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Tecnica
maggio 2014
LA TERMOTECNICA
Biomasse
di F. Cotana, C. Buratti, E. Moretti, M. Barbanera
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Analisi energetica e ambientale di un sistema di climatizzazione a
biomasse per la riqualificazione energetica di edifici non residenziali
Il lavoro presenta la progettazione, l’esecuzione e il monitoraggio di un sistema di climatizzazione non convenzionale, basato interamente sulle fonti
energetiche rinnovabili costituito da una caldaia a biomassa abbinata a una macchina frigorifera ad assorbimento. La soluzione impiantistica investigata
può garantire notevoli benefici energetici e ambientali rispetto a soluzioni convenzionali: l’analisi LCA ha mostrato una riduzione delle emissioni di gas
serra e dei consumi di combustibili fossili dell’ordine dell’80%.
FEASIBILITY AND ENVIRONMENTAL ADVANTAGES OF A PLANT WITH A BIOMASS BOILER
AND ABSORPTION CHILLER MACHINE
The feasibility and environmental advantages of a high-efficiency heating and cooling system by using a biomass boiler and absorption chiller machine
are presented. A pilot plant for a commercial building was designed, implemented and monitored. A LCA (Life Cycle Assessment) of the plant showed
that the replacement of a standard layout for an heating and cooling system in a building represents a promising application both for energy and
environmental issues.
INTRODUZIONE
L’Unione Europea ha ormai da anni posto l’attenzione sull’efficienza
energetica degli edifici e sull’impiego delle fonti energetiche rinnovabili in
vista degli obiettivi del 2020, spingendosi verso gli edifici a energia quasi
zero [1]. Gli edifici di tipo non residenziale, quali quelli commerciali,
artigianali o industriali, contribuiscono in maniera spesso rilevante ai
consumi di energia primaria, sia a livello nazionale sia su scala locale, a
causa degli elevati fabbisogni energetici elettrici e termici, spesso coperti
grazie a tecnologie superate o poco efficienti, che usano combustibili
fossili e contribuiscono ad aumentare le emissioni di CO2.
In questa ottica si inserisce il progetto di ricerca denominato SCER
(sviluppo di un nuovo sistema di climatizzazione di edifici artigianali in
ambito urbano basato sulle fonti energetiche rinnovabili) [2], cofinanziato dal Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare
nell’ambito di un bando volto alla realizzazione di progetti di ricerca
finalizzati a interventi di efficienza energetica e all’impiego delle fonti
di energia rinnovabili in aree urbane. I partner promotori dell’iniziativa
sono il Consorzio le Fratte, il CRB (Centro Ricerca Biomasse - Università
degli Studi di Perugia) e il Comune di Perugia. Il progetto ha l’obiettivo
di sviluppare modelli ad alta efficienza ed emissioni ridotte per la climatizzazione di edifici artigianali, grazie allo studio e alla realizzazione
di impianti prototipali nell’area di Sant’Andrea delle Fratte, uno dei poli
imprenditoriali più rilevanti di Perugia e dell’Umbria, dove operano
attività particolarmente energivore.
I nuovi impianti proposti, basati interamente sulle fonti energetiche rinnovabili, sono in grado di rendere energeticamente autonomi gli edifici
che li ospitano, grazie all’integrazione di diverse tecnologie, opportunamente combinate in due distinti prototipi. Il primo impianto prototipale
impiega l’energia da solare fotovoltaico abbinata a una pompa di calore
geotermica a bassa entalpia con sonde verticali. Al fine di far evolvere
e ottimizzare il sistema in termini di efficienza e di risparmio sia economico sia energetico, tra le sonde e la pompa di calore è stato introdotto
un serbatoio di accumulo termico (una vasca interrata in calcestruzzo
riempita di acqua) [3-4].
La seconda tipologia di impianto prototipale prevede un impianto
solare fotovoltaico in copertura per il soddisfacimento dei fabbisogni elettrici, abbinato a una caldaia a biomasse di ultima generazione alimentata a cippato [5-6]. Inoltre, per il raffrescamento
estivo, una macchina frigorifera ad assorbimento sfrutta il calore
prodotto dalle biomasse solide [7].
