Impianti integrati solari e geotermici Un`analisi prestazionale

59_TER_giu_starace.qxd:46-48_TER_mar_profilo
1-06-2010
10:16
Pagina 59
tecnica
energie rinnovabili
giugno 2010
LA TERMOTECNICA
F. Carluccio, G. Colangelo, G. Starace
59
Impianti integrati solari e geotermici
Un’analisi prestazionale
Le pompe di calore geotermiche sono un’applicazione “a
bassa entalpia” e consentono di utilizzare a fini energetici qualunque tipo di sottosuolo. Il terreno assume la funzione di un serbatoio termico al quale cedere o dal quale
estrarre calore a seconda delle necessità dell’utenza e delle condizioni climatiche. Si possono, allora, riscaldare e/o
raffrescare edifici e produrre acqua calda per scopi sanitari o industriali. Grazie all’inerzia termica del terreno, le
variazioni di temperatura nel sottosuolo subiscono sia uno
smorzamento, sia un ritardo (entrambi dipendenti dalla
composizione del terreno e dalla profondità) rispetto a
quelle della temperatura dell’aria ambiente. La temperatura del terreno presenta un andamento oscillante, progressivamente sempre meno pronunciato all’aumentare della
profondità, fino a raggiungere, nella cosiddetta “zona neutra” a 10-12 m di profondità, un valore pressoché costante e circa pari a quello medio annuale dell’aria esterna [1].
Escludendo situazioni riconducibili a fenomeni di anomalie idrogeologiche, la temperatura dei sottosuoli in Italia,
nella maggioranza dei casi si attesta nell’intervallo 12-14
°C, con oscillazioni, di solito periodiche, fino a 4-5 °C. Per
i motivi appena descritti gli scambiatori geotermici verticali
producono l’efficienza migliore tra le diverse soluzioni disponibili per i sistemi a pompa di calore.
Essi, infatti, risentono poco della variazione di temperatura stagionale e, inoltre, richiedono una superficie d’installazione minore. Gli scambiatori geotermici orizzontali, invece, possono rappresentare una buona soluzione di
compromesso tra costi ed efficienza [2]. Le sonde orizzontali sono di norma posate a profondità che arrivano al
massimo a 2-2,5 m e la loro minore efficienza è dovuta
alla maggiore variabilità della temperatura del terreno associata a queste profondità. Per raggiungere migliori risultati di efficienza, superando i limiti delle singole tecnologie, è possibile uno sfruttamento contemporaneo e integrato di diverse fonti di energia rinnovabile.
Studi condotti da V. Trillat-Berdal et al. [3] [4] riguardano un impianto geotermico assistito da collettori solari. Il
progetto, noto come GEOSOL, prevede che in una casa
monofamiliare di 180 m² a San Jean d’Arvey in Savoia
(Francia) si proceda all’installazione di un impianto in cui
Facendo uso dell’ambiente di programmazione TRNSYS, si è
condotta un’analisi sulle prestazioni di impianti integrati solare-geotermico utilizzati per la produzione di acqua sanitaria
e per la climatizzazione invernale. Il caso di studio di partenza è quello di un’abitazione mono-familiare sita a Brindisi.
Creati e testati, dapprima in maniera separata, i modelli di impianti solare e geotermico sono, poi, stati integrati nell’ottica
di utilizzare l’acqua calda proveniente dal collettore solare termico nel circuito idronico di scambio a terreno della pompa di
calore per mantenerne alta la temperatura di evaporazione.
Per questa applicazione, i miglioramenti in termini di consumi
e di efficienza dell’impianto prodotti con l’approccio integrato si sono rivelati più ridotti delle attese. Gli studi hanno, in seguito, riguardato le prestazioni dell’impianto integrato in diverse configurazioni caratterizzate da differenti proporzioni
tra la superficie dei collettori solari e l’accumulo termico. Lo
stesso modello è stato poi applicato a utenze del tipo ufficio
con risultati più incoraggianti.
la pompa di calore geotermica sia utilizzata per riscaldamento e climatizzazione di un edificio con sistemi a bassa entalpia, e all’utilizzo di collettori solari per:
- preriscaldare l’acqua calda per uso domestico;
- riscaldare l’abitazione (direttamente o aumentando la
temperatura della sorgente fredda);
- ricaricare termicamente il suolo durante i periodi di eccessiva produzione di energia solare in maniera da accumulare energia termica nel suolo in estate, quando la
macchina frigorifera è adoperata in modalità estiva, garantendo così la costanza dei rendimenti complessivi nel
lungo periodo.
