2 4 5 L energia restituit
91. a adottato il Piano di azione per la promozione dell efficienza energetica nella Comunit europea COM 2000 247 che prevede espressamente la promozione della cogenerazione tra le misure individuate per favorire l efficienza energetica nei settori industriali e civili Nel Piano di azione sono stati richiamati gli obiettivi di raddoppio entro il 2010 della produzione di energia elettrica da impianti cogenerativi rispetto ai livelli del 1995 fissati dalla comunicazione della Commissione COM 97 514 sopra richiamata con l obiettivo della riduzione delle emissioni di anidride carbonica al 2010 stimata in oltre 65 Mt anno Fu altres sottolineata la necessit di definire politiche e misure per ridurre le barriere tecniche e i costi di connessione alla rete elettrica 2 3 2 Provvedimento CIP n 6 92 In Italia per ottemperare ai provvedimenti della Commissione Europea sono stati introdotti provvedimenti atti a promuovere la creazione di impianti alimentati da fonti rinnovabili Il primo provvedimento fu il cosiddetto Cip 6 introdotto dal Comitato Interministeriale Prezzi nel 1992 con il quale furono stabiliti i prezzi incentivanti dell energia elettrica prodotta da tali impianti Tale provvedimento introdusse per la prima volta un indice detto Indice energetico mediante il quale veniva valutata l efficienza energetica complessiva del sistema e in particolare l assimilabilit della cogenerazione a fonte rinnovabile Tale
92. a al flusso d aria dal dispositivo calcolata dall equazione 4 2 4 7 Grotect Omer P Equazione 4 2 4 7 e la temperatura di uscita del flusso fluido refrigerato calcolata dall equazione 4 2 4 8 Omer Tonw out Temv in Equazione 4 2 4 8 4 3 Componenti utilizzati per simulare di un impianto geotermico a bassa entalpia Di seguito si riporta una descrizione dettagliata dei vari componenti utilizzati per simulare la Ground Source Heat Pump 4 3 1 TYPE 668 La Type 668 modella una pompa di calore monostadio Il modello si basa su dei file contenenti i dati di catalogo sulla capacit e la potenza della pompa al variare della temperatura del carico e della sorgente La parte principale del modello costituita da due files uno contiene i dati di prestazione in modalit raffrescamento ed un altro i dati di prestazione in modalit riscaldamento 130 Entrambi i file contengono la potenza frigorifera e la potenza elettrica di progetto della pompa di calore come funzione della temperatura di ingresso del fluido che interagisce con la sorgente e della temperatura di ingresso del fluido che interagisce con l utenza La type 668 effettua una interpolazione dei dati all interno dell intervallo specificato nei files inseriti dall utente Il componente non effettua una estrapolazione al di sopra dei dati forniti dall utente Se i valori superano quelli massimi e minimi forniti dall utente verranno considerati proprio
93. a e dalla capacit termica volumetrica In questa versione del modello si assumono propriet termiche omogenee all interno del volume di accumulo Nel suolo circostante invece esse potrebbero variare da cella a cella Sulla superficie del suolo c una data temperatura tempo variante La distanza dalla superficie al volume di accumulo nell ordine dei metri ed usualmente viene utilizzato un valore medio della temperatura della superficie del suolo per periodi di tempo piuttosto lunghi Variazioni giornaliere non sono importanti Questo valore medio potrebbe derivare da dati meteorologici reali o potrebbe essere ottenuto da una data funzione di un programma Il contorno radiale interno un asse di simmetria e ci significa che non c flusso termico attraverso questo contorno Il contorno esterno del suolo circostante scelto in modo da non avere nessuna significativa influenza sul processo termico nella regione di accumulo La temperatura nelle celle a contorno non significativamente influenzata dal processo di accumulo Evidentemente il posizionamento dei contorni dipende dalla dimensione del volume di accumulo dalle propriet termiche del suolo e da quanto dura il periodo di simulazione Il modello numerico usa il metodo esplicito alle differenze finite FDM Il volume di suolo simulato diviso in una mesh bidimensionale con una coordinata radiale r ed una coordinata verticale z La figura 4 5 2 1 1 mostra un esempio di mesh us
94. a la seguente configurazione NUMERO SONDE 2 e PROFONDITA CIASCUNA SONDA 115m e LUNGHEZZA TOTALE 230m Ora si procede a verificare che il dimensionamento sia stato effettuato in maniera corretta ovvero si procede a verificare se nel sistema da realizzare ci sar un regime turbolento pienamente sviluppato e se la velocit dell acqua in ciascuna sonda sar compatibile con le perdite di carico La portata totale di acqua nel circuito chiuso a terreno calcolabile dalla seguente formula m Equazione 5 7 2 2 dove q la potenza termica di picco la densit del fluido che circola nelle sonde cp il calore specifico dell acqua At la differenza di temperatura tra l acqua in uscita dalle sonde e l acqua in ingresso alle stesse Applicando la formula 5 7 2 2 si ottiene 6239 Equazione 5 7 2 3 218 Dato che si ipotizzato un funzionamento in parallelo tra le sonde la portata per ciascuna sonda sar 031 Equazione 5 72 4 Considerando che l acqua a 30 C esibisce una densit pari a 995 5 kg m ed una viscosit dinamica pari a 0 000783 kg ms il numero di Reynolds risulta essere pari a 19405 ci indica un regime turbolento pienamente sviluppato Il valore di velocit dell acqua all interno della sonda stata calcolata con la seguente formula v E Equazione 5 7 2 5 i Dove p la densit dell acqua d il diametro interno del tubo Applica
95. a zona di terreno direttamente interessata all azione di ciascun pozzo consente di semplificare enormemente l analisi del transitorio di accumulo Il volume del terreno racchiuso all interno della frontiera adiabatica r lt r chiamato volume locale Per definizione ciascun volume locale non interagisce con i volumi locali circostanti per cui la descrizione dei processi di scambio 139 termico nell accumulo pu essere condotta utilizzando metodi e formule per il caso di un singolo scambiatore verticale Con un approccio a diverse scale del processo si riesce cos ad ovviare alle difficolt che altrimenti si porrebbero dal punto di vista numerico considerando tutto l accumulo e analisi dei processi globali di scambio termico nell accumulo e fra l accumulo ed il terreno circostante considerando l accumulo come un volume cilindrico unitario ed isotermo il problema pu essere trattato come processo conduttivo tridimensionale localizzato in uno strato cilindrico delimitato dalle superfici dell accumulo e da quelle adeguatamente lontane del terreno indisturbato L approccio usato in questo caso basato su soluzioni numeriche al calcolatore Il vantaggio di questi metodi connesso alla capacit di adottare il principio di sovrapposizione degli effetti individuando tre componenti che caratterizzano lo scambio termico Alla sovrapposizione degli effetti si associa una suddivisione geometrica dei volumi consentendo di sempli
96. adio viene alimentato da una sorgente termica esterna eventuale calore di scarto di un motore cogenerativo soprastante a temperatura maggiore gt di 150 200 C rispetto al caso a semplice effetto dove le temperature di alimentazione sono tra 60 C e 130 C Sono stati ipotizzati anche impianti a triplo effetto che potrebbero funzionare con temperature di alimentazione tra 160 C e 300 C fornendo prestazioni superiori 68 GENERATORE Acqua di Sorgente di raffreddamento sorgente di Sorgente di L calore Acqua Acqua di raffreddamento refrigerata EVAPORATORE EVAPORATORE ASSORBITORE Pompa Pompa della soluzione Figura 2 6 6 3 layout di impianto ad assorbimento a semplice effetto sin e a doppio effetto des Gli impianti frigoriferi ad assorbimento ad acqua BrLi consentono di raggiungere temperature di raffreddamento limitate superiori a 0 C per evitare problemi di congelamento del refrigerante adatte per un impiego nell ambito del raffrescamento mentre gli impianti ad ammoniaca consentono di ottenere temperature tipiche della refrigerazione fino a 40 C 60 C Le prestazioni di un impianto frigorifero ad assorbimento vengono generalmente indicate con un indice EER definito in questo caso come rapporto tra potenza frigorifera utile e potenza termica introdotta Qr Qas I valori dell EER per le macchine a semplice effetto sono tipicamente inferiori ad 1 pi
97. ale L orientamento pu essere modificato 115 all occorrenza infatti sono presenti anche gli altri punti cardinali Nord Est Nord Ovest Sud Est e Sud Ovest Inoltre cliccando sul pulsante Properties si apre la finestra Properties in cui possibile modificare i parametri impostati da default dal programma quali la densit dell aria il calore specifico dell aria il calore di vaporizzazione dell acqua la costante di Stefan Bolzmann e la temperatura media della superficie Oltre a questi parametri sono presenti ulteriori parametri che consentono di calcolare i coefficienti di scambio termico come evidenziato nella figura 4 2 1 3 density of air kg m 3 specific heat of air BEEN heat of vaporization of water 51 k ko Stefan Bolzmann Constant ADASA ki o2 erros aversos salace Tave dl Parameters for internal calculation of heat transfer coefficients constant heated floor if Tsurffloor Taifloor gt 0 ES ok exponent heated floor if Tsurffloor Tairfloor gt 0 co constant chilled floor if Tsurffioor Tairfioor lt 0 MA exponent chilled floor if Tsurffloor Tairfloor lt 0 constant chilled ceiling if Tsurfceiing Taircelina gt 0 8 ka m 2K exponent chiled ceiling if Tsuriceiling Taitceling S constant heated ceiling if TsufcelingTaiceling lt 0 ku m2 exponent heated ceiling if Tsurfoeiling Tairceling 0 constant vertical su
98. alente Ea 2 4 m PCI sen En 20 definito come rapporto fra l energia elettrica netta prodotta e l energia termica introdotta nel sistema con il combustibile diminuito dell energia termica del combustibile attribuibile alla generazione di calore calcolata rispetto a un rendimento termico di confronto Il Rapporto di Energia Primaria P E R Primary Energy Ratio E En Tau uus 2 5 m PCI definito come rapporto a parit di energia elettrica netta e di energia termica utile generata fra P E R l energia primaria che utilizzerebbe un sistema di riferimento basato su una metodologia convenzionale non cogenerativa e quella utilizzata dal sistema cogenerativo 2 3 La Normativa Europea Viene brevemente analizzata la normativa europea ed i relativi decreti nazionali per consentire di effettuare un inquadramento della problematica partendo dall analisi dei primi provvedimenti della Commissione Europea volti all incentivazione dello sfruttamento di tali tecnologie sino ai pi recenti provvedimenti normativi nazionali emanati nell ultimo anno 2 3 1 I primi provvedimenti della Commissione Europea Con l emanazione della risoluzione del Consiglio dei ministri dell Unione europea Strategia comunitaria per promuovere la produzione combinata di calore e elettricit del 18 dicembre 1997 furono riconosciuti i benefici della cogenerazione per la Comunit e si
99. all utenza venga erogato da un impianto ad assorbimento La configurazione impiantistica trigenerativa rappresentata in Figura 5 6 2 1 208 Fuel gas Figura 5 6 2 1 Schema tipico di un impianto in configurazione trigenerativa Peak boller Cooling tower Heat consumer Electrical gt energy Cosi come gi effettuato nel caso di configurazione cogenerativa anche nel caso della configurazione impiantistica trigenerativa si determineranno i risultati economici caratteristici di configurazione impiantistica applicando la metodologia della massimizzazione della redditivit economica utilizzando i parametri tecnico economici di riferimento gi in precedenza illustrati a cui sono state aggiunte operativit dell assorbitoi le temperature di mandata e prelievo del circuito ACS le temperature di re ed il relativo COP ecc riportati nella seguente Tabella 5 6 2 1 T Nm Tum M Puri Puer2 Puers Cuerz Curs E Nm kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh 0 38 0 0187 0 015 0 12 0 096 0 065 0 16 0 117 0 088 Hi Me Tin Acs Tout Acs Tin Ass Tout ass COPass kWh Nm C kJ kg K 9 58 0 46 0 9 18 50 85 45 0 7 4 187 Tabella 5 6 2 1 Parametri tecnico economici di riferimento Nelle configurazioni impiantistiche uscita dallo scambiatore principale T le integr
100. amite il mercato dei titoli di efficienza energetica organizzato e gestito dal GME mentre l Autorit determina ogni anno l entit del contributo da erogare ai distributori per il conseguimento dei loro obblighi Il contributo finanziato attraverso un piccolo prelievo dalle tariffe di distribuzione dell energia elettrica e del gas stabilito sempre dall AEEG in modo da garantire che l aggravio complessivo sulla bolletta energetica dei consumatori sia sempre considerevolmente inferiore al beneficio economico complessivo derivante dall attuazione del meccanismo il contributo dunque partecipa alla realizzazione degli interventi presso i consumatori finali riducendone il costo 2 3 6 4 I certificati verdi Il meccanismo dei certificati verdi CV promuove la produzione di energia da fonte rinnovabile imponendo un obbligo in capo ai soggetti che immettono energia elettrica in rete Tale obbligo pu essere assolto direttamente dal soggetto o attraverso certificati che attestano la produzione di una certa quantit di energia elettrica da fonte rinnovabile I certificati verdi allo stato attuale certificano la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili quali il vento le risorse idriche le risorse geotermiche le maree il moto ondoso le biomasse di origine vegetale e animale o la frazione biodegradabile biogenica dei rifiuti Il Decreto Bersani e successive modifiche e integrazioni ha introdotto l obbligo per gli ope
101. ana fine Inoltre la conduttivit dei suoli rocciosi risulta superiore a quella dei terreni sabbiosi e argillosi La propriet pi importante risulta essere l umidit del terreno non solo perch influenza la densit ma soprattutto perch la conducibilit dell acqua risulta circa venti volte superiore a quella dell aria di cui prende il posto il compattamento del terreno in tale condizioni ha un effetto benefico sulla resistivit Risulta per molto complicato determinare il valore del tasso di umidit in quanto esso variabile nel tempo ed influenzato dalla piovosit dall evaporazione dalla vegetazioni e dalle differenze di temperatura nel suolo tutti parametri di difficile determinazione La stabilit termica un parametro che deve essere opportunamente valutato Analizzando il diagramma della conduttivit termica del suolo in funzione della densit e del contenuto di umidit si osserva che il cosiddetto intervallo di stabilit rappresentato dal tratto di curva umidit densit in cui ad un piccolo incremento dell umidit corrisponde una piccola diminuzione della resistivit 6 0 1800 1900 kg m 1600 1800 kg m so 1300 1600 kg m 1000 1300 kg m 4 0 o g E 5 E 3 0 Terreni organici e torbosi 2 m m Terreni coesivi E f Terreni coesivi granulari 2 0 Terreni granulari 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Contenuto d
102. apore non completa l espansione in turbina Le turbine a spillamento e condensazione sono generalmente utilizzate nelle centrali termoelettriche o negli impianti nei quali non c un utenza termica regolare ee lt TV HP LP FO cal UTENZA UTENZA TERMICA e e a b Fig 2 6 4 1 Schemi dell impianto a contropressione a sinistra e dell impianto a spillamento e condensazione a destra Gli impianti a vapore hanno un rendimento elettrico in assetto cogenerativo che si attesta nel range 15 30 e un rendimento termico che pu arrivare al 60 Il coefficiente di utilizzo del combustibile pu arrivare fino al 90 con una forte preponderanza dell energia termica prodotta L energia termica messa a disposizione sotto forma di vapore a pressioni dell ordine di decine di bar Il vapore pu essere utilizzato direttamente o come vettore energetico intermedio 61 Per poter funzionare correttamente questi tipi di impianti necessitano di acqua demineralizzata al fine di evitare incrostazioni in caldaia sono utilizzati quindi condensatori a superficie per evitare la contaminazione dell acqua demineralizzata Affidabilit e costi di impianto La tecnologia delle turbine a vapore considerata matura e le avarie sono piu
103. applicabile per time step di lungo periodo invece tale modello non utilizzabile per time step brevi A tal proposito Yavuzturk ha elaborato un modello numerico che consente di studiare la risposta di un singolo scambiatore per impulsi termici di breve durata In queste condizioni il processo di trasmissione del calore all interno del pozzo e la trasmissione del calore all esterno del pozzo in direzione radiale risultano predominanti rispetto al processo di trasmissione del calore all interno del pozzo in direzione assiale Il modello numerico elaborato un modello agli elementi finiti bidimensionale in direzione radiale angolare Il risultato del modello elaborato rappresentato dalla temperatura media del fluido geotermico che viene corretta considerando la resistenza del pozzo da cui si determina la temperatura media del pozzo che viene poi adimensionalizzata per ottenere le nuove g function nel breve periodo 3 6 2 5 2 Modello di Hellstrom Hellstrom 1989 1991 ha sviluppato un modello di simulazione per gli scambiatori verticali di calore a terra che sono fittamente disposti nel terreno ed utilizzati per il ciclo stagionale di 108 stoccaggio di energia termica con oppure senza l impiego di pompe di calore Il modello suddivide il volume che immediatamente circonda un singolo scambiatore in due regioni Il volume che circonda immediatamente un singolo pozzo descritto come la regione locale La differenza tra la temperatu
104. ariare della temperatura dell utenza frigorifera ed al variare della temperatura di raffred Carico 120 110 100 90 80 lamento a cui avviene la condensazione sorgente calda Temperatura acqua condensatore 5 6 8 9 10 Temperatura dell acqua refrigerata 1 Figura 2 6 6 5 Fonte Broad www broad com 12 70 sorbitori della casa costruttrice Si riportano nella seguente tabella le principali caratteristiche degli Century IBT I dati sotto riportati sono stati reperiti dalle schede tecniche fornite dal costruttore MODELLO AR D40L2 AR DS0L2 AR D60L2 AR D70L2 AR D85L2 AR D1000L2 AR DIISL2 COOLING CAPACITY kw 130 140 165 176 193 327 352 246 278 299 327 352 380 404 INLET OUTLET 12 13 12 13 12 13 12 13 13 12 7 12 7 13 8 12 7 13 8 8 7 8 7 8 T 8 8 CHILLER FLOW RATE m h 22 4 242 28 4 30 2 562 60 5 39 3 423 478 514 562 60 5 65 3 69 6 WATER PRESSURE bar 0 38 0 45 0 55 0 62 0 45 0 52 0 57 0 66 0 54 0 63 0 45 0 52 0 44 0 50 DROP INLET OUTLET 31 0 36 5 TEMPERATURE COOLING FLOW RATE m h 483 52 3 61 5 65 4 72 0 78 5 85 1 91 6 103 111 121 131 141 150 WATER PRESSURE bar 0 39 0 47 0 71 0 81 0 68 0 81 0 78 0 91 0 84 0 98 0 53 0 62 0 57 0 64 DROP INLET OUTLET 95 0 80
105. arica di fluido refrigerante kg 120 135 1 45 165 175 180 185 245 250 370 390 400 400 Olio refrigerante olio estere Quantit d olio 1 10 11 11 11 136 185 165 189 41 41 41 41 41 Figura 5 7 4 1 dati tecnici pompa di calore Nelle figure 5 7 4 2 5 7 4 3 e 5 7 4 4 sono diagrammati il COP la capacit frigorifera e la potenza elettrica assorbita rispettivamente al variare della temperatura di mandata T dell acqua di 220 raffreddamento della pompa di calore all uscita dell evaporatore parametrizzati rispetto al valore della temperatura Ts che rappresenta la temperatura dell acqua all uscita dalle sonde e quindi in ingresso al condensatore 7 50 7 00 6 50 6 00 5 50 5 00 4 50 4 00 3 50 3 00 E 7 7 5 8 8 5 9 9 5 1010 51111 51212 51313 51414 515 Temperatura Ta acqua all uscita dell evaporatore C 25 Ts 30 c Ts 35 Ts 40 C Ts 45 Figura 5 7 4 2 COP della pompa di calore in varie condizioni di funzionamento Capacit frigorifera 9 10 25 30 8 30 Ts 35 7 90 Ts 40 7 50 Ts 45 C Capacit firgorifera kW eo o 7 7 5 8 85 9 9 1010 51111 51212 51313 51414 515 Temperatura Ta acqua all uscita dell evaporatore C Figura 5 7 4 3 Capacit frigorifera della pompa di calore in varie condizioni di funzionamento 221
106. arto Otorinolarin 900 6650 goiatria Corpo B 2 Piano Cardiologia Medicina 350 4725 3 Piano Chirurgia Neurochirurgia 350 4725 4 Piano Ematologia Angiochirurgia 350 4725 5 Piano Ostetricia Ginecologia Nido etc 350 4725 Corpo Piano Interrato Depositi 700 2450 Piano Terra Centro Trasfusionale Reparto di Neurofisiopato 950 6825 logia CorpoD Piano Rialzato Day Surgery Farmacia 900 3150 1 Piano Ambulatori 900 3150 2 Piano Ufficio Tecnico Economato Direzioni 900 3150 Tabella 1 1 Le dimensioni e gli edifici dell Ospedale S Giovanni Bosco di Napoli Mediante una indagine condotta presso gli uffici dirigenziali si riscontrato che i posti letto della struttura ospedaliera sono complessivamente n 202 e sono stati suddivisi tra i vari repar ti come segue REPARTO NUMERO POSTI LETTO Cardiologia ed Unit Coronarica 20 Chirurgia Generale 23 Medicina Generale Astanteria 28 Chirurgia Vascolare 13 Servizio Psichiatrico Diagnosi e Cura 12 Neurochirurgia 20 Ostetricia e Ginecologia 23 Otorinolaringoiatria 13 Neonatologia 10 Ortopedia e Traumatologia 10 Oculistica 2 Anestesia e Rianimazione 8 Neurologia 20 Analogamente si riscontrato che il personale afferente alla struttura ospedaliera costituito da n 157 dirigenti medici n 135 paramedici ed infermieri Come riscontrabile dalla fotografia satellitare l
107. asversalmente all asse della macchina uno scambiatore di recupero termico a superficie di tipo compatto a lamierini spesso integrato all interno della macchina un alternatore sistema elettronico di condizionamento della potenza elettrica in uscita Dal punto di vista termodinamico la microturbina si caratterizza per valori di rapporto di compressione limitati tipicamente nel range 3 5 in conseguenza dell impiego di un unico stadio di compressore radiale temperature di ingresso turbina modeste inferiori a 900 950 C la turbina radiale non infatti raffreddata e non realizzata in materiale ceramico in accordo con una filosofia di progetto volta a ridurre i costi del sistema un ciclo termodinamico con recupero termico che consente di ottenere rendimenti elettrici non troppo penalizzati dal limitato contenuto tecnologico dei componenti della MTG In assenza del recupero termico infatti dati i limitati valori di temperatura dei gas in ingresso alla turbina si avrebbe un rendimento del ciclo molto scadente per rapporti di compressione tipici delle MTG al contrario come evidente in figura 3 6 3 2 per un ciclo con recupero di calore i rendimenti potenzialmente ottenibili con limitati valori di temperatura di ingresso turbina TIT possono raggiungere valori massimi fino al 30 circa con rapporti di compressione nel range 3 5 40 35 Efficienza 30 25 20
108. ata di energia elettrica e termica L adozione di tale tecnologia permette di otte nere importanti vantaggi ottenendosi risparmi di energia primaria combustibile rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica risparmio che si traduce anche in una note vole riduzione di CO immessa in atmosfera Lo sviluppo di tale tecnologia ha permesso di ampliarne l impiego sfruttando il calore recu perato dalla cogenerazione per produrre non solo energia termica ma anche energia frigorife ra impiegando apposite macchine ad attivazione termica ottenendosi impianti in cui si ha produzione combinata di potenza elettrica termica e frigorifera trigenerazione Nel presente lavoro verr illustrata l attivit svolta dall Autore nell ambito della tesi di Dot torato di Ricerca in Ingegneria dei Sistemi Meccanici attivit incentrata sull analisi teorica e di simulazione riguardante un impianto di trigenerazione costituito da un motore primo termi co a gas naturale di potenzialit di circa 300 kW un recuperatore di calore un assorbitore a bromuro di litio un impianto di climatizzazione azionato da una pompa di calore acqua acqua collegata ad un campo di sonde geotermiche da installarsi nell Ospedale S Giovanni Bosco di Napoli La tesi si sviluppa come segue Nel Capitolo 1 vengono presentati a Il complesso ospedaliero sul quale si intendono installare tecnologie impiantistiche utili a conseguire una riduzione dei consumi
109. ata per la risoluzione del problema globale o Eo ND MG a a i Figura 4 5 2 1 1 Esempio di mesh usato per il problema globale 147 Il bilancio termico per una data cella veramente semplice Il flusso netto di energia termica attraverso la cella cambia la temperatura in modo che l energia si conservi I flussi di energia termica sono stimati attraverso una semplice equazione Gli indici nella direzione radiale e verticale sono denominati con i e j rispettivamente Il flusso di energia termica radiale tra la cella i 1 j ed i j espresso dall equazione 4 5 2 1 1 Fo KD ITG LOTO Equazione 4 5 2 1 1 dove la conducibilit termica tra la cella i 1 j e la cella i Una espressione logaritmica per la resistenza termica usata quando viene stimato il coefficiente di scambio termico nella direzione radiale tra due celle Nella direzione verticale il flusso tra la cella 1 1 e i j espresso dall equazione 4 5 2 1 2 ANA 1 TG fl Equazione 4 5 2 1 2 Per una cella nel volume di accumulo ci sono due sorgenti termiche che devono essere considerate una trasferisce energia termica dal problema locale ed un altra ridistribuisce l energia termica all interno del volume di accumulo Questa ridistribuzione dovuta alla circolazione del fluido termovettore Il contributo netto da queste sorgenti di energia termica alla cella i j denotato i j e Qy i j E semp
110. aturo o quello di Hirn a vapore surriscaldato Dell impianto a vapore base ora descritto esistono due varianti utilizzate per impieghi cogenerativi l impianto a contropressione e l impianto a spillamento e condensazione Nell impianto a vapore a contropressione illustrato in Fig 2 6 4 1 a tutto il vapore che espande in turbina viene poi utilizzato per il processo che espleta la funzione del condensatore Il rendimento elettrico risulta penalizzato dall innalzamento della pressione di condensazione dovuto all utilizzo del vapore uscente dalla turbina come vapore di processo Le turbine a contropressione sono largamente utilizzate in applicazioni di processo si trovano in raffinerie cartiere impianti di dissalazione e altri impianti in cui sono necessarie elevate quantit di vapore L impianto a vapore a spillamento e condensazione illustrato in Fig 2 6 4 1 b utilizza come vapore di processo una corrente di vapore appositamente spillata alla pressione opportuna mentre il restante vapore pu espandere fino alla pressione del condensatore dove viene condensato Le due correnti si ricongiungono in ingresso al generatore di vapore Il rendimento del ciclo termodinamico non troppo penalizzato rispetto all assetto non cogenerativo in quanto la condensazione viene effettuata a pressioni sufficientemente basse La potenza elettrica globale risulta comunque diminuita rispetto all impianto non cogenerativo in quanto parte del v
111. avvenire a pressioni variabili in un ampio range ad esempio 1 40 bar potendo servire utenze con temperature richieste da 100 C a 250 C Un ulteriore recupero termico evidenziato in figura pu avvenire utilizzando uno scambiatore posto entro la caldaia a recupero spesso in parallelo con l economizzatore della caldaia scambiatore che utilizza una parte del calore scaricato con i fumi in ambiente Utenza termica Fig 2 6 5 4 Schema impianto combinato in assetto cogenerativo La presenza dello spillamento nella turbina del ciclo combinato causa una riduzione di potenza elettrica utile rispetto al caso di sola produzione di energia elettrica Questo fatto rappresenta un limite dell impiego cogenerativo dei cicli combinati all aumentare della produzione termica si riduce la potenza elettrica come mostrato in figura 2 6 5 5 65 100 T T T T T ho za 80 B L 8 sol 3 L 5 4H E E 201 amp f 0 1 i 1 1 80 85 90 95 100 Potenza elettrica del valore massimo Fig 2 6 5 5 Variazione della potenza elettrica all aumentare della produzione termica Costi livello di affidabilit e di diffusione Sulla base dei dati disponibili Gas Turbine World 2006 il costo specifico di un ciclo combinato di piccola taglia tra 5 e 10 MWe raggiunge valori dell ordine di 600 700 kW 750 870 kW decisamente superiori ai costi specifici degli impianti di taglia maggiore I costi di manut
112. azione in TRNSYS 2508408 2008406 1508406 Energia Termica kWh 502205 nmn 0 2506105 2 006406 1506 08 1006 08 Energia Termica kWh 5 006405 730 1462 2180 2520 3650 4350 Em 5641 6570 7300 Cri Figura 5 5 32 Andamento del consumo annuo di energia termica per la climatizzazione estiva pone 0760 172 1500 1910 1200 1200 300 500 Energia Termica kWh Energia Termica kWh 300 I IN lil 0 730 1460 2190 2220 3660 4380 slo 6570 7300 8760 Figura 5 5 33 Diagramma del carico di energia termica per la climatizzazione estiva su base annua Dall attivit sperimentale si pervenuti alla conoscenza delle caratteristiche dell impianto elettrico a servizio del nosocomio si riscontrato che la struttura ospedaliera dotata di una unica cabina di trasformazione MT Bt da cui si diramano le linee di alimentazione per i quadri generali dei singoli edifici di cui costituita la struttura Per procedere ad effettuare il dimensionamento dell impianto di cogenerazione e conseguentemente procedere ad una analisi di fattibilit tecnico economica stato necessario determinare l andamento orario dei carichi elettrici per l intero anno procedendo alla rilevazione della energia elettrica assorbita dalla cabina MT Bt mediante l uso di un analizzatore di rete Si inoltre proceduto a verificare tale andament
113. azioni termiche richieste dal di tipo trigenerativo 1 influenza sia il rend la temperatura del fluido termovettore in imento termico effettivo dell impianto sia Putenza in quanto non appena la temperatura T risulta essere inferiore alla Tin Ass necessario erogare energia termica da caldaia in modo tale da adeguare il livello termico del fluido termovettore alle esigenze di funzionamento dell assorbitore Per procedere al dimensionamento della configurazione impiantistica quindi necessario procedere ad effettuare una analisi di sensibilit riferita al carico cumulato dato dalla somma del carico termico richiesto e di quello necessario per l alimentazione dell assorbitore Allo scopo di verificare 209 come uno sfruttamento ottimale dell energia termica prodotta dal cogeneratore corrisponda ad miglioramento dei risultati globali necessario che si riscontrino due condizioni a quale conseguenza dell inserimento della macchina ad assorbimento si abbia un livellamento della curva di carico cumulato riscontrando in tal modo una condizione di stabilit del carico termico b in conseguenza della presenza dell assorbitore non si abbia un notevole delle integrazioni termiche da caldaia In conseguenza di quanto detto si determineranno condizioni favorevoli alla introduzione della macchina ad assorbimento quando quest ultimo venga dimensionato in funzione dei reflui termici effettivamente prodotti dal grup
