12-AT_ Gli Impianti Efficienti_12-13 - Corso Architettura Tecnica

Corso di Architettura Tecnica a.a. 2012/2013

Prof. Francesco Fulvi GLI IMPIANTI EFFICIENTI

Prof. Ing. Francesco Fulvi francesco.fulvi@unipr.it

12-GLI IMPIANTI EFFICIENTI

Corso di Architettura Tecnica a.a. 2012-2013

È una delle esigenze che l’uomo ha avver5to fin dall’an5chità. Si tra;a di una esigenza che non può essere trascurata, in nessun 5po di edificio. Nel corso degli ul5mi cento anni si è arriva5 ad avere impian5 molto sofis5ca5 che controllano temperatura ed umidità con elevata precisione.

BENESSERE IGROTERMICO

PRODUZIONE CALORE •  Riscaldamento con biomassa •  Pompa di calore •  Geotermia •  Teleriscaldamento •  Cogenerazione •  Trigenerazione •  Solare termico •  Ven5lazione DISTRIBUZIONE CALORE •  A radiatori •  A pavimento •  A parete, a soffi;o •  ASvazione termica delle masse •  Ad aria FOTOVOLTAICO IDROGENO DOMOTICA

IL COSTO AMBIENTALE

BIOMASSA

IMPIANTO A CIPPATO/PELLETS

BIOMASSA

IMPIANTO A PELLETS CON DEPOSITO ADIACENTE

LA POMPA DI CALORE

LE PRESTAZIONI DELLA POMPA DI CALORE

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELLA POMPA DI CALORE

POMPA DI CALORE: REVERSIBILITA’ DI FUNZIONAMENTO

POMPE DI CALORE GEOTERMICHE

POSSIBILITA’ DI SFRUTTAMENTO DEL CALORE DEL TERRENO

GEOTERMIA SONDE VERTICALI

SONDE ORIZZONTALI

GEOTERMIA PALI ENERGETICI

GEOTERMIA UTILIZZO ACQUA FREATICA

Da prevedere e dimensionare al momento della proge;azione di un quar5ere (piano par5colareggiato o di loSzzazione). La posizione della centrale deve essere baricentrica rispe;o agli edifici da servire. L’impianto richiede una ges5one oculata da parte di tecnici a;en5 e competen5.

IMPIANTI DI TELERISCALDAMENTO

Trasporto calore con vapore oppure acqua cercando di minimizzare le perdite. Serve uno scambiatore di calore per abbassare la temperatura di ingresso del fluido all’interno dell’edificio.

COGENERAZIONE

COGENERAZIONE: APPLICAZIONI TIPICHE

COGENERAZIONE: BILANCIO ECONOMICO-‐ENERGETICO

Le migliori tecnologie di trigenerazione, collaudate, hanno dimostrato eleva5 rendimen5 globali ( 85%, di cui 30% energia ele=rica, 55% energia termica o di raffreddamento)

TRIGENERAZIONE

GRUPPI FRIGORIFERI AD ASSORBIMENTO

L’IRRAGGIAMENTO SOLARE

IMPIANTO SOLARE TERMICO

Un impianto solare termico u5lizza l’energia contenuta nella radiazione solare per riscaldare l’acqua fino a 60-‐80 °C. L’impianto ha come componente fondamentale uno o più conver5tori di energia solare, deS colle;ori o pannelli solari, almeno un serbatoio di accumulo e una centralina che regola il sistema ele;rico.

Il colle;ore è un contenitore con all’interno una serie di tubi in cui fluisce l’acqua che deve essere riscaldata. Ai singoli tubi sono collegate delle piastre (in genere in rame) che assorbono il calore del sole e lo trasferiscono all’acqua. I pannelli hanno una superficie vetrata superiore che serve sia per proteggere la rete di tubi sia per aumentare l’effe;o riscaldante dei raggi solari (un piccolo “effe;o serra”).