Il presente lavoro è focalizzato sul secondo prototipo.
Dopo una breve presentazione del caso di studio, sono illustrate le fasi
di progettazione, realizzazione e monitoraggio del sistema di climatizzazione. Completa lo studio un’analisi del ciclo di vita dell’impianto
[8-9], effettuata al fine di valutare i benefici ambientali della soluzione
impiantistica investigata rispetto a soluzioni convenzionali (caldaia a
metano per il riscaldamento e gruppo frigorifero a compressione per il
raffrescamento).
DESCRIZIONE DEL CASO DI STUDIO [2]
L’area in esame, Sant’Andrea delle Fratte nel Comune di Perugia, rappresenta il più importante polo di tipo industriale/artigianale/commerciale
in ambito urbano in Umbria, con circa 600 aziende. La zona risulta
particolarmente energivora: l’energia elettrica complessiva assorbita in
un anno di riferimento (2010) è compresa tra 25 e 28 GWh.
L’edificio oggetto di intervento, costruito nel 1988, è adibito alla vendita
e assistenza di ciclomotori e presenta una superficie di circa 1.400 m² (di
cui 625 m2 climatizzati). Sono presenti ampie superfici vetrate (superficie
complessiva pari a circa 250 m²) esposte a sud-ovest. Prima della realizzazione dell’intervento, l’impianto di climatizzazione si presentava molto
frammentano e insufficiente a garantire condizioni termoigrometriche
adeguate, con due caldaie murali alimentate a metano (potenza pari
a 24 kW cadauna) e un sistema con pompe di calore aria/aria e split
(potenza frigorifera totale pari a 16.5 kW).
Franco Cotana, Cinzia Buratti, Marco Barbanera - CRB - Centro di Ricerca sulle Biomasse, Università degli Studi di Perugia
Elisa Moretti, - CIRIAF - Centro Interuniversitario di Ricerca sull’Inquinamento da Agenti Fisici e sull’Ambiente “Mauro Felli”, Università degli Studi di Perugia
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Biomasse
PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE
DEL NUOVO SISTEMA DI CLIMATIZZAZIONE
L’impianto prototipale oggetto del presente studio nasce dall’idea di sfruttare
le biomasse legnose per la produzione di energia sia termica sia frigorifera,
quest’ultima mediante l’impiego di una macchina frigorifera ad assorbimento [10]. Allo stato attuale dell’arte, appare consolidata la tecnologia delle
macchine ad assorbimento alimentate da fonti tradizionali (metano, gasolio,
olio combustibile); diffuse sono anche le applicazioni nei sistemi di trigenerazione, sempre con alimentazione tradizionale. Per quanto riguarda invece
l’alimentazione con fonti rinnovabili, la letteratura internazionale fornisce
esempi di applicazioni con il solare termico; vi è invece una carenza di dati
per sistemi alimentati a biomasse [11-13].
Completano l’impianto sperimentale i pannelli solari fotovoltaici posti
in copertura, per il soddisfacimento dei fabbisogni di energia elettrica.
In Figura 1 è riportato lo schema funzionale dell’impianto.
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(Figura 2.b). Il vano di stoccaggio è dotato di un tetto scorrevole, che consente
il caricamento della biomassa dall’alto, mediante big bag.
Nello schema impiantistico (Figura 2.c) sono stati inseriti due serbatoi di accumulo, uno sul lato caldo (1.000 l) e uno sul lato freddo, a valle del gruppo
frigo (500 l). Gli elementi terminali sono ventilconvettori per gli uffici, mentre
per i locali officina e sala esposizione, visti gli elevati volumi, sono state
installate unità termoventilanti con canali in lamiera forata per la diffusione
ad alta induzione (Figura 2.e), in grado di evitare fastidiose turbolenze agli
occupanti e nel contempo evitare stratificazioni d’aria.