114. ca prodotta da biomasse biogas e bioliquidi pari al 15 4 Analizzando quindi i combustibili utilizzati nella PG si riscontra che nel caso di produzione combinata di energia elettrica e calore Figura 2 5 3 il mix di fonti primarie utilizzate sussiste un maggior equilibrio tra il totale delle fonti rinnovabili 54 7 di cui principalmente biogas e il totale delle fonti non rinnovabili 45 3 di cui principalmente gas naturale Dal confronto dei combustibili utilizzati nel 2010 con gli anni precedenti si riscontrato che negli ultimi anni nella produzione combinata di energia elettrica e calore diminuita la percentuale di utilizzo del gas naturale a favore dell utilizzo di biogas 40 combustibili gassosi 04 Diogas 422 Ges naurale 435 derivati 0 1 MEiomesse now Totale 549 GWh 4 1 Fig 2 5 3 Produzione lorda di energia elettrica dalle diverse fonti utilizzate nell ambito della PG termoelettrica per la produzione combinata di energia elettrica e calore E infine utile riscontrare che negli ultimi anni si sono largamente diffusi gli impianti di trigenerazione di piccola taglia Tali impianti consentono di ridurre la richiesta di energia elettrica soprattutto nei mesi estivi trasferendola ai combustibili impiegati per l alimentazione di tali impianti Gas naturale biogas ecc Ci stato possibile in quanto per la produzione del vettore termo frigorifero nel periodo estiv
115. care il corrispondente parametro nel file di input di TRNSYS Entrambi i valori prestazionali potenza frigorifera e potenza elettrica assorbita in kW devono comparire nel file ogni coppia sulla relativa linea Heating performance data Le specifiche per il file di prestazione in riscaldamento sono pi o meno le stesse di quelle del file di prestazione in raffrescamento 131 Devono essere forniti in questo file due dati di prestazione in riscaldamento e sono precisamente la potenza totale in riscaldamento kW e la potenza elettrica assorbita kW La Type 668 interpola linearmente i valori di prestazione in riscaldamento basandosi sul corrente valore di temperatura in ingresso del fluido interagente con la sorgente C e sul corrente valore di temperatura in ingresso del fluido interagente con il carico C Heat pump performance Quando la pompa di calore impostata per lavorare in modalit raffrescamento essa richiama la subroutine TRNSYS data che contiene al suo interno le informazioni riguardanti il fluido interagente con la sorgente e quelle riguardanti il fluido interagente con il carico La routine DATA accede al Cooling performance data e restituisce la potenza frigorifera e la potenza elettrica della macchina in modalit raffrescamento Con i valori ricavati possibile calcolare il COP in modalit raffrescamento della macchina tramite l equazione 4 3 1 1 IP coaline cop x Equazione 4 3 1
116. cative nelle prestazioni tra impianti di piccola e di grande taglia tra impianti esistenti e nuovi tra impianti con utilizzazioni stagionali e impianti inseriti in processi continui o quasi d essere riferiti a dati di consuntivo misurabili su base annuale con sistemi di contabilizzazione certificati e con possibilit di controlli nella consapevolezza delle difficolt che si incontrano nella misura del calore e nell accertamento del suo effettivo utilizzo utile e considerare l evoluzione tecnologica con meccanismi di aggiornamento periodici per gli impianti non ancora entrati in esercizio 2 2 Analisi energetica Un primo indicatore utilizzato per condurre un analisi energetica il Coefficiente di Utilizzazione del Combustibile C U C definito come segue 18 ETE ei tor eben Q 1 SUC Mna PCI per Detto coefficiente dato dal rapporto fra gli effetti utili somma di energia elettrica netta e calore e l energia primaria introdotta nel sistema dove Ea gt Energia elettrica resa all utenza En gt Energia termica resa all utenza mte 7 Massa di combustibile immessa nell impianto gt Potere Calorifico Inferiore del combustibile A titolo di esempio si possono mettere a confronto flussi energetici e valori del C U C relativi ad un sistema tradizionale con produzione separata di 150 kWh di energia elettrica e 170 kWh di energia termica e le analoghe quantit energetiche pr
117. co sia per un modello di condotto rettangolare che per un modello di condotto esagonale se A la stessa inoltre tale analisi mostra anche che e B7 per un modello rettangolare sono pi o meno uguali in lunghezza Sia r la distanza dal centro del tubo in cui circola il fluido e sia il raggio esterno di questo tubo C un processo termico locale radiale nella regione r r lt Il raggio molto pi piccolo di Il flusso di energia termica nulla sul contorno esterno r quando consideriamo solo il processo locale In figura 4 5 1 3 1 sono riportati i raggi appena descritti 143 SU r m 10 10 10 107 T Terreno circostante Accumulo termico Volume locale Pozzo termico borehole PROCESSO GLOBALE TEMPERATURA PROCESSO LOCALE RESISTENZA Rs MEDIA Tm STEADY FLUX FLUIDO TERRENO Figura 4 5 1 3 1 Il metodo di suddivisione dei volumi e dei processi su cui si basano i metodi di Lund Zonta 1996 All interno del raggio r ci sar un certo flusso di energia termica variabile nel tempo Si considera il seguente caso fondamentale C una immissione costante di energia termica q all inizio ovvero quando 0 Sia 7 la temperatura costante iniziale nella regione cilindrica intorno al tubo in cui circola il fluido La figura 4 5 1 3 2 mostra il comportamento del campo di temperatura in questa caso fondamentale D E R A T U R 35 02
118. condo principio della termodinamica afferma che quando due corpi si trovano a temperature diverse il calore tende a fluire dal corpo a temperatura maggiore verso il corpo a temperatura minore I processi di trasmissione del calore che si istaurano nel suolo sono per ordine di importanza 1 conduzione 2 convezione 3 irraggiamento La conduzione un processo che interessa tutto il terreno ma soprattutto le parti solide e liquide La convezione invece trascurabile nella maggior parte dei casi ad eccezione di quando si abbiano infiltrazioni di acqua e o presenza di un movimento dell acqua di falda L irraggiamento anch esso trascurabile nella maggior parte dei casi e risulta rilevante solo nei suoli secchi ad alte temperature Analizzando la conduzione ed ipotizzando che il suolo sia un mezzo isotropo assumendo che il gradiente orizzontale di tutte le grandezze fisiche siano trascurabili rispetto a quelli verticali in tali 83 ipotesi il problema pu essere trattato in una sola dimensione Il flusso termico viene descritto dalla equazione di Fourier dn 2 1 Knapp 20 T 2 1 dove la temperatura del suolo qn il flusso termico knapp kntKnpseudo rappresenta la conduttivit termica apparente data dalla somma della conduttivit termica effettiva e di un contributo che tiene conto della componente latente e di altre componenti non conduttive Applicando il primo principio ed introducendo l energia interna per unit
119. consumo elettrico 30 prevalente l impiego di carbone 82 Tabella 2 4 1 La diffusione della cogenerazione nei principali paesi produttori europei dati Eurostat 2006 36 2 5 La diffusione della cogenerazione in Italia Per analizzare la situazione italiana sono stati esaminati i dati messi a disposizione dal GSE Gestore dei Servizi Energetici per l anno 2006 da cui risulta che la potenza elettrica installata in impianti cogenerativi si attestava intorno agli 8600 MW ovvero il 9 circa della potenza del parco di generazione italiano il 12 del solo termoelettrico 180 di tale potenza risulta installata in impianti di taglia inferiore ai 20 MW il 30 in impianti di piccola cogenerazione inferiori ad 1 MW e solo il 2 5 in micro cogenerazione inferiori ai 50 KW La tabella 2 5 1 che mostra la potenza elettrica installata e le taglie medie degli impianti in diversi settori di attivit mette in luce come la climatizzazione e la produzione di calore a bassa temperatura rappresenti una quota parte significativa delle installazioni cogenerative anche se distribuite su impianti di medio piccole dimensioni Attivit taglia media Potenza installata MW elettrici MW elettrici Industria chimica e petrolchimica 114 3 2972 Raffinazione petrolio 136 6 2459 Industria cartaria 16 7 835 Industria siderurgica 185 0 370 Industria alimenta
120. creto Legislativo 8 febbraio 2007 n 20 ha introdotto nuove disposizioni tese a favorire lo sviluppo della cogenerazione tra cui 1 la possibilit di accesso ai certificati bianchi per tutti gli impianti di cogenerazione ad alto rendimento e l estensione graduale del diritto d accesso ai medesimi certificati anche a soggetti diversi da quelli attualmente titolati secondo criteri stabiliti tramite futuro decreto ministeriale prevedendo inoltre che si equipari al risparmio di gas naturale il risparmio di forme di energia diverse dall energia elettrica e dal gas naturale articolo 6 commi 1 2 3 4 eS 2 il considerare le particolari condizioni di esercizio delle unit di cogenerazione ad alto rendimento da parte dell Autorit nella definizione delle tariffe connesse ai costi di trasmissione e di distribuzione e nella definizione delle condizioni di acquisto dell energia elettrica di riserva o di integrazione articolo 7 comma 4 2 3 6 3 I certificati bianchi I Decreti Ministeriali del 20 luglio 2004 e loro successive modifiche e integrazioni prevedono la promozione del risparmio energetico attraverso i certificati bianchi che attestano interventi di miglioramento dell efficienza energetica presso gli utenti finali E un meccanismo di cap and trade in cui viene stabilito un obbligo cap cui si pu adempiere direttamente o acquisendo certificati che ne dimostrino il raggiungimento Lo schema si fonda come per
121. dale S Giovanni Bosco in Napoli Analizzati i vari modelli matematici alla base del dimensionamento degli scambiatori a terreno e riscontrando la domanda termica dell ospedale oggetto di studio sia per l acqua calda sanitaria che per la climatizzazione invernale ed estiva si sfrutter la potenzialit del software TRNSYS per effettuare una simulazione dell impianto geotermico Si rimanda al capitolo 5 per valutare i benefici riscontrabili dall applicazione di detto impianto 110 Capitolo 4 Il Programma di Simulazione dinamica Trnsys 4 1 Introduzione TRNSYS Transient System Simulation program un programma di simulazione dinamica caratterizzato da una struttura modulare ai fini della simulazione del sistema oggetto di analisi all utente richiesto di specificare i componenti che costituiscono il sistema e la maniera nelle quali questi interagiscano tra di loro TRNSYS ha iniziato ad essere disponibile commercialmente a partire dal 1975 il programma viene costantemente sviluppato la versione pi recente la 17 del luglio 2010 grazie al lavoro congiunto di una serie di istituzioni Solar Energy Laboratory SEL USA Thermal Energy Systems Specialist TESS USA Aiguasol Enginyeria Spagna Centre Scientifique et Technique du B timent CSTB Francia Transsolar GmBH Energietechnik Germania Il pacchetto di installazione consiste di una serie di moduli Tra questi Simulation Studi
122. della pompa di calore Infatti temperature troppo basse possono determinare rischi di cadute di pressione e conseguenti blocchi dell impianto Conseguentemente un dimensionamento al risparmio causerebbe temperature in ingresso alla pompa di calore troppo basse limitando il vantaggio dell impianto di condizionamento geotermico rispetto a quello tradizionale ad aria Deve essere inoltre verificato il dimensionamento dell impianto anche in regime estivo in funzione della temperatura massima ammissibile in ingresso pertanto dovr essere valutato con attenzione un sovradimensionamento del campo di sonde I livelli termici che si raggiungono in conseguenza della presenza del campo geotermico non possono essere verificati in condizioni stazionarie ma risulta fondamentale verificare il raggiungimento di una nuova condizione di equilibrio nel lungo periodo 10 25 anni in modo da verificare i fenomeni di scambio termico sul lungo periodo Di fondamentale importanza la valutazione dell energia netta complessivamente immessa o prelevata durante l anno dal terreno Infatti se i due fabbisogni invernale ed estivo risultano bilanciati allora l effetto sul lungo periodo risulter minimo Qualora il fabbisogno invernale risulta decisamente pi elevato rispetto a quello estivo si determiner una diminuzione della temperatura media del terreno e maggiore risulter il tempo per stabilizzare la temperatura Viceversa se il fabbisogno estivo risulte
123. di energia elettrica da cui si diramano le linee di alimentazione dei quadri generali dei singoli edifici di cui costituita la struttura Dai quadri di edificio si diramano le varie linee di forza motrice F M e luce per l alimentazione dell impianto di illuminazione In locale adiacente alla cabina di trasformazione presente un gruppo elettrogeno dotato di quadro di commutazione automatico e serbatoio di combustibile di adeguata capacit Il quadro per il controllo e l avviamento automatico del gruppo elettrogeno consente l alimentazione delle utenze elettriche entro pochi secondi dal segnale di abbassamento o di mancata tensione di rete Le linee F M si suddividono a loro volta in normale privilegiata e continuit Alle linee nor mali sono collegate utenze che possono subire il distacco dell energia elettrica in caso di gua sto e o mancanza di rete Alle linee privilegiate sono invece collegate utenze che possono su bire il distacco dell energia elettrica per un periodo di pochi secondi a tali linee vengono col legati gli impianti elevatori ed altre attrezzature Alle linee di continuit vengono collegate le strumentazioni mediche vitali presenti nelle Sale Operatorie Sale Parto Sale Preanestesia Sale Risveglio Pronto Soccorso ecc e Impianti antincendio A servizio della struttura presente un impianto antincendio il quale oltre alla rilevazione prevede anche lo spegnimento degli incendi in conformit al
124. di umidit dell aria si utilizza 1 Unit di Trattamento della stessa 76 La pompa di calore rappresenta una tecnologia oramai largamente utilizzata per la climatizzazione degli edifici che in grado di regolare la temperatura dell aria negli ambienti Tali macchine sono basate su un ciclo termodinamico frigorifero inverso nel periodo invernale ed un ciclo frigorifero nel periodo estivo La pompa di calore opera tra due livelli termici nel ciclo invernale e quindi con funzioni di impianto di riscaldamento tra il livello termico dei terminali dell impianto di riscaldamento 35 50 C e il livello termico dell aria esterna Ai livelli termici corrispondono due livelli di pressione uno pi elevato a cui corrisponde il processo di condensazione e quello inferiore a cui corrisponde l evaporazione Il ciclo di funzionamento della pompa di calore si realizza tramite il susseguirsi di quattro trasformazioni evaporazione compressione condensazione espansione laminazione La scelta del fluido che evolve nella macchina funzione della efficienza energetica ottenibile e dalla tecnologia disponibile Infatti noto che non possibile ottenere nella realt trasformazioni ideali reversibili e di conseguenza l efficienza reale risulter nettamente minore della efficienza massima teorica in conseguenza della presenza delle irreversibilit delle trasformazioni Usualmente quale fluido nelle pompe di calore si utilizzano i fluidi refrige
125. e attraverso Vj V2 Vy quando gt 0 e fluisce nella direzione opposta quando lt 0 Il numero di sottoregioni necessarie per ottenere una accuratezza accettabile dipende dall ampiezza delle variazioni di temperatura lungo il percorso del fluido attraverso l accumulo L accuratezza spesso accettabile con poche regioni Tuttavia qualche volta potrebbe essere necessario usare molto sottoregioni se il percorso del fluido complicato e la portata piccola La suddivisione adatta della regione di accumulo pu essere ispezionata variando il numero di sottoregioni 150 Ogni sottoregione normalmente contiene molte celle globali La temperatura media globale nella sottoregione denotata TS La temperatura di ingresso del fluido in questa sezione T e la temperatura di uscita TF La temperatura media nella cella locale j 2 immediatamente fuori dal tubo in cui scorre il fluido per tutte le celle della sottoregione k espressa dall equazione 4 5 2 3 2 TE TV Equazione 4 5 2 3 2 Le temperature del fluido all ingresso ed all uscita sono legate dall equazione 4 5 2 3 3 ges 1 FE Equazione 4 5 2 3 3 dove ta In questa formula la lunghezza totale del tubo in cui scorre il fluido nella sezione k e ap il coefficiente di scambio termico tra il fluido nel tubo e la prima cella all uscita del tubo La temperatura del fluido all ingresso della regione di accumulo
126. e conseguire Da una preliminare Analisi Energetica del complesso ospedaliero come in precedenza indica to si dedotto che i consumi complessivi di energia primaria dell Ente energia elettrica e gas ammontano a circa 5 825 000 kWh anno di cui 3 136 166 kWh anno per consumi di e nergia elettrica e 2 688 834 kWh anno per consumi di gas naturale Questi valori rapportati alla superficie totale degli edifici dell Ospedale determinano un fabbisogno di energia prima ria per unit di superficie di 305 kWh m anno valore quest ultimo che evidenzia gli elevati consumi energetici dell Ente Orbene non potendosi effettuare una ristrutturazione degli edifici di cui costituito l Ospedale trattandosi di intervento molto impegnativo e costoso in quanto andrebbero de moliti e ricostruiti tutti gli edifici che compongono l Ospedale si ritiene di poter conseguire comunque l obiettivo di una significativa riduzione dei costi energetici di gestione installan do come gi detto un impianto di trigenerazione costituito da un motore primo termico a gas naturale di potenzialit di circa 300 kW un recuperatore di calore un assorbitore a bromuro di litio una pompa di calore acqua acqua collegata ad un campo di sonde geotermiche Detta soluzione come si vedr nel seguito permetter di ottenere a parit di consumi energetici una significativa riduzione dei costi energetici Per procedere al dimensionamento dell impianto si debbono valutare le pote
127. e degli impianti di cogenerazione finalizzata alla massimizzazione del risultato economico Applicando la modalit di gestione degli impianti di cogenerazione al caso dell utenza dell Ospedale San Giovanni Bosco in Napoli caratterizzata dalle curve di richiesta termica ed elettrica richiamate in precedenza considerando le fasce orarie di acquisto dell energia elettrica di cui alla delibera AEEG 181 06 in cui sono suddivise le varie ore dei giorni settimanali come riportato nella Figura 5 6 1 4 stato realizzato un programma di calcolo che consente una rapida determinazione del CEuecog h costo del kWh di energia elettrica cogenerata e del CEueritri h costo dell energia elettrica di riferimento nella generica fascia oraria F calcolati utilizzando le 192 formulazioni riportate nel paragrafo 5 4 E stata determinata la variazione di costo del kWh h CE h a cui viene associato un uecog elettrico espresso dalla relazione ACE h CE ueRif Fi coefficiente di utilizzazione 0 1 corrispondente ad una logica di funzionamento del tipo ON OFF dell impianto Quando la grandezza risulta minore di un valore di soglia il coefficiente di utilizzazione verr posto pari a 0 e quindi l impianto risulter spento FASCE ORARIE 2007 DELIBERA AEEG 181 06 T v2 Ta T5 15 17 e T 19 20 21 F1 F1 mercoledi 1 6 gennaio 9 aprile 2007 luned
128. e della temperatura dello storage la 4 3 2 2 Tystore T max ph T mtn ph 2 T max ph T min ph 2 sin o t theta Equazione 4 3 2 2 dove Tu temperatura dello storage Tmaxph massima temperatura dello storage per il preriscaldamento Twp minima temperatura dello storage per il preriscaldamento 137 theta parametro di sfasamento t tempo di simulazione in giorni e 27 365 La temperatura dello storage all inizio della simulazione trovata dalla formula 6 3 2 2 con t 0 7 AVERAGE AIR TEMPERATURE la temperatura media annuale dell aria per il calcolo del preriscaldamento La variazione della temperatura dell aria e la temperatura dello storage in tutti gli anni del preriscaldamento usata per calcolare la passata temperatura del suolo al confine dello storage volume all inizio della simulazione 8 AMPLITUDE OF AIR TEMPERATURE l ampiezza della temperatura dell aria su un anno Questo parametro usato per calcolare la temperatura dell aria come funzione del tempo La temperatura dell aria e la temperatura media dello storage volume entrambe funzioni del tempo sono usate per calcolare la temperatura del suolo all esterno del confine dello storage volume all inizio della simulazione 9 AIR TEMPERATURE PHASE DELAY lo sfasamento in ritardo della temperatura dell aria per il calcolo del preriscaldamento Questo ritard
129. e di tre parti la cosiddetta differenza globale della temperatura una differenza di temperatura della soluzione locale immediatamente circostante il volume di accumulo di calore e una differenza di temperatura locale dovuta al flusso stazionario La temperatura in ciascun istante si ottiene suddividendo l andamento temporale dei carichi in una serie di impulsi a gradino e sovrapponendo le varie risposte nel tempo cos come avviene nel modello di Eskilson Il modello essenzialmente un modello ibrido che utilizza una soluzione numerica per il problema locale e quello globale e poi li sovrappone spazialmente con la soluzione analitica relativa al flusso stazionario Il modello numerico utilizza per la risoluzione del problema globale uno schema bidimensionale esplicito agli elementi finiti su un sistema di coordinate radiale assiale Per la soluzione locale viene utilizzato un modello mono dimensionale radiale che divide la regione di stoccaggio in diverse sotto aree Thornton et al 1997 hanno usato l approccio di Hellstrom come parte di un dettagliato modello di simulazione basato su componenti di un sistema geotermico con pompa di calore Il modello stato implementato in TRNSYS Klein et al 1996 stato calibrato per dati monitorati su di una unit 109 abitativa familiare regolando i parametri di input come il campo della temperatura e le propriet termiche del terreno 3 7 Impianto geotermico dell Ospe
130. e sopra richiamato determina un consumo per unit di superficie di 305 kWh m amno parametro quest ultimo che evidenzia gli elevati consumi energetici dell Ente Come riferimento va precisato che un complesso ospedaliero riqualificato energeti camente dovrebbe avere un valore medio del predetto parametro di circa 70 kWh m anno Un ulteriore problema caratteristico della gestione degli ospedali rappresentato dai costi dei vettori energetici ci in quanto tali edifici risultano classificati come utenze residen ziali e non utenze industriali In molti casi una attenta gestione ospedaliera ha indotto i re sponsabili di tali strutture di dotarsi di soluzioni impiantistiche di autoproduzione dei vettori energetici Tali soluzioni a parit di fabbisogno energetico hanno determinato una riduzione dei costi gestionali di circa il 25 30 Per quanto sopra sintetizzato verranno analizzati in dettaglio le potenze termiche in u scita stagione invernale e quelle in ingresso stagione estiva degli edifici ed i consumi e nergetici della struttura ospedaliera sfruttando una simulazione dinamica per procedere al dimensionamento di un impianto di autoproduzione dei vettori energetici per pervenire ad una riduzione dei costi energetici di gestione 1 3 Analisi dello stato attuale dell Ospedale S Giovanni Bosco Cenni storici L Arciconfraternita della SS Trinit dei Pellegrini fu fondata a Napoli nel 1578 da sei artigia ni con la fi
131. eccedenza viene comunque ceduta alla rete ed a cui associato un introito economico nel caso dell energia termica una eccedenza associata ad una dissipazione che influenza in modo rilevante la variazione del rendimento termico effettivo orario e di conseguenza il risparmio energetico conseguibile valutato tramite il REP In base a quanto detto l effettivo dimensionamento della taglia del cogeneratore deve essere effettuata utilizzando la metodologia dell inseguimento del carico termico Analizzando quindi il diagramma dell analisi di sensibilit del carico termico si riscontra che il cogeneratore Jenbacher 312 risulta sovradimensionato rispetto alle esigenze termiche producendo eccedenze in misura tale da inficiare l obbiettivo del risparmio energetico eccedenze dopo appena 750 ore anno mentre gli altri cogeneratori selezionati hanno una potenzialit termica che li rendono in prima approssimazione energeticamente validi Sulla base dei risultati dell analisi di sensibilit si scelto di selezionare il cogeneratore Jenbacher 208B a titolo di esempio applicativo Il dimensionamento e quindi la selezione del modello di cogeneratore verranno verificati impiegando sia la modalit di gestione finalizzata alla massimizzazione del risultato economico che quella finalizzata al risparmio energetico conseguibile confrontando i risultati ottenuti Soluzione cogenerativa costituita dal motore Jenbacher 208B da 300 kWe Modalit di gestion
132. el fluido entrante nello scambiatore 3 NUMBER OF PREHATING YEARS il numero di anni di preriscaldamento prima della simulazione mettendo 0 si indica nessun preriscaldamento Durante il preriscaldamento una variazione sinusoidale annuale della temperatura media dello storage volume usata per riscaldare la temperatura del suolo nelle vicinanze dello storage 4 MAXIMUM PREHEAT TEMPERATURE la massima temperatura media dello storage volume per il calcolo del preriscaldamento Questo valore usato in una funzione sinusoidale di preriscaldamento del suolo circostante lo storage Questa temperatura anche usata per calcolare la temperatura iniziale da impostare nello storage volume all inizio della simulazione 5 MIMIMUM PREHEAT TEMPERATURE la temperatura minima media dello storage volume per il calcolo del preriscaldamento Questo valore usato in una funzione sinusoidale di preriscaldamento del suolo circostante lo storage Questa temperatura anche usata per calcolare la temperatura iniziale da impostare nello storage volume 6 PREHEAT PHASE DELAY lo sfasamento in ritardo nella curva sinusoidale del preriscaldamento Questo sfasamento in ritardo semplicemente 90 minuti il giorno in cui si verifica la massima temperatura dello storage o 270 minuti il giorno in cui si verifica la minima temperatura dello storage Per il preriscaldamento l equazion
133. el sistema di iniezione per consentire l ingresso di portate di combustibile maggiore il biogas infatti essendo principalmente composto di metano ed anidride carbonica ha poteri calorifici tipicamente dell ordine di 9000 17000 kJ kg inferiori al gas naturale Inoltre una problematica frequente riguarda il controllo del rapporto di miscela che per data installazione pu subire variazioni sensibili nel corso del tempo a causa dell irregolarit di composizione delle biomasse di partenza il contenuto di metano nel biogas subisce fluttuazioni notevoli presentando valori medi attorno al 30 40 Per questo motivo si adottano sistemi di controllo in retroazione del rapporto di miscela mediante sonda nei fumi che regola la preparazione della miscela I MCI industriali ad accensione spontanea per impiego stazionario possono essere alimentati a gasolio ad olio combustibile oppure molto frequentemente a gas naturale con l aggiunta di una 49 piccola percentuale di gasolio 1 10 per 1 iniezione pilota che ha la funzione di provocare l autoaccensione della carica si parla di motori dual fuel L impiego del gas invece di un combustibile liquido fa riscontrare un aumento della potenza poich possibile un funzionamento con minore eccesso d aria senza incorrere in incombusti allo scarico Nel campo dei combustibili rinnovabili bio combustibili presente una molteplicit di applicazioni bio diesel oli vegetali oli deriva
134. ema base in questi sistemi l interazione tra il processo termico locale che avviene intorno al tubo dello scambiatore ed il processo termico globale che avviene tra la regione di accumulo ed il suolo circostante Una precisa descrizione del processo termico locale necessaria per ottenere i valori corretti di energia termica estratta ed energia termica immessa Il flusso termico dallo scambiatore al suolo determinato dalla temperatura del fluido dalle propriet di scambio termico e dalla temperatura nel suolo circostante lo scambiatore La quantit di energia termica estratta ed immessa governer poi il processo termico globale D altro canto i valori locali del campo di temperatura globale sono necessari per il problema locale I ground heat exchangers sono assunti essere uniformemente posizionati nella regione di accumulo Una certa regione di suolo pu essere assegnata a ciascun ground heat exchangers e deve essere simmetrica L area della sezione trasversale di questa regione di suolo denominata Ap Per un modello di condotto rettangolare con B e BI lati del condotto l area della sezione trasversale Ap RaR1 Equazione 4 5 1 3 1 Per un modello di condotto esagonale la regione esagonale pu essere approssimata come cilindrica vale a dire Ap I 23h Equazione 4 5 1 3 2 dove 0 525 5 L analisi in questo documento mostra che i ground heat exchangers hanno pi o meno la stessa capacit di scambio termi
135. en zione e sopratutto i corpi B1 e B2 sono in pessimo stato Analizzando nello specifico i singoli corpi di fabbrica costituenti la struttura ospedaliera si riscontrato che e Corpo di fabbrica A costituito complessivamente da tre piani di cui due fuori terra avente una superficie per singolo piano di 620 mq per una volumetria complessiva di circa 6 500 mc dove trovano collocazione al piano terra gli archivi i magazzini ed i depositi al piano rialzato il dipartimento di salute mentale con varie degenze ed uffici medici al primo piano l atrio d ingresso ed uffici e Corpo di fabbrica B B1 costituito complessivamente da sette piani di cui sei fuori terra avente una superficie per singolo piano di 1700 mq per una volumetria comples siva di circa 41 500 mc dove trovano collocazione al piano terra la Centrale Termica la Cappella i depositi i locali manutentori la cabina elettrica il reparto di radiologia sala Tac obitorio e sala mortuaria al piano rialzato il pronto soccorso il reparto di ra diologia e neuroradiologia al primo piano il laboratorio di analisi gli uffici il reparto di Otorinolaringoiatria al secondo piano il reparto di cardiologia e medicina generale al terzo piano il reparto di chirurgia e neurochirurgia al quarto piano il reparto di ema tologia e angiochirurgia al quinto piano il reparto di ostetricia ginecologia e nido e Corpo di fabbrica C costituito complessivamente da due piani di cui u
136. energetici b i fabbisogni energetici dell edificio e gli impianti attualmente presenti nello stesso c i risultati della rilevazione sperimentale dei consumi storici dei vettori energetici at tualmente utilizzati energia elettrica e gas naturale d gli impianti che si intende adottare e l obiettivo progettuale che si intende conseguire Nel Capitolo 2 viene effettuata una analisi delle principali soluzioni impiantistiche at tualmente utilizzate in ambito cogenerativo e trigenerativo di piccola taglia Potenza installata minore di 1 MW Viene inoltre analizzato il contesto normativo di riferi mento Nel Capitolo 3 viene introdotta ed analizzata la soluzione impiantistica Geotermica sfruttante la risorsa termica del sottosuolo Vengono analizzati i vantaggi ed i limiti di tale soluzione le propriet termiche del sottosuolo ed i processi di trasmissione del ca lore Viene effettuata una disamina delle problematica del dimensionamento del cam po geotermico e vengono valutati i modelli di dimensionamento attualmente utilizzati modelli semplificati tabellati e modelli analitici L impianto di trigenerazione propo sto Nel Capitolo 4 vengono illustrate le caratteristiche del programma di simulazione dinamica TRNSYS le potenzialit di impiego le equazioni di riferimento utilizzate dal programma simulanti le tecnologie impiantistiche adottate le modalit d impiego Nel Capitolo 5 vengono illustrati i risultati delle simu