L’integrazione di collettori solari e impianti geotermici contribuisce, inoltre, a una diminuzione della lunghezza degli
scambiatori geotermici e a un decremento dei costi
Federica Carluccio, Gianpiero Colangelo, Giuseppe Storace, Università del Salento, Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione, Lecce.
59_TER_giu_starace.qxd:46-48_TER_mar_profilo
1-06-2010
10:16
Pagina 60
tecnica
60
energie rinnovabili
giugno 2010
LA TERMOTECNICA
d’impianto. L’integrazione dell’impianto solare con quello geotermico
presenta, quindi, il vantaggio di contribuire a bilanciare i carichi termici
del terreno, contrastando la diminuzione della temperatura del suolo e la
conseguente diminuzione dell’efficienza della pompa di calore.
L’impianto solare per il
riscaldamento dell’acqua
per uso sanitario
FIGURA 1 - Modello dell’impianto integrato geotermico - solare
FIGURA 2 - Profilo di consumo giornaliero di acqua calda (200 litri/giorno)
FIGURA 3 - Andamento della temperatura dell’acqua nel serbatoio
in corrispondenza del punto di prelievo
Nella prima fase dello studio, è stato modellato un sistema per il riscaldamento solare dell’acqua per uso
sanitario a circolazione forzata, dimensionato per soddisfare le esigenze di una famiglia di quattro
persone, considerando i dati climatici di Brindisi. Nel modello (quello
a destra in Figura 1) è stato simulato il comportamento di un impianto
solare costituito da collettori solari
di 5 m² e un serbatoio di 300 litri con
scambiatore immerso.
Il consumo stimato di acqua calda è
pari a 200 litri al giorno è distribuito nell’arco della giornata come mostrato in Figura 2. Nel modello coesistono due funzioni di controllo:
- la prima simula il comportamento
della centralina che gestisce la
pompa di circolazione;
- la seconda regola l’apertura del
diverter in modo da fornire l’acqua
per uso sanitario ad una temperatura non superiore ai 55 °C.
La simulazione, condotta per il periodo dal 15 novembre al 15 marzo,
fornisce gli elementi per valutare la
capacità ottimale del serbatoio
dell’impianto solare nel periodo invernale, che garantisca un’efficace
integrazione con l’impianto di riscaldamento. In Figura 3 si riporta il grafico dell’andamento delle temperature all’interno del serbatoio, nel punto di prelievo dell’acqua calda: la
temperatura qui non scende mai al di
sotto dei 22 °C e presenta un valore
medio intorno ai 40 °C, con picchi vicini agli 80 °C nei mesi di gennaio e
febbraio e ai 90 °C a marzo.