IMPIANTO SOLARE TERMICO L’acqua riscaldata nel colle;ore viene inviata nel serbatoio di accumulo. I serbatoi hanno pare5 molto spesse (10-‐15 cm) e ben isolate consentendo l’accumulo e la distribuzione anche dopo qualche ora. A causa della discon5nuità della fonte solare, è necessario dotare l’impianto di un sistema di riscaldamento integra5vo di 5po tradizionale. La soluzione impian5s5ca più u5lizzata prevede l’impiego di sistemi solari a circolazione forzata dota5 di termoregolazione per la circolazione del fluido. I sistemi solari termici sono estremamente affidabili (la durata di vita è superiore ai 20 anni) e le operazioni di manutenzione consistono per lo più nella pulitura del vetro del colle;ore e nella verifica annuale dei principali disposi5vi del circuito da effe;uarsi ad esempio in concomitanza con il controllo della caldaia. Per quanto riguarda le applicazioni per la produzione di acqua calda sanitaria, i sistemi solari consentono di coprire mediamente il 60-‐70% del fabbisogno termico annuo dell’utenza, con punte del 100% nei mesi es5vi. Il riscaldamento di ambien5 garan5sce invece un’efficienza del 30-‐40%.

Per calcolare le dimensioni di un impianto solare per un’utenza di 5po domes5co, è necessario par5re dai consumi di acqua calda sanitaria per persona (tra i 30-‐60 litri al giorno). Qualora si decidesse di integrare anche il riscaldamento degli ambien5, questo valore deve essere aumentato tenendo conto del volume degli ambien5 da riscaldare e delle loro cara;eris5che di isolamento termico (trasmi;anza).

In prima approssimazione si può s5mare che la superficie di colle;ore solare richiesta per persona è di circa 1,0-‐1,2 mq per un sistema installato in una regione del nord Italia e 0,75-‐1,0 mq per il Centro e Sud Italia. Anche il volume del serbatoio di accumulo è legato alla superficie captante installata (circa 70-‐100 litri per mq di colle;ore). Ad esempio per una famiglia di 4 persone residente in una località del nord Italia è generalmente sufficiente un impianto di 5 mq di colle;ori, abbinato ad un serbatoio di accumulo di 450 litri, con una caldaia di integrazione di 25-‐30 kW. Il numero dei colle;ori varia a seconda della zona geografica, in base alla disponibilità di energia solare. Il calcolo dell’irraggiamento sul piano dei colle;ori può essere effe;uato secondo quanto stabilito dalla norma UNI 8477 parte 1° a par5re dai da5 sull’orizzonte desun5 dalla norma UNI 10349, oppure dai da5 dell’Atlante Europeo della radiazione Solare (ESRA European Solar Radia5on Atlas

TIPI DI COLLETTORE

COLLETTORI SOLARI PIANI

COLLETTORI SOLARI SOTTOVUOTO

DISTRIBUZIONE DEL CALORE

RADIATORI

RISCALDAMENTO A PAVIMENTO

RISCALDAMENTO A PARETE O A SOFFITTO

ATTIVAZIONE TERMICA DELLA MASSA

RAFFRESCAMENTO MEDIANTE SISTEMI DI RISCALDAMENTO A SUPERFICIE

RISCALDAMENTO AD ARIA

CENTRALE PER EDIFICIO: IMPIANTO DI DISTRIBUZIONE AD ANELLO AD ENERGIA TOTALE

Nella proge;azione dell’edificio bisogna tener conto di un locale per la caldaia e della canna fumaria per lo smal5mento dei fumi della combus5one. Inoltre bisogna rispe;are le norme per la sicurezza che interessano tali locali.

CENTRALE PER EDIFICIO: IMPIANTO DI DISTRIBUZIONE A COLONNE MONTANTE -‐

NORME PER LA SICUREZZA DEL LOCALE CALDAIA

•  locale accessibile dall’esterno e serramento che si apre verso l’esterno •  caldaia e tubi a distanza di sicurezza ed ispezionabili •  una parete privilegiata per lo sfogo dell’esplosione e le altre incombus5bili •  ven5lazione naturale dire;a

CENTRALE PER ALLOGGIO

Grande diffusione, sopra;u;o, negli ul5mi anni. U5lizzabile nelle zone servite da gas metano. Necessità di aerazione notevole, per fumi di scarico e per eventuali fughe di gas. Risparmio energe5co significa5vo ma la resa è fortemente condizionata dalla coibentazione termica dell’alloggio e dalla accuratezza della manutenzione svolta sull’impianto.