137. ente i sistemi sono di tipo chiuso La geotermia a bassa entalpia si basa sulla differenza di temperatura fra il suolo e l aria legata alla forte inerzia con la quale l energia solare viene trasmessa dal suolo Il 46 circa dell energia solare viene assorbita dal terreno che lentamente la trasporta definendo importanti variazioni stagionali Tali sistemi sono costituiti da tre elementi principali lo scambiatore di calore col terreno la pompa di calore ed il sistema di distribuzione del calore e del freddo Le sonde geotermiche possono essere disposte nel suolo in modo orizzontale o verticalmente mediante perforazione L elevata quantit di spazio richiesto per la disposizione orizzontale rende nel contesto italiano difficile considerare questa soluzione realizzabile Le sonde geotermiche che rappresentano gli scambiatori di calore col suolo possono essere di due tipologie ad U o coassiali Gli scambiatori ad U si suddividono a loro volta in singolo U o doppio 91 U mentre gli scambiatori coassiali si suddividono in tubi coassiali semplici o complessi Si riportano in figura le sezioni trasversali di tali tipologie di sonde boiacca bentonitca 32 40 a A TUBI COASSIALI boiacca bentonitica 3 al E Sezioni trasversali delle varie tipologie di sonde verticali la 0 a 0 8 O Surface cx CH 2 m m mori y la borchoke il NN hoi wali A portino
138. ento rendimento termico effettivo su base mensile Gennaio 202 Rendimento Termico 0 6 Effettivo Nominale 0 5 2 w 2 9 0 1 0 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720 Ore mese h Figura 5 6 1 19 Andamento rendimento termico effettivo su base mensile Aprile Rendimento Termico 0 6 Effettivo Nominale 01 0 0 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720 Ore mese h 2 e w 2 to Figura 5 6 1 20 Andamento rendimento termico effettivo su base mensile Luglio 203 Potenza Termica kW 800 700 600 500 400 300 200 100 100 Integrazioni Th Caldaia Diss Termiche 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Ore anno h Figura 5 6 1 21 Integrazioni e dissipazioni termiche su base annua Potenza Termica kW 800 700 600 500 400 300 200 100 100 Integrazioni Th Caldaia Diss Termiche In IN IM M TM INI 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720 Ore mese h Figura 5 6
139. enza il COP della pompa di calore che assume valori compresi tra 4 4 5 che consente di determinare la potenza scambiata dal terreno p COPI COP e quindi tramite valori tabellati si perviene alla potenza specifica di estrazione Pr una volta noti la conduttivit termica del terreno e le ore di funzionamento dell impianto Quindi una volta nota Py e Pier possibile calcolare la lunghezza del pozzo tramite la relazione iod B ter Il numero complessivo di sonde costituenti il pozzo geotermico sar quindi funzione delle caratteristiche del terreno e dalle portate richieste dalle pompe di calore 3 6 2 I modelli analitici Per procedere al dimensionamento degli impianti di potenzialit maggiore di 30 kW si utilizzano i modelli analitici Il sistema a scambiatori verticali presenta non poche criticit quali 1 la determinazione delle propriet termiche del terreno che sono funzione del modello teorico di trasmissione del calore nel terreno 99 2 la modellazione dello scambiatore verticale nel terreno Infatti molto complesso modellare il comportamento reale dello scambiatore soprattutto nel caso degli scambiatori ad U in quanto si determina un corto circuito termico tra il fluido in salita e quello in discesa nella sonda Effettuando una revisione della letteratura esistente si evidenzia la presenza di due metodologie analitiche che vengono utilizzate per la progettazione e dimensionamento di scambiatori di calo
140. enzione sono la somma dei costi per la manutenzione della turbina a gas della turbina vapore nonch della caldaia a recupero In genere il sistema richiede un fermo annuale per manutenzione L affidabilit dei componenti installati in linea con quella dei gruppi turbogas a ciclo semplice e quella dei gruppi a vapore 2 6 6 La Macchina Frigorifera ad Assorbimento I sistemi cogenerativi per sfruttare a pieno la potenza termica prodotta dal motore primo vengono solitamente accoppiati ad una macchina frigorifera ad assorbimento che consente di trasformare tale energia in energia frigorifera da impiegare nel periodo estivo per la climatizzazione ambientale Il gruppo frigorifero ad assorbimento un sistema pi complesso del sistema a compressione di vapore ma a differenza di quest ultimo presenta alcune caratteristiche funzionali che lo rendono interessante per applicazioni di tipo co tri generativo Descrizione della macchina e componenti fondamentali Un impianto frigorifero ad assorbimento un sistema che trasferisce calore da una sorgente fredda ad una sorgente calda mediante l impiego di una ulteriore quantit di calore Q4s fornito al sistema da una sorgente a temperatura elevata maggiore dei quella della sorgente calda come evidenziato 66 in Figura 2 6 6 1 La sorgente di calore che fornisce pu essere costituita da un bruciatore di combustibile assorbitore a fiamma diretta oppure da un sistema di recupero di
141. er il problema di flusso stazionario 4 5 2 3 Problema locale Il processo termico intorno a ciascun pozzo dovuto a variazioni di breve periodo modellato usando una mesh radiale monodimensionale La regione di accumulo V divisa in N sottoregioni Il problema locale assunto essere lo stesso intorno a ciascun tubo in cui scorre il fluido in una data sottoregione C un problema locale per ogni sottoregione Un esempio di mesh per il problema locale rappresentato nelle figure 4 5 2 3 1 e 4 5 2 3 2 149 Figura 4 5 2 3 1 Esempio di mesh per il problema locale in una sottoregione O 9 T il qp Lage Fig 3 i i PAGA i i i i i i i Y Figura 4 5 2 3 2 Divisione del volume di accumulo in 4 sottoregioni La temperatura locale 7 soddisfa l equazione radiale di conduzione del calore con una dissipazione espressa dall equazione 6 5 2 3 1 T aTe 107 1 t a r r La conducibilit termica 4 la capacit termica volumetrica C e q il termine di sorgente termica Qi Tpg amp T Sm Equazione 4 5 2 3 1 usato per trasferire energia termica dal problema locale al problema globale Il contorno esterno r totalmente isolato cio non c flusso di energia termica attraverso questo contorno Le sottoregioni sono usate per definire il percorso del flusso nel volume di accumulo Il flusso fluisc
142. er le esigenze energetiche del complesso ospedaliero un impianto di trigenerazione Poich detto tipo di impianto discende dal pi noto impianto cogenerativo si ritiene necessario preliminarmente richiamare il significato di detto sistema impiantistico e la normativa che regola tale applicazione La prima definizione normativa del concetto di cogenerazione stata introdotta dal decreto legislativo n 79 99 nel quale si istitu 1 Autorit per l Energia Elettrica e il Gas AEEG il cui compito fu quello di definire ai sensi dell articolo 2 comma 8 del succitato decreto le condizioni alle quali la produzione combinata di energia elettrica e calore venga riconosciuta come cogenerazione e come tali condizioni devono garantire un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni separate Sono stati a tale scopo definiti pi indicatori che consentono a di valutare il risparmio effettivo di energia primaria di un impianto di cogenerazione rispetto alle produzioni separate b di garantire l effettiva natura cogenerativa delle modalit di utilizzo dell impianto evitando che pur in presenza di una produzione combinata di energia elettrica e calore utile si abbiano soluzioni eccessivamente sbilanciate nella produzione di energia elettrica Tali indicatori devono inoltre c risultare applicabili alle diverse configurazioni impiantistiche presenti in questo segmento della generazione caratterizzate da differenze signifi
143. ere l efficienza energetica e migliorare la sicurezza dell approvvigionamento creando un quadro per la promozione e lo sviluppo della cogenerazione ad alto rendimento di calore ed energia basata sulla domanda di calore utile e sul risparmio di energia primaria nel mercato interno tenendo conto delle specifiche situazioni nazionali in particolare riguardo alle condizioni climatiche e alle condizioni economiche Tale direttiva risulta basata sul concetto di Calore utile che viene definito come il calore prodotto in un processo di cogenerazione per soddisfare una domanda economicamente giustificabile di calore o di raffreddamento e cio una domanda non superiore al fabbisogno e che sarebbe altrimenti soddisfatta a condizioni di mercato mediante processi di generazione di energia diversi dalla cogenerazione 26 La direttiva stata emanata anche per armonizzare a livello europeo la definizione e la qualificazione dei prodotti della cogenerazione Nella presente direttiva la cogenerazione ad alto rendimento definita in base al risparmio energetico offerto dalla produzione combinata rispetto alla produzione separata di calore e di elettricit E stato introdotto un nuovo parametro il PES che sostituisce l indice IRE definito come il risparmio di energia primaria conseguente all utilizzo di un impianto di cogenerazione ad alto rendimento In condizioni normali di funzionamento tale indice pu essere
144. ermico in una apposita caldaia a recupero oppure per uso diretto del calore sensibile contenuto nei gas esausti Il calore recuperato pu essere sfruttato per produrre ulteriore energia elettrica negli impianti a ciclo combinato gas vapore oppure come calore utile per un processo industriale o per usi civili negli impianti di cogenerazione In particolare la temperatura dei gas combusti scaricati dalla macchina rende la turbina a gas in assetto cogenerativo estremamente interessante per le applicazioni industriali in quanto possibile generare vapore ad alta pressione o disporre di gas caldi da impiegare in forni o dispositivi di essiccazione Uno schema di una turbina a gas cogenerativa con caldaia a recupero per la produzione di vapore HRSG riportato in Fig 2 6 2 4 54 L operazione di recupero termico avviene a valle della macchina sui gas caldi scaricati dalla turbina e destinati ad essere immessi in atmosfera Questa operazione influenza quindi in modo quasi trascurabile le prestazioni della turbina a gas in quanto l unica variazione introdotta rispetto all assetto non cogenerativo la variazione della perdita di carico allo scarico della macchina dovuta all inserimento del sistema di recupero termico Gli impianti cogenerativi con turbina a gas oltre ad essere uno dei sistemi che consentono di disporre di calore alle temperature pi elevate permettono mediante l introduzione di opportuni dispositivi esterni alla
145. erminano in conseguenza del funzionamento dell impianto cogenerativo valutata sia in termini complessivi anno che su base mensile relativo ai mesi presi come caratteristici dell anno Gennaio Aprile Luglio Dalle Figura 5 6 1 21 sino alla Figura 5 6 1 24 possibile valutare le integrazioni e le dissipazioni termiche che si determinano in conseguenza del funzionamento dell impianto cogenerativo valutate in termini complessivi annue sia su base mensile relative ai mesi presi come caratteristici dell anno Gennaio Aprile Luglio Infine dalla Figura 5 6 1 25 sino alla Figura 5 6 1 28 possibile raffrontare il carico termico richiesto dall utenza e la potenza termica erogata dal gruppo cogeneratore valutate in termini complessivi annue sia su base mensile relative ai mesi presi come caratteristici dell anno Gennaio Aprile Luglio I risultati complessivi annui della soluzione analizzata sono sintetizzati nella Tabella 5 6 1 4 Ore funzionamento Tl medio PES RISP h anno MWh 8760 0 341 28 26 1440 prop CUCsnir ACO SPB anni 0 891 0 594 29 23 2 57 VAN IP REP e 1 7 196x10 2 00 15 25 Tabella 5 6 1 4 Risultati tecnico economici del gruppo selezionato 5 6 2 Configurazione trigenerativa Nel seguito analizziamo i risultati conseguibili impiegando soluzioni impiantistiche di tipo trigenerativo in cui si suppone che parte del carico frigorifero richiesto d
146. espresso in funzione dei rendimenti elettrici e termici dell impianto mediante la seguente relazione 2 1 1 2 8 E E Mery Mery E Mei E dove l energia primaria immessa sotto forma di combustibili commerciali E l energia termica prodotta mediante cogenerazione Nirit il rendimento termico di riferimento relativo ad un generatore convenzionale l energia elettrica prodotta mediante cogenerazione il rendimento elettrico di riferimento relativo ad un ciclo diretto convenzionale Ai fini della presente direttiva la cogenerazione ad alto rendimento deve rispondere ai seguenti criteri 1 la produzione mediante cogenerazione delle unit di cogenerazione fornisce un risparmio di energia primaria pari almeno al 10 rispetto ai valori di riferimento per la produzione separata di elettricit e di calore quindi si deve riscontrare che PES gt 10 2 la produzione mediante unit di piccola cogenerazione e di micro cogenerazione che forniscono un risparmio di energia primaria pu essere definita cogenerazione ad alto rendimento quindi basta verificare che PES gt 0 2 3 5 Il Decreto Ministeriale 4 agosto 2011 Il Decreto Ministeriale del 4 agosto 2001 emanato dal Ministero dello Sviluppo Economico di concerto con il Ministero dell Ambiente e della Tutela entrato in vigore il 19 settembre 2011 ripropone i concetti di cogenerazione ad alto rendimento CAR fornendo
147. etri economici SPB VAN IP Infatti il peggioramento dei risultati economici della logica di gestione per la massimizzazione del risparmio di energia primaria riconducibile al funzionamento dell impianto nelle ore di fascia F3 ore 23 07 caratterizzate da rilevanti entit di eccedenze elettriche a cui associato ad sfavorevole rapporto tra il prezzo di vendita e quello di acquisto del kWh elettrico Dal punto di vista del risparmio di energia primaria invece si riscontrato un incremento percentuale del risultato del REP L impossibilit di definire un chiaro confronto fra il Risparmio di Energia Primaria ed il Simple Payback a conferma della complessit con cui le diverse variabili concorrono a determinare i risultati ribadisce la sostanziale impossibilit di condurre un analisi previsionale Il potenziale della produzione combinata di energia termica ed elettrica in termini di risparmio energetico tale da giustificare le attenzioni rivolte alla tecnologia cogenerativa basata su motori a combustione interna alternativi alimentati a gas naturale Configurazioni impiantistiche e logiche di 229 gestione dei gruppi come quelle analizzate nel presente lavoro suscettibili di ulteriore ottimizzazione e affinamento sono tali da configurare risparmi di energia primaria che si avvicinano al 24 in applicazioni ad utenze del settore ospedaliero soluzione trigenerativa Per quanto riguarda la soluzione integrat
148. ficare al massimo il calcolo individuando la zona d influenza di ciascun scambiatore Il metodo sviluppato da Hellstr m si basa su questi tre elementi teorici di riferimento Anch egli definisce come volume locale il volume che immediatamente circonda un singolo scambiatore La differenza tra la temperatura media nel volume locale e la temperatura media nel pozzo in un certo istante proporzionale al flusso di energia termica per una resistenza termica fluido terreno funzione del tempo Con questo si tiene conto delle condizioni intorno ad un singolo scambiatore dovute alle variazioni termiche di breve periodo Su orizzonti temporali pi ampi il flusso termico non cambia in questa regione quindi si ha una differenza di temperatura costante dovuta al flusso di energia termica costante e ad una resistenza termica steady flux costante Il problema globale invece quello della conduzione tra le pareti dell accumulo e il restante terreno Tre sono le componenti che lo caratterizzano una componente di perdita termica stazionaria una componente di innalzamento dei livelli termici si ricorda che si parla di accumuli per l immagazzinamento dell energia nel terreno ed una perdita termica periodica Il regime stazionario si raggiunge nell accumulo dopo molti anni durante i quali si verifica un aumento medio fin tanto che si va verso l instaurarsi dell equilibrio Il modello di Hellstr m determina la variazione totale di temperatura de
149. ge stesso 10 INSULATION HEIGHT FRACTION la frazione di altezza dello storage che isolata isolamento sul lato pi alto o la frazione di altezza dello storage che isolata dalla testa del volume e che si estende al di la del volume stesso isolamento sulla testa Si passa quindi alla seconda fase della definizione dei parametri andando a considerare la geometria dei pozzi figura 4 3 2 4 135 I parametri da considerare sono l 2 3 10 12 13 Borehole Radius Inner Radio Radius Center to Center Half Distance Figura 4 3 2 4 Definizione dello storage volume in TRNSYS FASE 2 NUMBER OF U TUBES PER BORE numero di scambiatori ad U per pozzo BOREHOLE RADIUS il raggio di uno dei pozzi che poi sono identici OUTER RADIUS OF U TUBE PIPE il raggio esterno del condotto contenente lo scambiatore ad U INNER RADIUS OF U TUBE PIPE il raggio interno del condotto contenente lo scambiatore ad U CENTER TO CENTER HALF DISTANCE la met della distanza orizzontale dal centro del tubo ad U che scorre verso il basso al centro del tubo ad U che scorre verso l alto il pozzo lo stesso Questa valore anche chiamato half shank spacing FILL THERMAL CONDUCTIVITY la conducibilit termica del materiale usato per riempire il pozzo dopo che sono stati installati gli scambiatori ad U PIPE THERMAL CONDUCTIVITY la conducibilit te
150. gente col suolo facendo riferimento allo scenario 1 che descrive una situazione normale in cui si trova mediamente il territorio italiano Quindi ai fini del dimensionamento delle sonde geotermiche per il caso oggetto di studio i dati necessari derivanti dal GRT sono quelli di Tabella 5 7 1 2 5 7 2 Applicazione della metodologia di dimensionamento ASHRAE Modello di Kavanaugh e Raffaerty Di seguito si riportano i risultati ottenuti dall applicazione della metodologia di dimensionamento ASHRAE utilizzante il modello di Kavanaugh e Raffaerty Nella Tabella 5 7 2 1 si riportano i dati di ingresso relativi allo scambiatore a terreno I valori riportati sono stati reperiti in letteratura e sono quelli pi comunemente utilizzati in questo tipo di applicazione 216 Tipo di sonda Semplice U PEAD Conducibilit termica del tubo W mK 0 40 Diametro esterno del tubo mm 40 00 Spessore del tubo mm 3 00 Diametro interno del tubo mm 26 00 Diametro della perforazione mm 132 00 Connessione tra le sonde Parallelo Tabella 5 7 2 1 caratteristiche dello scambiatore a terreno Nella Tabella 5 7 2 2 sono riportati i dati di ingresso relativi alle propriet del terreno In particolare dal G RT simulato derivano la conducibilit termica e la diffusivit termica mentre la temperatura del suolo indisturbata assunta pari alla media della temperatura dell aria esterna nell arco dell ann
151. he tale parametro ha un valore imposto dalle norme per Napoli fissato pari al 50 Guadagni cliccando sull icona Gains sono fissabili i parametri derivanti dalla ci on presenza di persone nell ambiente e quindi dal loro BI numero il numero di computer Ca on ed infine dal tipo di impianto El di illuminazione definendo la PI sua potenzialit per unit di on superficie W m come evidenziato nella figura 42 1 9 E Fig 4 2 1 7 Parametri di ricambio naturale d aria New Heating Type dj rere MERONI Room Temperature Control n feo C set temperature Heating Power heating power C unlimited limited n fi k h radiative part n 22100 r Humidification C off C on desired rel humidity Fl fo Fig 4 2 1 8 Parametri caratteristici impianto di riscaldamento degree of activity 1507730 Table Sealed al rest VDI2078 Table scale Computer computer type scale cessi Artificial Lighting related floor area total heat gain control strategy MN nf convective part scale A Other Gains Type Scale Geo Position Add Fig 4 2 1 9 Parametri caratteristici guadagni derivanti dalla presenza di persone e dall impianto di elettrico 118 Ventilazione forzata cliccando sull icona Ventilation possibile impostare i ricambi orari fissati dalla normativa in funzione della destinazione d uso dei locali
152. i Grosseto Tali applicazioni necessitano di perforazioni ad elevate profondit Nel Lazio ed in Toscana si possono trovare falde acquifere ad alta temperatura a profondit comprese tra 1000 e 3000 metri 3 1 2 Risorsa a media entalpia Nel caso invece di serbatoi di acqua sotterranea che producono acqua a temperature minori 110 200 C si pu utilizzare la tecnologia detta ciclo binario Tale tecnologia consiste nel costituire sistemi che sfruttano la temperatura del fluido caldo attraverso degli scambiatori di calore in cui fluisce un secondo fluido caratterizzato da una temperatura di evaporazione minore di 100 C Il fluido secondario vaporizzato espande quindi in una turbina e passa in un condensatore per essere reimmesso nella falda acquifera Una applicazione di tale tecnica rappresentata dalla centrale di Latera nel Lazio Un ulteriore modo per fruttare direttamente i fluidi geotermici rappresentato da un impianto di teleriscaldamento geotermico Tale impianto consente di utilizzare l acqua che sgorga da un pozzo per riscaldare tramite opportuni scambiatori di calore l acqua circolante nei corpi scaldanti delle abitazioni radiatori ventilconvettori pannelli radianti Il pi grande impianto di teleriscaldamento geotermico funzionante si trova a Ferrara dove oltre 15000 appartamenti sono serviti da questo impianto che frutta l acqua calda alla temperatura di 105 C prelevata da un pozzo della profondit d
153. i 1200 metri realizzato dalla AGIP negli anni 60 per ricerche petrolifere Tale impianto consente di avere basso inquinamento dell aria oltre ad un ridotto consumo di combustibile ad uso riscaldamento gas metano e o gasolio e quindi un elevato risparmio energetico 3 1 3 Risorsa a bassa entalpia Non tutti i suoli hanno le caratteristiche idonee da poter essere sfruttati ai fini della produzione di energia elettrica o comunque per la produzione di acqua ad elevata temperatura Solitamente il suolo risulta essere caratterizzato da una temperatura costante che in Italia si attesta intorno ai 12 14 C Tale temperatura risulta costante una volta raggiunta la profondit di 10 metri e fino ai 100 metri Al di sotto dei 100 metri si riscontra un incremento di 3 C per ogni 100 metri In tali condizioni la tecnologia viene definita geotermia a bassa entalpia e l impianto sfruttante tale tecnologia viene impiegato ai fini del riscaldamento e del raffrescamento e per la produzione dell acqua sanitaria mediante l ausilio di una pompa di calore 73 3 2 Impianto geotermico a bassa entalpia Lo scambio di calore tra l edificio ed il sottosuolo avviene per mezzo di particolari scambiatori di calore definiti sonde geotermiche Ad oggi la pi comune tipologia di installazione prevede l inserimento nel terreno di tubi verticali in polietilene collegati con un raccordo ad U alla loro estremit inferiore All interno dei tubi
154. i 2 8 60 70 Arenarie 2 2 50 60 Travertini 24 50 60 Gesso 2 5 50 60 Ghiaia asciutta 0 4 20 40 Ghiaia bagnata 1 6 40 50 Sabbia asciutta 0 5 30 50 Sabbia bagnata 2 3 50 60 Limi e argille asciutti 0 6 30 50 Limi e argille bagnate 1 8 40 50 Rocce metamorfiche Gneiss 2 9 60 70 Marmo 2 2 50 60 90 Ardesia 24 50 60 Altri materiali Bentonite 0 7 Cemento 16 Aria secca 0 026 Polistirolo espanso 0 03 Quarzo 8 Ferro 60 Rame 400 Diamente 2500 Tabella 3 4 1 Resa termica diversi sottosuoli Si riscontra nella pratica quotidiana che i consumi per la climatizzazione invernale ed estiva delle grandi strutture rappresentano uno dei maggiori costi energetici ed economici 1 settore delle energie rinnovabili si sempre rivolto con interesse a questo settore evidenziando che per gli impianti solari termici e fotovoltaici non sono in grado di sostituire date le elevate potenze in gioco le tecnologie basate sui combustibili fossili Invece la geotermia a bassa entalpia un maggiore potenziale e si sta sempre pi attestando come una tecnologia di riferimento in tutta Europa Da una decina d anni si assiste alla realizzazione di campi di sonde geotermiche per il riscaldamento con o senza climatizzazione estiva sistemi geotermici possono essere a circuito chiuso o aperto Nel caso esista la possibilit di sfruttare un bacino acquifero vicino il ciclo pu essere aperto Solitam
155. i 5 ed i 20 cm per l oscillazione giornaliera della temperatura di suolo medio mentre e 3651 2 19 volte maggiore da 1 a 4 m per le variazioni annuali Da ci si pu facilmente intuire come gi a piccole profondit le variazioni di temperatura della superficie siano fortemente attenuate Si deve ricordare per che tale teoria presenta un limite significativo in quanto molto raro che le propriet del terreno siano omogenee 30 PCI Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Mese dell anno Figura 3 4 2 Oscillazioni di temperatura dell aria e del terreno a vari metri di profondit a Stillwater Oklahoma Le propriet termiche del terreno variano con il tempo e di conseguenza risulta molto complesso modellare il comportamento termico del sottosuolo Per determinare quindi la conduttivit la capacit termica e la diffusivit sono stati elaborati metodi analitici alcuni di tipo empirico ed altri provenienti da modelli cinematici I metodi per determinare le propriet termiche si possono dividere in quelli a regime stazionario e quelli a regime variabile I modelli a regime stazionario presuppongono il raggiungimento del regime stazionario che richiederebbe molto tempo e non compatibile con la tempistica di cantiere I metodi a regime variabile risultano pi veloci e meno complessi da implementare Fra i modelli a regime variabile il pi importante risulta quello della sonda termica o ago termico svil
156. i certificati verdi su un obbligo imposto ad un numero limitato di oggetti in questo caso le aziende distributrici di energia elettrica e gas naturale con pi di 50 000 clienti finali di rispettare degli obiettivi di riduzione dei consumi energetici I certificati bianchi chiamati anche Titoli di Efficienza Energetica TEE attestano il conseguimento di tali risparmi attraverso l applicazione di tecnologie e sistemi efficienti I certificati vengono emessi dal Gestore del Mercato Elettrico GME a favore dei distributori delle societ controllate dai distributori medesimi di societ operanti nel settore dei servizi energetici ESCO o di societ ed enti che abbiano espletato l obbligo di nomina dell energy manager come previsto dall art 19 della Legge 30 10 91 sulla base delle certificazioni dei risparmi conseguiti effettuate dall Autorit un certificato equivale al risparmio di 1 tonnellata equivalente di petrolio TEP l Autorit che definisce le regole tecniche ed economiche per l attuazione del meccanismo e ripartisce annualmente gli obiettivi nazionali tra i distributori di energia elettrica e gas naturale secondo i criteri definiti dai decreti Per dimostrare di aver raggiunto gli obblighi di risparmio i distributori devono consegnare annualmente all Autorit un numero di titoli equivalente all obiettivo obbligatorio La compravendita di titoli avviene o attraverso contratti bilaterali o tr
157. i che sono connessi in serie per cicli paralleli La portata per scambiatore di calore quindi calcolata attraverso la portata totale moltiplicata per il numero di pozzi in serie e diviso il numero totale dei pozzi 5 NUMBER OF RADIAL REGIONS il numero di sottoregioni radiali in cui lo storage volume sar suddiviso per il calcolo della soluzione locale 6 STORAGE THERMAL CONDUCTIVITY la conducibilit termica del suolo compreso nello storage volume Le propriet del suolo sono assunte uniformi all interno dello storage ma in seguito si possono specificare pi strati al di fuori di tale volume 7 INITIAL SURFACE TEMPERATURE il valore iniziale della temperatura sulla superficie di terreno indisturbato al contorno dello storage volume 8 INITIAL THERMAL GRADIENT il gradiente termico iniziale nel terreno indisturbato al di fuori del confine dello storage volume 9 INSULATION INDICATOR un indicatore per disporre un isolamento termico sul contorno dello storage volume Si pu selezionare l opzione nessun isolamento isolamento sul lato pi alto dello storage volume cilindrico l utente dovr poi specificare la frazione di altezza dello storage volume coperta dall isolamento termico oppure isolamento sulla testa dello storage volume che si estende per una frazione dell altezza dello storage volume specificata dall utente oltre lo stora
158. i reflui termici 5 4 Modalit di gestione ottimizzata degli impianti di co trigenerazione Per valutare la bont della soluzione cogenerativa rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica necessario predisporre modalit di gestione che consentano di ottimizzare il funzionamento di tali impianti A tal fine sono state sviluppate due modalit di gestione la prima finalizzata alla massimizzazione del risultato economico conseguibile la seconda finalizzata al risparmio di energia primaria Per l applicazione di tali modalit di gestione necessario conoscere le esigenze energetiche dell utenza con un livello di dettaglio orario nell arco di un anno Queste modalit di gestione degli impianti di cogenerazione seguono la logica di funzionamento del tipo ON OFF in funzione della redditivit economica e o del risparmio di energia primaria L analisi del risparmio di energia primaria si basa sulla determinazione della potenza termica cogenerata che deve essere raffrontata alle effettive esigenze dell utenza tale analisi consente di determinare le ore di spegnimento dell impianto in tutte le ore dell anno in cui si riscontra un risparmio di energia primaria REP negativo rispetto alla produzione separata della stessa quantit di energia Analogamente l analisi della redditivit economica si basa sul principio che l impianto deve essere spento ogni qual volta il costo del kWh di energia elettrica cogenerata CEuecog
159. i umidit in Figura 3 4 1 Conduttivit termica del suolo in funzione della densit del contenuto di umidit 80 Un suolo viene definito termicamente instabile quando raggiunto un valore dell umidit piuttosto basso definito critico ad un ulteriore decremento dell umidit corrisponde una impennata della resistivit del terreno L umidit ha la propriet di spostarsi quando si verificano gradienti della temperatura nelle zone dove il terreno risulta pi freddo quindi nelle zone dello scambiatore a terreno qualora l impianto funziona in modalit riscaldamento e si allontana dalle zone dello scambiatore quando l impianto funziona in modalit di raffrescamento estivo Questi fenomeni possono portare al congelamento del terreno nelle zone adiacenti agli scambiatori nel periodo invernale mentre nel periodo estivo si pu riscontrare una riduzione del contenuto di umidit sino a raggiungere la condizione critica a cui corrisponde un notevole aumento della resistivit del terreno Quando si riscontra un gradiente di temperatura nel terreno in tale zona l umidit tender ad evaporare per andare a condensare nella zona a temperatura pi bassa Nel terreno il liquido si sposter dalle zone limitrofe per capillarit in modo da mantenere costante il tasso di umidit qualora l umidit scenda al di sotto del valore critico ed allora il flusso di calore far evaporare pi velocemente il liquido rispetto a quanto possa essere