FIGURA 2 - Viste dell’impianto: caldaia (a); sistema di scarico del
cippato nel vano di stoccaggio (b); locale tecnico con serbatoi di
accumulo (c); macchina frigorifera (d); sistema di distribuzione
aria nell’officina (d)
FIGURA 1 - Schema funzionale dell’impianto
Il dimensionamento delle diverse componenti del prototipo ha tenuto conto
di fattori tecnici (soddisfacimento dei carichi di picco invernali ed estivi pari
rispettivamente a circa 60 e 65 kW), economici e logistici.
La potenza complessiva installata sulla copertura è 83,04 kWp, a cui
corrisponde una produzione di energia elettrica di 103.000 kWh/anno.
L’indagine di mercato ha evidenziato come le macchine frigorifere ad assorbimento di bassa potenza (< 100 kW) siano poco diffuse sul mercato.
La soluzione scelta è un gruppo frigorifero ad assorbimento monoblocco a singolo stadio della ditta SYSTEMA - modello SYBCTDH70,
ad acqua/bromuro di litio, con potenza frigorifera di 35 kW se
alimentata da acqua a 88 °C; altre soluzioni sono state scartate
a causa degli ingombri, poiché dotate di torre di raffreddamento
assiale separata dal gruppo refrigerante (Figura 2.d).
La caldaia a biomasse è stata scelta tenendo conto non solo dei carichi
termici, ma soprattutto di quelli frigoriferi: la macchina richiede, infatti, che
le temperature in ingresso siano maggiori di 88 °C; nel caso di temperature
superiori a 98 °C, si produrrebbero potenze frigorifere di 45 kW, auspicabili
per una maggiore compensazione dei carichi frigoriferi, soprattutto nelle
condizioni più critiche. Si è quindi scelta una caldaia a cippato di ultima
generazione dell’azienda HERZ, modello FIREMATIC 100 Biocontrol, di
potenza pari a 100 kW, capace di produrre acqua surriscaldata a temperature superiori ai 100 °C (Figura 2.a). A essa è associato un sistema di
carico automatico e un serbatoio di stoccaggio di volume lordo pari a 20 m3
MONITORAGGIO IN CONDIZIONI ESTIVE E INVERNALI:
PRIMI RISULTATI SPERIMENTALI
Al fine di poter effettuare un monitoraggio delle prestazioni dell’impianto prototipale, è stato messo a punto un sistema ad hoc, capace
di acquisire, modificare e memorizzare tutte le variabili di interesse.
Il sistema, completamente gestibile in remoto, permette la regolazione
dell’impianto (orari di accensione, temperature di set-point) e la visualizzazione in tempo reale di tutti i parametri ritenuti utili per l’analisi
delle prestazioni del sistema [4].
L’impianto è stato avviato e collaudato in data 7 Giugno 2013 e la
caldaia è alimentata da cippato di legno vergine.
Nella Figura 3 sono mostrati i risultati più significativi relativi a
una tipica settimana estiva. I dati evidenziano l’efficienza della
caldaia, che riesce a garantire temperature di alimentazione
della macchina frigorifera ad assorbimento maggiori di 90°, con
valori di picco di circa 99 °C, necessarie per il suo funzionamento
ottimale, consentendo di produrre acqua refrigerata a circa 10 °C
e di fornire potenze comprese tra 20 e 40 kW. Ciò ha permesso il
raggiungimento delle condizioni di comfort termoigrometrico nei
locali, con temperature di 25 °C anche nell’officina, precedentemente sprovvista di raffrescamento.
La potenza frigorifera fornita dalla macchina ad assorbimento all’impianto (misurata dal contacalorie dopo il serbatoio criogeno) è compresa tra 25 e 40 kW, a fronte di una potenza elettrica assorbita
globale media di 3 kW e di una potenza termica fornita dalla cal-
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daia all’accumulo caldo variabile tra 60 kW e 100 kW (nei periodi
di accensione della stessa). La presenza del serbatoio di accumulo
permette, infatti, di svincolare la sorgente calda dall’assorbitore, che
entra in funzione solo quando la temperatura dello stesso scende.
