Caratteristiche emissive di utenze a gas autonome e

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CONSORZIO LEAP
Laboratorio Energia Ambiente Piacenza
Località
Doc. n.
Piacenza
R 1.3/3
Progetto
ECATE
Rev
0.
Progetto E.C.A.T.E.
Efficienza e Compatibilità Ambientale delle Tecnologie Energetiche
>CARATTERISTICHE EMISSIVE DI UTENZE
AUTONOME PER IL RISCALDAMENTO
CIVILE
NOTA : IL PRESENTE DOCUMENTO E’ EMESSO IN REVISIONE 0, IN PRIMA
EMISSIONE. ESSO PUO’ ESSERE SOGGETTO A FUTURE REVISIONI
0
REV
Prima emissione
DESCRIZIONE
S. CERNUSCHI
S: CONSONNI
ELABOR
Aprile 08
VERIFICATO
APPROVATO
DATA
LEAP / Relazione del mese 24
Sottoprogetto 1
GENERAZIONE DI ENERGIA TERMICA AD ALTA EFFICIENZA
Obiettivo Realizzativo 1.3
IMPATTO AMBIENTALE DI GENERATORI DI ENERGIA TERMICA DI PICCOLA
TAGLIA E CARATTERIZZAZIONE TERMICA DI GRANDI GENERATORI
Risultato R1.3/3
CARATTERISTICHE EMISSIVE DI UTENZE AUTONOME PER IL RISCALDAMENTO
CIVILE
Stato di avanzamento
A cura di:
Prof. Stefano CERNUSCHI, Prof. Stefano CONSONNI
LEAP Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza _ via Nino Bixio 27, 29100 Piacenza _ tel. +39.0523.579774 _ www.leap.polimi.it
1
INDICE
1. PREMESSA
pag. 1
2. FORMULAZIONE E MODALITÀ DI ESECUZIONE DELLE PROVE
pag. 1
3. RISULTATI PRELIMINARI
pag. 6
BIBLIOGRAFIA
pag. 10
2
1. PREMESSA
Il programma della linea di ricerca sull’impatto ambientale delle utenze autonome di
riscaldamento civile prevede una componente sperimentale dedicata all’acquisizione delle
presenze emissive di macroinquinanti da caldaie alimentate a gas naturale, finalizzata
all’estensione della base di dati attualmente disponibile per inquadrarne il ruolo sulla qualità
dell’aria.
L’attività sin qui sviluppata, già illustrata nelle precedenti relazioni, ha interessato la
programmazione dell’indagine, l’acquisizione e messa a punto della strumentazione necessaria e
la collaborazione alla progettazione, realizzazione e collaudo del banco di prova delle caldaie. I
principali risultati sin qui ottenuti sono sintetizzati nei paragrafi seguenti.
2. FORMULAZIONE E MODALITÀ DI ESECUZIONE DELLE PROVE
La programmazione delle attività sperimentali ha interessato due distinti aspetti:
l’individuazione degli apparecchi da indagare e le modalità di esercizio da utilizzare nella
valutazione. La selezione delle caldaie è stata condotta sovrapponendo le informazioni reperite
sulla consistenza del parco nazionale e sulla diffusione delle case costruttrici nel contesto locale
di Piacenza e provincia con quelle relative alle alternative tecnologiche attualmente disponibili
sul mercato, in termini di tipo di bruciatore, possibilità di modulazione del carico termico e
modalità di aspirazione ed espulsione dei gas. Nell’ottica di differenziare il più possibile il
campione per casa costruttrice, esplorando il più ampio spettro possibile di tecnologie, si sono
così individuati i seguenti apparecchi:
1.
2.
3.
Caldaia a camera aperta con bruciatore convenzionale senza alcun dispositivo di
modulazione dell'aria comburente. Costruttore: Saunier Duval;
Caldaia a camera stagna con bruciatore a premiscelazione e scambiatore con condensazione
dei fumi di scarico. Costruttore: Unical;
Caldaia a camera stagna con bruciatore a premiscelazione a basso tenore di NOx (classe 5,
norme EN UNI 483). Costruttore: Immergas.
Le indagini su tali unità verranno eseguite in condizioni di esemplare nuovo di fabbricazione. Per
valutare l’effetto dell’usura dell’impianto (”invecchiamento”), è stata inoltre prevista l’estensione
delle prove ad un’ulteriore unità, di tipologia assimilabile a quella delle utenze nuove e già
sottoposta ad un esercizio più o meno prolungato.