160. iano sempre coperti mediante il ricorso a caldaie alimentate a gas naturale con 155 rendimento termico pari a 0 9 mentre per il rendimento elettrico di riferimento del parco nazionale termoelettrico si assunto un valore pari a nerit 0 46 Riscontrando che nella quasi totalit dei casi gli impianti co trigenerativi utilizzanti motori a combustione interna hanno un funzionamento a punto fisso volendo individuare un parametro che consente di valutare l influenza che ha il rendimento elettrico sul risparmio energetico dell impianto necessario determinare la relazione che lega il rendimento elettrico al rendimento termico teorico La relazione utilizzata la seguente Eq 5 1 n 1 7 0 15 Eq 5 1 Detta relazione prevede che l aliquota dell energia potenziale termica del combustibile non recuperabile ai fini cogenerativi dovuta a perdite per irraggiamento perdite dovute al contenuto entalpico posseduto dai gas combusti in uscita dallo scambiatore perdite per irreversibilit ecc sia quasi costante e pari a circa il 15 E possibile rappresentare il legame che intercorre tra il rendimento elettrico e termico tramite la relazione lineare Eq 5 1 che pu essere rappresentata nell intervallo del rendimento elettrico 0 38 0 42 nella Figura 5 3 1 9474 its 77 T T T 0 462 1 0 456 T iw 0444 t 0 438 Rendimento termico nominale 0432 0 426
161. ica dell utilizzatore civile industriale Allo stesso modo il gas naturale soggetto ad accisa di generazione ha IVA al 10 mentre quello civile ha IVA al 20 32 0 25 T T T 0 2 full fite civile piena civile CHP 0 15 industriale piena industriale CHP 0 1 0 05 accisa con iva sull accisa m3 0 1 0 10 20 30 40 50 rendimento elettrico cogeneratore Figura 2 3 6 5 1 Andamento dell accisa sul gas naturale comprensiva di IVA sull accisa stessa al variare del rendimento elettrico del cogeneratore e del tipo di utilizzatore 2 3 6 6 Il Decreto Ministeriale del 5 settembre 2011 Il Decreto Ministeriale del 5 settembre 2001 emanato dal Ministero dello Sviluppo Economico definisce il regime di sostegno per la cogenerazione ad alto rendimento CAR che rispettano i vincoli imposti dal DM del 8 agosto 2011 ossia 1 la produzione mediante cogenerazione delle unit di cogenerazione fornisce un risparmio di energia primaria pari almeno al 10 rispetto ai valori di riferimento per la produzione separata di elettricit e di calore quindi si deve riscontrare che PES gt 10 2 la produzione mediante unit di piccola cogenerazione e di micro cogenerazione che forniscono un risparmio di energia primaria pu essere definita cogenerazione ad alto rendimento quindi basta verificare che PES gt 0 L art 4 del DM 5 settembre 2011 dispone che le unit cogenerative hanno diritto per ogni ann
162. ievo termico suddiviso in vari strati orizzontali ground layers nei quali la conducibilit termica e la capacit termica si mantengono costanti pur potendo variare da uno strato all altro Le propriet relative allo storage sono evidenziate nella figura 4 3 2 3 Insulation Bore Spacing Header gu Depth 2 Hs h Boreholes Storage Storage udag ajoyauog Boreholes Fraction HiHs Figura 4 3 2 3 Definizione dello storage volume in TRNSYS fase 1 Si precisa che se lo spazio tra i pozzi conosciuto lo storage volume pu essere calcolato dalla equazione 4 3 2 1 Storage volume x e borcholo number boroholo depth 4 0 525 borcholos spacing Equazione 4 3 2 1 I parametri da fissare in input nel modello in TRNSYS sono 134 1 NUMBER OF BOREHOLES il numero totale di pozzi all interno dello storage Se ogni pozzo contiene un singolo scambiatore ad U questo valore coincide con il numero totale di scambiatori ad U da installare 2 BOREHOLE DEPTH la profondit del pozzo rispetto alla superficie Questa profondit anche considerata come l altezza dello storage volume per calcolare l area della sua sezione trasversale Questo valore anche la lunghezza degli scambiatori ad U 3 HEADER DEPTH la profondit al di sotto della superficie a partire dalla testa dello scambiatore ad U 4 NUMBER OF BOREHOLES IN SERIES il numero di pozz
163. ifici pubblici la Direzione dell Azienda Sanitaria Locale Napoli 1 sensibile alle problematiche energetiche si adoperata siglando un accordo con l Universit Federico II di Napoli per far svolgere studi sui presidi ospedalieri di propria per tinenza onde analizzare le varie tecnologie esistenti e conseguire un pi razionale uso delle fonti energetiche e conseguentemente ottenere un cospicuo risparmio economico nella gestio ne dei vari impianti Il presente studio di dottorato si inserisce nelle attivit sancite dall accordo quadro tra PASL Napoli 1 e l Universit degli Studi di Napoli e sar incentrato sulla riqualificazione e nergetica dell Ospedale San Giovanni Bosco Come noto con il concetto di riqualificazione energetica vengono individuate tutte le perazioni tecnologiche e gestionali atte al conferimento di una nuova prima inesistente o superiore prima inadeguata qualit prestazionale alle costruzioni esistenti dal punto di vista dell efficienza energetica volte cio alla razionalizzazione dei flussi energetici che intercor rono tra sistema edificio involucro e impianti ed ambiente esterno In generale gli interventi di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente sono finalizzati a contenere i consumi di energia contenere i consumi di energia migliorare le caratteristiche dell involucro edilizio migliorare il comfort degli ambienti interni ridurre le emissioni
164. ile Si osserva che all aumentare della temperatura di ingresso del fluido freddo la quantit di calore recuperabile decresce in particolare se la temperatura del fluido supera i 90 C circa il recupero termico diminuisce decisamente poich possibile sfruttare solo il calore scaricato con i fumi In figura sono anche indicati i valori di IRE e limite termico calcolati in base alla normativa italiana sulla cogenerazione ed i limiti individuati dalla delibera AEEG 42 02 e successive modifiche per poter classificare l impianto come cogenerativo Si osserva che nel caso in cui si recuperi solo il calore scaricato con i fumi per temperature in ingresso del fluido superiori ai 200 C il valore del LT inferiore al limite stabilito dalla normativa La figura 2 6 1 7 riporta i valori di rendimento elettrico e termico di diversi motori in commercio ed i limiti individuati dalla delibera AEEG 42 02 e successive modifiche la curva limite dell IRE stata ottenuta sotto le seguenti ipotesi applicazione dell energia termica in ambito civile connessione in media tensione alimentazione a gas naturale 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 PARERI mmitte Rendimento termico LT IRE 2 50 100 150 200 250 300 350 4 in fluido Figura 2 6 1 6 47 P e 100kW 100 kW lt p lt 1MW 1MW lt P 10 MW La tum OEC EON a k Rendimento termico INW lt P lt
165. ilizzando la seguente relazione CP Il COP del dispositivo definito dalla seguente relazione cop Os Oax 0 4 2 4 TYPE 665 La Type 655 modella un refrigeratore a compressione di vapore raffreddato ad aria Essa si basa sui dati forniti da catalogo come file di testo esterno per determinare le prestazioni del refrigeratore Nomenclatura Parametro Unit di misura Descrizione Coefficiente delle prestazioni nominali del refrigeratore alle condizioni attuali Coefficiente delle prestazioni di esercizio del refrigeratore alle condizioni attuali COP ratio Rapporto tra il COP alle condizioni attuali ed il COP di esercizio 128 per il refrigeratore Capacity Potenza del refrigeratore alle condizioni attuali Capacityrated kJ h Potenza di esercizio del refrigeratore alle condizioni attuali Capacityratio kJ h Rapporto tra la Potenza alle condizioni attuali e la Potenza di esercizio per il refrigeratore Q road kJ h Carico attuale applicato al refrigeratore a Carico met applicato al refrigeratore O kJ h Energia termica espulsa dal refrigeratore nell ambiente TR kg h Portata di fluido che entra nel flusso di fluido refrigerate Cp kJ kg K Calore specifico del fluido che entra nel flusso di fluido refrigerate C Temperatura di uscita desiderata del fluido del circuito di fluido refrigerato
166. imentali presso l Ospedale San Giovanni Bosco necessarie per conoscere gli impianti a servizio dello stesso e rilevare i relativi consumi energetici Preliminarmente stato condotto uno studio architettonico strutturale della struttura ospedaliera da cui si dedotto che l Ospedale costituito da 6 corpi di fabbrica e precisamente i corpi A B Bl C DI e D2 le cui dimensioni sono state presentate all inizio del presente studio vedi paragrafo 1 3 Si valutato che complessivamente l intera struttura ospedaliera ha una superficie utile di circa 9110 mq ed una volumetria di circa 67 000 mc Per procedere al corretto dimensionamento di un impianto di co trigenerazione a servizio della struttura ospedaliera stato necessario preliminarmente analizzarne i fabbisogni energetici Si sono rilevati i valori dei consumi di gas metano con cadenza giornaliera e parallelamente stato realizzato un modello di simulazione dell edificio utilizzando il programma TRNSYS dettagliatamente descritto nel capitolo 4 per desumere l andamento orario del fabbisogno termico della struttura ospedaliera Allo scopo sono state inserite all interno del programma le caratteristiche di trasmissione del calore degli elementi opachi muri perimetrali e trasparenti vetri delle finestre e laddove non si potuto verificare in dettaglio si fatto ricorso ai dati riportati nell appendice B della norma UNI TS 11300 1 Abaco delle strutture murarie utilizzate in I
167. imento per la produzione termica convenzionale p coefficiente che tiene conto delle perdite di trasporto e trasformazione dell energia elettrica e rappresenta di fatto il risparmio di combustibile che l impianto cogenerativo in grado di conseguire rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica un IRE pari a 0 10 sta a significare che l utilizzo della cogenerazione permette un risparmio di combustibile pari al 10 I valori limite dell IRE e del LT cos come i rendimenti elettrici e termici di riferimento vengono definiti dalla stessa delibera 42 02 aggiornata sulla base di quanto riportato nelle delibere 296 05 e 307 07 che definiscono i parametri di riferimento in vigore fino al 31 dicembre 2009 In particolare come risulta dalle figure e dalle tabelle sotto riportate tali valori sono espressi in funzione della taglia dell impianto del tipo di combustibile utilizzato e nel caso dell energia termica anche in funzione dell impiego civile o industriale del calore lt 10 MWe tra i 10 e i 25 MWe gt 25 MWe impianti a gas gpl gasolio 0 33 0 22 0 15 tutti gli altri impianti 0 15 Tabella 2 3 3 1 Valori limite del LT Impianti nuova costruzione Impianti esistenti Rifacimenti IRE min 0 10 0 05 0 08 Tabella 2 3 3 2 Valori limite del IRE 24 es 034 Lan Laub sli lol 1 00 11 11 O IO 4 u
168. impianti cogenerativi finalizzata alla massimizzazione del Risparmio di Energia Primaria al caso della configurazione in esame Jenbacher 208B andando a definire le condizioni di accensione e spegnimento del gruppo ogni qual volta si verifica la seguente condizione REP h gt 0 gt ON REP h lt 0 gt OFF Si riportano nel seguito i risultati ottenuti rappresentati nelle Figure 5 6 1 17 5 6 1 18 5 6 1 19 5 6 1 20 5 6 1 21 5 6 1 22 5 6 1 23 5 6 1 24 5 6 1 25 5 6 1 26 5 6 1 27 5 6 1 28 relativi alla variazione del rendimento termico effettivo alle integrazioni e dissipazioni termiche ed infine al raffronto del carico termico richiesto con quello generato dall impianto valutati sia su base annua che rispetto a tre mesi presi a riferimento Gennaio Aprile e Luglio che consente di valutare la bont della soluzione proposta 201 Rendimento Termico 0 6 2 p w to o e Effettivo Nominale 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Ore anno h Figura 5 6 1 17 Andamento rendimento termico effettivo su base annua Rendimento Termico 0 6 0 5 o gt 2 o NN 0 1 Effettivo Nominale P mima THT 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720 Ore mese h Figura 5 6 1 18 Andam
169. impulso aggiunta alla soluzione globale come un incremento della temperatura dello stesso valore in tutta la sottoregione Analogamente la stessa differenza di temperatura sottratta dalla soluzione locale L effetto di lungo tempo cos traslato sulla soluzione globale La variazione di breve tempo coperta dal problema locale La lenta ridistribuzione dell energia durante l immissione prelievo e l interazione tra la regione di accumulo ed il suolo circostante sono spiegate mediante il regime di flusso stazionario e la soluzione globale 4 5 2 Procedura numerica Di seguito si spiega come si sviluppa la procedura numerica implementata nella type di Trnsys 4 5 2 1 Problema globale Il problema globale essenzialmente un problema ordinario di conduzione con due termini di sorgente termica nella regione di accumulo Esso copre il processo su larga scala che include l interazione tra l accumulo ed il suolo circostante l interazione tra l accumulo e differenti parti all interno dell accumulo l influenza delle condizioni superficiali del suolo ecc 146 Il volume simulato include il volume di accumulo ed una sufficiente parte di suolo circostante Il volume di accumulo le propriet termiche la disposizione dei pozzi ed il campo di temperatura esibiscono simmetria cilindrica rispetto all asse verticale posizionato nel centro della regione di accumulo Le propriet termiche del suolo sono date dalla conducibilit termic
170. in ingresso La potenza della macchina in un dato momento data dalla equazione 4 2 3 3 Capacity f ruoadcapaciy f Nomin alCapaciy Capacity Equazione 4 2 3 3 1 Dynamic Data restituisce anche la frazione della macchina dell energia in ingresso alle condizioni attuali Quando si opera a potenza nominale l assorbimento di energia di progetto deve essere fornita al refrigeratore affinch possa operare Quando il refrigeratore funziona a carico parziale solo una frazione dell energia di progetto in ingresso necessaria Con questo valore restituito da Dynamic Data l energia erogata al refrigeratore dal flusso di acqua calda pu essere calcolata mediante l equazione 4 2 3 4 127 Capacity rara Aw T COP Rated sepius Equazione 4 2 3 4 La temperatura del flusso di acqua calda di uscita calcolata dall equazione 4 2 3 5 my Cp Ti sin T Equazione 4 2 3 5 hw La temperatura dell acqua refrigerata in uscita che dovrebbe essere alla temperatura di set point ma pu essere maggiore se la macchina ha una potenza limitata viene quindi calcolata tramite l equazione 4 2 3 6 MIN Qremoves Capacity T A REMI AA d chwout T chwin ti CDs Equazione 4 2 3 6 Al fine di equilibrare l energia nel dispositivo l energia di scarto del flusso di acqua refrigerata dato da Len 0 0 Infine la temperatura del flusso di acqua di raffreddamento che esce pu essere calcolato ut
171. inare i valori di L ed La scegliendo come valore della lunghezza del pozzo il valore pi grande dei due 3 6 2 5 I modelli numerici ed ibridi I modelli analitici analizzati per essere utilizzati per il dimensionamento degli scambiatori ad U necessitano di semplificazioni per tener conto della geometria e dell effetto corto circuito termico e delle resistenze termiche Sul lungo periodo tali semplificazioni non comportano errori rilevanti in quanto l effetto del calore immesso o assorbito dagli scambiatori distribuito su tutto l accumulo termico nel terreno invece nel breve periodo tali semplificazioni sono rilevanti I modelli numerici hanno il vantaggio di tener conto della complessit della geometria degli scambiatori ma risultano pi pesanti dal punto di vista computazionale e quindi sono utilizzati per modellare il comportamento degli scambiatori nel breve periodo 3 6 2 5 1 Il modello di Eskilson Eskilson elabor un modello ibrido che risolveva il problema delle temperature intorno ad uno scambiatore combinando soluzioni di tipo numerico ed analitiche Realizz prima un modello idimensionale agli elementi finiti in un sistema di coordinate radile assiale per un singolo scambiatore considerando un terreno omogeneo avente condizione iniziali ed al contorno costanti e poi sovrappose i campi di temperatura per ottenere la risposta in tutto il volume di accumulo La risposta in temperatura ottenuta dal pozzo in funzione del tempo viene
172. inire le caratteristiche delle pareti opache e trasparenti e quindi determinare il coefficiente di scambio termico globale delle singole pareti Tali parametri sono definibili andando a cliccare nella finestra di inserimento dei parametri caratteristici del singolo locale nello spazio 119 relativo ai muri Walls sul tasto Add ed analogamente nello spazio relativo alle finestre Windows Add Delete Add Delete Cos facendo nel caso delle pareti si pu andare a definire le caratteristiche delle parti opache utilizzando i dati presenti nella libreria del programma e selezionando il tipo di muratura dell edificio si veda la figura 4 2 1 12 che elenca varie tipologie murarie presenti nella libreria Wall Libr Program Library CAProgrammi Tmsys16_1 Building Lib Basic prawall lib BST_COM all Case 960 Conc User Library CAProgremmiNT syst 6 TNBullding Gb Basic usi wall ib ux Wall new wallyps F Solar Absorptance of Wal Bestest Common wall Case 960 Concrete Block tot 98 bak 586 Convective Heat Transfer Coefficient of Wall Front Back userdefined intemal calculation userdefined internal calculation n 11 376 KJ hm 2K n feaz kJhm 2K Fig 4 2 1 12 Parametri caratteristici delle caratteristiche di scambio termico delle pareti opache presenti nella libreria del programma 120
173. inoltre i parametri 27 necessari al calcolo del risparmio di energia primaria PES ossia i rendimenti termico ed elettrico della produzione mediante cogenerazione e gli analoghi di riferimento per la produzione separata di calore ed elettricit 2 3 6 I benefici per la cogenerazione ad alto rendimento 2 3 6 1 Il D Lgs n 79 1999 e s m i L attuale quadro legislativo italiano in materia di cogenerazione prende forma dai decreti legislativi di liberalizzazione del settore elettrico e del gas decreto legislativo n 79 del 16 marzo 999 decreto legislativo n 164 del 23 maggio 2000 Tali decreti prevedono una serie di benefici per gli impianti cogenerativi che rispettano in termini di produzione termica e risparmio di combustibile le condizioni definite dall Autorit per Energia Elettrica e il Gas con le delibere n 42 02 del 19 marzo 2002 n 296 05 del 29 dicembre 2005 n 307 07 del 6 dicembre 2007 e infine con la delibera n ARG ELT 145 08 del 2 ottobre 2008 L articolo 2 comma 8 del decreto legislativo 79 99 prevede che l Autorit definisca le condizioni alle quali la produzione combinata di energia elettrica e calore riconosciuta come cogenerazione e che tali condizioni debbano garantire un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni separate In tal modo il legislatore ha inteso individuare il segmento della cogenerazione secondo un criterio teso a privilegiare i benefici in termini
174. invitarono gli Stati membri a promuovere questa tecnologia stimolando il mercato ed eliminando gli ostacoli alla valorizzazione del risparmio energetico anche in relazione ai processi di liberalizzazione dei mercati elettrici Con tale risoluzione venne accolta una precedente comunicazione della Commissione europea del 15 ottobre 1997 COM 97 514 per la definizione di una strategia comunitaria volta a promuovere la produzione combinata ed eliminare le barriere al suo sviluppo Nelle conclusioni della risoluzione si ipotizz il raddoppio entro il 2010 della quota di elettricit prodotta in cogenerazione a livello comunitario nel 1995 passando dal 9 al 18 attraverso la promozione delle sue applicazioni sia in ambito industriale che civile Tali obiettivi furono assunti in connessione con gli impegni del Protocollo di Kyoto sulla base del quale l Italia si impegn a ridurre le proprie emissioni di gas serra al 2010 media del periodo 2008 2012 al 93 5 delle emissioni verificatesi nel 1990 Ci ha comportato l obbligo del raggiungimento di una riduzione effettiva in valore assoluto di circa 110 Mt anno rispetto al valore tendenziale ossia poco meno del 20 del valore tendenziale stesso Questo impegno ha richiesto un 21 concorso eccezionale e coerente di azioni in diversi settori tra cui quelli come la cogenerazione che presentano una elevata certezza ed efficacia di risultati ambientali Nell aprile del 2000 la Commissione europea h
175. istro dell Ambiente e della Tutela del Territorio esenzione dall obbligo di immettere una quota di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili o dall obbligo di acquisto dei relativi certificati verdi cui sono soggetti i produttori e gli importatori di energia elettrica da fonti non rinnovabili con produzioni o importazioni annue eccedenti i 100 GWh art 11 commi 1 2 e 3 del Decreto Legislativo 16 marzo 1999 n 79 la possibilit di applicare condizioni tecnico economiche semplificate per la connessione come definite dall Autorit con la Deliberazione n ARG elt 99 08 possibilit di richiedere la garanzia di origine dell elettricit prodotta da impianti di Cogenerazione ad Alto Rendimento GOc per produzioni superiori ai 25 MWh anno Se la potenza nominale al di sotto di 10 MVA come qualsiasi impianto di generazione elettrica pu accedere al meccanismo del ritiro dedicato secondo la delibera AEEG 280 07 del 6 novembre 2007 e s m i che permette di cedere alla rete elettrica tutta l energia prodotta o parte di questa valorizzandola al prezzo zonale orario espresso dalla borsa elettrica 29 A tali benefici da aggiungere nel caso in cui vengano utilizzati combustibili rinnovabili la possibilit di ottenere e vendere i certificati verdi CV agli impianti entrati in esercizio dal 1 gennaio 2008 vengono riconosciuti CV per i primi 15 anni di esercizio 2 3 6 2 Il D Lgs n 20 2007 Il De
176. iva geotermica non essendo in possesso di dati relativi al tipo di terreno ed alla risposta termica dello stesso in conseguenza dell inserimento di un campo di sonde geotermiche si effettuato un preliminare studio pilota utilizzando dati di letteratura ed avvalendosi della simulazione attraverso un software dedicato di elevata potenzialit Il sistema infatti stato dimensionato basandosi su di una simulazione del Ground Response Test a cui stato associato una applicazione pilota costituita da solo 2 sonde Conseguentemente stata effettuata sempre attraverso una simulazione una analisi dell impianto geotermico costituito dalle sonde accoppiate ad una pompa di calore acqua acqua da 8 kW I risultati ottenuti evidenziano una ottima prestazione della pompa di calore nel periodo estivo riscontrabile dal diagramma del COP sempre superiore a 3 00 raggiungendo in alcune giornate valori prossimi a 6 00 Inoltre analizzando la variazione della temperatura della sorgente geotermica nel periodo estivo si verificato che il terreno incrementa la propria temperatura di circa 1 C quando in esso viene immesso un energia termica pari a circa 2400 kWh I risultati di tale studio dovranno essere ulteriormente sviluppati procedendo ad analisi delle caratteristiche del terreno in situ mediante una massiccia campagna di perforazioni per l effettuazione del Ground Response Test e quindi si potr procedere al dimensionamento dell impianto
177. k Ro RADIUS R Figura 4 5 1 3 2 Andamento della temperatura in presenza di una immissione costante di energia termica La conducibilit termica 4 la capacit termica volumetrica e la diffusivit termica a 144 La temperatura del fluido denotata con 7 t La resistenza termica totale per unit di lunghezza del tubo tra fluido e suolo a r denotato con L influenza della condizione sul contorno esterno a r r trascurabile durante il periodo iniziale ma inizia a sentirsi dopo un tempo dato da Fo at r 0 2 e da allora in poi la soluzione cambia carattere La temperatura cresce linearmente come la temperatura media ed calcolabile dall equazione 4 5 1 3 3 zu 1 Equazione 4 5 1 3 3 flusso di energia termica ad ogni punto costante nel tempo Quindi si in regime di flusso stazionario Tra la temperatura del fluido T t e la temperatura media nel volume locale 7 t c la relazione di base descritta nin 4 5 1 3 4 Tq 27 y mf ji 23 E 02 Equazione 4 5 1 3 4 1 La quantit di energia termica immessa per unit di volume proporzionale alla differenza Tm come mostrato dall equazione 4 5 1 3 5 Tr T at i sE m PULL Equazione 4 5 1 3 5 dove la lunghezza caratteristica di scambio termico tra il fluido nel condotto ed il suolo circostante ed definita dall equazione 4 5 1 3 6 1 Ta 3 j vals e 29 Equa
178. l Figura 3 4 3 Schematizzazione dello scambio termico tra sonda e terreno Tenendo conto delle relazioni precedenti risulta To la temperatura del suolo indisturbato TA iz In 5 v 08 Ta Equazione 3 4 4 Essendo il flusso di energia termica g costante si pu scrivere T kin t m Equazione 3 4 5 Con m k In 4a In r 98 To Equazione 3 4 6 89 LL dove k la pendenza della retta che esprime la temperatura media del fluido contro il logaritmo naturale del tempo Quindi effettuate le misure e ricavata la temperatura media del fluido si riporta quest ultima in funzione del logaritmo naturale del tempo ottenendo la retta in questione Nota quindi k si ricava facilmente la conducibilit termica del terreno A il valore cos trovato comprensivo dell effetto del materiale sotterranei ecc del riempimento di eventual In tabella 3 4 1 riportata la resa termica dei vari sottosuoli i movimenti d acqua Roccia Conducibilit termica W mK Resa W m Linee guida generali Sottosuoli sterili sedimenti secchi lt 1 5 W mK 20 Normali sottosuoli rocciosi 1 5 3 0 W mK 50 Rocce consolidate altamente conduttive gt 3 0 W mK 70 Rocce eruttive Graniti 3 5 80 90 Granodioriti 2 5 60 70 Gabbri L8 40 50 Basalti 1 7 40 50 Porfidi 1 9 40 50 Ossidiane L3 30 40 Pomici 0 4 20 30 Rocce sedimentarie Calcar
179. l gasolio Inoltre processi di polimerizzazione spontanea che agiscono sull olio ad alta temperatura e in presenza di ossigeno danno luogo a depositi e incrostazioni sugli iniettori in camera di combustione e sulle valvole Dal punto di vista delle emissioni i MCI pur riuscendo con apposite tecniche di post trattamento a rientrare entro i limiti imposti dalle diverse normative presentano valori di NOx e CO significativi e superiori a quelli derivanti dall uso delle turbine e microturbine a gas In particolare anche impiegando il gas naturale che rispetto ai combustibili liquidi non presenta praticamente il problema del particolato i valori di concentrazione allo scarico di NOx e CO sono maggiori rispetto ad esempio alle emissioni delle microturbine che funzionano in condizioni di maggior eccesso d aria e con temperature interne pi ridotte 50 Costi affidabilit e manutenzione Il costo d installazione medio dell ordine di 700 1000 kW per i motori medio grandi taglie da 100 kW a 10 MW e di 1500 2500 kW per le taglie nel range 5 100 kW Pi in generale si pu ritenere che l andamento del costo specifico sia decrescente con la taglia di impianto secondo l andamento riportato in figura 2 6 1 9 6000 4000 2000 Costo specifico kW 1 10 100 1000 Taglia KW elettrici Figura 2 6 1 9 Tra i principali svantaggi degli MCI ci sono i costi di manutenzione che costituiscono una delle voci
180. l progetto cliccando sulla icona Initial Values si veda la figura 4 2 1 6 relativi alla temperatura e dell umidit relativa initial zone temp 20 Tali parametri secondo la normativa vigente initial rel humidity 50 se variano a seconda della zona climatica dove Fig 4 2 1 6 Parametri iniziali del progetto posizionato l edificio oggetto di studio nel caso dell Ospedale S Giovanni Bosco in Napoli zona climatica C sono pari a 20 C e 50 e Ricambio naturale d aria oraria cliccando sull icona Airchange of Infiltration 1 h Infiltration si veda la figura 4 2 1 7 Tale dure parametro pu essere fissato con un valore costante P ia c nel tempo definito dell utente come dato di input o pre variabile mediante una funzione a scalino 0 1 oppure C Schedule secondo un schedario orario quale ad esempio le ore 117 lavorative giornaliere Impianto di riscaldamento cliccando sull icona Heating si veda la figura 4 2 1 8 si pu prevedere la presenza di tale impianto nell edificio e fissare il valore della temperatura set temperature fissata dalle norme in funzione della zona climatica nel caso di Napoli zona climatica C pari a 20 C Inoltre possibile impostare la potenzialit dell impianto scegliendo la soluzione illimitata o limitata ad un prefissato valore massimo E inoltre possibile fissare la percentuale di umidit desiderata nell ambiente anc
181. l terreno rispetto alle condizioni iniziali come sovrapposizione di tre contributi una differenza di temperatura globale tra sonda e regione lontana una differenza di temperatura locale immediatamente intorno all accumulo ed una differenza di temperatura dovuta al flusso stazionario locale La temperatura in ciascun istante si ottiene suddividendo l andamento temporale dei carichi in una serie di gradini e sovrapponendo le diverse risposte nel tempo come avviene nel modello di Eskilson 140 Si tratta quindi di un modello ibrido che utilizza una soluzione numerica per il problema locale e quello globale e sovrappone poi questi spazialmente alla componente derivante dalla soluzione analitica relativa al flusso stazionario Per la soluzione locale si utilizza un modello mono dimensionale radiale agli elementi finiti che divide l accumulo in diverse sottoregioni Il modello di Hellstr m non nasce per applicazioni con pompe di calore poich le distanze fra gli scambiatori sono pi elevate rispetto a quanto avviene negli accumuli a sottosuolo Il software TRNSYS prevede l utilizzo di un modello di scambiatore verticale basato su una rielaborazione del modello di Hellstr m da parte di Thorton ed altri 1997 riadattato e validato proprio per la specifica applicazione per pompa di calore 4 5 Hellstr m Goran Duct Ground Heat Storage Model Manual for Computer Code Un sistema duct ground heat s
182. la temperatura della cella 7 F e la temperatura media Te della sottoregione k La temperatura all uscita dalla sottoregione k esprimibile dall equazione 4 5 2 5 1 VA k k k 24e 1 psf tot Equazione 4 5 2 5 1 1 Dove V il volume della cella j del problema globale nella sottoregione k La temperatura totale del fluido la somma della temperatura del fluido usata nella parte di flusso stazionario 7 e di quella usata nel problema locale La temperatura di ingresso per il problema di flusso stazionario scelta pari a zero 0 Dalla equazione 6 5 2 5 1 segue poi che le temperature di ingresso e di 152 uscita da e verso ciascuna sottoregione sono nulle Si pu osservare che il contributo netto di energia della parte di flusso stazionario in ogni sottoregione nel problema locale nullo Il termine di sorgente di energia termica per una cella del problema globale per la sotoregione k viene espresso dall equazione 4 5 2 5 2 Ba Yr Equazione 4 5 2 5 2 Dove il volume della sottoregione k Il fattore di smorzamento per la parte di flusso stazionario espresso dall equazione 4 5 2 5 3 he si 22 Equazione 4 5 2 5 3 dove A il coefficiente di scambio termico Si pu notare che il termine di sorgente termica nella parte di flusso stazionario dipende dalla temperatura di una cella individuale mentre il termine di s
183. la filosofia di progetto diversa in quanto per taglie cos limitate si adottano soluzioni tecnologiche non sofisticate evitando gli accorgimenti pi evoluti propri delle macchine di grande potenza e che non sarebbero economicamente giustificabili su macchine cos piccole Uno schema concettuale di una microturbina mostrato in figura 2 6 3 1 il funzionamento prevede l ingresso di aria esterna che viene compressa da un compressore preriscaldata in uno scambiatore di calore ed ulteriormente riscaldata nella camera di combustione a seguito della ossidazione di un 57 combustibile in seno al flusso di aria I gas caldi vengono espansi in turbina e quindi passano nello scambiatore di recupero prima di essere scaricati Quando il sistema opera in assetto cogenerativo presente un secondo scambiatore di calore che sfrutta la temperatura ancora elevata dei gas per riscaldare un fluido esterno tipicamente l acqua di alimento delle utenze termiche La potenza meccanica disponibile all albero della turbina viene impiegata in parte per trascinare il compressore ed in parte viene ceduta all esterno ad un generatore di corrente elettrica calettato sull asse del turbocompressore Fumi 6 Acqua bc Recuperatore Scambiatore 5 Generatore Aria Fig 2 6 3 1 Schema funzionamento microturbina Date le ridotte potenze in gioco e per contenere le dimensioni del sistema il gruppo turbocompressore ruota con velocit m