Facendo un bilancio relativamente all’intera stagione estiva, sono
stati prodotti circa 13.000 kWh di energia frigorifera da fonte
rinnovabile, con un’energia termica di circa 25.000 kWh fornita
dalla combustione di cippato e con un assorbimento di circa 1.800
kWh elettrici, interamente coperti dall’impianto fotovoltaico in
copertura; si è osservato inoltre un consumo di acqua dovuto alla
torre evaporitica di 70 m 3.
Le prestazioni possono essere valutate grazie al parametro COP
(coefficient of performance), inteso come rapporto istantaneo tra la
potenza frigorifera e la somma del calore fornito dal generatore a biomasse e dell’energia elettrica assorbita; si precisa che esso è riferito
all’intero impianto e non alla sola macchina frigorifera. Escludendo
i valori non significativi, il COP globale è compreso tra 0.2 e 0.65
nella giornate esaminate, in accordo con i dati riportati in letteratura
[13]. Facendo una valutazione media sulle energie giornaliere, esso
si attesta a 0.5, invece quello stimato relativamente alla sola macchina
ad assorbimento è compreso tra 0.55 e 0.70 (leggermente inferiore al
valore dichiarato dal produttore, variabile tra 0.73-0.75 in funzione
della temperatura in ingresso).
FIGURA 3 - Risultati del monitoraggio del funzionamento in una
tipica settimana estiva
Relativamente al funzionamento invernale, i risultati più significativi relativi a una tipica settimana sono mostrati nella Figura 4. I
dati evidenziano l’efficienza della caldaia, che riesce a garantire
temperature dell’accumulo caldo superiori a 70 °C; ciò, unitamente alla scelta di un sistema di distribuzione dell’aria ad alta
induzione, consente il raggiungimento delle condizioni di comfort
termoigrometrico in tutti i locali.
La potenza elettrica assorbita, notevolmente inferiore a quella relativa
al funzionamento estivo, è compresa tra 500 W e 1.000 W, è dovuta
alle pompe di circolazione del fluido termovettore e alla caldaia.
L’energia termica totale prodotta dalla caldaia nel periodo invernale
(dal 18 novembre 2013 al 18 febbraio 2014) è stata 25.500 kWh,
a fronte di un assorbimento elettrico pari a 495 kWh.
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FIGURA 4 - Risultati del monitoraggio del funzionamento in una
tipica settimana invernale
ANALISI DEL CICLO DI VITA E CONFRONTO
CON SOLUZIONI CONVENZIONALI
Lo scopo dello studio è confrontare l’impatto ambientale dell’attuale scenario
impiantistico con uno di riferimento, costituito da una caldaia a metano per il
riscaldamento e un gruppo frigorifero a compressione per il raffrescamento.
L’analisi di ciclo di vita è stata condotta considerando sia l’impatto legato
alla produzione e al relativo smaltimento delle principali apparecchiature
sia il carico ambientale dovuto al reale funzionamento degli impianti [8-9].
L’unità funzionale dello studio è stata assunta pari a 1 anno di
funzionamento, invece la vita media di tutte le apparecchiature si
è considerata pari a 20 anni.
La valutazione dell’impatto ambientale è stata eseguita impiegando le metodologie EcoIndicator 99 [14], che considera il complessivo impatto ecologico, CED (Cumulative Energy Demand) [15], il quale permette di effettuare
il confronto sul bilancio dell’energia primaria spesa e IPCC-100 anni [16]
per una valutazione ristretta al solo bilancio delle emissioni di gas serra.
L’analisi del ciclo di vita è stata realizzata con il supporto del software
commerciale SimaPro 7.2 e impiegando il database EcoInvent [17] per la
costruzione dell’inventario. Sono stati considerati i dati di targa delle apparecchiature costituenti il prototipo e sono state fatte le seguenti assunzioni per
il confronto con l’impianto convenzionale:
--energia termica inverno: 40.425 kWh/anno (valore stimato sulla
base dei dati di monitoraggio invernali parziali);
--energia frigorifera: 12.770 kWh/anno (valore derivante dal
monitoraggio estivo);
--COP gruppo frigorifero a compressione: 2.5;
--rendimento caldaia a metano: 94%;
--Potere Calorifico Inferiore del cippato (valutato mediante analisi
di laboratorio): 15,03 MJ/kg;
--contenuto di ceneri del cippato: 1% (valutato mediante analisi
di laboratorio).