La formulazione delle modalità di esercizio da esplorare, in termini del carico termico
fornito all’utenza e della sua variabilità temporale, ha considerato tanto le condizioni di
funzionamento maggiormente rappresentative dell’utilizzo reale che le caratteristiche e
possibilità di modulazione di ogni singolo apparato. I regimi individuati sono i seguenti:
® esercizio stazionario in condizioni di massimo e minimo carico termico, corrispondenti
rispettivamente alla potenza nominale ed al 30% della stessa, in linea con le modalità di
prova adottate nella certificazione di collaudo e di conformità degli apparecchi;
3
® esercizio a carico termico variabile in due distinti cicli di funzionamento appositamente
formulati, caratterizzati da una modulazione del carico termico e dalla presenza o meno di
spegnimenti e riaccensioni dell’apparecchio (Figura 2.1).
I cicli a carico variabile potranno essere soggetti alle modifiche che si rendessero necessarie a
consentirne la realizzazione, legate alla configurazione operativa del banco di prova ed alle
possibilità di modulazione delle caldaie.
Carico termico %
120
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
Tempo (minuti)
70
80
90
100
70
80
90
100
(a)
Carico termico %
120
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
Tempo (min)
(b)
Figura 2.1: Cicli di funzionamento a carico termico variabile: (a) regime di esercizio discontinuo
(accensione/spegnimento); (b) regime di esercizio continuo.
Il rilevamento degli inquinanti di interesse, costituiti da CO, NOx e COV totali
(disaggregati in metano e non metanici-NMCOV), verrà condotto in continuo tramite due
analizzatori multiparametrici, di cui il primo a celle elettrochimiche in grado di misurare anche i
4
principali parametri della combustione (temperatura, CO2 e contenuto di ossigeno dei fumi) ed il
secondo costituito da un gascromatografo portatile per la determinazione disaggregata
COV/NMCOV. Entrambi gli analizzatori sono già acquisiti e disponibili presso il laboratorio.
Il banco di prova delle caldaie, realizzato nell’ambito delle attività dell’O.R. 1.1 e
descritto nei corrispondenti rapporti, è stato configurato in modo tale da poter contenere le
strutture impiantistiche e le componenti accessorie necessarie alla misura delle caratteristiche
emissive degli apparecchi (Figura 2.2-2.3): operando in stretta sinergia con l’O.R.1.1, si è così
curata in modo particolare l’integrazione del layout sperimentale con i dispositivi già previsti per
le valutazioni energetiche in modo da poter disporre, nel complesso, di una struttura che
consenta, con la massima flessibilità possibile, l’acquisizione simultanea dei parametri ambientali
ed energetici richiesti per una corretta quantificazione del regime emissivo degli apparecchi nelle
diverse condizioni di esercizio previste nel piano sperimentale.
Il ritardo nell’allestimento della struttura, già evidenziato nei rendiconti dell’O.R.1.1 e
riconducibile all’indisponibilità dei locali nei tempi previsti ed alla complessità della struttura
stessa, non ha ancora consentito l’avvio dell’indagine nelle modalità del programma
sperimentale formulato. Le attività di collaudo e verifica funzionale del complesso della
strumentazione, attualmente in fase di esecuzione, hanno tuttavia fornito una prima serie di
acquisizioni di carattere preliminare, sintetizzate nel paragrafo successivo.
Figura 2.2: Rappresentazione schematica del banco prova caldaie utilizzato nell’indagine
sperimentale. Il prelievo dei gas da analizzare (non indicato in figura) è collocato in
corrispondenza del condotto di scarico dei fumi.
LEGENDA: 1 - caldaia; 2 - scambiatore di calore coibentato; 3, 4 e 5 - valvole di regolazione; 6 vaso di espansione; 7 - serbatoio a livello costante o, in alternativa, 8 - collegamento al
condotto di distribuzione a pressione costante; 9 - pompa di circolazione; 10 - recipiente di
ponderazione; 11 - valvola a tre vie; 12 - sonde di temperatura; 13 - contatore d’acqua.