59_TER_giu_starace.qxd:46-48_TER_mar_profilo
1-06-2010
10:16
Pagina 61
tecnica
giugno 2010
LA TERMOTECNICA
energie rinnovabili
L’impianto geotermico
di riscaldamento per un
edificio residenziale
In Figura 1 a sinistra è rappresentato il
modello a oggetti dell’impianto geotermico, costituito da una pompa di calore geotermica acqua-acqua che
sfrutta il fluido termovettore proveniente da un circuito di sonde geotermiche
installate a 2 m di profondità per alimentare un impianto di distribuzione a
fan-coil destinato al riscaldamento di
un’abitazione mono-familiare sita a
Brindisi. La pompa di calore acqua acqua è modellata con i dati relativi alla potenza termica e alla potenza consumata dalla macchina [6]. Si tratta di
un villino isolato di 100 m² con pianta
rettangolare di 7,15 m x 14 m, con sei FIGURA 4 - Andamento della temperatura nell’edificio riscaldato
finestre di 1,5 m² ciascuna, modellabi- e ore di funzionamento dell’impianto
le attraverso il TYPE 660 [7] di TRNSYS, il quale calcola la temperatura e
il livello di umidità di un semplice edificio soggetto a determinati carichi termo-igrometrici. Per il calcolo di questi
ultimi [8] si sono considerati i seguenti valori di trasmittanza:
- pareti: 0,60 W /(m2 K);
- soffitto: 0,11 W /(m2 K);
- pavimento: 0,27 W /(m2 K);
- finestre 3,00 W /(m2 K);
Procedendo nella definizione del carico termoigrometrico, si è fatta l’ipotesi
di un nucleo di quattro persone la cui
presenza non sia costante nel tempo
(calore sensibile/persona = 283 kJ/h;
vapore/persona = 50g/h). Si sono
considerati 1,5 ricambi all’ora e 1. 000
kJ/h di potenza termica proveniente
dall’impianto di illuminazione tra le
16.00 e le 23.00 di ogni giorno. Per re- FIGURA 5 - Andamento della temperatura del fluido all’uscita
golare la temperatura ambiente del- dello scambiatore di calore geotermico
l’edificio è parte del modello un cronotermostato. Con la simulazione si può valutare il comporcomitanza con i periodi di funzionamento impostati daltamento dell’impianto geotermico durante l’inverno. In Fil’utente. La pompa di calore scelta e il dimensionamento
gura 4 si riporta l’andamento della temperatura dell’edidelle sonde geotermiche sono tali da soddisfare i carichi
ficio riscaldato e quello delle ore di funzionamento della
termici, garantendo nell’edificio le condizioni desiderate.
pompa di calore. Nonostante la pompa di calore non funDalla Figura 5, si evince l’andamento della temperatura del
zioni per tutte le ore della giornata, la temperatura delfluido all’uscita dello scambiatore geotermico; per l’intero
l’edificio si mantiene circa sui 20 °C, oscillando tra un miperiodo della simulazione, la temperatura all’uscita dello
nimo di 17 °C e un massimo di 21 °C. Il segnale di accenscambiatore geotermico assume la stessa forma sinusoidasione della pompa di calore è gestito dal cronotermostato
le della temperatura del terreno. Nella Figura 6 è riportato
in funzione della temperatura misurata nell’edificio in coninvece l’andamento della temperatura all’uscita dello scam-
61
59_TER_giu_starace.qxd:46-48_TER_mar_profilo
1-06-2010
10:16
Pagina 62
tecnica
62
energie rinnovabili
biatore geotermico per i primi dieci giorni dell’anno. Per
poter valutare i consumi dell’impianto si riporta nella Figura 7 l’energia termica ceduta all’edificio, quella prelevata
attraverso le sonde e quella fornita alla pompa di calore
per ogni mese del periodo considerato nella simulazione.
giugno 2010
LA TERMOTECNICA
TABELLA 1 - Consumi e
prestazioni della pompa di calore
nell’impianto geotermico
Impianto geotermico
T media uscita scambiatore geotermico
L’impianto integrato geotermico-solare
Consumo Pdc
COP Pdc
L’uso coordinato e contemporaneo di più fonti rinnovabili
promette di superare i limiti delle singole tecnologie, garantendo migliori risultati sia in termini di consumi, sia di efficienza. Qui si valutano le prestazioni di un impianto basato sulla combinazione di una pompa di calore geotermica con un impianto solare termico. Il sistema integrato, illustrato in Figura 8 tende a sfruttare, attraverso uno scambiatore a piastre, gli effetti positivi prodottisi con l’acqua calda proveniente dai collettori solari, che rimane a disposi-
FIGURA 6 - Andamento della temperatura del fluido all’uscita
dello scambiatore, della temperatura del terreno
FIGURA 7 - Energia termica ceduta e assorbita dalla
pompa di calore e energia prelevata dalle sonde
7,24 °C
2.191 kWh
2,9
zione nell’accumulo per gran parte della giornata, per riscaldare l’acqua che circola nel circuito di scambio con il
terreno di una pompa di calore geotermica di un edificio
residenziale opportunamente collegati tra loro (Figura 1).