CORPI SCALDANTI

Dalla centrale arriva un fluido ad una certa temperatura; esistono 3 diverse modalità di distribuzione del calore: • radiatori • pannelli radian5 • ven5lconve;ori

RADIATORI: TEMPERATURE E FLUIDO RISCALDANTE

la caldaia riscalda l’acqua che raggiunge i radiatori: l’acqua arriva nei corpi scaldan5 a circa 80° esce dai radiatori ad una temperatura di circa 65-‐70° torna alla caldaia, dove viene nuovamente scaldata

TIPO DI RADIATORI

radiatori in ghisa pesan5, con una buona inerzia termica radiatori in lamiera di acciaio lamiere soSli saldate tra loro (problemi di ossidazione e scarsa inerzia termica) radiatori in alluminio rispe;o a quelli in acciaio non hanno problemi di ossidazione leggeri e con possibilità di elaborazione formale

COLLOCAZIONE DEI RADIATORI

VANTAGGI E SVANTAGGI DEI RADIATORI

fonte di calore visibile e tangibile sfru;amento di mo5 conveSvi: vicino alla finestra si evita la condensa ingombro non trascurabile

PANNELLI RADIANTI

Tubi da 3/4.” oppure da 1 pollice realizza5 in differen5 materiali: • rame • polie5lene re5colato Serpen5na con modulo variabile che copre l’intera superficie del locale da scaldare. Molte analogie con il sistema precedente; la temperatura dell’acqua è però più bassa: 40-‐45° (problemi tecnici e di benessere). Trasmissione del calore per irraggiamento.

pannelli a pavimento pannelli a soffi;o pannelli nelle pare5 (poco diffusi)

PANNELLI RADIANTI: CARATTERI GENERALI

Il sistema viene realizzato inserendo un isolante nel so;ofondo del pavimento, stendendo poi sopra una serie di tubazioni che cos5tuiscono una serpen5na di tubo flessibile. Successivamente si annegano i tubi nel masse;o di finitura. I sistemi moderni di pannelli radian5 a pavimento u5lizzano posa a chiocciola su una lastra liscia di isolante da 3 cm in polis5trene estruso e u5lizzano acqua a 35-‐38°C, con interasse tra i tubi radian5 variabile e personalizzato in base alle reali cara;eris5che termiche di ogni singolo locale. Le serpen5ne dell’impianto possono essere realizzate in materiali plas5ci e in tubo di rame. Il vantaggio di quest’ul5mo consiste nella sua elevata conduSvità termica, che garan5sce una maggiore efficienza energe5ca. Pertanto, a parità di calore da fornire all'ambiente, è possibile avere passi più ampi (in genere 20-‐25 cm) e meno perdite di carico.

PANNELLI RADIANTI: VANTAGGI

1.  Elevata uniformità di irraggiamento con un miglioramento del benessere abita5vo. Il comfort è elevato poiché il riscaldamento a pavimento trasferisce calore all'ambiente per irraggiamento. Questo fa si che la temperatura sia uniforme in tuS i pun5 dell'ambiente scaldato, con bassissimi mo5 conveSvi dell'aria, che smuovono e sospingono la polvere.

2.  Cos5 di esercizio limita5 3.  L'impianto può anche fungere da impianto per la refrigerazione es5va degli

ambien5. n questo caso nelle tubazioni viene fa;a circolare dell'acqua fredda a circa 10°C che garan5sce il controllo della temperatura in regime es5vo. Per evitare la formazione di condensa negli ambien5 è necessario installare un sistema di deumidificazione.

4.  I pannelli radian5 sono adaS all'uso con sistemi a pannelli solari vista la bassa temperatura dell’acqua richiesta per l'esercizio

5. Totale assenza di ingombri all’interno dei locali 6. Elevata inerzia termica

PANNELLI RADIANTI: SVANTAGGI

1.  Cos5 di realizzazione dell'impianto più eleva5 rispe;o a soluzioni tradizionali. 2.  Difficoltà di manutenzione in caso di guas5 o perdite. 3.  Limitata flessibilità di esercizio

SCHEMA COSTRUTTIVO

PANNELLI RADIANTI INNOVATIVI INTEGRATI IN PAVIMENTI GALLEGGIANTI

Schema tecnico di un elemento modulare 5po

TERMO-‐CONVETTORI

scambio termico conveSvo con una ba;eria ale;ata di scambio termico che innesca fenomeno di 5raggio naturale i radiatori sono meno ingombran5 tu;avia i ven5lconve;ori consentono anche il raffrescamento

