Impianto solare termico

Sede operativa: Via Lombardia, 19-23 - 00045 Genzano di Roma
Tel. Fax 06 9364170 [email protected]
www.lnf.infn.it
I.N.F.N. / L.N.F. – Via E. Fermi, 40
00044 Frascati (RM) – Italy
Progetto di massima di un impianto solare termico
per la produzione di acqua calda sanitaria a uso del Centro servizi e
foresteria.
Intervento ammesso all’iniziativa della Provincia di Roma
“accompagnamento tecnico-scientifico
nell’ambito del progetto Europeo SOLARGE”.
Ing. Luigi PELLEGRINO
Resp. Unico Procedimento
tel. + 39 06 9403 2510
fax + 39 06 9403 2256
email: [email protected]
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Tel. Fax 06 9364170 [email protected]
Descrizione del sito individuato per l’intervento.............................................................3
1.1
L’edificio da solarizzare ...................................................................................................... 3
1.2
La superficie individuata per l’installazione ........................................................................ 3
1.3
Elenco delle autorizzazioni necessarie per la realizzazione del progetto........................... 4
Analisi dell’utenza in relazione alle potenzialità del sito ................................................4
2.1
Il fabbisogno di acqua calda, riscaldamento e raffrescamento........................................... 4
2.2
Dati di riferimento del sito ................................................................................................... 4
Elementi di dimensionamento dell’impianto ..................................................................5
3.1
Caratteristiche del collettore scelto per il dimensionamento............................................... 5
3.2
Dimensionamento della superficie captante e producibilità energetica dell’impianto solare
6
3.3
Collegamento previsto per i collettori, portata del circuito primario e diametro tubazioni... 7
3.4
Configurazione impianto e Specifiche tecniche dei componenti del circuito –Stazione di
trasferimento solare, accumuli e vasi d’espansione, macchina ad assorbimento. ........................ 7
Stazione di trasferimento solare ....................................................................................................... 8
Dimensionamento dello scambiatore................................................................................................ 9
Pompa di circolazione per il circuito primario.................................................................................... 9
Accumuli ........................................................................................................................................... 9
Vaso di espansione......................................................................................................................... 10
Regolatore di sistema ..................................................................................................................... 10
Monitoraggio ................................................................................................................................... 10
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Descrizione del sito individuato per l’intervento
1.1
L’edificio da solarizzare
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L’edificio da solarizzare è il nuovo centro servizi dei Laboratori nazionali di Frascati dell’INFN che
comprende;
• una Foresteria;
• la Mensa del centro;
• una Cucina;
• varie Sale riunioni;
• Uffici.
La realizzazione dell’impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria, è di tipo installato
su struttura indipendente sul tetto, si utilizzerà per i gruppi pompa e sicurezza il locale tecnico
esistente.
Figura 1 e 2 - Fotografie (due viste del fabbricato)
1.2
La superficie individuata per l’installazione
La soluzione prescelta per l’installazione dei collettori, in base alla superficie disponibile, è il tetto
piano dell’edificio.
I collettori, installati sulla copertura, consentiranno all’utente di ispezionare l’impianto e di
compiere, quindi, le attività di ordinaria manutenzione (pulitura dei vetri, controllo della pressione e
della temperatura di esercizio, ispezione visiva della coibentazione e dell’integrità dei componenti,
verifica della corretta suddivisione delle portate, ecc.) con estrema facilità.
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Figura 3 e 4 - Fotografie (due viste del tetto dell’edificio)
1.3
Elenco delle autorizzazioni necessarie per la realizzazione del progetto
Sul sito sono presenti i seguenti vincoli, per cui sarà necessaria la relativa procedura legislativa:
-
Vincolo paesistico D.Lgs. 490/99
-
Vincolo Sismico L. 02.02.1974 n.64
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Analisi dell’utenza in relazione alle potenzialità del sito
2.1
Il fabbisogno di acqua calda
L’utenza sulla quale intervenire è costituita essenzialmente dal fabbisogno di energia per il
riscaldamento invernale e per il raffrescamento estivo e la produzione di acqua calda sanitaria per
l’edificio adibito a centro servizi. Un primo dimensionamento ci ha portato a scegliere di produrre la
sola acqua calda sanitaria, in quanto la superficie utile ad alimentare anche il riscaldamento
invernale è circa il doppio rispetto alle superfici disponibili esistenti.
