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Progetto di un Sistema con Pompe di Calore Accoppiate al Terreno e Pannelli Solari per un Complesso di Edifici

Residenziali a Emissioni Zero

Enzo Zanchini1, Gian Luca Morini1 e Tiziano Terlizzese1

1 Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale, Università di Bologna, Bologna, Italia

SOMMARIO: Si tratta di un progetto per un impianto a emissioni zero per il riscaldamento, il raffrescamento, la regolazione dell’umidità e la produzione di acqua calda per usi domestici, destinato ad un nuovo complesso di edifici situato in Italia Settentrionale. L’impianto è composto da: un sistema a pompe di calore accoppiate al terreno per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti, con energia elettrica fornita da pannelli solari fotovoltaici; deumidificatori d’aria; pannelli solari termici e una caldaia a pellet per la produzione di acqua calda per usi domestici. Le simulazioni dinamiche del complesso di edifici e delle sonde geotermiche sono eseguite mediante il pacchetto software TRNSYS. La fattibilità economica dell’impianto proposto viene analizzata mediante confronto con un impianto convenzionale per riscaldamento, raffrescamento e regolazione dell’umidità.

Parole chiave: Edifici a Emissioni Zero, Pompe di Calore Accoppiate al Terreno, Pannelli Solari, Simulazione Dinamica 1. INTRODUZIONE

Da alcuni decenni, il risparmio energetico nel riscaldamento e raffrescamento degli edifici è considerato un obiettivo di rilievo sia nei paesi industrializzati che in quelli in via di sviluppo; si registra quindi un’intensa attività di ricerca in questo campo [1-3]. Il presente documento analizza la fattibilità di un impianto a emissioni zero per il riscaldamento, il raffrescamento e la produzione di acqua calda per usi domestici (DHW), destinato ad un complesso di edifici residenziali che verrà edificato a Poggio Piccolo, una piccola località nelle vicinanze di Bologna, nel settentrione d’Italia.

Il complesso si compone di sette edifici da quattro appartamenti e cinque edifici da due appartamenti. Ogni appartamento ha una superficie riscaldabile di 111,41 m2, quindi la superficie riscaldabile totale del complesso (38 appartamenti) è di circa 4234 m2. Ogni

appartamento si sviluppa su due piani. Il pianoterra si compone di un ingresso, un soggiorno, un bagno e un garage (non riscaldato). Al primo piano troviamo una cucina con sala da pranzo, due camere da letto, un bagno e un piccolo terrazzo. Tutti gli edifici sono dotati di struttura e pareti in legno, e l’isolamento è realizzato con materiali derivati del legno. La Figura 1 mostra una veduta dell’edificio da 4 appartamenti e la pianta del primo piano.

L’impianto di riscaldamento e raffrescamento proposto è costituito da un sistema a pompe di calore accoppiate al terreno, con energia elettrica fornita da pannelli solari fotovoltaici. L’acqua calda viene prodotta mediante pannelli solari termici e una caldaia a pellet, che può essere utilizzata anche per far fronte a picchi di carico eccezionali nella stagione invernale. Sono stati adottati sistemi di riscaldamento e raffreddamento radiante a pavimento.

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   Un circuito a ventilazione forzata dotato di regolazione dell’umidità e sistema di recupero termico provvede al ricambio d’aria .

Il fabbisogno orario di energia per il riscaldamento e il raffrescamento del complesso di edifici, e la lunghezza totale delle sonde geotermiche sono determinati con l’aiuto di simulazioni dinamiche eseguite con il pacchetto software TRNSYS. La determinazione dei tempi di recupero economico dell’impianto viene effettuata facendo un confronto con un impianto convenzionale, che impiega una caldaia a gas a condensazione per il riscaldamento degli ambienti e la produzione di acqua calda per usi domestici, e una pompa di calore aria-aria per ogni appartamento per il raffrescamento e la regolazione dell’umidità negli ambienti.

 

 Figura 1: Casa da 4 appartamenti: veduta dell’edificio e pianta del primo piano. 2. FABBISOGNO ENERGETICO PER IL RISCALDAMENTO, IL RAFFRESCAMENTO E LA

PRODUZIONE DI ACQUA CALDA PER USI DOMESTICI

I materiali che compongono la parete esterna, tra i pilastri in legno, e le rispettive proprietà termiche sono elencati nella Tabella I. Per gli strati d’aria, la conducibilità termica effettiva è riportata in Tabella, stimata

   dove s è lo spessore ed R è la resistenza termica per area unitaria dello strato.