Una pompa di circolazione provvede a prelevare dal serbatoio la portata richiesta dall’impianto sanitario e, quando la pompa di calore è accesa, la portata aggiuntiva che
scambia calore con il fluido proveniente dalla
sonda geotermica. Le due portate vengono in
seguito separate grazie alla funzione di controllo che gestisce il diverter: la prima si mescola
con l’acqua proveniente dalla rete per fornire
acqua calda alla temperatura massima di
55 °C; la seconda, invece, viene impiegata come sorgente calda nello scambiatore a piastre.
In questo sistema la pompa di calore permette
al serbatoio di accumulare maggiore energia
solare di quanto non avvenga in assenza di impianto geotermico, evitando così i fenomeni di
stagnazione e il conseguente aumento della
temperatura del fluido termovettore.
Al fine di valutare il sistema integrato qui descritto se ne indagano le prestazioni, analizzando sia gli effetti che l’integrazione comporta sull’impianto di riscaldamento dell’acqua per uso sanitario, sia quelli in termini
del miglioramento delle prestazioni energetiche dell’impianto geotermico. La presenza della pompa di calore, infatti, permette di accumulare più energia nel serbatoio. Dagli 820
kWh, relativi al solo impianto solare, si passa
ai 911 kWh del caso con l’impianto integrato
(+11%). Per quanto riguarda, invece, la temperatura all’uscita dello scambiatore geotermico essa varia durante il periodo della simulazione tra un minimo di 5,6 °C e un massimo
di 14,6 °C; a causa della variazione della temperatura del terreno alla profondità di 2 m,
mentre il suo valore medio è di 7,24 °C. Un
equivalente risparmio di energia si otterrebbe
sovradimensionando lo scambiatore a terreno
di 150 m. Per valutare e quantificare i miglioramenti possibili con il ricorso al sistema integrato geotermico-solare sono state considera-
59_TER_giu_starace.qxd:46-48_TER_mar_profilo
1-06-2010
10:16
Pagina 63
tecnica
energie rinnovabili
giugno 2010
LA TERMOTECNICA
63
TABELLA 2 - Prestazione della pompa di calore
geotermica nell’impianto integrato geotermico-solare
Sup. coll.
solari [m2]
Capacità
accum. [litri]
T.media uscita
scamb. Piastre [°C]
Consumi
Pdc [kWh]
COP
Pdc
Consumi
[kWh]
Consumi
[%]
COP
[%]
CASO 1
1,5
500
8,50
2.183
3,00
-8
-0,36
+3,45
CASO 2
10
300
8,00
2.186
2,97
-5
-0,23
+2,40
CASO 3
1
500
9,64
2.176
3,12
-15
-0,68
+4,00
CASO 4
1
750
9,76
2.175
3,13
-16
-0,73
+4,33
CASO 5
10
1.000
9,80
2.174
3,14
-17
-0,76
+4,67
CASO 6
10
1.500
9,77
2.175
3,13
-16
-0,73
+4,33
CASO 7
15
750
10,94
2.167
3,24
-24
-1,00
+8,16
CASO 8
15
1.000
11,12
2.166
3,26
-25
-1,14
+8,67
CASO 9
15
1.500
11,20
2.166
3,27
-25
-1,14
+9,00
te diverse configurazioni (Tabella 2). Importanza fondamentale riveste la corretta scelta della capacità dell’accumulo in rapporto alla superficie dei collettori solari. Se il
serbatoio è troppo piccolo (CASO 2), si riesce ad immagazzinare meno energia termica di origine solare e, anche se la temperatura media dell’acqua contenuta aumenta, la temperatura del fluido termovettore dell’impianto
geotermico nello scambiatore a piastre subisce un incremento ridotto. Per questo motivo è bene preferire delle configurazioni con un maggiore rapporto tra capacità dell’accumulo e superficie dei collettori. In questo modo, si sfrutta la capacità termica di un volume maggiore di acqua, anche se a temperatura media più bassa. Non è opportuno
incrementare oltre un certo limite la capienza del serbatoio, in quanto il vantaggio ottenuto tende a diminuire per
valori molto alti di capacità (casi 5 e 6 e casi 8 e 9).