5
Figura 2.3: Immagine del banco prova caldaie utilizzato nell’indagine sperimentale
3. RISULTATI PRELIMINARI
Le prime verifiche di funzionalità del banco hanno utilizzato una caldaia usata a tiraggio
forzato con bruciatore atmosferico modulante per la produzione combinata di calore ed acqua
calda sanitaria, le cui principali caratteristiche sono riportate in tabella 3.1. Le prove sono state
condotte in condizioni di esercizio stazionario al massimo e minimo carico, corrispondenti alla
potenza termica nominale ed al 30% della stessa, ed hanno interessato il rilevamento di CO,
ossidi di azoto, idrocarburi incombusti - totali e non metanici- e metano. I risultati disponibili
sono riportati nelle Tabelle 3.2-3.3 che sintetizzano le concentrazioni ed i tenori di ossigeno
misurati all’emissione. I valori sono ricavati dall’elaborazione dei rilevamenti in continuo,
condotti con tempi di acquisizione del singolo dato compresi tra 1 e 5 minuti e per una durata
complessiva della misura compatibile con l’esigenza di cogliere situazioni stabili di esercizio. Un
esempio dell’andamento temporale dei dati utilizzati nelle elaborazioni è riportato nel tracciato di
Figura 3.1, rappresentativo della situazione emissiva durante l’esercizio in continuo al carico
nominale della caldaia. Per renderne omogeneo il confronto, i valori di concentrazione riportati
nelle tabelle sono quelli normalizzati al 3% di ossigeno nei fumi secchi in condizioni di
temperatura e pressione normali (0°C e 101,3 kPa), che rappresentano le condizioni di
riferimento usualmente adottate per combustioni a gas naturale. I dati di base sono
ulteriormente elaborati in termini dei corrispondenti fattori di emissione, maggiormente
rappresentativi delle prestazioni emissive dell’apparato e valutati sulla base della produzione
specifica di fumi attesa dalla combustione del gas naturale nei diversi regimi di esercizio
indagati: i valori risultanti, riferiti all’unità di calore prodotto in camera di combustione, sono
sempre riportati nelle Tabelle 3.2-3.3.
6
Tabella 3.1 - Caratteristiche tecniche della caldaia utilizzata nelle prove.
Potenza
nominale
(kW)
Rendimento utile
Tiraggio
Bruciatore
Condensazione
(%)
Pn(*)
Prid(*)
Unical
Usata
29,2
90,5
88,2 Forzato Convenzionale
No
(*) Pn = potenza termica nominale; Prid = potenza termica ridotta (30% carico nominale)
Stato
usura
300
10
250
9
8
-3
CO, NOx (mg m
150
7
100
6
50
5
0
O2 (% vol
NOx
CO
Ossigeno
200
n
@3%O2)
Costruttore
4
Tempo
Figura 3.1 - Andamento illustrativo dell’evoluzione temporale tipica delle concentrazioni di CO, NOx
ed ossigeno durante l’esercizio in regime di carico termico nominale.
Tabella 3.2 - Concentrazioni e fattori di emissione dei macroinquinanti (tra parentesi l’intervallo
minimo-massimo dei valori).
Concentrazioni
Fattori di emissione
(mg/m3n @ 3% O2)
(g/GJ)
CO
NOx(*)
CO
NOx(*)
Continuo max carico 7,0 (6,7 - 7,6) 85,3 (79 - 89) 247 (226 - 272) 29,1 (27 - 30,4) 84,6 (77,4 - 93,2)
Continuo min carico 14,1 (13,1 - 15) 20,3 (11 - 35) 196,5 (103 - 313) 6,9 (3,8 - 12)
67,3 (35,3 - 107,2)
(*)
Espressi in termini di NO2
Regime di esercizio
O2
(% vol)
Tabella 3.3 - Concentrazioni e fattori di emissione dei COV (tra parentesi l’intervallo minimomassimo dei valori).