184. lazione 94 Di notevole complessit risulta la determinazione della resistenza termica equivalente del pozzo parametro che caratterizza l accoppiamento tra sonda e terreno Infatti per il dimensionamento dell impianto necessario determinare le propriet termiche del terreno che dipendono sia dal modello di trasmissione del calore prescelto che dal modello dello scambiatore verticale L impatto della presenza dello scambiatore verticale nel terreno stato oggetto di diversi studi che hanno evidenziato il ritorno dopo alcuni anni ad un nuovo equilibrio tra la tendenza del suolo a mantenere le stesse condizioni e l energia estratta ed immessa nel terreno tramite gli scambiatori Eugest e Rybach hanno verificato tramite la combinazione di misurazioni sul campo e un modello di simulazioni numeriche il comportamento del terreno Le condizioni termiche transitorie del terreno nell intorno dello scambiatore sono molto complesse e sono dovute alla sovrapposizione di diversi processi 1 un rilevante raffreddamento del terreno nella zona immediatamente circostante fino a 10 cm la sonda 2 un progressivo raffreddamento in attenuazione all aumentare della distanza radiale del foro sino a qualche metro 3 solo un minimo raffreddamento del terreno per distanze superiori a 10 metri dalla sonda Qualora non sia presente un notevole squilibrio tra l energia termica prelevata nel periodo invernale e quella ceduta al terreno nel periodo estivo il ti
185. lazione dinamica condotta in TRNSYS i fabbisogni energetici del complesso degli edifici che costituiscono l Ospedale S Giovanni Bosco di Napoli le prestazioni degli impianti proposti im pianto di co trigenerazione impianto di climatizzazione azionato da una pompa di ca lore acqua acqua collegata ad un campo di sonde geotermiche Viene quindi effettuata un analisi energetica complessiva delle soluzioni impiantistiche proposte l Impianto di trigenerazione e contestualmente si procede ad effettuarne una di tipo economica per verificarne la loro sostenibilit Nel Capitolo 6 vengono infine presentate le conclusioni del presente lavoro di Tesi di Dottorato di Ricerca 1 2 Introduzione A seguito delle numerose attivit di sensibilizzazione messe in atto da vari organismi quali l ONU l Unione Europea ecc volte al contenimento dei consumi energetici a livello norma tivo sono stati introdotti nuovi riferimenti atti ad imporre un consumo pi razionale dell energia In particolare l Unione Europea si impegnata affinch i Paesi membri entro il 2020 riducano del 20 le emissioni di gas serra rispetto ai livelli del 1990 aumentino sino al 20 la quota di energia prodotta da fonti rinnovabili adottino misure per ottenere un risparmio di energia del 20 rispetto agli attuali con sumi Per quanto sopra detto e sulla base delle politiche introdotte dai nostri governi per l ottimizzazione energetica degli ed
186. li derivanti dalla simulazione In particolare si simulato un GRT considerando due scenari uno con normali sottosuoli rocciosi ed uno con sottosuoli sterili e sedimenti secchi Non si presa in considerazione la possibilit di avere rocce consolidate altamente conduttive perch tale soluzione potrebbe portare ad un sottodimensionamento del sistema se non verificata Come detto non avendo dati certi a disposizione in quanto segue si proceder ad operare per gradi partendo da una applicazione di piccola taglia circa 8 kW per poi eventualmente estendere per similitudine i risultati ad una configurazione di media grande taglia utile al caso dell Ospedale per il quale si stanno effettuando questi studi 5 7 1 Simulazione Ground Response Test Di seguito si effettua la simulazione con il TRNSYS del GRT come spiegato nel capitolo 3 Scenario 1 normali sottosuoli rocciosi Dati di ingresso Energia termica costante immessa kWh 4 60 Lunghezza del pozzo m 100 00 Conducibilit termica del terreno ipotizzata W mK 1 70 Durata GRT h 120 Tabella 5 7 1 1 dati di ingresso usati per simulare il GRT nello scenario 1 Di seguito si riportano i risultati ottenuti dalla simulazione indicando con Tw e Two la temperatura dell acqua in ingresso ed in uscita dalla sonda rispettivamente 214 Andamento temperature Temperatura C 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
187. lice calcolare il nuovo campo di temperatura quando sono conosciuti ad un certo intervallo di tempo il valore dei flussi di energia termica delle due sorgenti le temperature nei punti nodali della discretizzazione e sulla superficie del suolo Il nuovo campo di temperatura per la cella i j diviene TG Deas T Je Fio FCR LYE FD FG D QD p Equazione 4 5 2 1 3 Nella equazione 4 5 2 1 3 41 il passo temporale e C la capacit termica della cella 4 5 2 2 Bilancio termico per il fluido termovettore Quando la temperatura del fluido termovettore differisce dalla temperatura del suolo circostante c un trasferimento di energia termica tra le due parti Il fluido ceder o assorbir energia e la sua temperatura varier attraverso il suo percorso nel volume di accumulo L ampiezza della variazione di temperatura dipende a parte altri elementi dalla portata del fluido Se i termini transitori sono trascurati l equazione di bilancio termico per il fluido termovettore potrebbe essere scritta Crafty y T Tg 0 Equazione 4 5 2 2 1 oppure eT Crapo zz Ta 0 Equazione 4 5 2 2 2 148 Nelle formule sopra riportate la capacit termica volumetrica del fluido la portata del fluido 7 s t la temperatura del fluido a il coefficiente di scambio termico tra il fluido ed il punto del suolo circostante alla temperatura Ta L equazione 4 5 2 2 1 rappresenta un bilancio termico pe
188. lle funzioni ospedaliere L Ospedale San Giovanni Bosco gi Nuovo Pellegrini rappresenta il nosocomio di riferimen to per l Emergenza della ASL Napoli 1 e si trova in un punto strategico risultando vicino al centro cittadino Piazza Carlo III Via Foria ma nello stesso tempo svincolato dal traffico ur bano data la sua vicinanza all uscita Secondigliano della Tangenziale e all aeroporto di Capo dichino Dallo studio architettonico strutturale dell Ospedale risulta che lo stesso costituito da 6 corpi di fabbrica e precisamente i corpi A B Bl C D1 e D2 all interno dei quali trovano collocazione le seguenti divisioni sanitarie Cardiologia ed Unit Coronarica Chirurgia Generale Medicina Generale Astanteria Radiologia Ematologia Chirurgia Maxillo Facciale Chirurgia Vascolare Servizio Psichiatrico Diagnosi e Cura Neurochirurgia Ostetricia e Ginecologia Otorinolaringoiatria Neonatologia Ortopedia e Traumatologia Oculistica Anestesia e Rianimazione Neurologia La struttura ospedaliera tra il 1996 ed il 2001 stata oggetto di interventi di ristrutturazione interna dei vari piani dei corpi di fabbrica Durante questo periodo sono stati edificati i corpi di fabbrica DI e D2 Il progetto originario dei lavori di ristrutturazione stato modificato in corso d opera per carenza di fondi Lo stato attuale dei luoghi presenta i vari corpi di fabbrica in modeste condizioni di manut
189. macchina di regolare con facilit la potenza termica destinata al sistema di recupero termico risultando cos molto flessibili rispetto all andamento temporale dei carichi termici cas NATURALE GAS COMBUSTI ARIADI RAFFREDDAMENTO ARIA POST COMBUSTORE n UTENZA TERMICA l Fig 2 6 2 4 Schema di un impianto con turbina a gas con recupero di calore mediante produzione di vapore Costi di manutenzione e di impianto Le turbine a gas presentano un elevata affidabilit con intervalli per gli interventi di manutenzione programmata generalmente dell ordine dell anno per le turbine a gas di tipo heavy duty I costi di manutenzione full service vanno da circa 4 Euro MWh per le taglie pi grandi a valori dell ordine dei 7 Euro MWh per le taglie di qualche MWe Fig 2 6 2 5 55 10 Costi di manutenzione Euro MWh 0 1 0 2 4 6 P MW 10 Fig 2 6 2 5 Costi di manutenzione full service Il costo medio di un impianto di cogenerazione con turbogas chiavi in mano pu variare fra i 500 e i 1800 per kWe installato Esso risulta pi elevato in special modo per le taglie di impianto inferiori ai 3 MWe per le quali diventa rilevante l incidenza dei costi dei vari componenti dell impianto legati all utilizzo di una macchina da alimentare con combustibile ad elevata pressione e con recupero termico ad alta temperat
190. mbientale complessivo d I consumi di energia elettrica sono bassissimi I risparmi sui costi di gestione sono consistenti e le manutenzioni sulle parti di impianto sono ridotte e La durata degli impianti supera la vita media degli edifici Le sonde geotermiche in polietilene ad alta densit hanno una vita di circa 50 anni Inoltre la vita media delle pompe di calore geotermiche risulta pari a circa 40000 ore di funzionamento e considerando un utilizzo annuo di 2000 2500 ore anno corrisponde a circa 20 anni f In caso di grosse installazioni di fondamentale importanza effettuare un corretto dimensionamento dell impianto Infatti cos facendo la temperatura che scorre nelle sonde geotermiche consente di ottenere un rendimento superiore rispetto ai sistemi convenzionali ad aria 75 I limiti di tale tecnologia impiantistica consistono in un costo iniziale dell impianto geotermico notevolmente pi elevato di un sistema tradizionale Infatti nel caso di utenze residenziali si pu riscontrare un sovrapprezzo variabile tra il 50 80 in pi rispetto al sistema convenzionale mentre per le utenze di tipo commerciali tali impianti hanno un sovra costo del 20 40 in pi Per tale motivo tale tipologia impiantistica necessita di un processo di dimensionamento accurato in quanto anche un minimo sovradimensionamento in fase progettuale pu comportare un esborso economico rilevante che pu portare ad errori nello studio di fattibilit
191. menti elettrici ottenibili sono nell intervallo di valori 40 44 poich per queste taglie viene adottato un ciclo a vapore ad un solo livello di pressione In linea di principio possibile realizzare altri cicli combinati monolivello di taglia inferiore a 10 MWe utilizzando una turbogas con potenza inferiore a 5 6 MWe e dimensionando opportunamente il ciclo a vapore sottostante ovviamente in tal caso tra i costi di realizzazione del sistema comparir anche il costo di progetto dell HRSG e del circuito del vapore Il ciclo combinato essendo basato sull impiego di turbine a gas un sistema energetico potenzialmente sensibile alle condizioni ambiente l effetto della temperatura esterna sulle prestazioni elettriche di un tipico gruppo combinato rappresentato in figura 2 6 5 3 in cui si evidenziano le differenze rispetto ad una turbina a gas e ad un tipico impianto a vapore Si osservi che in genere il ciclo combinato meno sensibile della turbina a gas alla variazione di temperatura esterna quando la temperatura aumenta gli effetti negativi sulla potenza del turbogas possono essere in qualche misura attenuati poich aumenta la quota parte di calore scaricato nei fumi che viene recuperato in caldaia S turbina a gas ciclo combinato 110 ciclo a vapore 1 S Ej 5 S del valore ISO 8 turbina a gas variazione consumo specifico e 8 ciclo combinato Potenza elettrica
192. mese di Settembre 1000 900 800 700 600 500 400 300 Potenza elettrica richiesta KW 200 100 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Ore settimana h Figura 5 5 52 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Settembre 186 Potenza elettrica richiesta KW 350 330 w pg M M 3 M M c n S m Em EI 150 100 200 300 400 500 600 700 Ore mese h Figura 5 5 53 Andamento del carico di energia elettrica nel mese di Ottobre Potenza elettrica richiesta KW 350 330 310 290 P a 170 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Ore settimana h Figura 5 5 54 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Ottobre 187 Potenza elettrica richiesta KW 500 450 il 350 io DA 250 i VI 150 0 100 200 300 400 500 600 700 Ore mese h Figura 5 5 55 Andamento del carico di energia elettrica nel mese di Novembre 500 450 3 400 S E 2 5 350 8 300 v 3 8 250 200 1
193. mizzazione di Sistemi Cogenerativi Approccio Multiobiettivo Tesi di Dottorato in Ingegneria dei Sistemi Meccanici XXIV Ciclo 2012 TRNSYS 16 Documentation Volume 1 Getting Started Solar Energy Laboratory Univ of Wisconsin Madison http sel me wisc edu trnsys TRANSSOLAR Energietechnik GmbH http www transsolar com CSTB Centre Scientifique et Technique du B timent http software cstb fr TESS Thermal Energy System Specialists LLC http www tess inc com TRNSYS 16 Documentation Volume 2 Using the Simulation Studio Solar Energy Laboratory Univ of Wisconsin Madison http sel me wisc edu trnsys TRANSSOLAR 233 35 37 38 39 40 41 42 43 44 Energietechnik GmbH http www transsolar com CSTB Centre Scientifique et Technique du B timent http software cstb fr TESS Thermal Energy System Specialists LLC http www tess inc com TRNSYS 16 Documentation Volume 6 Multizone Building modeling with Type56 and TRNBuild Solar Energy Laboratory Univ of Wisconsin Madison http sel me wisc edu trnsys TRANSSOLAR Energietechnik GmbH http www transsolar com CSTB Centre Scientifique et Technique du B timent http software cstb fr TESS Thermal Energy System Specialists LLC http www tess inc com TRNSYS 16 Documentation Volume 9 Weather Data Solar Energy Laboratory Univ of Wisconsin Madison http sel me wisc edu trnsys TRANSSOLAR Energietechnik GmbH http www tran
194. mpianto di cogenerazione trigenerazione in Trnsys Di seguito si riporta una breve descrizione delle Type presenti nello schema sopra riportato 112 TYPE 109 TMY 2 riporta i dati climatici di Napoli Il Trnsys possiede al suo interno un data base molto esteso di dati meteo differenziato per le varie localit geografiche Nel caso specifico sono stati selezionati i dati meteo di Napoli in quanto sede dell edificio da analizzare Tali dati fanno riferimento a medie annuali misurate e sono disponibili per l irraggiamento l umidit relativa la temperatura ambiente etc Per ciascun giorno dell anno sono disponibili anche dati orari per l irraggiamento e la temperatura esterna I valori disponibili essendo mediati su anni di osservazioni rappresentano in modo corretto l andamento annuale mentre non sono rappresentativi di giornate pi specifiche TYPE 56 con questo Type possibile simulare il comportamento termico di un edificio diviso in diverse zone termiche TYPE 14H serve per controllare il funzionamento dell impianto in particolare limita il funzionamento dell impianto in determinati periodi dell anno funzionamento stagionale estate inverno per determinate ore giornaliere ecc TYPE 6 fornisce l energia termica necessaria soddisfare il fabbisogno di energia termica dell edificio i parametri impostati sono riportati nella seguente tabella Potenza termica nominale 3000 kW Calore specifico
195. nalit di assistere i tanti pellegrini che nel corso dei loro lunghi viaggi sostavano nella citt Per assolvere tale missione nel 1579 venne aperta la prima casa ospitale Ospedale presso il convento di S Arcangelo a Baiano che stante il costante aumento del numero dei pellegrini che chiedevano asilo fu trasferita nei locali posti nei dintorni di S Pietro ad Aram Dal 1591 l attivit assistenziale ebbe sede definitiva nel fabbricato che nel frattempo era stato costruito alla via Portamedina L attivit assistenziale dell arciconfraternita ben presto fu e stesa alla cura degli ammalati poveri che progressivamente presero nel suo ospedale il posto dei pellegrini e di conseguenza l ospedale dei pellegrini fu trasformato in ospedale sanitario L Ospedale di via Portamedina fu gravemente danneggiato durante il secondo conflitto mon diale Negli anni successivi alla fine del conflitto ricostruito l ospedale ed ampliato alle attivi t di molteplici settori clinici 1 Arciconfraternita si volse a costruirne un altro che volle ubi care sulla collina di Capodichino denominato Ospedale Nuovo dei Pellegrini ora detto Ospe dale San Giovanni Bosco per andare incontro alle esigenze sanitarie dei residenti delle zone periferiche ed extraurbane Nel 1971 in conseguenza dell introduzione di nuove politiche sanitarie pubbliche le attivit ospedaliere dell arciconfraternita furono affidate agli enti pubblici Descrizione de
196. naugh e Rafferty hanno elaborato una metodologia di dimensionamento che stata presa come riferimento dalla ASHRAE Le formule adottate sono le stesse ma si aggiunge il calcolo delle resistenze del terreno nel breve medio e lungo periodo mediante le seguenti relazioni R 8 76 m k z R 20 6 E k G Ra P5 In definitiva questa metodologia consente di determinare la lunghezza complessiva dei pozzi sia per esigenze di riscaldamento che raffrescamento mediante le seguenti relazioni Ro q 34W Y R L _ 44 ga m em gd i 0 21 t Enu 1 2 t 1 Bao Hu PLE Ren RF h Le resistenze Rem ed Red si calcolano partendo dalla conoscenza della conduttivit termica kg Analogamente il valore della t calcolato come valore medio della temperatura dell aria esterna annuale mentre il valore di tp che rappresenta la variazione della temperatura dovuta alla presenza di pi scambiatori calcolato mediante rivelazioni sperimentali Infine possibile determinare il fattore di parzializzazione PLF tenendo conto che la pompa di calore non opera costantemente a pieno carico ed possibile calcolare tale valore una volta noto il valore delle ore equivalenti a pieno carico calcolate dalla seguenti relazioni _ Fabbisogno energetico stagionale equivalenti Potenza _ max 106 h juivalenti PLE __ ore stagione Quindi si ora in grado di determ
197. ncremento rispetto al 2009 di 1 666 GWh Nel 2010 risultavano installati 158 308 impianti di PG per una potenza efficiente lorda di 3 604 MW con un evidente aumento del numero di impianti installati da imputare principalmente agli impianti alimentati da fonte solare nello specifico impianti fotovoltaici che sono passati da 71 228 nel 2009 a 155 759 nel 2010 mentre per i rimanenti impianti si passati da 1 274 impianti idroelettrici nel 2009 a 1 736 nel 2010 di potenza complessiva di 526 MW da 381 impianti termoelettrici nel 2009 a 622 nel 2010 di potenza complessiva di 306 MW e da 24 impianti eolici nel 2009 a 191 nel 2010 di potenza complessiva di 27 MW 39 idrica ElBiomasse Biogas e Bioliquidi Fonti non rinnovabili BiGeotermica JEolica Solare Geotermica 0 0 45 1 Fonti non rinnovabili 5 4 Biomasse Biogas e Bioliquidi Totale 4 98 TWh 154 Fig 2 5 2 Produzione lorda di energia elettrica prodotta dalla piccola generazione suddivisa per le diverse fonti In relazione alla fonte di energia utilizzata si nota che il 94 6 dell energia elettrica prodotta dagli impianti di PG di origine rinnovabile Figura 2 5 2 e tra le fonti rinnovabili la prima si mantiene la fonte idrica seppur passando dal 59 2 nel 2009 al 45 1 nel 2010 e la seconda la fonte solare che passa dal 19 5 nel 2009 al 33 7 nel 2010 anche nel 2010 si rileva una percentuale consistente di energia elettri
198. ndicati dai costruttori il costo di una microturbina si colloca tipicamente nell intervallo di valori 1000 1500 kW Le microturbine sono generalmente garantite per un funzionamento di circa 6000 8000 h annue dato variabile da costruttore a costruttore con fattori di utilizzo pari al 70 90 generalmente necessario un solo ciclo di manutenzione ordinaria annua Nel caso di macchine lubrificate ad olio viene richiesta la sostituzione dell olio con consumi dell ordine di 3 l anno per una macchina da 100 kW La durata della vita delle microturbine garantita per circa 60000 80000 ore Altro componente delicato e soggetto a stress termici notevoli lo scambiatore recuperatore che investito dai gas ancora caldi uscenti dalla turbina In genere questo componente che determina la vita utile complessiva della macchina 2 6 4 Impianti con turbine a vapore Un impianto con turbina a vapore fondamentalmente composto da i una pompa necessaria a portare l acqua alla pressione di vaporizzazione alcune decine di bar ii un generatore di vapore nel quale il processo di combustione riscalda l acqua la vaporizza e surriscalda il vapore iii una turbina nella quale avviene l espansione del vapore fino a pressioni di decimi di bar ed iv un condensatore che riporta il fluido uscente dalla turbina dallo stato di vapore a quello di liquido 60 saturo I cicli termodinamici di riferimento sono il ciclo Rankine a vapore s
199. ndimento termico effettivo che si determinano in conseguenza del funzionamento dell impianto cogenerativo valutata sia in termini complessivi anno che su base mensile relativo ai mesi presi come caratteristici dell anno Gennaio Aprile Luglio Dalle Figura 5 6 1 9 sino alla Figura 5 6 1 12 possibile valutare le integrazioni e le dissipazioni termiche che si determinano in conseguenza del funzionamento dell impianto cogenerativo valutate in termini complessivi annue sia su base mensile relative ai mesi presi come caratteristici dell anno Gennaio Aprile Luglio Infine dalla Figura 5 6 1 13 sino alla Figura 5 6 1 16 possibile raffrontare il carico termico richiesto dall utenza e la potenza termica erogata dal gruppo cogeneratore valutate in termini complessivi annue sia su base mensile relative ai mesi presi come caratteristici dell anno Gennaio Aprile Luglio 200 I risultati complessivi annui della soluzione analizzata sono sintetizzati nella Tabella 5 6 1 3 Ore funzionamento Nt medio PES RISP MWh h anno 5614 0 341 28 26 1341 CUCs Prop CUCs rir SPB anni 0 891 0 594 22 78 2 32 VAN IP REP 8 371x10 2 33 14 60 Tabella 5 6 1 3 Risultati tecnico economici del gruppo selezionato Modalit di gestione degli impianti di cogenerazione finalizzata alla massimizzazione del Risparmio di Energia Primaria Applicando la modalit di gestione degli
200. ndo tale formula risulta v 0 59 m s 5 7 3 Layout dell impianto geotermico Si sceglie di collegare le sonde secondo lo schema ritorno inverso in modo da utilizzare tale espediente idraulico per ottenere le medesime perdite di carico in ciascuna sonda Le sonde sono distanti orizzontalmente 5 m e costruite con tubi di diametro 40x3 0 mm La figura 5 7 3 1 mostra lo schema verticale di installazione delle sonde PDC ua 2 Figura 5 7 3 1 schema verticale di collegamento delle sonde 219 5 7 4 Caratteristiche tecniche pompa di calore Di seguito si riportano le caratteristiche tecniche della pompa di calore scelta di capacit frigorifera pari a 8 5 kW Il modello prescelto HP GEO R8 8 prodotta dal gruppo Riello di cui in figura 5 7 4 1 sono riportati i dati tecnici RIELLO HP GEO iq Ras 2s R 26 26 R 29 308 Portata termica 1 KW 54 65 82 956 120 144 173 185 216 266 206 380 437 Potenza elettrica 2 KW 12 15 13 22 28 33 38 40 50 62 67 86 97 45 43 44 45 43 43 43 46 43 43 45 44 44 Versione reversibile A in funzione raffreddamento Potenza frigorifera 3 kW 52 68 80 94 116 142 170 171 214 259 299 370 450 Potenza elettrica 2 kW 12 15 18 21 26 32 37 40 47 57 64 815 97 EER 43 45 44 45 45 43 46 43 46 45 47 45 46 Compressore Tipo scroll armetico Intensit massima 4 63 75 95 70 100 124 135 140 170 200 220 270
201. ne a gas sono una tecnologia affermata da tempo Esse offrono buoni rendimenti elettrici in media attorno al 30 nelle taglie da 1 a 10 MWe con punte fino al 40 insieme alla possibilit di recuperare calore ad alta temperatura dai gas di scarico in media superiori a 500 C arrivando in alcuni casi fino a circa 600 C caratteristica particolarmente adatta ad alcuni processi industriali caratterizzati da una domanda di vapore o energia termica a media temperatura Da un punto di vista meccanico le turbine a gas possono essere considerevolmente pi semplici rispetto ai motori alternativi a combustione interna Le turbine pi semplici possono avere un solo organo mobile escludendo il sistema combustibile il rotore composto da albero compressore turbina e alternatore Le turbine a gas pi sofisticate possono avere alberi multipli centinaia di palette di turbina palette statoriche regolabili e sistemi complessi di tubazioni combustori e scambiatori di calore In generale al diminuire della taglia della turbina aumenta la velocit di rotazione dell albero o degli alberi con valori che possono arrivare fino a 100 000 giri min nel caso delle micro turbine a gas L elevata temperatura dei gas allo scarico delle turbine a gas in media superiori a 500 C arrivando in alcuni casi fino a circa 600 C consente il recupero dell energia termica mediante cessione di calore ad un fluido termovettore vapore acqua pressurizzata olio diat
202. ne del carico di progetto in funzione della temperatura di set point dell acqua refrigerata C della temperatura di ingresso dell acqua di raffreddamento C e della temperatura di ingresso dell acqua calda C Basandosi sulla ipotesi che il refrigeratore ad assorbimento sia in fuzione in base al valore del segnale di controllo la Type 107 determina la frazione di carico di progetto in cui deve funzionare calcolando preliminarmente la quantit di energia che deve essere rimossa dal flusso di acqua refrigerata per portarla dalla temperatura di ingresso alla temperatura di set point applicando l equazione 4 2 3 1 o Meno Plim Ix x Equazione 423 1 Quindi determina la frazione di carico di progetto in cui richiesto il funzionamento della macchina dividendo l energia da rimuovere precedentemente calcolata per la potenza della macchina quindi applicando l equazione 4 2 3 2 eem Capacity garea Equazione 4 2 3 2 signLoad T La Typel07 quindi chiama la subroutine di TRNSYS Dynamic Data con le specifiche dell utente relative alla temperatura dell acqua calda in ingresso alla temperatura dell acqua di refrigerata in ingresso alla temperatura dell acqua refrigerata di set point e alla frazione del carico di progetto Il Dynamic Data legge il file di dati specificato dall utente e restituisce i valori della frazione della potenza nominale della macchina visto che disponibile la temperatura dell acqua calda
203. ni di solidificazione dell acqua condensata e con formazione di brina sull evaporatore La brina peggiora notevolmente lo scambio termico all evaporatore che ha ripercussioni sul funzionamento della macchina Nel caso di impianti geotermici a pompa di calore si sceglie una sorgente a livello termico pi alto il terreno caratterizzato da un temperatura pressoch costante durante tutto l anno ed utilizzando una pompa di calore con scambiatore di calore acqua acqua In questo modo si ha 1 2 3 assenza della formazione della brina miglioramento delle prestazioni energetiche della macchina dovute alla riduzione della differenza di temperatura tra l evaporatore ed il condensatore limitata variazione della capacit della pompa di calore che per impianti di piccola taglia pu comportare la possibilit di rinunciare al sistema ausiliario di riscaldamento 3 4 Le propriet termiche del terreno Le propriet che influenzano l accoppiamento tra le sonde geotermiche ed il sottosuolo sono la densit del suolo il contenuto di umidit nel suolo la matrice solida del suolo Si riscontra che all aumentare della densit si riduce il volume complessivo occupato dalle cavit vuote e migliorando il contatto tra i grani si ha l aumento della conduttivit termica del suolo In 79 generale a parit del tasso di umidit la resistivit di un terreno a grana grossa maggiore di quella di un terreno a gr
204. ni ciclo quando il combustibile viene iniettato in seno al comburente che si trova in condizioni di temperatura e pressione tali da permettere l autoaccensione del combustibile iniettato Il rendimento elettrico dei MCI varia da valori dell ordine del 25 per taglie inferiori ai 50 kWe dove l impiego giustificabile solo in assetto cogenerativo ovvero in presenza di recupero termico fino a valori intorno al 40 42 per taglie intorno ai 1000 kWe La figura 2 6 1 1 mostra l effetto della taglia sul rendimento per numerose macchine esistenti in commercio per applicazioni cogenerative 43 0 50 0 45 0 40 0 35 0 30 Rendimento elettrico 0 25 0 20 1 10 100 1000 10000 Potenza elettrica kW Figura 2 6 1 1 Le prestazioni elettriche dipendono inoltre dal carico erogato come mostra la figura 2 6 1 2 che fa riferimento ad alcune specifiche macchine in commercio in particolare il rendimento cala al diminuire della potenza prodotta al 50 del carico il rendimento pu essere inferiore di 2 4 punti percentuali rispetto al valore nominale Il funzionamento ai carichi parziali in genere possibile fino a potenze pari al 20 30 del carico nominale L influenza della temperatura ambiente sulle prestazioni elettriche di un tipico motore indicata invece in figura 2 6 1 3 l aumento di temperatura causa una riduzione di densit dell aria aspirata della potenza prodotta e anche del rendimento 44
205. no fuori terra avente una superficie per singolo piano di 1350 mq per una volumetria complessiva di circa 9 500 mc dove trovano collocazione al piano interrato i depositi al piano terra il centro trasfusionale ed il reparto di neurofisiopatologia e Corpo di fabbrica D costituito complessivamente da quattro piani di cui tre fuori terra avente una superficie per singolo piano di 900 mq per una volumetria comples siva di circa 9 500 mc dove trovano collocazione al piano rialzato il reparto di day surgery e farmacia al primo piano gli ambulatori al secondo piano gli uffici della di rezione sanitaria economato e settore tecnico Pertanto complessivamente l intera struttura ospedaliera ha una superficie utile di circa 19110 m ed una volumetria di circa 67 000 m Nella seguente tabella si riportano sinteticamente i risultati dell analisi dimensionale della struttura ospedaliera Corpo A Destinazione d uso Superficie Volume m m Piano Terra Archivi Magazzino Depositi 620 2170 Piano Rialzato Dipartimento Salute Mentale 620 2170 1 Piano Atrio Uffici 620 2170 Corpo B B1 Piano Terra Centrale Termica Cappella Depositi Locali 2700 9450 Manutentori Cabina Elettrica Radiologia Sala Tac Sala Mortuaria Obitorio Piano Rialzato Pronto Soccorso Radiologia Neuro Radiolo 900 6650 gia 1 Piano Laboratorio Analisi Uffici Rep
206. nsumo totale di combustibile dato dalla equazione 4 2 2 6 Nono Equazione 6 2 2 6 total T 1 DEGS Y diesel Le perdite termiche totali energia sprecata sono calcolate tramite l equazione 4 2 2 7 Noros Poros 000 Equazione 4 2 2 7 el 4 2 3 TYPE 107 La Typel07 utilizza un catalogo di dati di ricerca normalizzati utili a simulare il modello di un chiller a singolo effetto alimentato ad acqua calda ad assorbimento Poich i files di dati sono normalizzati l utente pu modellare un Type107 refrigeratore di qualsiasi dimensione utilizzando un file di dati esterno In un ciclo convenzionale di un refrigerazione il refrigerante ritorna come vapore a bassa pressione idealmente in prossimit del punto di saturazione dall evaporatore Questo vapore quindi passa attraverso un compressore ad azionamento elettrico in cui viene trasformato in un gas a ad alta pressione prima di passare nel condensatore Il lavoro di pressurizzazione del vapore del refrigerante all interno del circuito viene fornito dal compressore azionato elettricamente In una macchina ad assorbimento a singolo effetto il vapore di refrigerante tipicamente acqua di ritorno dal evaporatore assorbito in un mezzo spesso ammoniaca acquosa o bromuro di litio e viene raffreddato sino allo stato liquido cedendo il suo calore ad un fluido di raffreddamento Questo liquido viene quindi pompato in un dispositivo chiamato generatore do