2.2
Dati di riferimento del sito
Per il dimensionamento della superficie captante, sono stati utilizzati i dati relativi alla radiazione
disponibile al suolo (Fonte: Software di calcolo T*SOL Pro 4.03. Dati NORMA UNI 10349) a
Frascati (latitudine 43,41° Nord), riportati in figura 1.
L’inclinazione dei collettori è di 30° dal piano orizzontale con orientamento SUD.
L’incremento di energia solare captata per unità di superficie rispetto alla radiazione incidente sul
piano orizzontale (1279 kWh/m2*anno) è del 22 %: l’energia captata sul piano inclinato risulta
infatti, coerentemente alla normativa citata, pari a 1566 kWh/m2*anno.
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Radiazione Solare Giornaliera Media Mensile
25
MJ/mq g
20
15
Piano Orizzontale
10
Piano Inclinato
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
mesi
Figura 3 - Andamento della radiazione solare sul piano dei collettori
3
Elementi di dimensionamento dell’impianto
3.1
Caratteristiche del collettore scelto per il dimensionamento
Al fine di ottimizzare la produttività annua e di contenere i costi dell’impianto, si è scelto un
collettore piano selettivo IDALTERMO modello Venere le cui caratteristiche sono sintetizzate in
tabella.
Dispersioni termiche
Coefficiente di trasmittanza semplice B
[W/m2K]
Dispersioni ottiche
Fattore di conversione [%]
Dimensioni del collettore [mm]
Superficie lorda [m2]
Superficie netta captante [m2]
Peso a vuoto [kg]
Max pressione di esercizio [bar]
Attacchi
4,12
70,7
2090 x1090x85
2,2781
1,961
51
6
3/4 M
Il collettore Venere PC200, certificato Enea ed SPF garantito dal produttore 5 anni e marchio Solar
Pass, è costruito con assorbitore in rame e cassonetto esterno in alluminio anodizzato. La
copertura vetrata è realizzata in cristallo temprato a lunga durata, e la superficie dell’assorbitore è
trattata in modo selettivo (trattamento Sunselect al Titanio). La piastra captante ed i tubi in rame,
entro cui scorre il fluido termovettore, sono saldati fra di loro con sistema capillare, il che assicura
un’ottimale trasmissione del calore.
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Le elaborazioni condotte mediante il
software T*SOL Pro 4.03 (la cui
banca dati contiene le specifiche
tecniche
hanno
del
collettore
consentito
di
Venere),
simulare
le
prestazioni del collettore in relazione
alla temperatura ambiente, ai dati di
irraggiamento
solare
del
sito
in
questione e alla domanda di energia
termica.
3.2
Dimensionamento della superficie captante e producibilità energetica dell’impianto
solare
Il criterio utilizzato per il dimensionamento della superficie captante è stato quello di coprire circa il
57 % del fabbisogno annuo di energia termica per la produzione di acqua calda sanitaria senza
una sovrapproduzione estiva. Il tutto considerando la superficie di installazione disponibile nel sito.
Alla luce delle considerazioni svolte e dei risultati ottenuti con l’ausilio del software di T*SOL
Pro4.03, il numero ottimale di collettori è risultato essere pari a 50, corrispondenti ad una superficie
totale lorda di 100 m2. L’energia resa disponibile dai collettori risulta pertanto pari a circa 79
MWh/anno equivalente a 20.629,5 kg di CO2 evitata.
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3.3
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Collegamento previsto per i collettori, portata del circuito primario e diametro
tubazioni
Al fine di permettere una corretta ed omogenea distribuzione della portata del fluido termovettore
e, nello stesso tempo, di consentire ai collettori di lavorare con alte efficienze, lo schema di
collegamento è di tipo low flow con un parallelo di 10 gruppi, ciascuno costituito dalla serie di 5
collettori. L’impianto è provvisto di valvole di sicurezza e di un sistema di rimbocco del fluido
termovettore anticongelante. Ogni banco di collettori ha delle valvole di intercettazione e un
degasatore ad apertura manuale, posizionato nella parte più alta del circuito.