ci ad uso uffici e, cioè, dalle 7:00 alle 17:00. Gli altri parametri, invece, sono uguali a quelli utilizzati nelle precedenti simulazioni. Le prestazioni dell’impianto geotermico
per questa applicazione sono riportate in Tabella 3. Le altre configurazioni analizzate allo scopo di valutare gli andamenti delle prestazioni dell’impianto al variare del dimensionamento di collettori e accumulo sono riportate in
Tabella 4 insieme ai risultati delle simulazioni
In questo caso le prestazioni del sistema, sia in termini di
consumi, sia di efficienza, si rivelano migliori rispetto a
quelli relativi ad utenze tipiche abitative, perché è possibile accumulare più energia termica di origine solare, ma anche perché la richiesta di acqua calda è inferiore. Nonostante questo, però, rimane da valutare ai fini della convenienza economica il costo di installazione aggiuntivo (al
netto di eventuali incentivi), dovuto al sovradimensionamento dell’impianto solare rispetto alle superfici captanti e
Le prestazioni del sistema applicato
a edifici ad uso uffici
Per valutare se l’impianto integrato geotermico - solare possa fornire benefici maggiori di quelli verificati nell’applicazione appena analizzata, si sono calcolate le sue prestazioni prevedendone la realizzazione a servizio di un
edificio ad uso uffici. In questo caso, il periodo di funzionamento della pompa di calore coincide con l’intervallo di
tempo in cui la radiazione solare è massima e ciò produce un maggiore sfruttamento dei vantaggi derivanti
dall’integrazione impiantistica. Così facendo, infatti, si può
accumulare la massima quantità di energia termica di origine solare, con un conseguente incremento prestazionale
nei confronti del solo impianto geotermico. Nelle simulazioni l’edificio descritto precedentemente, è occupato da 5
persone dalle 8:00 alle 13:00 e dalle 14:00 alle 17:00.
Il profilo di carico giornaliero dell’acqua calda è costante
nel periodo di occupazione ed è pari a 5 litri a persona.
L’accensione della pompa è regolata dal cronotermostato,
mentre il periodo di accensione è quello tipico degli edifi-
FIGURA 8 - Schema dell’impianto integrato geotermico-solare
TABELLA 3 - restazioni della pompa
di calore nell’impianto geotermico
Impianto geotermico
T media uscita scambiatore geotermico
Consumo Pdc
COP Pdc
6,8 °C
1.821 kWh
2,86
59_TER_giu_starace.qxd:46-48_TER_mar_profilo
1-06-2010
10:16
Pagina 64
tecnica
64
energie rinnovabili
giugno 2010
LA TERMOTECNICA
TABELLA 4 - Prestazioni della pompa di calore
nell’impianto integrato geotermico-solare
Sup. coll.
solari [m2]
Capacità
accum. [litri]
T.media uscita
scamb. Piastre [°C]
Consumi
Pdc [kWh]
COP
Pdc
Consumi
[kWh]
Consumi
[%]
COP
[%]
CASO 1 b
5
300
8,21
1.809
3
12
0,66
4,90
CASO 2 b
5
500
8,95
1.810
3
11
0.60
4,90
CASO 3 b
10
300
7,64
1.817
2,93
4
0,22
3,50
CASO 4 b
10
500
10,00
1.802
3,19
19
1,00
11,53
CASO 5 b
10
750
10,55
1.802
3,20
19
1,00
11,88
CASO 6 b
10
1.000
10,64
1.801
3,21
20
1,10
12,37
CASO 7 b
10
1.500
10.72
1.801
3,22
20
1,10
12,5
CASO 8 b
15
750
12,00
1.794
3,34
27
1,48
14,37
CASO 9 b
15
1.000
12,13
1.793
3,35
28
1,53
17,13
CASO10b
15
1.500
12,30
1.792
3,37
29
1,59
17,83
ai volumi di accumulo richiesti per soddisfare il fabbisogno
di acqua calda sanitaria, a cui si aggiungono le complicazioni introdotte a livello impiantistico.