Regime di
esercizio
O2
(% vol)
Continuo
7,0
max carico
(6,7-7,6)
Continuo
14,1
min carico
(13,1-15)
(*)
Espressi come carbonio
(**)
COV totali
(***)
COV non metanici
Concentrazioni(*)
Fattori di emissione(*)
(mg/m3n @ 3% O2)
(g/GJ)
COV(**)
Metano NMCOV(***)
COV(**)
Metano
NMCOV(***)
1,5
0,4
1,1
0,4
0,1
0,3
(0,3-3,5) (0,3-1,7) (n.r.-1,8) (0,08-0,9) (0,08-0,4)
(n.r.-0,5)
7,2
5,9
1,3
2,1
1,7
0,4
(5,7-10,8) (4,7-7,1)
(1-3,7)
(1,7-3,1)
(1,4-2)
(0,3-1,1)
7
Una prima analisi dei risultati mostra emissioni di CO al massimo carico termico collocate
intorno ai 30 g/GJ (Figura 3.2), corrispondenti a concentrazioni nell’intervallo compreso tra 80 e
90 mg/m3n al 3% di O2, con gli NOx presenti su livelli più elevati, pari a circa 85 g/GJ
(concentrazioni tra 220 e 270 mg/m3n al 3% di O2). In linea con la diminuzione nel consumo di
combustibile, i corrispondenti valori rilevati a carico minimo (Figura 3.2) appaiono più contenuti:
riduzioni particolarmente apprezzabili si osservano per il CO, con emissioni medie di 7 g/GJ e
concentrazioni comprese tra 10 e 35 mg/m3n al 3% di O2, mentre gli NOx mostrano variazioni
meno consistenti, con diminuzioni sino a circa 70 g/GJ e concentrazioni medie intorno a 200
mg/m3n al 3% di O2. I risultati dei rilevamenti a carico minimo indicano altresì maggiori
oscillazioni nelle concentrazioni misurate, con intervalli di variazione più ampi che paiono
denotare una certa difficoltà a mantenere la stabilità della combustione nelle condizioni di
esercizio più estreme rispetto a quelle nominali; difficoltà di regolazione in tal senso sono anche
osservabili dal notevole eccesso d’aria mantenuto a carico minimo, con un incremento del tenore
di ossigeno dei fumi dal 7% circa rilevato in condizioni nominali ad oltre il 14%. Rispetto al CO
ed agli NOx, le emissioni di idrocarburi totali (COV) presentano un comportamento opposto
(Figura 3.3), con i livelli rilevati a carico nominale, pari a 0,4 g/GJ, che subiscono un
apprezzabile incremento a carico minimo, portandosi a circa 2 g/GJ. Contrariamente alla
situazione rilevata a carico nominale, la disaggregazione in metano ed idrocarburi non metanici
(NMCOV) mostra inoltre una larga prevalenza di metano incombusto in condizioni di
funzionamento a carico ridotto, confermando così le difficoltà già richiamate in precedenza
nell’ottenere una combustione adeguata e sufficientemente stabile durante l’esercizio a potenza
minima.
100
continuo max carico
continuo min carico
84,6
67,3
Fattori di emissione (g/GJ)
80
60
40
29,1
6,9
20
0
CO
NOx
Figura 3.2 - Fattori di emissione di CO ed NOx.
8
3
Metano
NMCOV
2,5
Fattori di emissione (gC/GJ)
2,1
2
1,5
1,7
1
0,4
0,5
0,1
0,3
0,4
0
Continuo max carico
Continuo min carico
Figura 3.2 - Fattori di emissione di CO ed NOx.
I risultati ottenuti saranno inquadrati nel contesto complessivo delle acquisizioni che
verranno ricavate, con identico approccio sperimentale, per le altre tipologie di utenze previste
nello studio. Un primo confronto di carattere indicativo è tuttavia ricavabile da alcuni dati rilevati
per apparati simili, derivanti da misurazioni condotte tanto in laboratorio tramite banco che su
utenze in campo. I fattori di emissione disponibili, che si riferiscono a CO ed NOx, sono
sintetizzati in Tabella 3.4 [1] e, nei limiti delle differenze che caratterizzano le singole tipologie e
lo stato di usura delle caldaie e le modalità di misura, appaiono collocati su livelli
sostanzialmente confrontabili con quelli ottenuti nella presente valutazione.
9
Tabella 3.4 - Fattori di emissione di caldaie monofamiliari alimentate a gas naturale [1].
TIPOLOGIA CALDAIA E
CONDIZIONI DI PROVA
Tiraggio forzato
Medie
Atmosferiche
Atmosferica a carico variabile
Carico nominale
Carico 70%
Carico 60%
Carico minimo
Tiraggio forzato
Tiraggio forzato a carico variabile
Carico nominale
Carico 70%
Carico minimo
Tiraggio forzato a carico variabile
Carico nominale
Carico minimo
CO
NOx
(g GJ-1)
(g GJ-1)
IN CAMPO
10-53
28-40
19,3
33
LABORATORIO
4-62
46-78
23
13,6
15,6
21,7
39
63,1
48,4
45
43
28,3
COV
(g GJ-1)
n.d.
n.d.
0,5-2,8
0,8
2,5
3,4
7,5
n.d.
58,9
23
23,6
10
36,7
15,3
PRESENTE STUDIO
1,1
1,4
2,2
29,1 (27-30,4)
6,9 (3,8-12)
0,4 (0,08-0,9)
2,1 (1,7-3,1)
84,6 (77,4-93,2)
67,3 (35,3-107,2)
BIBLIOGRAFIA
[1]
Cernuschi S., Giugliano M. (1994). Caratterizzazione di inquinanti da impianti di
riscaldamento di utenze civili per la definizione di fattori di emissione. Ingegneria
Ambientale, XXIII, 15-22.
10

Caratteristiche emissive di utenze a gas autonome e

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