Il calcolo della portata che dovrà circolare nel circuito primario è stato condotto considerando una
portata specifica tipica degli impianti low flow pari a 15 l/ m2 h e una differenza di temperatura tra
mandata e ritorno di circa 30°K così come prescritto dal produttore.
In queste condizioni, la portata complessiva del circuito primario sarà pari a 1500 litri/h.
Il valore di progetto della portata appena riportato, consente di mantenere la temperatura di lavoro
del fluido termovettore entro valori ottimali che salvaguardano la funzionalità dei componenti e
garantiscono una buona efficienza di scambio termico.
A seguito della simulazione software si è verificato che la temperatura dei collettori non supera, in
condizioni ordinarie, i 90 ÷ 100 °C, nemmeno in condizioni di massimo irraggiamento.
Si calcola che il circuito primario, nel suo complesso, abbia una lunghezza di circa 80 metri.
Considerando le perdite di carico distribuite in tubazioni del tipo UNI 3824, il circuito principale
dovrà essere costruito con tubi in rame del diametro di 32 mm coibentati con armaflex di spessore
32 mm secondo il DPR412, protetto con coppelle in alluminio, per prevedere un aumento della
dimensione dell’impianto.
3.4
Configurazione impianto e Specifiche tecniche dei componenti del circuito –Stazione
di trasferimento solare, accumuli e vasi d’espansione.
L’impianto produce acqua calda sanitaria.
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ri
letto
col
caldaia
serbatoio
tampone
serbatoio
acs
acqua
fredda
L’impianto è progettato in modo da evitare che l'utente finale sia costretto a effettuare operazioni
particolari nel caso in cui il sistema permanga per lungo tempo esposto ad alti livelli di insolazione
con conseguente aumento della temperatura del fluido termovettore. Ogni precauzione è stata
presa per evitare danneggiamenti al sistema, agli impianti preesistenti e alle persone. Il sistema ed
è dotato di protezioni idonee ad impedire inversioni di flusso che incrementerebbero le perdite
termiche, è progettato in modo da non eccedere la massima pressione stabilita per ogni suo
componente. Ogni circuito chiuso del sistema è dotato di valvola di sicurezza. Tutte le parti
elettriche in dotazione al sistema sono conformi alle normative elettriche vigenti.
Il collettore ed i sistemi nel loro complesso sono
conformi a quanto richiesto nei “General
Requirements” delle norme EN 12975, 12976, 12977 e sono testati in accordo ai “Test Methods”
prescritti dagli stessi Standard.
Tutte le aziende produttrici dovranno essere certificate ISO9000.
Le valvole di sicurezza utilizzate sono idonee alle condizioni operative del sistema.
Stazione di trasferimento solare
La stazione di trasferimento solare comprende i dispositivi di sicurezza necessari per il circuito
secondo la DIN4757:
-
Valvole di sicurezza con conduttura di scarico e serbatoio di accumulo;
-
Termometro di mandata
-
Termometro di ritorno
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-
Manometro
-
Valvola di non ritorno
-
Flussometro
-
Valvole di riempimento e scarico
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Sono inoltre necessari:
-
Sfiatatoio manuale nel punto piu’ alto
-
Vaso di espansione a membrana
Dimensionamento dello scambiatore
La tabella di seguito riportata contiene i valori minimi della superficie di scambio di cui deve
essere dotato lo scambiatore per ottimizzare il trasferimento del calore e l’efficienza complessiva
dell’impianto. Il campo solare ha una superficie netta di mq 100 è stato considerato il caso dello
scambiatore BP57 GEA ECOBRAZE Scambiatore Saldo-Brasato la cui superficie di
scambio è compatibile con la richiesta minima contenuta nel bando. Viste le considerevoli
dimensioni dell’impianto, è stato considerato esclusivamente il caso di scambiatore a piastre
esterno con un ∆Tlog= 6 K con 10 mq di superficie di scambio.