Conclusioni
L’impianto integrato solare-geotermico mostra di potere
soddisfare le esigenze di riscaldamento, di raffreddamento e di produzione di acqua calda per uso sanitario, garantendo un livello soddisfacente di comfort con una significativa riduzione delle emissioni inquinanti. L’acqua calda, resa disponibile da un collettore solare termico attraverso uno scambiatore a piastre, riscalda un secondo flusso d’acqua che circola nel circuito di scambio con il terreno di una pompa di calore geotermica, al fine di innalzarne
la temperatura all’evaporatore per valori compresi tra 1 °C
e circa 4 °C a seconda delle dimensioni dell’impianto solare nel caso delle utenze di un appartamento e fino a 6 °C
per l’utenza di tipo uffici. Con questo sistema il COP medio migliora del 3,45% per un impianto solare dimensionato per soddisfare le esigenze di una abitazione monofamiliare, ma arriva anche a migliorare di circa il 9%, nel
caso di un impianto solare di 15 m² di collettori. Analogo
ENGLISH
abstract
Integrated Solar and Geothermal Systems for House
and Small Office Buildings: a Performance Analisys
This analysis was carried out with a numerical simulation in TRNSYS to investigate the
performance of integrated solar and geothermal systems used for hot water production
and heating of a single-family house located in Brindisi. The models of solar and geothermal systems were first studied separately; then, they were integrated to evaluate the possibility of using the hot water produced by the solar thermal collector to increase the evaporation temperature of the ground source heat pump in winter. Results in terms of reduced consumption and increased efficiency revealed themselves not encouraging. The
analisys was then aimed at investigating the performance of the integrated plant in different system configurations, with different ratio of solar collector surface to water storage. The same model was then applied for office applications with better results.
risultato si ottiene per l’utenza di uffici: il COP migliora del
5% per impianti con 5m² di collettori solari, mentre nel caso di un impianto solare di 15m² di collettori aumenta del
17% circa. Dalle simulazioni condotte si deduce anche che
grazie all’integrazione con l’impianto geotermico si riesce
ad ottenere un maggiore accumulo dell’energia solare evitando il ricorso a sistemi che impediscano la stagnazione
all’interno dei collettori solari.
Bibliografia
[1] F. Minchio, S. Basta, Geotermia e pompe di calore:
guida pratica agli impianti geotermici di climatizzazione, Geotermia.org, 2008.
[2] G. Starace, P. M. Congedo, G. Colangelo, Efficienza
e scosti legati all’adozione degli scambiatori di calore orizzontali in impianti con pompe di calore geotermiche, Atti del congresso nazionale ATI 2005.
[3] V. Trillat-Berdal, B. Souyri, G. Fraisse, Experimental
study of a ground-coupled heat pump combined with
thermal solar collectors, Energy and Buildings 38
(2006) 1477-1484.
[4] Valentin Trillat-Berdal, Bernard Souyri, Gilbert
Achard, Coupling of geothermal heat pumps with thermal solar collectors, Applied Thermal Engineering 27
(2007) 1750-1755.
[5] O. Ozgener , A.Hepbasli, Experimental performance
analysis of a solar assisted ground-source heat pump
greenhouse heating system, Energy and Buildings 37
(2005) 101-110.
[6] AERMEC, Manuale tecnico installazione manutenzione VXT, on-line on www.aermec.it
[7] Klein S. A et al., Trnsys a transient system simulation
program, Version 16, Solar Energy Laboratory, University of Winsconsin 2004.
[8] Gaetano Alfano, Vittorio Betta, Fisica tecnica, Liguore Editore, Napoli 1989.