207. nti nella libreria del programma Analogamente possibile procedere alla definizione delle propriet di scambio termico delle pareti trasparenti in modo personalizzato si veda la figura 4 2 1 15 andando a caratterizzare il materiale del serramento legno o alluminio il tipo di vetro singolo doppio 4 16 4 doppio con intercapedine costituita da gas speciali ecc pervenendo alla determinazione di un valore pi o meno elevato del coefficiente di scambio termico rispetto a quelli presenti nella libreria del programma 122 New Window Type new window type Glazing _ WinID iei ID number n Pool Lib u value EE anal les slope of window Fa 50 degree g value MIS reference ony For glazing module wich m height ID spacer Aluminum ASHREA Metalic Frame da O 5 02100 u value 1 R m 817 2 sol bone IE conv rd heat ande cosita Optional Properties of Shading Devices Additional Thermal Resistance Reflection Coefficient of Internal Device internal device m 0 hm 2KA towards window ma 05 20100 extemal device ra o hm 2KkJ towardezone m 05 20100 Fraction of abs Solar Radiation to Zone Air Node CCISHADE n jos 5 100 Convective Heat Transfer Coefficient of Window glazing frame Front inside Back outside userdefined intemal calculation userdefined intemal calculation n fi m jes Fig
208. nti da processi industriali di lavorazione di sostanze organiche oli da grassi animali oli esausti da cottura cibi ecc Il bio diesel un combustibile liquido con propriet molto simili a quelle del gasolio un derivato di biomasse oleoginose da cui viene estratto un olio olio vegetale grezzo che viene successivamente trasformato in bio diesel mediante un processo di transesterificazione raffinazione Il biodiesel pu essere utilizzato puro al 100 nei motori di nuova concezione dove ha una funzione di pulizia iniettori non richiede interventi L impiego di biodiesel che ha minor potere calorifico del gasolio porta ad un maggior consumo in termini di volume ma le penalizzazioni di potenza sono contenute in pochi punti percentuali Va riscontrato che rispetto al gasolio il biodiesel elimina completamente i problemi delle emissioni di ossidi di zolfo Tra i combustibili rinnovabili per i motori ad accensione spontanea l uso dell olio vegetale olio di palma di colza di girasole di soia tal quale cio senza la conversione in biodiesel diventato un opzione teoricamente percorribile certamente l olio pu essere impiegato purch sia adeguatamente trattato con additivi e preriscaldato rispetto al gasolio la viscosit a 20 C un ordine di grandezza superiore la viscosit influisce sulla capacit di nebulizzare il combustibile dentro il motore e il punto di accensione molto pi alto 300 C conto i 50 C de
209. nti dalla produzione combinata di energia Utilizzando gli andamenti delle curve di carico termico ed elettrico desunte dalla simulazione in Trnsys e relative all Ospedale San Giovanni Bosco di Napoli si proceduto ad effettuare una analisi dei vantaggi conseguibili dall impiego di tale tecnologia E stato anche possibile confrontare i risultati ottenuti impiegando le due metodologie utilizzate in tali applicazioni ossia quella massimizzazione della redditivit economica e quella del risparmio di energia primaria verificando se vi sia convergenza nei risultati 5 6 1 Configurazione cogenerativa Si inizialmente proceduto ad analizzare i risultati conseguibili mediante una configurazione impiantistica di tipo cogenerativo rappresentata nella seguente Figura 5 6 1 1 Tale configurazione consta di due circuiti il primo lato cogeneratore ed il secondo lato utenza accoppiati attraverso uno scambiatore di calore Peok boiler Fuel gos gt Heat consumer Aux heat exchanger gt Electrical energy Figura 5 6 1 1 Schema dell impianto di cogenerazione fonte Jenbacher Italia 190 Per procedere alla scelta della taglia del cogeneratore stata condotta una analisi di sensibilit dei carichi termici risc acs ed elettrici dell utenza ospedaliera diagrammando i carichi dell utenza con ordinamento decrescente al variare delle ore di richiesta e confrontandoli con le taglie di
210. nze termiche in uscita nella stagione invernale ed in ingresso nella stagione estiva e la potenza necessaria per il trattamento dell aria esterna di ricambio in sostanza si debbono valutare i carichi termici dei vari ambienti nelle stagioni estiva ed invernale La metodologia di questo calcolo non ver r presentata ma i calcoli dei carichi termici saranno effettuati tramite l utilizzo di un pro gramma di simulazione dinamica all interno del quale verranno inseriti tutti i parametri carat teristici delle dispersioni termiche degli ambienti desunti da indagini locali e dalla normativa vigente Nel caso attuale l oggetto del presente studio quello di valutare il risparmio che si consegue prevedendo per le esigenze energetiche del complesso ospedaliero l installazione di un im pianto di co trigenerazione in sostituzione degli impianti di tipo tradizionale attualmente presenti in loco che sono caratterizzati da caldaie a gas metano per le esigenze del riscalda mento degli ambienti e per la produzione di acqua calda sanitaria e da macchine per la clima tizzazione estiva nonch da tutti gli impianti necessari al funzionamento del complesso ospe 16 daliero esigenze di tipo illuminotecnico che utilizzano energia elettrica fornita dalla rete ENEL 17 Capitolo 2 LA COGENERAZIONE 2 1 Premessa Come detto in precedenza ci si propone di dimostrare quanto sia significativo il risparmio energetico prevedendo di installare p
211. o rendimento 1 priorit di dispacciamento dell energia elettrica prodotta da cogenerazione rispetto a quella prodotta da fonti convenzionali art 11 comma 4 del Decreto Legislativo 16 marzo 1999 n 79 Tale obbligo di utilizzazione prioritaria costituisce una forma potenzialmente importante di valorizzazione della cogenerazione perch consente di estendere i benefici ad essa connessi in termini di risparmio energetico e di minore impatto ambientale dal singolo autoproduttore ad una scala pi ampia resa possibile dall accesso alla rete nazionale accesso alla disciplina dello scambio sul posto dell energia elettrica prodotta per taglie fino a 200 kW elettrici secondo le regole previste dalla deliberazione n ARG ELT 74 08 del 3 giugno 2008 dell Autorit per l energia elettrica ed il gas Il meccanismo permette di scambiare energia con la rete immettendo la produzione in eccesso e prelevando quando i consumi superano la produzione La compensazione tra l energia immessa e quella prelevata di tipo economico basato sul valore dell energia al momento dell immissione o prelievo dalla rete Le eventuali eccedenze possono essere portate a credito per gli anni successivi o se si opta per la vendita riconosciute come ricavo possibilit di ottenere l emissione di titoli di efficienza energetica Certificati Bianchi istituiti con i Decreti 20 luglio 2004 del Ministero delle Attivit Produttive di concerto con il Min
212. o il programma di interfaccia dedicato all impostazione e all esecuzione delle simulazioni TRNBuild il programma di interfaccia dedicato alla descrizione dettagliata dell edificio TRNEdit TRNSED lo strumento per la modifica manuale dei file di input e la creazione di applicazioni stand alone in ambiente TRNSYS La simulazione in ambiente TRNSYS costituita dall assemblaggio di una serie di componenti Types opportunamente interconnessi in modo tale da svolgere una sequenza ordinata di operazioni Ciascuna Type costituita da una subroutine scritta in FORTRAN C o C che ne descrive il funzionamento Tutti i componenti utilizzati e le modalit secondo le quali questi saranno chiamati ad interagire sono raccolti in un file dck che rappresenta l input vero e proprio al programma tale file viene creato e modificato mediante il programma di interfaccia Simulation Studio Affinch una simulazione possa essere eseguita devono essere soddisfatti i punti che seguono vanno selezionati tutti i componenti Types necessari alla descrizione del problema oggetto di indagine impostazioni di lavoro e valori iniziali devono essere definiti per ciascun componente 111 devono essere completati i collegamenti tra i vari componenti in modo da ottenere un flusso ordinato di informazioni in modo cio che ciascuna abbia a disposizione i dati di input necessari ai fini del calcolo L Assembl
213. o della tipica curva dell efficienza del carburante e la curva di consumo di carburante per cogeneratori costituiti da un motore diesel Fuel consumption L h 45 40 35 30 25 20 0 2 3 5 2 25 gt 2 o tE T 1 5 o Fuel Efficiency S e Fuel Consumption g 0 4 0 6 08 1 Power Rated Power 4 2 2 1 Tipica efficienza del carburante e le curve di consumo di carburante per cogeneratori Nomenclatura Parametro Unit di misura Descrizione PpeGs W Potenza elettrica PDEGS rated W Potenza elettrica nominale NpeGs Numero di unit identiche di cogeneratori X Potenza normalizzata 2 m s Portata volumetrico del combustibile p kg m Densit del combustibile LHV J kg Potere calorifico inferiore del combustibile La potenza normalizzata definita mediante l equazione 4 2 2 1 X Poss DEGS rated Equazione 4 2 2 1 124 Il rendimento elettrico calcolabile mediante l equazione 4 2 2 2 Na Equazione 4 2 2 2 Priest La potenza totale calcolata tramite l equazione 4 2 2 3 N P DEGS P total T Equazione 4 2 2 3 DEGS La curva del consumo di combustibile determinata tramite l equazione 4 2 2 4 Fas A b X Equazione 4 2 2 4 diesel 1 rendimento del combustibile definito dalla equazione 4 2 2 5 DEGS N fuel Equazione 4 2 2 5 diesel Ed il co
214. o di energia termica per il riscaldamento invernale su base oraria 162 1000 1000 si ES z Ea si 2 t E 5 am 5 i m nd 5 HET E DI E Li Ml 1480 2190 2620 3650 E En 6570 7300 anon 8760 Figura 5 5 6 Diagramma del carico di energia termica per l acqua calda sanitaria su base oraria 1509 1500 1200 1200 om H E e g B 60 0 8 3 3 Ei 300 200 a o no 620 1240 1860 2480 8720 4960 858 0 6200 820 Tan Figura 5 5 7 Diagramma del carico di energia termica complessiva relativa al mese di Gennaio riscaldamento invernale acqua calda sanitaria T P m E E H E E g S ad P 5 A ki M m n uu gt sera Figura 5 5 8 Diagramma del carico di energia termica per il riscaldamento invernale relativa al mese di Gennaio 163 Potenza Termica KW Figura 5 5 9 Diagramma del carico di energia termica per l acqua calda sanitaria relativa al mese di Gennaio Potenza Termica KW Figura 5 5 Potenza Termica kW Figura 5 5 11 Diagramma del carico di energia termica per il riscaldamento invernale relativa al mese di Febbraio M TAI VUA DUM n I li il acqua calda sanitaria lo 12170
215. o e la conducibilit termica del riempimento desunta da dati di letteratura per riempimenti realizzati con bentonite e sabbia Conducibilit termica del suolo W mK 1 70 Diffusivit termica del suolo m s 0 00000085 Temperatura suolo indisturbato C 13 20 Conducibilit termica riempimento W mK 1 60 Tabella 5 7 2 2 propriet del terreno Nella Tabella 5 7 2 3 sono riportati i dati di ingresso riguardanti una applicazione impiantistica di piccola taglia Alcuni sono stati ottenuti effettuando una simulazione su TRNSYS dell impianto altri ricavati dalla scheda tecnica della pompa di una calore scelta altri sono ipotizzati considerando i dati disponibili in letteratura Potenza termica di picco kW 8 20 Ore di funzionamento h 684 Fabbisogno energetico kWh 2386 00 Ore equivalenti h 290 98 Fattore di parzializzazione 0 43 Temperatura di mandata acqua alle sonde C 32 00 Temperatura di ritorno acqua dalle sonde C 28 00 COP nominale in raffrescamento 4 40 217 Temperatura di penalizzazione C 0 00 Fattore di corto circuito Fsc 1 05 Ore equivalenti funzionamento pieno carico h 0 Coeffic scambio termico liquido tubo W mK 75 00 Tabella 5 7 2 3 dati riguardanti l impianto Applicando la formula semplificata della metodologia ASHRAE si ottiene L 228m Equazione 5 72 1 Quindi si scelt
216. o in cui soddisfano i requisiti per essere definite CAR al rilascio di certificati bianchi in numero commisurato al risparmio di energia primaria nell anno considerato calcolato mediante la seguente relazione Esp RISP PAZ 2 9 Nere rrr dove RISP rappresenta il risparmio di energia primaria nell anno considerato espresso in MWh 33 rappresenta l energia elettrica espressa MWh prodotta in assetto cogenerativo nell anno considerato Hcup rappresenta l energia termica utile espressa in MWh prodotta in assetto cogenerativo nell anno considerato T E RIF rappresenta il rendimento medio convenzionale del parco di produzione elettrica italiano assunto pari a 0 46 N T RIF rappresenta il rendimento medio convenzionale del parco di produzione termico italiano assunto pari a 0 82 nel caso di utilizzo diretto dei gas di scarico e pari a 0 90 nel caso di produzione di vapore acqua calda CHP rappresenta l energia del combustibile espressa in MWh che l unit cogenerativa ha consumato nell anno considerato per produrre in assetto cogenerativo L operatore la cui unit cogenerativa sia riconosciuta come CAR in un dato anno ha diritto ad un numero di certificati bianchi pari a CB RISP 0 086 K 2 10 Dove RISP 0 086 rappresenta il risparmio di energia primaria espresso in TEP K un coefficiente di armonizzazione 2 4 La diffusione della cogenerazione in Europa La quantit
217. o non sono stati sostituiti i tradizionali gruppi frigoriferi a compressione di vapore azionati dall energia elettrica con sistemi ad assorbimento alimentati dall energia termica prodotta dal motore primo 2 6 Stato dell arte degli impianti cogenerativi e trigenerativi Le tecnologie impiantistiche largamente impiegate ai fini cogenerativi sono 1 Motori a combustione interna Turbine a gas Turbine a vapore a contropressione a condensazione e derivazione E e Cicli combinati Analizzando il documento dell AEEG Monitoraggio dello Sviluppo degli Impianti di Generazione Distribuita per l anno 2010 in esso riportato l istogramma con la Ripartizione delle sezioni degli impianti utilizzate per la produzione combinata di energia elettrica e calore nell ambito della PG 41 Numero totale sezioni 355 Potenza efficiente lorda 170 MW Produzione lorda 549 GWh E Numero sezioni Potenza efficiente lorda BProduzione lorda 100 90 80 70 60 50 E 20 10 4 AIR ris pg 0 6 0 9 11 25 24 1 69 0 AS BEN Mm CICLI MOTORIA COMBUSTIONE TURBINE A VAPORE TURBINE A VAPORE IN TURBINE A GAS CON PRODUZIONE DI CALORE INTERNA CON CONDENSAZIONE E CONTROPRESSIONE PRODUZIONE DI CALORE PRODUZIONE DI CALORE SPILLAMENTO Fig 2 6 1 Ripartizione delle sezioni degli impianti termoelettrici tra le diverse tecnologie
218. o pu essere valutato come 90 minuti per il giorno in cui si verifica la massima temperatura dell aria o 270 minuti per il giorno in cui si verifica la minima temperatura dell aria La temperatura dell aria come funzione del tempo data dalla equazione 4 3 2 3 Air temperature average abr temperature Amplitude sIn o t delay Equazione 4 3 2 3 Dove delay questo parametro di ritardo in giorni n tempo in giorni e 2n 365 Poi vanno inserite le informazioni riguardanti la rappresentazione dal sottosuolo in qualche modo coinvolto nel processo di prelievo termico il quale stato suddiviso in vari strati orizzontali ground layers come mostrato nella figura 6 3 2 5 Ground Layers Figura 4 3 2 5 Suddivisione del sottosuolo in strati orizzontali I parametri da considerare sono 138 NUMBER OF GROUND LAYERS il numero di strati in cui suddividere il terreno all esterno del confine dello storage volume Per ogni strato l utente deve specificare la conducibilit termica Thermal conductivity of layer la capacit termica volumetrica Heat capacity of layer e lo spessore Thickness of layer Infine come mostrato in tabella 4 3 2 1 vanno specificati i valori iniziali Temperatura iniziale del fluido C Portata iniziale del fluido kg h Temperatura sulla testa dello storage C Temperatura dell aria C Tabella 4 3 2 1 condizioni iniziali Come det
219. o utilizzando dati dedotti da testi e o pubblicazioni di letteratura Dalla analisi si quindi evidenziato che gli andamenti dei carichi elettrici per strutture ospedaliere sono caratterizzati tutti da curve similari Stabilito quindi quale debba essere l andamento del carico elettrico questo stato ripartito in modo da rispettare per ciascuna fascia oraria Fl F2 ed F3 di cui alla Delibera AEEG 181 06 il consumo effettivamente rilevato come desunto dalle fatture mensili del fornitore Enel di energia elettrica Di seguito si riportano gli andamenti caratteristici del consumo complessivo dell energia elettrica ed i consumi mensili settimanali per i vari mesi dell anno per la struttura ospedaliera 173 Potenza elettrica richiesta KW 1000 900 800 700 600 500 4 o 300 200 100 MU I Il I 11 TI MITI 1000 2000 3000 4000 Ore anno h 5000 6000 7000 8000 Figura 5 5 34 Andamento del carico annuo di energia elettrica dell ospedale 177 500 450 w w B o o n a Potenza elettrica richiesta KW 200 150 160 240 320 400 Ore mese h 480 560 640 720 Figura 5 5 35 Andamento del carico di energia ele
220. odotte da un sistema cogenerativo Ipotizzando per il sistema tradizionale un rendimento elettrico pari al 40 corrispondente al rendimento elettrico minimo assicurato dalle centrali ENEL e un rendimento termico pari al 90 valore del rendimento termico attuale delle caldaie di tipo industriale i grafici seguenti mettono in evidenza un risparmio in termini di maggior coefficiente di uso del combustibile derivante dall adozione della cogenerazione pari a circa il 30 SISTEMA TRADIZIONALE Ei 190 kWh 170 kWh Energia termica nth 0 90 20kWh Perdite 375 kWh 150 kWh Energia elettrica nel 0 40 Perdite C U C 150 170 565 0 57 Figura 2 1 19 SISTEMA COGENERATIVO Ei 190kWh 170kWh Energia termica 150kWh Energia elettrica 46kWh Perdite C U C 150 170 366 0 87 Figura 2 2 Per effettuare un analisi energetica sono stati utilizzati anche altri indici tra i quali Il rendimento elettrico netto Ea 2 2 m PCI pets Ma definito come rapporto fra l energia elettrica netta prodotta e l energia termica introdotta nel sistema con il combustibile valutata con riferimento al potere calorifico inferiore Il rendimento termico netto En 2 3 my PCI ss definito come rapporto fra l energia termica netta prodotta e l energia termica introdotta nel sistema 7 7 con il combustibile Il rendimento elettrico equiv
221. ogni termici mensili necessario effettuare una simulazione dinamica edificio impianto mediante il TRNSYS in modo da confrontare gli andamenti delle curve del carico di riscaldamento e raffrescamento con le curve prestazionali della pompa di calore La conoscenza della resistenza termica equivalente del pozzo consente di determinare la relazione che si ha tra la temperatura nell intorno del pozzo e la temperatura media del fluido A seconda del materiale e della configurazione del pozzo possibile determinare mediante tabelle il valore di e fissando un valore della potenza specifica di estrazione si determina il valore della temperatura del 98 terreno nell intorno del pozzo geotermico una volta fissato un intervallo di temperatura con quella media del fluido termovettore Come detto i metodi per il dimensionamento dell impianto per potenze minori di 30 kW si suddividono in due categorie 1 modelli semplificati tabellati 2 modelli analitici 3 6 1 I modelli semplificati tabellati Quale modello tabellato di riferimento si utilizza la norma tedesca VDI 4640 Il dimensionamento di piccoli impianti si basa su 1 definizione della potenza all evaporatore Pev 2 determinazione delle caratteristiche del terreno 3 determinazione delle ore di funzionamento dell impianto Si procede quindi alla determinazione della potenza termica di progetto Pi alla definizione del livello termico di funzionamento dell impianto che influ
222. olta determinati gli andamenti dei carichi richiesti dall utenza Lo studio effettuato sull accoppiamento impianto di cogenerazione utenza pu essere sinteticamente rappresentato dai seguenti punti 1 Analisi ed individuazione dei parametri fondamentali dei processi cogenerativi ed individuazione delle varie interdipendenze 2 Procedura di calcolo finalizzata all ottimizzazione energetica economica dell impianto proposto 3 Applicazione al caso dell Ospedale San Giovanni Bosco di Napoli 5 2 Scelta della tipologia impiantistica co trigenerativa Nel capitolo 2 stato gi introdotto lo stato dell arte degli impianti cogenerativi e trigenerativi e sono state analizzate le singole tecnologie impiantistiche utilizzabili a tali scopi Motori a combustione interna Turbine a gas Turbine a vapore Cicli combinati ecc Come si pu riscontrare dalla figura 5 2 1 nel campo delle piccole potenze fino a 3 4 MW elettrici la soluzione pi efficiente risulta essere rappresentata dai motori alternativi con rendimenti che nei modelli di taglia medio alta di ultima generazione possono superare il 40 Questa caratteristica unita al minor costo unitario rispetto alle TG di analoga taglia fa dei motori a combustione interna la tecnologia complessivamente pi interessante nel campo di potenza utilizzabile agli scopi del presente studio 2 000 1 800 _ 1600 3 1400 1200 3 1 10 100 1 000 P
223. olto elevate dell ordine di 100 000 giri al minuto il che comporta elevati valori della frequenza della corrente generata inoltre il sistema progettato per funzionare con velocit di rotazione variabile al variare del carico e dunque la corrente alternata viene prodotta a frequenza variabile per questo motivo a valle dell alternatore previsto un sistema elettronico di condizionamento per convertire la corrente alternata alla frequenza nominale di rete pari a 50 Hz La possibilit di funzionare a velocit di rotazione variabile al variare del carico conferisce alla MTG una flessibilit operativa maggiore rispetto alle grandi turbine a gas per le quali la velocit di rotazione invece fissa e stabilita direttamente dalla frequenza di rete Con tale modalit operativa a giri variabili si attenua il decadimento di prestazioni in termini di rendimento che si avrebbe a carico ridotto se la velocit fosse costante pertanto le MTG sono anche utilizzabili in applicazioni nelle quali richiesta una frequente modulazione del carico In definitiva la microturbina a gas si compone dei seguenti elementi un gruppo turbo compressore che nella fattispecie delle a sua volta composto da un compressore centrifugo monostadio ed una turbina a gas monostadio a flusso radiale 58 una camera di combustione di dimensioni limitate che pu essere con architettura anulare di derivazione aeronautica o tubolare disposta tr
224. ondizioni 4 allo stato liquido 4 Espansione laminazione 4 1 il liquido ora per completare il ciclo termodinamico si deve portare il liquido che si trova al livello di pressione del condensatore pi elevato a quello 1 al livello minore di pressione nell evaporatore Tale trasformazione nel caso di cicli frigoriferi avviene all interno di una valvola di laminazione e risulta irreversibile in quanto l espansione non tecnicamente realizzabile Il fluido quindi durante tale trasformazione oltre ad espandersi si raffredda Come detto la pompa di calore caratterizzata da un ciclo termodinamico che opera tra due livelli di temperatura Ta e con Ta gt Tb e nel caso sia reversibile oltre che per il riscaldamento pu essere utilizzata anche per il condizionamento estivo In entrambi i casi possibile definire un coefficiente di prestazione energetica che valuta l energia utile messa a disposizione e l energia primaria consumata Indicando con il calore scambiato con la sorgente a temperatura Ta e quello scambiato con la sorgente a temperatura ed L il lavoro meccanico fornito al compressore nel caso di funzionamento invernale la pompa di calore cede calore al corpo da riscaldare a temperatura Ta consumando il lavoro L In questo caso possibile definire il COP coefficiente di effetto utile dall inglese coefficient of performance come il rapporto tra l energia utile e l energia in ingresso e quindi pari a
225. onomico non ripagato durante il funzionamento dell impianto viceversa un sottodimensionamento comporter una alterazione del comportamento termico del sottosuolo Per eseguire il dimensionamento dell impianto necessario conoscere alcuni parametri relativi al terreno ed all impianto quali ad esempio per il terreno la conoscenza della matrice della porosit dell umidit della conduttivit termica della presenza di falde della temperatura del terreno indisturbato ecc mentre per l impianto necessario conoscere i parametri di funzionamento dello stesso quali le temperature di lavoro dell evaporatore e del condensatore della pompa di calore il fabbisogno termico dell edificio sia nel periodo estivo che invernale e sia per la produzione dell acqua calda sanitaria le ore di funzionamento ecc Un ulteriore parametro da considerare rappresentato dalla geometria della sonda che solitamente si sceglie nella soluzione ad U Di conseguenza la scelta del tipo di scambiatori si differenzia tra singolo U o doppio U Da un punto di vista della resa termica degli scambiatori i sistemi a doppio U presentano una resistenza termica minore rispetto a quelli a singolo U Il vantaggio sostanziale dovuto al fatto che le sonde a doppio U hanno una affidabilit superiore poich qualora uno dei canali si ottura il sistema comunque in grado di scambiare calore con il terreno mentre un elemento a sfavore dovuto alla maggiore difficolt di istal
226. orgente termica del problema locale q lo stesso per ogni sottoregione Nel problema di flusso stazionario la temperatura nella regione circolare intorno al tubo in cui scorre il fluido calcolabile mediante l equazione 4 5 2 5 4 3 Tap t Ti ETA amp i Equazione 4 5 2 5 4 Mr 4 5 2 6 Sovrapposizione di temperature dove La temperatura nel suolo una sovrapposizione di tre elementi una temperatura locale una temperatura globale ed una temperatura di flusso stazionario L esatta posizione dei pozzi non conosciuta in questo modello Per ottenere la temperatura sovrapposta bisogna specificare la distanza radiale rispetto al tubo in cui scorre il fluido pi vicino Inizialmente la cella globale i j data Poi la corretta sottoregione calcolata automaticamente nel programma La distanza radiale dal tubo in cui scorre il fluido ottenuta specificando la coordinata j per un appropriato punto nodale nella mesh locale La sovrapposizione di temperatura consente quindi di calcolare la temperatura del suolo mediante l equazione 4 5 2 6 1 a k k k TeTau T Ty Equazione 4 5 2 6 1 153 Capitolo 5 RISULTATI DELL ANALISI ENERGETICA E TECNICO ECONOMICA 5 1 Premessa In questo capitolo si descriveranno i criteri adottati per effettuare l analisi energetica sugli impianti cogenerativi La metodologia utilizzata consente di simulare l utilizzo di tali impianti su base annuale e con cadenza oraria una v
227. orme che la sorgente di calore fosse schematizzabile come una linea infinita e che il flusso termico derivante risulti costante in modo tale da considerare il flusso termico normale alla linea infinita e quindi di tipo radiale che vi sia completo contatto termico e perfetta aderenza tra lo scambiatore ed il terreno Partendo da tali ipotesi Ingersoll determin una distribuzione della temperatura mediante la seguente relazione p 2 fe yg 0 T B a 0D dove 100 r 2a T la temperatura del terreno ad una certa distanza dalla linea della sorgente qualora si impone tale distanza pari al diametro del tubo la temperatura T la temperatura della superficie del tubo To la temperatura iniziale a cui si trova il terreno il flusso di calore della sorgente r la distanza dall asse del tubo k la conducibilit termica del suolo a la diffusivit termica del suolo che definita dalla seguente relazione a gt pe p la densit del suolo t il tempo trascorso dall istante iniziale la variabile d integrazione dell equazione della distribuzione della temperatura ed pari a r 2 Per valori di X lt 0 2 l integrale 1 pu essere approssimato dalla seguente relazione 2 4 1 X x I X 2 303l0g 0 2886 X Et Il modello di Ingersoll applicabile anche a flussi termici radiali variabili suddividendo l intervallo di tempo in vari in
228. oro specifico Infatti come mostrato pi in dettaglio in Fig 2 6 2 3 il lavoro specifico e il rendimento sono funzione dei due parametri operativi temperatura di ingresso in turbina TIT e rapporto di compressione f 0 60 0 50 4 TIT 15009C TIT 13009C 0 40 48 4 8 TIT 1100 E 36 3 0 30 d pis B 8 E TIT 900 C 8 0 20 Si pex 26 ame TIT 700 C gi B 2 10 m I l l 0 100 200 300 400 500 600 Lavoro specifico kJ kg Fig 2 6 2 3 Andamento del lavoro specifico e del rendimento in funzione del rapporto di compressione e della temperatura di ingresso in turbina TIT 53 Le prestazioni di una turbina a gas dipendono inoltre dalle condizioni ambientali e dal carico Hanno inoltre influenza sulle prestazioni della turbina a gas anche la pressione ambiente se diminuisce diminuisce la potenza prodotta le cadute di pressione all aspirazione ed allo scarico se aumentano diminuisce la potenza prodotta e la tipologia composizione del combustibile Tra i parametri ambientali temperatura pressione e umidit relativa dell aria aspirata dalla macchina quello che pi influisce sulle prestazioni della turbina a gas la temperatura dell aria aspirata all aumentare della temperatura a causa della minore densit dell aria in aspirazione si ha un decremento della potenza utile elettrica e in misura meno marcata del rendimento Nelle taglie medie e grandi le turbi
229. otenza elettrica MW Figura 5 2 1 Costi specifici indicativi impianti di cogenerazione al variare della tecnologia e della taglia Fonte Dentice d Accadia appunti del corso di Energetica 1 154 I M C I risultano pi utilizzati a meno che l utenza da servire non sia caratterizzata dalla sostanziale assenza di richieste termiche a temperature inferiori ai 100 C e di richieste di energia frigorifera In tal caso l impossibilit di utilizzare i reflui termici a bassa temperatura dei motori alternativi raffreddamento cilindri olio di lubrificazione eventuale intercooler pu rendere preferibile il ricorso ad un impianto con TG caratterizzata da alte temperature dell intero recupero termico e continuit di esercizio Un ulteriore aspetto che rende preferibile la scelta dei motori a combustione interna rispetto alle altre tecnologie rappresentato dalla possibilit nel caso di utenze che hanno una richiesta non continuativa di energia termica ed elettrica nell arco giornaliero di procedere accensioni spegnimenti dell impianto senza danni per le apparecchiature Per quanto riguarda le TG tuttavia va segnalata la comparsa sul mercato negli ultimi anni di unit a rigenerazione di piccola taglia microturbine con potenza elettrica nel campo 50 200 kW caratterizzate da rendimenti elettrici dell ordine del 3096 sia pure a spese di una minore potenza termica resa rispetto alle corrispondenti TG senza rigenerazione Il loro