Pompa di circolazione per il circuito primario
La stazione di trasferimento è dotata di un circolatore Wilo ST20/11 con p max di esercizio pari a
10 bar. Essa è adatta a funzionare con una miscela di acqua e antigelo che garantisce una
protezione contro il congelamento per condizioni climatiche con temperatura dell'aria di almeno
10°C inferiore alla temperatura di progetto della località di installazione (secondo tabella L10/91);
inoltre resiste a una temperatura massima di 120°C e alla pressione massima di esercizio
dell’impianto e ha due velocità di funzionamento.
Tale circolatore permette ampiamente la portata utile necessaria con la prevalenza adatta al
funzionamento dell’impianto.
Accumuli
Considerando la distribuzione giornaliera del fabbisogno di acqua calda, per le utenze in questione
si è ritenuto necessario un volume totale di accumulo di 6500 litri. Il volume sarà suddiviso in 3
serbatoi: uno da 4.000 litri (accumulo solare) e due da 1.500 litri e 1.000 litri già previsti per la
produzione di ACS (acqua calda sanitaria foresteria e cucina).
Il tipo utilizzato è un serbatoio in acciaio al carbonio vetrificato, coibentato con 100 mm di isolante
(conforme a DPR412/93), con temperatura massima di utilizzo di 95 °C e 6 bar di pressione
massima di utilizzo ed è dotato di :
- sfiato aria automatico
- vaso di espansione a membrana intercambiabile di tipo alimentare
- valvola di sicurezza e scarico termico
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- indicatore temperatura dell’acqua calda sanitaria
Il serbatoio sarà collegato alla rete idraulica di distribuzione in modo da poter essere messo fuori
servizio e mantenuto senza che questo impedisca la funzionalità della restante parte dell’impianto
solare.
Vaso di espansione
Al fine di conferire al circuito primario del sistema la capacità di assorbire le dilatazioni termiche del
fluido termovettore per lo svuotamento in fase di stagnazione, è necessaria la presenza di un vaso
di espansione caratterizzato da un volume pari a 300 Lt e resistente a pressioni pari a 10 bar. Il
calcolo è stato effettuato sul volume di espansione generato dalle tubazioni del primario, dallo
scambiatore di calore, dai tubi dei collettori e dai componenti intermedi, considerando la presenza
di una miscela di acqua e glicole come da progetto.
Anche ogni circuito secondario ha installato un vaso di espansione, costruito con materiale adatto
e dimensionato ed installato secondo le modalità previste dal DM 1/12/76 e dalla
norme ex ANCC, Raccolta R. I vasi di espansione sono marcati CE.
Sarà previsto un sistema di segnalazione acustico e/o visivo di eventuali perdite di fluido
termovettore dall’impianto.
La localizzazione e l’installazione di tutti i sensori di temperatura assicureranno un
buon contatto termico con la parte di cui è necessario misurare la temperatura. I sensori di
temperatura devono saranno isolati dall’ambiente esterno.
Regolatore di sistema
Comanda l’impianto a seconda della differenza di temperatura nel circuito solare: confronta la T
dell’assorbitore nella parte superiore e la T della parte inferiore dell’ accumulo attivando o
disattivando la pompa di circolazione. Prevede, oltre la gestione della pompa di circolazione,
anche, la protezione antigelo (necessaria solo per i sistemi a svuotamento), la protezione
temperatura massima collettore,la protezione temperatura massima bollitore.
Monitoraggio
E’ prevista l’installazione di un sistema fisso di monitoraggio che consente la misurazione dell’
energia termica consumata dall’utenza sotto forma di calore e dell’energia fornita dal circuito
solare, con divisione tra quota di energia dedicata all’acqua calda sanitaria, al riscaldamento. Sarà
inoltre possibile comunicare a distanza i dati misurati tramite una postazione con pc dotato di un
sistema di SNMP di gestione dell’infrastruttura di rete, il sistema è integrato con il sistema di
controllo dell’edificio (tipo Siemens).
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