VENTIL-‐CONVETTORI

analoghi ai radiatori ma con movimento che non è naturale ma è un moto forzato che manda aria dal basso verso l’alto lo stesso impianto può essere u5lizzato sia d’estate che di inverno non si può controllare l’umidità ed il ricambio d’aria

TERMOVENTILAZIONE

In edifici terziari i ven5lconve;ori possono essere colloca5 anche a soffi;o. Ciò comporta: assenza di elemen5 di ingombro all’interno dei locali maggiori altezze di interpiano, in ragione della presenza di adegua5 controsoffiS.

h;p://www.zehnder.it/comfosystems/Principio%20di%20funzionamento,12.html

VENTILAZIONE CONTROLLATA

VENTILAZIONE

h;p://www.enf.cn/it/database/panels-‐innova5ve-‐p.html

FOTOVOLTAICO

Fotovoltaico

IMPIANTO FOTOVOLTAICO

La tecnologia fotovoltaica (FV) perme;e di trasformare dire;amente l’energia solare in ele;ricità, grazie all’impiego di materiali semicondu;ori come il silicio. Ques5 sistemi producono ele;ricità gratuita per oltre 20-‐25 anni e con bassissima necessità di manutenzione (si suggerisce un controllo annuale) I moduli FV resistono alle sollecitazioni della neve e del vento, nonché all’urto della grandine; la polvere e la sporcizia che si accumulano possono essere rimosse semplicemente con l’ausilio dell’acqua.

IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Un impianto fotovoltaico in sintesi è composto da: una serie di moduli che convertono l’energia solare in corrente ele;rica di 5po con5nuo; un inverter che trasforma la corrente con5nua in uscita dal generatore FV in corrente alternata, che dovrà alimentare le utenze o la rete; un contatore (solo nel caso di impian5 collega5 alla rete) che serve per conteggiare l’energia ceduta alla rete pubblica.

PANNELLI FOTOVOLTAICI A FILM SOTTILE

I moduli fotovoltaici più economici, ma anche quelli con il minor rendimento e anche soggeS ad un degrado del rendimento nel tempo. Ques5 5pi di moduli fotovoltaici (in Silicio amorfo, Solfuto di Cadmio, Arseniuro di Gallio) si presentano come una lastra di vetro grigio/bluastra di colore uniforme, lo spessore è di pochi millimetri e, solitamente è dotato di una cornice in alluminio per conferire maggiore robustezza o maneggiabilità al modulo stesso. In pra5ca un vetro trasparente speciale viene rives5to su di un lato, con vari passaggi, di silicio allo stato amorfo e di vari altri prodoS, al fine di creare un oSmo livello di impermeabilità e di isolamento ele;rico.

PANNELLI FOTOVOLTAICI IN SILICIO POLICRISTALLINO O MONOCRISTALLINO:

Queste due 5pologie di moduli fotovoltaici appaiono este5camente come tante celle quadrate, o re;angolari, affiancate so;o una lastra di vetro in una cornice di alluminio. In pra5ca il modulo fotovoltaico è composto da circa 30-‐70 celle fotovoltaiche singole affiancate, ele;ricamente unite e fissate a;raverso par5colari materiali ad una o più lastre di vetro in una cornice normalmente in alluminio, al fine di dare al tu;o una certa robustezza, maneggiabilità, ed ovviamente isolamento dagli agen5 atmosferici.

Xicui Entertainment Complex" a Beijing

http://www.ropatec.com/ modello “Speedy Vertical” marca ROPATEC

Eolico e micro eolico

http://www.quietrevolution.co.uk/

modello “Quiet Revolution”

“Libellula” Minieolico realizzato da Renzo Piano

“Tornado like” L’eolico senza pale

"COR Building” Miami

SOM-Pearl River Tower a Hong Kong

Solar wind-salerno Reggiocalabria A3 di rancesco Colarossi e Giovanna e Luisa Saracino

Clean tech Tower Adrian Smith e Gordon Gill Chiacago

IDROGENO

DOMOTICA

Siti internet

h;p://www.enf.cn/it/

h;p://www.urbanwind.net/wineur.html

h;p://www.energybox.ch

12-AT_ Gli Impianti Efficienti_12-13 - Corso Architettura Tecnica

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