230. pecifico generato dall utente Type 56 con cui si rappresenta l edificio Il programma TRNBUILD legge ed elabora un file contenente la descrizione dell edificio e genera due file che verranno utilizzati dal componente TYPE 56 durante una simulazione in TRNSYS Il file contenente la descrizione dell edificio pu essere generata dall utente con qualsiasi editor di testo o con il programma interattivo TRNBUILD A causa della complessit dei parametri di un edificio multizona i parametri del TYPE 56 non sono definiti direttamente nel file di input del TRNSYS ma viene generato un cosiddetto file edificio con estensione BUI contenente le informazioni sull edificio Il programma TRNBUILD stato sviluppato per fornire un facile strumento da usare per la creazione del file BUI A partire da alcuni dati di base del progetto l utente descrive ogni zona termica Tutti i dati inseriti vengono salvati nel cosiddetto file di costruzione BUI che altro non che un file di testo con codice ASCII file BUI molto utile per controllare i dati inseriti nel TRNBuild La finestra TRNBuild iniziale mostrata nella Figura 4 2 1 1 TRNBuild Fie Options Window Help Fig 4 2 1 1 Layout iniziale TRNBuild Il menu principale della finestra iniziale TRNBuild ospita i seguenti elementi FILE e VIEW e OPTIONS 114 WINDOW e HELP E possibile aprire un file esistente BUI cliccando su FILE e su OPE
231. pico andamento della temperatura nell intorno dello scambiatore verticale rappresentato nella figura seguente Eugster Rybach 2000 undisturbed temperature year of operation cooling down after complete years of operation recovery 1 11th year of operation long time 300 year of operation draw down short time M draw down effect funnel like radial tem perature profile temperature during operation cycles D 2 S a E S g 10 20 Radial distance m Inoltre si riscontra che il raggiungimento di un nuovo equilibrio risulta facilitato qualora sia presente nel terreno una falda acquifera o si sia in presenza di terreno saturo 95 Visto l elevato costo di realizzazione delle trivellazioni si sempre orientati a minimizzare la lunghezza complessiva delle sonde La lunghezza delle sonde per deve comunque garantire che non si abbia una riduzione della temperatura della sorgente termica in quanto ci porterebbe ad un conseguente decremento delle prestazioni della pompa di calore collegata all impianto e quindi ad una potenza termica utile minore Pertanto i punti fondamentali da dover considerare per un corretto dimensionamento dell impianto sono i seguenti 1 2 3 4 La temperatura della sorgente termica in ingresso alla pompa di calore nel periodo invernale all interno dell intervallo di funzionamento
232. plicazione del Decreto del Ministero dello Sviluppo Economico 5 settembre 2011 Cogenerazione ad Alto Rendimento CAR Deliberazione 15 dicembre 2011 ARG elt 181 11 Aggiornamento dei provvedimenti dell Autorit per l energia elettrica e il gas correlati alla deliberazione n 42 02 in materia di cogenerazione a seguito dell emanazione dei decreti ministeriali 4 agosto 2011 e 5 settembre 2011 Decreto Ministeriale 5 settembre 2011 Definizione del nuovo regime di sostegno per la Cogenerazione ad Alto Rendimento Decreto Ministeriale 4 agosto 2011 Integrazioni al decreto legislativo 8 febbraio 2007 n 20 di attuazione della direttiva 2004 8 CE sulla promozione della cogenerazione basata su una domanda di calore utile sul mercato interno dell energia e modificativa della direttiva 92 42 CE Decreto Legislativo 3 marzo 2011 n 28 Attuazione della direttiva 2009 28 CE sulla promozione dell uso dell energia da fonti rinnovabili recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001 77 CE e 2003 30 CE Delibera ARG elt 174 09 Aggiornamento a decorrere dall 1 gennaio 2010 dei parametri di riferimento per il riconoscimento della produzione combinata di energia elettrica e calore come cogenerazione ai sensi dell articolo 3 comma 3 1 della deliberazione dell Autorit per l energia elettrica e il gas 19 marzo 2002 n 42 02 231 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
233. po decurtati della quantit necessaria al soddisfacimento del carico termico richiesto dall utenza Tale configurazione impiantistica caratterizzata quindi da un elevato sfruttamento dei reflui termici consente di ridurre notevolmente le eccedenze termiche riscontrate nel caso della configurazione cogenerativa Si riporta nella seguente Figura 5 6 2 2 il diagramma dell analisi di sensibilit condotta sul carico termico cumulato al variare della taglia del gruppi considerati Per quanto concerne i gruppi considerati in tale analisi si far riferimento agli stessi gruppi analizzati nella soluzione cogenerativa 1800 Carico Termico cumulato 1600 Jenbacher312 Jenbacher 208A 1400 Jebad2088 Mtu ME3066LH 1200 Ecogen EG350 1000 800 600 Potenza Termica cumulata kW 400 200 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Ore anno h Figura 5 6 2 2 Analisi di sensibilit del carico termico cumulato 210 Analizzando il diagramma dell analisi di sensibilit del carico termico si riscontra che il cogeneratore Jenbacher 312 risulta essere anche in questo caso sovradimensionato rispetto alle esigenze termiche producendo elevate quantit di eccedenze termiche eccedenze dopo 2000 ore anno mentre gli altri cogeneratori selezionati risultano avere una potenzialit termica che li rendono anche in questo caso energeticamente validi Sulla base dei risul
234. pu essere data da una funzione del tempo espressa dall equazione 4 5 2 3 4 Tp Trent Equazione 4 5 2 3 4 Le temperature di ingresso Tj Tj gt ad ogni sottoregione possono essere calcolare successivamente applicando l equazione 4 5 2 3 2 Un altra opzione in condizioni di carico specificate prevedere una certa quantit di prelievo o immissione di energia termica Questa quantit potr essere convertita in temperatura di ingresso del fluido che fornisce l effetto richiesto Un uso successivo della equazione 4 5 2 3 1 conduce alla relazione tra temperatura del fluido in ingresso ed uscita Trout Tru A Equazione 4 5 2 3 5 dove A e sono costanti che dipendono dal fattore di smorzamento La costante A dipende anche dalla temperatura del suolo T L effetto totale pu essere espresso dall equazione 4 5 2 3 6 Q 1 8x4 Equazione 4 5 2 3 6 La temperatura di ingresso del fluido ora dato da un valore di prova che pu essere convenientemente impostato a zero 0 Dalla equazione 4 5 2 3 6 il corrispondente effetto di prova diventa Q CreQgA Equazione 4 5 2 3 7 Poi sottraendo l equazione 4 5 2 3 7 all equazione 4 5 2 3 6 si ottiene Q Q 2CQ Q Equazione 4 5 2 3 8 151 Una opzione addizionale per condizioni di carico specificate permette di fissare i limiti superiori ed inferiori della temperatura del fluido L effetto desiderato sar usato a meno che non venga superato il valore limi
235. r pi elevato si avr un innalzamento della temperatura Il dimensionamento del campo geotermico deve portare ad una variazione della temperatura di 1 2 C nel periodo di 25 30 anni Potenza nominale della pompa di calore adeguata al carico termico Temperature nell intorno dello scambiatore al di sopra dei 2 C per evitare congelamento permanente del terreno in presenza di falde acquifere temperature inferiori a 0 C per lunghi periodi Un altro parametro importante per i campi geotermici di grandi dimensioni l insorgenza di interferenze termiche tra le varie sonde verticali infatti per minimizzare tale fenomeno 96 opportuno distanziare le varie sonde di almeno 5 10 m Inoltre si riscontra la necessit di sovradimensionare il campo di sonde di circa il 10 20 rispetto ad un impianto a singola sonda 3 6 Approccio progettuale Preliminarmente all attivit progettuale dell impianto geotermico risulta di fondamentale importanza adottare tutte le azioni atte a ridurre il fabbisogno energetico dell edificio Pertanto bisogna progettare un edificio ben coibentato ad esempio riducendo i ponti termici ed utilizzando vetri selettivi o basso emissivi Questo molto importante in quanto un impianto alimentato da fonti rinnovabili o ad alta efficienza risulta essere caratterizzato da costi d investimento iniziali nettamente maggiori rispetto ad impianti tradizionali Per progettare un impianto a terreno e per garanti
236. r unit di lunghezza del tubo in cui circola il fluido indice p mentre l equazione 4 5 2 2 2 rappresenta un bilancio per unit di volume nell accumulo indice v In entrambe le equazioni sopra riportate con s si rappresenta la coordinata lunghezza del percorso del fluido Il fattore di smorzamento definito dall equazione 4 5 2 2 3 a a g UE SUR Equazione 4 5 2 2 3 Nella formula V il volume di accumulo Qj la portata totale di fluido e Z la lunghezza totale del tubo in cui scorre il fluido nel volume di accumulo La temperatura del fluido all uscita del volume pu essere espressa dall equazione 4 5 2 2 4 Trou 17 B To Equazione 4 5 2 2 4 dove la temperatura all ingresso del fluido Si osserva che quando la portata di fluido si avvicina a zero la temperatura all uscita si avvicina alla temperatura 7 del suolo circostante D altra parte la temperatura all uscita eguaglia la temperatura all ingresso quando la portata di fluido tende all infinito L effetto totale di iniezione nel volume esprimibile dall equazione 4 5 22 5 Q Cp Q Tren Trout Equazione 4 5 2 2 5 Usando l equazione 4 5 2 2 4 per la temperatura all uscita e normalizzando rispetto al volume si ottiene Fia Arp Ta Equazione 4 5 2 2 6 Queste formule sono usate per simulare l effetto di variazione di temperatura lungo il percorso del fluido Esse sono usate sia per il problema locale che p
237. ra media del volume locale e la temperatura media del fluido nel pozzo per un dato istante di tempo proporzionale al flusso di calore di condensazione estrazione per una resistenza termica terreno fluido Questo viene usato per spiegare le condizioni di trasferimento del calore intorno a pozzi singoli a causa di variazioni termiche di breve durata Su scale temporali pi lunghe il campo del flusso di calore in questa regione non cambia con il tempo Una differenza di temperatura costante viene quindi calcolata dovuto al flusso di calore costante e ad una resistenza termica costante La seconda regione si interessa del problema della conduzione di calore le pareti del volume di accumulo del calore pozzi multipli ed il terreno restante Hellstrom definisce questo come il problema globale Il problema globale trattata come tre componenti una componente di perdita termica stazionaria una componente di innalzamento dei livelli termici ed una perdita termica periodica Il regime stazionario pu essere raggiunto dopo diversi anni a seconda della dimensione dell accumulo di calore della dissipazione di calore e dei tassi di estrazione durante il quale si presume che si verifichi intorno al campo foro un accumulo termico transitorio in cui il flusso di calore si avvicina gradualmente un valore costante Modello di Hellstrom determina la variazione totale della temperatura del terreno rispetto alle condizioni iniziali come sovrapposizione spazial
238. ranti R410A R407C ecc Il ciclo opera sfruttando due trasformazioni in cambiamento di fase l evaporazione e la condensazione mentre le altre due trasformazioni sono necessarie per completare il ciclo per passare dal livello di pressione maggiore a quello minore Qa Condensazione isobarica El 8 2 s Valavola di Compressione laminazione adiabatica isoentalpica Entropia J K kg Evaporazione isobarica Figura 3 3 1 Ciclo termodinamico a compressione di vapore 77 Le quattro trasformazioni costituenti il ciclo termodinamico sinteticamente analizzate sono 1 Evaporazione 1 2 tale trasformazione avviene all interno di uno scambiatore di calore detto evaporatore in cui il fluido refrigerante evapora assorbendo il calore fornito dalla sorgente esterna solitamente aria 2 Compressione 2 3 il vapore prodotto dall evaporazione entra nel compressore e viene portato alla pressione di condensazione in uscita dal compressore il vapore surriscaldato 3 Condensazione 3 4 il vapore surriscaldato fluisce all interno di uno scambiatore di calore detto condensatore in cui cede il calore e si raffredda nella prima parte dello scambio di calore il vapore raggiunge la condizione di saturazione 3 3 successivamente segue la fase in cui si ha il cambiamento di fase che avviene a temperatura costante pari alla temperatura di condensazione T3 fino ad uscire nelle c
239. rata e ai costi dispacciamento trasmissione distribuzione oneri etc che non devono essere sostenuti in caso di autoconsumo in loco dell energia elettrica prodotta ma anche alla diversa fiscalit che viene applicata ai combustibili se utilizzati in cogenerazione In Italia la fiscalit dei combustibili molto variabile a seconda dell utilizzo che viene fatto prendendo ad esempio il gas naturale combustibile principe per la cogenerazione si possono avere le seguenti aliquote Uso imposta di consumo IVA c m Civile 0 480 m anno 3 8 17 1 10 Civile oltre 480 m anno 12 18 3 20 Industriale 0 8 1 3 10 20 Generazione elettrica 0 05 10 Tabella 2 3 6 5 1 Imposte di consumo e valore aggiunto per diversi usi del gas naturale A tali imposte andrebbero aggiunte anche le addizionali regionali che tuttavia non gravano sul gas usato per la generazione elettrica La cogenerazione coinvolge la generazione elettrica e l uso termico civile o industriale a seconda del settore di applicazione Cos l imposizione quella della generazione elettrica per un massimo di 0 25 m3 di gas naturale ogni kWhe prodotto che il consumo specifico degli impianti di produzione di energia elettrica stabilito nel 1998 dalla delibera AEEG 16 98 L eventuale ulteriore consumo di gas che si presenta fino a che il cogeneratore ha un rendimento elettrico inferiore al 42 circa sar soggetto all accisa tip
240. ratori che immettono in rete pi di 100 GWhe anno che almeno il 2 dell elettricit provenga da impianti a fonti rinnovabili entrati in esercizio in data successiva al 1 4 99 non tuttavia soggetta all obbligo l energia elettrica prodotta dagli impianti cogenerativi ad alto rendimento L obbligo stato incrementato negli anni dello 0 35 annuo dal 2004 al 2006 e dello 0 75 annuo dal 2007 al 2012 Requisito necessario al rilascio di CV la qualifica degli impianti alimentati da fonti rinnovabili IAFR rilasciata dal GSE su richiesta del produttore successivamente sempre su richiesta del produttore viene riconosciuta dal GSE una quota di certificati verdi proporzionale all energia da fonte rinnovabile prodotta nell anno precedente o alla quantit attesa di produzione nell anno in corso o nell anno successivo 31 Dal 2008 il prezzo di riferimento dei Certificati pari alla differenza tra 180 MWhe e il prezzo medio annuo di cessione dell energia elettrica nell anno precedente Tale valore pu essere aggiornato ogni 3 anni con decreto ministeriale La compravendita dei CV avviene in un mercato elettronico gestito dal GME o attraverso contrattazioni bilaterali dei quali devono comunque essere registrate quantit e prezzi 2 3 6 5 La fiscalit della cogenerazione La convenienza economica di un impianto di cogenerazione dovuta non solo alla possibile maggior efficienza energetica rispetto alla generazione sepa
241. ratura massima del suolo durante l anno Una volta determinate queste lunghezze massime delle sonde in regime invernale ed estivo si assumer come lunghezza definitiva la lunghezza massima tra le due e sar necessario procedere ad una verifica mediante un calcolo iterativo in cui inizialmente si fissano le temperature e poi si calcolano le lunghezza per poi procedere ad una verifica del dimensionamento invertendo l equazione del calcolo della lunghezza delle sonde 3 6 2 4 Modello di Kavanaugh e Rafferty Un ulteriore modello di dimensionamento analitico di un sistema di scambiatori verticale stato realizzato da Kavanaugh e Rafferty che si basarono sulla teoria della sorgente cilindrica di Carslaw e Jaeger Questo modello stato preso come riferimento dall ASHRAE che lo ha riportato nel manuale tecnico relativo ai sistemi con pompa di calore geotermiche Tale modello si basa sulle seguenti ipotesi 1 trasmissione di calore per sola conduzione 2 perfetta adesione tra scambiatore di calore e terreno circostante 3 trascurati gli effetti del moto dell acqua di falda e dell interferenza tra sonde vicine 104 La soluzione del modello si basa sulla teoria della sorgente cilindrica per un trasferimento di calore costante ed rappresentata dalla seguente formula T T Lu p k dove z rappresenta il numero adimensionale di Fourier at FT z p E Lr ed 7 il raggio esterno dei tubi L espressione di G z p
242. rbato che pu essere considerato pari alla media annua della temperatura dell aria esterna Una volta che si collega l impianto geotermico si riscontrer che la temperatura si attesta su valori pi bassi qualora il calore assorbito sar maggiore di quello ceduto e pi alto viceversa Solo dopo alcuni anni di funzionamento dell impianto si istaurer nuovamente un equilibrio stazionario tra l energia immessa e quella prelevata dal terreno E possibile determinare la temperatura del terreno indisturbato a diverse profondit mediante la seguente formula TENT A e E eos t n ZEB 365 2 dove Tm rappresenta la temperatura media del terreno C As rappresenta l ampiezza della variazione annua della temperatura superficiale a rappresenta la diffusivit termica del terreno m2 giorno to rappresenta il numero di giorni in cui si ha la minima temperatura superficiale z rappresenta la profondit t iltempo L andamento della temperatura a diverse profondit ha un andamento rappresentato nella figura seguente 82 Temperatura a im GEN FEB MAR APR MAG Gu wi AGO SET NOV oc Moso Da cui si riscontra all aumentare della profondit la temperatura del terreno tende a raggiungere un valore costante pari a circa 12 15 C 3 4 1 I processi di trasmissione di calore nel suolo Si analizzano brevemente i processi di trasmissione del calore che si trovano alla base del funzionamento delle sonde geotermiche Il se
243. re il recupero termico dai fumi e di conseguenza maggiore il rendimento elettrico del gruppo combinato anche se contestualmente aumenta la complessit architettonica ed il costo d impianto 62 aria fuel HRSG al camino Fig 2 6 5 1 Schema concettuale dell impianto combinato L elevato livello tecnologico ha permesso di raggiungere nei cicli combinati di grossa taglia valori del rendimento elettrico vicini al 60 con architetture a tre livelli di pressione 3LP e adottando il risurriscaldamento del vapore RH La figura 1 6 5 2 fornisce un prospetto dei valori di rendimento dei cicli combinati presenti in commercio si osserva che esistono tre famiglie di macchine con complessit impiantistica e prestazioni differenti e che coprono fasce di taglia di potenza diverse oltre ai pi grandi 3 LP RH vi sono cicli combinati a due livelli 2 LP e cicli combinati ad un solo livello di pressione 1 LP con taglie da pochi MWe fino a circa 20 MWe In particolare per quanto riguarda i cicli combinati di taglia pi piccola esistono in commercio solo pochi modelli nel range di potenza elettrica inferiore a 10 MW 65 1LP 2LP 3 LP RH rendimento elettrico 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Potenza elettrica MW Fig 2 6 5 2 Prospetto dei valori di rendimento dei cicli combinati 63 Si osserva che in questi impianti la turbina a gas presenta una taglia superiore a 5 MW inoltre si nota che i rendi
244. re 11 9 202 Industria automobilistica 23 1 162 Industria ceramica 3 9 74 Riscaldamento e teleriscaldamento 12 5 Impianti sportivi 0 1 Alberghi e ristoranti 0 1 997 Commercio 0 5 Ospedali 1 0 Case di riposo e simili 15 Concerie 2 0 Industria tessile 3 0 Articoli in gomma e mat plastiche 32 529 Industria elettronica 9 0 Trasporti aerei 30 5 Tabella 2 5 1 Potenza elettrica installata per settore di attivit dati GSE anno 2006 In termini energetici la cogenerazione in Italia ha contribuito nel 2006 con circa 49 TWh elettrici prodotti al 16 dell intera produzione elettrica nazionale il 20 con riferimento alla sola termoelettrica mentre la produzione di calore si attestata intorno ai 39 TWh termici 37 Il consumo di combustibile nello stesso anno risultato pari a 130 TWh con la seguente ripartizione il 70 rappresentato dal gas naturale il 20 da combustibile di processo e circa 1 8 da olio combustibile e suoi derivati gpl e gasolio La figura 2 5 1 che illustra l evoluzione negli ultimi anni della potenza installata e della produzione degli impianti cogenerativi italiani evidenzia il forte incremento delle installazioni e della produzione elettrica 36 a fronte di un pi modesto aumento della produzione di calore 8 9000 I 50 9500 ET RA 5 E 3 8000 po 4s e s E produzione 3 elettrica 8 7500 E E 8 E 5 7000
245. re un corretto dimensionamento necessario conoscere le propriet del terreno e valutarne lo scambio termico nel breve medio lungo termine In relazione alla potenza di progetto dell impianto geotermico ai fini del riscaldamento e raffrescamento degli edifici si possono seguire approcci progettuali che consentono di semplificare la procedura di dimensionamento in particolari condizioni DIMENSIONAMENTO IMPIANTO GEOTERMICO Installazioni commerciali Piccoli impianti domestici lt 30 kW Ground response Test Metodi semplificati Strumenti software simulazioni tabellati Attualmente in Italia non sono presenti norme italiane che possono essere utilizzate come riferimento nella fase progettuale in generale si fa quindi riferimento all esperienza Svizzera con la norma VDI 4640 e all esperienza Nord Americana con le metodologie ASHRAE Tutte le norme o esperienze prese in considerazione durante la fase di progettazione impiantistica limitano l utilizzo di metodologie semplificate ad impianti di taglia non superiore ai 30 kW Infatti fino a tale taglia si 97 utilizzano per il dimensionamento dell impianto valori tabellati funzioni del tipo di suolo definendo un rapporto fra potenza installata e lunghezza delle sonde definendo quindi una potenza specifica di estrazione W m Per istallazioni di potenza superiore sar necessario conoscere le propriet termiche del terreno
246. re verticali ad U Numerosi ricercatori hanno sviluppato approcci numerici analitici ed ibridi volti a simulare il comportamento termico di scambiatori di calore geotermici Si sono susseguiti vari metodi analitici basati sull approssimazione delle geometria dei tubi ad U che vengono considerati come un sol tubo coassiale caratterizzato da un diametro equivalente ed andando ad applicare la teoria della sorgente cilindrica Carslaw e Jaeger oppure approssimando la geometria applicando la teoria della sorgente lineare Kelvin Ingersoll Negli USA si utilizzano i metodi analitici basati sulle teorie della sorgente lineare e cilindrica che presuppongono un regime stazionario alla base dello scambio termico che non pu essere applicato nel caso di scambiatori verticali In conseguenza di ci sono stati sviluppati modelli ibridi Poich in Europa si sono sviluppati impianti a scambiatori verticali si utilizzano modelli di dimensionamento analitici ibridi basati sull esperienza dell Universit di Lund e anche quelli sviluppati da Eskilson e Claesson e da Hellstrom Di seguito si analizzeranno brevemente i vari modelli di dimensionamento analitici esistenti 3 6 2 1 Modello di Ingersoll Ingersoll sviluppando il suo modello per ottenere una distribuzione delle temperature in un mezzo infinito si bas sulla teoria della sorgente lineare di Kelvin Nel suo modello Ingersoll consider che il terreno fosse inizialmente a temperatura unif
247. reparti operatori L impianto di climatizzazione presente nell ospedale costituito da due centrali termiche po ste sulla copertura dei corpi B e C costituite da gruppi frigoriferi e da unit di trattamento aria a servizio dei reparti Pronto soccorso centro trasfusionale Rianimazione Blocco operatorio Ostetricia e Ginecologia Servizio Psichiatrico Diagnosi e Cura Psichiatria Daysurgery e la Direzione Sanitaria Amministrazione Negli ultimi anni di pari passo con l evoluzione degli impianti di climatizzazione si diffusa i tutti i settori industriale terziario e dei servizi l esigenza della climatizzazione nel periodo estivo Anche nell Ospedale S Giovanni Bosco si sentita tale esigenza per cui sono stati installati singoli impianti del tipo split system negli ambienti di degenza negli studi dei me dici e dei parasanitari nei laboratori negli uffici amministrativi ecc Tale soluzione seppur di facile ed immediata installazione non risponde a criteri di efficienza energetica Si provve duto a censire tali impianti risultati quantificati in 250 elementi caratterizzati da una potenza frigorifera variabile tra i 9000 ed i 24000 Btu ed da un assorbimento elettrico variabile tra 1 ed i 3 1 kW d Impianti elettrici La struttura ospedaliera dotata di una unica cabina di trasformazione Media Tensione Bassa Tensione munita di trasformatori trifase in parallelo di opportuna potenza per soddisfare il fabbisogno
248. rface ESRB k exponent vertical surface DB Dum Fig 4 2 1 3 Parametri caratteristici delle propriet dell aria e dei coefficienti di scambio termico Nella finestra TRNBuild Manager sono presenti su due righe distinte l indicazione del Project e delle Zones cliccando con il tasto destro del mouse possibile inserire nuove zone al progetto Facendo ci infatti si apre una nuova finestra si veda la figura 4 2 1 4 definita con un nome fissato dall utente in cui si devono andare ad inserire i parametri caratteristici della zona singolo locale dell edificio progettato 116 LOCALE1 Regime Data zone volume m 3 Infitiaion i Heating Gens 3 Hum Values capacitance P Ventilation 8 Cooling Comon Windows lArea Categoy luValue gValue Add Add Fig 4 2 1 4 Finestra di inserimento dei parametri caratteristici dei singoli locali costituenti l edificio In tale finestra si devono inserire i valori relativi a e Volume della zona come riscontrabile dalla figura 4 2 1 5 da cui si ricava la capacit della zona oggetto della progettazione espressa come un rapporto tra zone volume m 3 y I l energia termica e la temperatura espressa in gradi capacitance MONA m Kelvin difatti tale parametro espresso in kJ K Fig 4 2 1 5 Parametri volumetrici del locale e Parametri iniziali de
249. rmica del materiale comprendente i tubi dello scambiatore ad U GAP THERMAL CONDUCTIVITY la conducibilit termica del materiale nell interstizio tra i tubi ad U ed il materiale di riempimento Negli interstizi usualmente c aria acqua GAP THICKNESS lo spessore dell interstizio tra i tubi ad U ed il materiale di riempimento REFERENCE BOREHOLE FLOWRATE la portata di fluido di riferimento per pozzo per calcolare la resistenza termica borehole thermal resistance tra fluido e terreno REFERENCE TEMPERATURE la temperatura del fluido di riferimento per calcolare la resistenza termica tra fluido e terreno FLUID SPECIFIC HEAT il calore specifico del fluido che fluisce attraverso lo scambiatore FLUID DENSITY la densit del fluido che fluisce attraverso lo scambiatore 136 Il set successivo di parametri fa riferimento alla durata della simulazione e ad un possibile preriscaldamento del suolo avvenuto ad opera degli agenti meteorologici a partire da un certo numero di anni precedenti il funzionamento dell impianto I parametri da considerare sono 1 NUMBER OF SIMULATION YEARS la lunghezza in anni della simulazione che deve essere effettuata Il parametro deve includere il numero di anni di preriscaldamento che si vuole considerare Questo parametro utilizzato per determinare l estensione della mesh per il metodo alle differenze finite 2 MAXIMUM STORAGE TEMPERATURE la massima temperatura d
250. salire nell altro riscaldato dal calore del suolo Tale aumento di temperatura permetter l evaporazione del fluido frigorifero contenuto nella pompa di calore Viceversa durante il ciclo di raffrescamento estivo il fluido cede calore al terreno garantendo cos la condensazione del fluido interno alla pompa di calore I principali deterrenti per la diffusione sul territorio delle pompe di calore geotermiche sono l assenza di una normativa energetico ambientale di riferimento per il settore e gli elevati costi di installazione delle sonde Oltre all aspetto economico per un impianto geotermico bisogna considerare la sostenibilit ambientale dell impianto Lo sfruttamento del sottosuolo sia nel periodo invernale per il riscaldamento sia nel periodo estivo per la climatizzazione deve portare al raggiungimento di una condizione di equilibrio globale nel sottosuolo Infatti si riscontra una alterazione della temperatura del sottosuolo dovuta alla realizzazione di tale impianto A tal proposito sono stati condotti studi sperimentali da parte di Eugest e Rybach per valutare l influenza in termini di variazione di 74 temperatura del terreno nelle vicinanze degli scambiatori Mediante una rilevazione della temperatura si evinto da tale studio che l influenza delle condizioni climatiche esterne si riscontrano fino ad una profondit compresa tra 0 e 15 metri mentre a profondit maggiori il flusso geotermico diventa predominate rispetto
251. scaldamento invernale relativa al mese di Dicembre Potenza Termica kW am 200 Mi ena il Vi Figura a 5 5 31 Diagramma del carico di energia termica per l acqua calda sanitaria relativa al mese di Dicembre mica kW Potenza Termica KW Dem 171 Il fabbisogno di energia termica per la climatizzazione degli ambienti stato determinato effettuando un confronto tra i consumi di energia elettrica di un mese invernale Gennaio e quelli dei mesi tipicamente estivi Giugno Luglio Agosto Settembre Da tale analisi si determinato il consumo annuo di energia elettrica per il solo impianto di climatizzazione corrispondente a circa 395 MWh anno Ipotizzando un COP medio per i gruppi frigoriferi pari a 3 5 si infine determinato il consumo di energia termica per la climatizzazione ambientale pari a circa 1380 MWh anno Confrontando tale valore con l analogo desunto dalla simulazione in TRNSYS ammontante a complessivi 1550 MWh anno anche in questo caso si riscontra uno scostamento pari a circa 1 8 tale risultato ha permesso di ritenere validata detta simulazione pertanto possibile utilizzare i diagrammi dei carichi frigoriferi orari necessari al corretto dimensionamento dell impianto di trigenerazione A tal fine si riportano il diagramma del consumo annuo di energia termica frigorifera ed il diagramma di carico termico per la climatizzazione estiva su base annua desunti dalla simul
252. so civile uso industriale Mis 0 80 0 90 Tabella 2 3 3 3 Rendimento termico di riferimento 0 56 F gas naturale gpl gasolio P Wewa olio combustibile nafta MT in ic 1 10 25 50 100 23 taglia dell impianto MWe Figura 2 3 3 1 Rendimenti elettrici di riferimento secondo la delibera 42 02 il caso del gas naturale gpl gasolio olio combustibile e nafta alta tensione media tensione 0 95 A A e aa L bassa tensione lese ss US IE ESRI E e eee 54 0 521 pda a 3 Pa Ma potra 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Energia elettrica immessa in rete Energia elettrica totale Figura 2 3 3 2 Coefficiente p secondo la delibera 42 02 25 La figura 2 3 3 3 che segue permette di individuare nel caso specifico di impianti di nuova costruzione di taglia inferiore ad 1 MW le prestazioni energetiche con cui l impianto cogenerativo deve lavorare per ottenere la qualifica di cogenerazione ad alto rendimento 1 0 taglia inferiore a 1 MW combustibile gas naturale bassa tensione energia elettrica autoconsumata uso civile del calore oe 04 02 4 0 a 0 0 0 0 0 2 04 0 6 0 8 10 Figura 2 3 3 3 2 3 4 La Direttiva Europea n 2004 8 CE 11 febbraio 2004 La direttiva Europea n 2004 8 CE dell 11 febbraio 2004 ha quale scopo fondante quello di accresc