In Figura 5 sono sintetizzati i risultati dell’analisi condotta con i suddetti
metodi. Per quanto riguarda il metodo CED, i dati si riferiscono ai soli consumi di energia da fonti non rinnovabili. La valutazione basata sul bilancio
energetico comporta risparmi del 78% e le emissioni di gas serra risultano
ridotte dell’82%; da un punto di vista dell’impatto ecologico complessivo la
differenza tra i due scenari si riduce al 50%. Si può notare che nello scenario
proposto l’impatto ambientale relativo alla categoria emissione di sostanze
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inorganiche nocive per l’apparato respiratorio dell’uomo è preponderante
rispetto agli altri, rappresentando circa il 41,8 % del totale. Ciò è dovuto
principalmente al processo di impiego della caldaia durante il periodo
invernale, in particolar modo alle emissioni in aria di PM2,5 e NOx.
Infine, è da sottolineare che nell’analisi LCA non si è tenuto conto
della presenza dell’impianto fotovoltaico, con il quale sono coperti
i fabbisogni elettrici.
FIGURA 5 - Risultati dell’analisi LCA: confronto con soluzioni
convenzionali
CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
Alla luce delle recenti e stringenti normative, risulta inevitabile un cospicuo
ricorso alle fonti energetiche rinnovabili; tra queste un ruolo significativo può
essere svolto dall’energia solare e dalle biomasse, anche impiegate in ambiti
urbani e in contesti molto energivori, come le aree a destinazione industriale/
commerciale/artigianale. In tale contesto, l’impianto prototipale oggetto del
presente lavoro ha permesso di indagare sistemi di climatizzazione poco
diffusi, che sfruttano il calore delle biomasse sia per il riscaldamento invernale sia per la climatizzazione estiva. Grazie al sistema di monitoraggio
appositamente realizzato, i risultati sperimentali nel funzionamento estivo
hanno mostrato come la caldaia a biomassa sia un generatore adeguato
al funzionamento della macchina frigorifera. L’impianto ha permesso una
riqualificazione energetica dell’immobile, il cui fabbisogno di energia per
il riscaldamento e il raffreddamento è, infatti, interamente coperto da fonti
rinnovabili, quali le biomasse e il solare fotovoltaico.
L’analisi LCA ha messo in evidenza che la soluzione impiantistica proposta
e monitorata può garantire dei notevoli benefici in termini di riduzione delle
emissioni di gas serra (-78%) e di consumi di combustibili fossili (- 82%) rispetto a soluzioni convenzionali; in termini di impatto ecologico complessivo
la riduzione è meno marcata (-50%).
I prototipi del progetto SCER, nati come modelli di possibile sviluppo di
impianti integrati di climatizzazione per edifici artigianali e commerciali,
testati in fase operativa mediante un approfondito monitoraggio, sia in condizioni estive sia invernali, sono quindi, a oggi, pronti per essere replicati sia
nell’intera zona analizzata sia su grande scala, in tutto il territorio nazionale.
In merito alle attività future, gli impianti potranno essere ulteriormente sviluppati, ottimizzando la produzione e l’utilizzazione energetica in tutte le
sue forme: è possibile valutare l’integrazione dei prototipi con sistemi di
accumulo per l’energia elettrica prodotta dal fotovoltaico (batterie agli ioni
di Litio) e con il solare termico (solar cooling).
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BIBLIOGRAFIA
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Report Ecoinvent Data V.2.2 N° 7, 2007
RINGRAZIAMENTI
Gli autori desiderano ringraziare l’impresa CIAO Motori di Perugia, che ospita l’impianto, e Ediltermica Castrianni, Spoleto
(PG) (http://www.ediltermica.net) per il prezioso supporto nella
realizzazione dell’impianto e del sistema di monitoraggio.