253. sso di spessore 2 cm e Mattoni forati di spessore 8 cm e Intercapedine d aria di spessore variabile tra i 6 ed i 12 cm e Mattoni forati di spessore 25 cm e Intonaco esterno di spessore 2 cm Si riporta nella figura seguente il pacchetto di muratura desunto dalla Norma UNI TS aventi le sopraindicate caratteristiche STRUTTURA N 9 DESCRIZIONE Muratura a cassa vuota Sezione struttura Rit Material Massa volumica Spessore Conduttvit em Wim 1 intonaco interno 1400 2 070 5 4321 calce e gesso ri 2 Mattoni forati 800 8 0 30 intercapedine daria 6 12 4 Mattoni forati 200 25 030 5 intonaco esterno 1800 2 0 90 6 7 8 ZA 9 10 Spessori variabili da 43 cm a 49 cm in funzione delintercapedine Figura 1 1 Descrizione muratura utilizzata in Campania negli anni 50 Per detta muratura si proceduto a calcolare il valore del coefficiente di scambio termico U della struttura muraria risultato pari a 1 2 W m K Analogamente per quanto riguarda le superficie trasparenti si riscontrata la presenza di doppi vetri 4 6 4 in quasi tutti i locali dell edificio e pertanto si calcolato un valore del coef ficiente di scambio termico U pari a circa 2 8 W m 1 3 2 Impianti Meccanici ed Elettrici dell Ospedale Da sopralluoghi effettuati presso l Ospedale stato possibile riscontrare quali fossero gli impianti meccanici presen
254. ssolar com CSTB Centre Scientifique et Technique du B timent http software cstb fr TESS Thermal Energy System Specialists LLC http www tess inc com Savino Basta Fabio Minchio Geotermia e pompe di calore Geotermia org maggio 2008 Francesco Tinti Geotermia per la climatizzazione Dario Flaccovio Editore giugno 2009 Tesi di laurea in Complementi di Energetica Universit degli studi del Sannio Relatore Ch mo Prof Ing M Sasso Correlatore Dott Ing G Angrisani Autore G Diglio Unit di trattamento aria con pompa di calore interagente con il suolo Anno accademico 2011 2012 Yavuzturk C J D Spitler 1999 A Short Time Step Response Factor Model for Vertical Ground Loop Heat Exchangers ASHRAE Transactions 105 2 475 48 Cenk Yavuzturk MODELING OF VERTICAL GROUND LOOP HEAT EXCHANGERS FOR GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEMS Degree of Doctor of Philosophy December 1999 John W Lund Derek H Freeston Tonya L Boyd Direct application of geothermal energy 2005 Worldwide review 2005 Geothermics 34 2005 691 727 Constantine Karytsas Dimitrios Mendrinos Johann Goldbrunner Low enthalpy geothermal energy utilization schemes for greenhouse and district heating at Traianoupolis Evros Greece 2002 Eugester W J Rybach L Sustainable production from borehole heat exchanger systems Proceedings World Geothermal Congress 2000 Kyushu Tohoku Japan May 28 June 10
255. stibili rinnovabili al 26 i derivati del petrolio al 10 e il carbone al 14 Danimarca II 41 della produzione elettrica da cogenerazione le unit esistenti sono per lo pi accoppiate a reti di teleriscaldamento o a utenze industriali coi tente l impiego di combustibili fossili li rinnovabili 13 solidi 55 seguito dal gas naturale 25 e dai combustil Finlandia La cogenerazione copre circa il 35 della domanda nazionale di elettricit e il 75 della domanda di calore principali applicazioni in teleriscaldamento e usi industriali forte impiego di combustibili fossili solidi 31 e rinnovabili 44 nonch di gas naturale 21 Francia La cogenerazione contribuisce per meno del 4 alla produzione di elettricit nazionale ed concentrata soprattutto nelle industrie di larga scala e in alcune reti di teleriscaldamento Elevato impiego di gas naturale 58 e di combustibili rinnovabili 21 Germania Circa il 13 della capacit elettrica totale in cogenerazione equamente divisa tra utenze industriali e reti di teleriscaldamento prevalente l impiego di gas naturale 46 carbone 21 e a combustibile rinnovabile 15 Olanda La cogenerazione contribuisce per circa il 30 alla produzione elettrica annuale soprattutto nel settore industriale Inoltre teleriscaldamento e cogenerazione su piccola scala hanno quote considerevoli Forte utilizzo del
256. stione in seno al combustibile I gas di combustione ad alta temperatura e pressione espandono in turbina fornendo sia lavoro meccanico all albero di potenza sia il lavoro meccanico necessario a trascinare il compressore Aumentando la temperatura massima del ciclo termodinamico rappresentata in una turbina a gas dalla temperatura dei gas all uscita dalla camera di combustione e di ingresso in turbina TIT aumenta l efficienza e il lavoro specifico del ciclo termodinamico Il limite superiore a tale temperatura imposto dalla capacit dei materiali utilizzati per le parti calde acciaio super leghe a base di nichel o cobalto e materiali ceramici di resistere alle alte temperature Una panoramica sui valori delle temperature di ingresso turbina TIT e dei rapporti di compressione di alcuni modelli di turbine a gas presenti sul mercato riportata in Fig 2 6 2 2 52 1700 1500 1300 1100 900 Temperatura ingresso turbina TIT C 500 fee G max lavoro specifico g NW943A Trent 60 PG9351 mBB211 16000 LM2500 550 GTI3E2 A VS grep a cate acer ge 0 Ss 10 15 20 25 30 35 Rapporto di compressione p 40 Fig 2 6 2 2 Rapporto di compressione e temperatura di ingresso in turbina di alcuni modelli di turbine a gas Nella stessa figura sono anche riportate le curve che indicano le regioni a massimo rendimento ed a massimo lav
257. stituita ad un flusso di acqua di raffreddamento e la macchina progettata per raffreddare un terzo flusso di fluido ad una temperatura di set point A causa dell utilizzo di dati di ricerca la Type 107 non applicabile oltre un intervallo di condizioni di ingresso Come con altri componenti che si basano su dati di catalogo le prestazioni della macchina possono essere previste ed interpolate entro un intervallo di dati disponibili ma non pu essere estrapolata oltre tale intervallo Una caratteristica benefica di questo modello che i dati presi direttamente dai cataloghi disponibili online dei costruttori sono normalizzati in modo che una volta che un file di dati stato creato pu essere usato per modelli di macchine ad assorbimento di diversa taglia rispetto ai dati a cui era destinato Nella creazione di esempi di file di dati con questo componente gli sviluppatori hanno notato che c era poca variabilit tra i file di dati una volta che 126 sono stati normalizzati Utilizzando i dati normalizzati l utente pu regolare la dimensione della macchina da modellare a tutto ci che appropriato per il sistema che si sta simulando La Type 107 richiede un singolo file di dati che deve essere specificato nel formato standard di dati di TRNSYS per la subroutine DynamicData Il file contiene i valori della frazione normalizzata della potenza a pieno carico e la frazione di apporto di energia di progetto per i vari valori della frazio
258. talia in edifici esistenti che ha consentito di acquisire indicazioni sulle principali strutture murarie Per gli elementi trasparenti invece si proceduto mediante una indagine effettuata in loco vedi paragrafo 1 3 Per procedere infine alla validazione del modello di simulazione in Trnsys della struttura ospedaliera si effettuato un confronto tra i consumi energetici rilevati dalla indagine sperimentale condotta in loco e gli analoghi ricavati dalla simulazione A tale scopo si riportano di seguito i diagrammi dei fabbisogni di energia termica complessiva riscaldamento acqua calda sanitaria quelli per il solo riscaldamento e per la sola acqua calda sanitaria ricavati su base annua e desunti dalla simulazione in TRNSYS 160 3006406 Tim Eee ineo E E t 8 cares S X WE Sn 9 WS 0 9 Figura 5 5 1 Andamento del consumo annuo di energia termica complessiva riscaldamento acs sores po p Eee tanes B H E 00E 05 716006405 p omen 9m Figura 5 5 2 Andamento del consumo annuo di energia termica per il riscaldamento invernale amens zavere 180206 180105 E E E E E 1206108 I gt sones sones omen pares
259. tati dell analisi di sensibilit si scelto di selezionare lo stesso motore Jenbacher 208B in assetto trigenerativo accoppiato ad un assorbitore monostadio Acqua BrLi caratterizzato da un COP pari a 0 7 Soluzione trigenerativa costituita dal motore Jenbacher 208B da 300 kWe accoppiato ad un assorbitore H gt 0 BrLi da 280 kWf Modalit di gestione degli impianti di trigenerazione finalizzata alla massimizzazione del risultato economico Si riportano nel seguito i risultati ottenuti applicando la modalit gestione degli impianti di trigenerazione finalizzata alla massimizzazione del risultato economico al caso di un motore Jenbacher 208B accoppiato ad un assorbitore H30 BrLi da 280 kWf che si rappresentano nelle Figure 5 6 2 3 5 6 2 4 5 6 2 5 relativi alla variazione oraria nell anno del rendimento termico effettivo alle integrazioni e dissipazioni termiche all energia frigorifera prodotta dall assorbitore che consente di valutare la bont della soluzione proposta 211 Rendimento Termico effettivo 0 6 e w ho e 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 ore anno h Figura 5 6 2 3 Rendimento Termico effettivo nell anno Potenza Termica KW 1200 Integrazioni Th Caldaia Integrazioni Gruppi Frig Elettr Dissipazioni Termiche 1000 800 600 400 200 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 ore anno h 5
260. te di determinare indirettamente lo scambio termico Dalle elaborazioni delle temperature di ingresso ed uscita del fluido termovettore si possono determinare utilizzando modelli inversi le caratteristiche del terreno ed anche dati sul comportamento degli scambiatori quali le resistenze termiche che risultano necessarie per il dimensionamento e la verifica della corretta istallazione del campo di sonde Tramite tale prova possibile determinare l andamento delle temperature del fluido termovettore nella sonda di cui un tipico andamento rappresentato dal seguente grafico 86 Data Heating acquisition Tin ru 1 E Mobile Test Equipment Temperature 14 hours Borehole Heat Exchanger ES tin Temperature PC ta 0 20 40 60 80 100 hours La variabile che determina l accuratezza dei risultati ottenuti da tali prove rappresentata dalla durata del test Non esiste infatti nessun accordo su quale debba essere la durata del test ma attualmente si tende ad effettuare il test per un periodo di 50 70 ore Infatti le prime ore del test non vengono considerate in quanto il flusso termico impiega del tempo per stabilizzarsi con il terreno e di conseguenza la temperatura misurata funzione della sonda e del terreno Si riscontra sperimentalmente che per test di durata
261. te di temperatura in tal caso il processo prosegue considerando il valore limite come valore di ingresso della temperatura 4 5 2 4 Energia termica trasferita dal problema locale al problema globale Il termine di sorgente termica q nella soluzione globale originato dal trasferimento di energia termica dal fluido al problema locale Sia E la quantit di energia termica immessa nella sottoregione k nel problema locale durante il lasso di tempo del problema globale Questa sorgente termica per la sottoregione k calcolata mediante l equazione 4 5 2 4 1 Ex 2 5 Equazione 4 5 2 4 1 ai pus q dove il termine V il volume della sottoregione k Se si esprime l incremento di temperatura nella sottoregione K per la soluzione del problema globale mediante l equazione 4 5 2 4 2 ilg Er m AT E Equazione 4 5 2 4 2 dove C la capacita termica volumetrica dell accumulo lo scambio di energia termica dovuta al termine di sorgente q realizzato come un reciproco cambiamento di temperatura nel campo di temperatura globale e locale per ogni sottoregione 4 5 2 5 Problema di flusso stazionario La soluzione del problema di flusso stazionario che gi stata discussa in precedenza fornisce il campo di temperatura intorno al tubo in cui scorre il fluido per una immissione prelievo costante di energia termica Il termine di sorgente q per una cella j del problema globale proporzionale alla differenza tra
262. termiche su base annua 196 N 197 Potenza Termica KW B Integrazioni Th Caldaia Diss Termiche j 0 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720 Ore mese h NW LAM AA Figura 5 6 1 12 Integrazioni e dissipazioni termiche su base mensile Luglio Potenza Termica kW 1400 00 Carico Th richiesto Pot Th cog sfruttata 1200 00 1000 00 800 00 600 00 400 00 200 00 0 00 HERE E 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Ore anno h Figura 5 6 1 13 Copertura del carico termico su base annua 198 E pon A 7 D AAA q il Il il n 336 384 Ore mese h o a o 3 o o o 2 2 e o a 336 384 432 480 Ore mese h 199 1400 00 Carico Th richiesto Pot Th cog sfruttata 1200 00 gt 1000 00 3 8 80000 E E e S 5 600 00 2 o a 400 00 A 0 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 528 576 624 672 720 Ore mese h Figura 5 6 1 16 Copertura del carico termico su base mensile Luglio Dalle Figura 5 6 1 5 sino alla Figura 5 6 1 8 possibile valutare la variazione del re
263. tervalli pi piccoli entro cui considerare il flusso costante andando a modificare gli estremi d integrazione Qualora si considerano tubi ad U il modello di Ingersoll applicabile solo dopo aver effettuato numerose approssimazioni che ne inficiano il risultato 3 6 2 2 Modello di Hart e Couvillion Hart e Couvillion hanno elaborato un modello basandosi sempre sulla teoria della sorgente lineare di Kelvin Il loro lavoro stato molto importante nella definizione del raggio limite r che viene calcolato considerando che il calore emesso dalla sorgente lineare deve essere assorbito dal terreno immediatamente vicino alla sorgente lineare Il valore del raggio approssimato in quanto la 101 soluzione della teoria della sorgente lineare di Kelvin fornisce una distribuzione della temperatura falsata da un errore per tutti i raggi minori di infinito Pertanto Hart e Couvillion assunsero un valore pari a r 4Vat Oltre tale distanza r dalla sorgente la temperatura assunta indisturbata e costante La distribuzione della temperatura fornita dalla soluzione della seguente equazione E 1 aa A ra A dove r dat L equazione della distribuzione della temperatura ammette soluzioni del tipo iii ade Cn y E Iny y 2501 3x0 T mum dove y la costante di Eulero pari a 0 5772157 Assumendo il calore assorbito o ceduto dalla sorgente pari a quello ceduto o assorbito dal terreno Hart e Couvillion giunsero a
264. ti nei fabbricati che sono risultati essere i seguenti 1 Impianto di riscaldamento a radiatori 2 Impianto di produzione di acqua calda sanitaria 3 Impianto di climatizzazione delle aree di emergenza e dei reparti operatori 4 Impianti Split System dedicati ai singoli ambienti del complesso ospedaliero 13 5 Impianto elettrico a Impianto di riscaldamento a radiatori Come detto l ospedale dotato di un impianto di riscaldamento centralizzato a servizio di tut ti gli ambienti tramite l istallazione di corpi scaldanti in ghisa radiatori Fulcro di tale impianto risulta essere la centrale termica posta al secondo seminterrato del cor po B dove sono istallate due caldaie ICI Caldaie S p A modello REX 130 F di potenza utile pari a 1300 kW e rendimento n del 95 3 alimentate a gas naturale Tali caldaie risultano pressurizzate e costituite in acciaio con focolare ad inversione di fiamma completamente ba gnato Tali caldaie sono omologate ad alto rendimento secondo quanto richiesto dai Decreti Legislativi 192 05 e 311 06 b Impianto di produzione di acqua calda sanitaria L impianto di produzione di acqua calda sanitaria viene alimentato dalle stesse caldaie in pre cedenza richiamate che provvedono a produrre l a c s che viene stoccata in due serbatoi da 2000 litri cadauno L a c s viene distribuita ai vari servizi dell ospedale tramite una rete tu biera c Impianto di climatizzazione delle aree di emergenza e dei
265. to la Type 557 si basa sulla modello di Hellstr m e sulla rielaborazione del modello effettuata da Hellstr m e Goran nei seguenti paragrafi si richiameranno brevemente le teorie alla base della subroutine della Type 557 4 4 Il modello di Hellstr m Hellstr m 1989 1991 ha elaborato un modello di simulazione per scambiatori verticali fittamente disposti nel suolo e utilizzati per l accumulo stagionale di energia con o senza l impiego di pompe di calore Il lavoro di Hellstr m il sunto di quella che la cosiddetta teoria svedese degli accumuli o scuola di Lund dal nome dell universit in cui stata sviluppata Una prima classificazione degli argomenti in essa sviluppata Zonta 1996 porta a suddividerli in tre parti fondamentali concetto di resistenza fluido terreno e resistenza effettiva fluido terreno per la descrizione dei processi di scambio termico locale all interno dei pozzi tra il fluido ed il terreno o il materiale di riempimento nelle immediate vicinanze dei canali di flusso analisi del regime di flusso stazionario o steady flux regime nel volume cilindrico locale attorno a ciascun pozzo il raggio r del cilindro elementare viene ottenuto in base a considerazioni riguardanti la struttura del campo termico esaurito un certo transitorio di avvio oggetto della cosiddetta Step Pulse Analysis l interazione fra le sorgenti di flusso pienamente sviluppata La presenza di un confine naturale per l
266. torage definito come un sistema dove l energia termica accumulata direttamente nel suolo Un pozzo o un canale sono usati per scambiare energia termica tra il fluido termovettore che circola nello scambiatore e la regione di accumulo Il trasferimento di energia termica dal sistema al suolo circostante avviene tramite uno scambio termico conduttivo Si user il termine ground heat exchanger per qualsiasi condotto o canale che usato per lo scambio termico con il suolo La specifica disposizione di questo ground heat exchanger dipende principalmente dalle propriet geologiche Al fine di ottimizzare i sistemi energetici che interagiscono con il suolo necessario avere strumenti analitici con i quali stimare il comportamento termico dell accumulo Di seguito si descrive un modello di simulazione DST per sistemi di accumulo di energia termica nel suolo Il volume di accumulo storage volume ha la forma di un cilindro con asse di simmetria verticale I pozzi sono assunti essere uniformemente distribuiti nel volume di accumulo Un rivestimento isolante pu essere posizionato in qualsiasi punto del suolo all esterno del volume di accumulo La temperatura del suolo ottenuta attraverso tre elementi una temperatura globale una soluzione locale ed una parte di flusso stazionario I problemi globale e locale sono risolti con l uso di un metodo esplicito alle differenze finite mentre la parte di flusso stazionario ottenuta con una sol
267. ttosto rare La presenza accidentale ed eccessiva di acqua nel vapore provoca erosione precoce delle pale a causa dell impatto ad elevata velocit Questo pu causare sbilanciamenti e quindi eccessive vibrazioni del rotore che possono avere conseguenze anche sui cuscinetti reggispinta I costi di impianto si possono stimare in 1700 2000 per ogni kW installato per le turbine a contropressione ed in 1800 2200 per ogni kW installato per le turbine a spillamento e condensazione 2 6 5 Cicli combinati I cicli combinati sono sistemi di produzione dell energia adottati in genere nelle grandi centrali termoelettriche con taglie di potenza elettrica prodotta fino a 800 MW tuttavia esistono anche unit di dimensioni molto pi limitate nel range di potenza elettrica 5 10 MW che spesso si prestano ad un impiego cogenerativo Il ciclo combinato si compone essenzialmente di una turbina a gas e di un impianto con turbina a vapore nel quale la caldaia tradizionale sostituita da una caldaia a recupero che produce vapore utilizzando i prodotti della combustione della turbina a gas Uno schema concettuale del sistema riportato in figura 2 6 5 1 nella quale viene dettagliata la presenza del recupero termico entro la caldaia indicata come HRSG Heat Recovery Steam Generator Il ciclo a vapore pu presentare diversi livelli di pressione del vapore inviato in turbina in genere pi elevato il numero di livelli di pressione maggio
268. ttrica nel mese di Gennaio Dalla analisi della curva caratteristica della settimana tipica si riscontra facilmente che l andamento del consumo nei giorni feriali risulta pressoch identico mentre nei giorni festivi e prefestivi si ha una leggera diminuzione del carico elettrico 500 450 400 350 w Potenza elettrica richiesta kW ri 200 150 0 80 160 Ore settimana h Figura 5 5 36 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Gennaio 178 Anal logamente a come fatto per il mese di Gennaio si riportano di seguito gli andamenti mensili e settimanali dei carichi elettrici anche per gli altri mesi dell anno Potenza elettrica richiesta KW 500 450 5 w w S n a 200 pp 150 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 Ore mese h Figura 5 5 37 Andamento del carico di energia elettrica nel mese di Febbraio Potenza elettrica richiesta KW 500 450 400 350 300 250 200 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Ore settimana h Figura 5 5 38 Andamento del carico di energia elettrica nella tipica settimana del mese di Febbraio 179 180 40 60 80 100 120 14
269. uppato da De Vries e Peck che consente rapidamente di calcolare la conduttivit termica del suolo L ago termico consiste in un riscaldatore che emette energia termica con flusso costante e da una termocoppia L ago inserito nel terreno da dover testare determina il gradiente 85 che dipendente dalla conduttivit termica del terreno Tale metodologia non risulta applicabile in cantiere date le dimensioni dell ago Il metodo universalmente utilizzato per valutare le propriet termiche del suolo rappresentato dal Thermal Response Test TRT Il Thermal Response Test TRT una prova tramite la quale si determinano le propriet termiche dello scambiatore geotermico istallato nel suolo e la resistenza termica dello stesso Tale prova fornisce informazioni di tipo termico sia sul sottosuolo in esame che sulla sonda installata Mediante tale prova si determina la cosidetta resistenza termica del pozzo che descrive le propriet di scambio del fluido termovettore delle sonde e del materiale di riempimento utilizzato La resistenza termica del pozzo risulta proporzionale alla potenza scambiata e alla differenza di temperatura tra il fluido che fluisce nella sonda ed il sottosuolo Il TRT viene effettuato su di una sonda pilota durante tale prova una quantit di calore nota e costante viene immessa nella sonda Si provvede quindi a misurare le variazioni di temperatura del fluido termovettore che ritornando dal sottosuolo consen
270. ura Per valutare l incidenza del costo del turbogas rispetto al costo dell intero impianto si pu fare riferimento alla Fig 2 6 2 6 in cui il costo di impianto include i costi per il generatore di vapore a recupero il compressore del gas naturale l impiantistica elettrica il servizio di gestione del cantiere e di commissioning Si vede come il costo specifico kW diminuisca all aumentare della taglia ma come tale diminuzione risulti pi marcata per il costo di impianto 56 2000 Costo della turbina a gas Costo dell impianto cogenerativo 1500 Ma 1000 tesa Costo specifico Euro kW 500 r 0 2 4 6 s P MW 10 Fig 2 6 2 6 Confronto fra costo della singola turbina a gas e costo dell impianto cogenerativo 2 6 3 Microturbine a gas Le microturbine a gas presentano taglie di potenza elettrica tipicamente nel range che va dai 30 200 kW e rendimenti elettrici dell ordine di 25 30 Sono macchine che in generale hanno ormai raggiunto un adeguato livello di sviluppo tecnologico ma presentano una diffusione ancora limitata nel campo della cogenerazione La microturbina a gas MTG un particolare tipo di turbina a gas che si caratterizza per delle taglie di potenza elettrica molto limitate rispetto alle turbine a gas convenzionali inoltre la microturbina presenta alcune caratteristiche architettoniche ed operative distintive rispetto alle turbine di grandi dimensioni in generale
271. usando una discretizzazione mesh rettangolare bidimensionale Il volume di accumulo suddiviso in un certo numero di sottoregioni C una soluzione locale per ogni regione L immissione estrazione di energia termica fornisce una distribuzione delle sorgenti e dei dissipatori di energia termica per la soluzione globale che soddisfa l equazione 4 5 1 4 1 di Il termine di sorgente usa la soluzione del regime di flusso stazionario per spiegare impulsi che E V GOVT dop 4 Equazione 4 5 1 4 1 variano lentamente nel tempo Qui esso usato per la ridistribuzione dell energia termica in ogni sottoregione della regione di accumulo Il termine di sorgente per una data cella della mesh proporzionale alla differenza tra la temperatura media della sottoregione in questione e la temperatura della cella Non c un contributo netto di energia all accumulo per questo processo L effetto di breve tempo dell iniezione assorbimento attraverso il pozzo simulato con la soluzione locale Questa soluzione assunta essere la stessa per tutti gli scambiatori presenti all interno della sottoregione La soluzione dipende solo dalla coordinata radiale e copre il volume del tubo in cui scorre il fluido al raggio Un impulso di energia in un dato momento dal tubo in cui scorre il fluido al suolo circostante considerato nel problema locale per un periodo di tempo corrispondente a 0 2 L energia contenuta nell
272. uzione analitica La temperature totale ottenuta come sovrapposizione dei tre elementi Questa procedura consente di ottenere un modello veloce ed accurato 4 5 1 Il processo termico Il processo termico nella regione di accumulo con i suoi pozzi molto complicato C un elevato scambio termico tra le differenti parti del volume ed il suolo circostante Questo processo 141 interagisce fortemente con lo scambio termico convettivo nei ground heat exchangers Il processo di scambio termico globale nel suolo quindi accoppiato con il processo locale che avviene nell intorno di ciascun ground heat exchangers Questo processo termico locale ha essenzialmente lo stesso carattere in tutta la regione di accumulo 4 5 1 1 Processo termico fondamentale L analisi termica richiede una dettagliata descrizione del processo che governa il comportamento termico dell accumulo L interazione termica tra un gran numero di pozzi la capacit termica del suolo circostante e le propriet di scambio termico all interno dei pozzi presentano importanti problemi Il grande flusso di energia termica nella regione di accumulo determina una perdita di energia termica dalla regione stessa Esso ha un naturale carattere tridimensionale che deve essere spiegato Tipicamente il suolo si suddivide in strati orizzontali di differente carattere geologico Per tale motivo le sue propriet termiche possono variare Materiali termicamente isolanti sono spesso
273. ve viene fornito calore da un flusso di acqua calda per separare il refrigerante dalla sua soluzione Una volta che il refrigerante viene riportato allo stato vapore esso entra nel condensatore e segue un ciclo standard frigorifero 125 condensatore la valvola di espansione evaporatore Un ciclo ad assorbimento a singolo effetto mostrato schematicamente in figura 4 2 3 1 Qcond Qgen condenser generator absorber evaporator Qevap Qabs Figura 4 2 3 1 Schema di un dispositivo frigorifero ad assorbimento a singolo effetto Il vantaggio dei cicli frigoriferi ad assorbimento che l energia richiesta per pompare il refrigerante liquido da una pressione bassa nel assorbitore ad una pressione pi elevata nel generatore relativamente piccola ed il resto dell energia necessaria per i processi di liquefazione e vaporizzazione del refrigerante si pu utilizzare il calore proveniente dall impianto di cogenerazione Questo fatto rende i refrigeratori ad assorbimento particolarmente utili nei sistemi di cogenerazione dove il calore del vapore ed altri processi abbondante La Type 107 si basa su un catalogo di dati di ricerca sviluppato per prevedere le prestazioni di un refrigeratore ad assorbimento a singolo effetto azionato da acqua calda In questo progetto il calore necessario per separare il refrigerante viene fornito da un flusso di acqua calda L energia del processo di assorbimento del refrigerante viene re
274. y panel costituisce la finestra attraverso la quale l utente in grado di creare modificare ed eseguire i modelli creati All interno di tale finestra possibile selezionare i componenti necessari alla descrizione del problema affrontato definire le loro interazioni impostare i parametri di simulazione analizzare i risultati del calcolo Cliccando con il tasto sinistro del mouse su ciascuna Type possibile accedere alle finestre che consentono di impostare le modalit di operazione della Type di vedere quali sono le informazioni di ingresso necessarie e quali siano i risultati disponibili in output Per definire un collegamento tra due Type in base al quale avverr il flusso di informazioni necessario definite un link tra le due icone Oltre ad effettuare il collegamento tra le due Type all utente viene richiesto di specificare in dettaglio come avviene lo scambio di informazioni tra i due componenti Una volta avviata la simulazione il calcolo ha inizio I risultati sono visionabili direttamente a schermo oppure possono essere salvati in file elaborabili in post processo 4 2 Componenti utilizzati per simulare l impianto di cogenerazione trigenerazione S 4 4 Y Typez4s Di seguito si riporta lo schema Trnsys dell impianto di cogenerazione trigenerazione B A Types Types Eque Figura 4 2 1 i
275. ypes C Programmi Tmsys16_1 Building Lib Basic prawin lib Name del Description Fr c sul 1002 yes Insulating gl 4 16 4 00 1002 U 28 WAN 9 0 755 15 Frame us 52 AR 1 2001 yes 2INSArgon 4 15 4 ID 2001 U 1 4W nK g 0 589 15 Frame u 2 27 W n K INS2 AR 2 2002 2 INSA gon 4 16 4 ID 2002 U 1 3 W m K g 0 591 15 Frame u 2 27 W m K 52 KR 3 2003 pes 2 INSKiypton 4 16 4 ID 2003 U 1 1 W rr K g 0 598 15 Frame u 2 27 W n K 52 AR 4 2004 24NSArgon 4 16 4 ID 2004 U 1 4 W n K g 0 622 15 Frame u 2 27 W mK ARS 2005 yes 2 INSArgon 4 16 4 ID 2005 U 1 3 W mfK g 0 624 15 Frame u 2 27 W m Y WinID Pool modify WinlD Pool Description Design UVaue gVaue Tsol Rfsol TNA 1001 Single 5 8 4 568 0855 083 005 09 1002 InsulatingGlass 2 8 4 16 4 283 0 755 0 693 0 126 0 81 2001 Insulating Ar 1 4 71 59 4 16 4 14 0589 04 0 07 2002 Insulating Ar 1 3 71 59 m 127 0591 0 0 07 2003 Insuleling Kr 1 1 71 60 4 18 4 085 05 0428 0 07 Ena cT ECOSSE pus dure ERAI EATEN lt 3 VINDOV 4 1 DOE 2 Data File Multi Band Calculation Unit System S Nane TRNSYS 15 VINDOW LIB Desc Single 5 8 Window ID 1001 a r Selected Window Type new window type SNTE Program Library Single glazing 4 ID 1001 U 5 8 W n K g 0 855 15 Frame u 2 27 Fig 4 2 1 14 Parametri caratteristici delle caratteristiche di scambio termico delle pareti trasparenti prese
276. zione 4 5 1 3 6 lan q In definitiva il concetto di flusso stazionario usato per ridistribuire l energia termica nel volume di accumulo Un certo numero di problemi radiali per il processo termico locale intorno ai tubi in cui circola il fluido sono risolti numericamente 4 5 1 4 Sovrapposizione Nel presente modello la temperatura ad ogni punto del volume di accumulo ottenuta come sovrapposizione di tre elementi una soluzione globale una soluzione del regime di flusso stazionario intorno alla zona pi vicina al pozzo ed una soluzione locale radiale La temperatura del fluido termovettore all ingresso del sistema una funzione del tempo Tjn t La variazione della temperatura del fluido lungo il percorso del fluido attraverso il condotto ottenuta attraverso una equazione di bilancio termico Si suppone che il suolo nel volume di accumulo abbia propriet termiche omogenee Al di fuori del volume di accumulo il suolo risulta essere costituito da differenti strati e l isolamento termico pu essere messo ovunque Si assume che le propriet termiche del suolo e la disposizione dei pozzi 145 risultano avere simmetria cilindrica rispetto all asse verticale posizionato nel centro della regione di accumulo Il problema globale non include il campo di temperatura locale perci una funzione delle coordinate radiali e verticali Il processo di scambio termico nella regione di accumulo e nel suolo circostante modellato

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