La trasmittanza della parete esterna, stimata secondo la norma EN ISO 6946:2008, è di 0,170 W/(m2K) in corrispondenza dell’isolamento in fibra di legno (strati elencati nella Tabella I) e di 0,326 W/(m2K) in corrispondenza della struttura in legno. Nella simulazione dinamica, la resistenza della superficie esterna è stata stimata in funzione della velocità del vento e della temperatura della superficie esterna.

Il tetto presenta una composizione simile a quella della parete verticale esterna. Le travi in legno situate sotto il tetto offrono un’ulteriore resistenza termica. La trasmittanza del tetto, stimata secondo la norma EN ISO 6946:2008, è di 0,15 W/(m2K) in corrispondenza della struttura in legno e di 0,21 W/(m2K) altrove.

Lo scambio termico tra l’edificio e il terreno è stato stimato considerando la reale distribuzione della temperatura, in base al tempo, nel terreno, determinata mediante il TRNSYS Tipo 501. Il terreno è costituito da argilla pesante con un tenore d’acqua del 15%. Sono stati considerati i seguenti valori di conducibilità termica del terreno kgd e di capacità termica per volume unitario ( cp)gd: kgd = 1,70 W/(mK); ( cp)gd = 2,938 MJ/(m3K) [4]. Sono state considerate finestre con vetrocamera aventi lastre dello spessore di 4 mm separate da un’intercapedine di argon di 16 mm di spessore. La trasmittanza delle finestre, incluso il telaio, è di 1,4 W/(m2K); l’area del telaio equivale al 20% dell’area

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   totale della finestra, e il fattore solare della superficie vetrata è g = 0,589. Per valutare il guadagno di energia solare si è tenuto conto dell’ombreggio. La larghezza dei frangisole posti sopra le finestre (vedi Figura 1) è stata studiata in modo da riparare completamente dall’irradiazione solare diretta dal 15 aprile al 15 settembre per le finestre esposte a sud.

Si è tenuto conto della capacità termica delle pareti interne. I carichi termici interni/ora sono stati stimati in base alla norma ISO 13790:2008. La perdita di calore dovuta alla ventilazione è stata determinata ipotizzando un tasso di ricambio d’aria di 0,3 ore-1 e l’impiego di un sistema di recupero del calore con un’efficienza di 0,6. Tabella I: Materiali della parete esterna: s = spessore [cm]; = conducibilità termica (per l’aria, conducibilità termica effettiva) [W/(mK)]; c = capacità termica per volume unitario [MJ/(m3K)]; e = emissività.

Materiale s c 1 - Intonaco 0,5 0,9 1,638 2 - Celenit 5 0,083 0,840

3 - Aria 4 0,222 0,000 4 – Barriera al vapore 0,1 0,077 0,034

5 - Aria 4,5 0,149 0,000 6 – Strato a bassa e 0,1 0,071 0,034

7 - Celenit 3,5 0,083 0,756 8 - OSB 1,2 0,13 1,701

9 – Fibra di legno 12 0,038 0,105 10 - Aria 2 0,111 0,000

11 - Barriera al vapore 0,1 0,071 0,034 12 - OSB 1,2 0,13 1,701

13 - Celenit 5 0,083 0,756 14 - Fermacell 1,3 0,32 1,265

 Sono stati considerati i dati climatici di

Bologna, con riferimento all’anno tipico meteorologico (TMY) definito nel Rif. [5]. Nella stagione invernale, la temperatura dell’aria interna è fissata a 20°C durante il giorno e a 18°C durante la notte, eccetto nelle stanze da bagno, dove viene mantenuta più

alta di 2°C. Nella stagione estiva, la temperatura dell’aria interna è fissata a 28°C durante il giorno, il sistema di raffrescamento è spento durante la notte, mentre l’umidità relativa dell’aria interna viene mantenuta al 50% sia di giorno che di notte. La Figura 3 illustra il carico termico di riscaldamento e raffrescamento, espresso in kW, per l’intero complesso di edifici, e la temperatura dell’aria esterna in un anno, espressa in gradi Celsius. Il fabbisogno energetico annuo per l’intero complesso di edifici è di: 131,75 MWh per il riscaldamento e 64,00 MWh per il raffrescamento, ad esclusione della richiesta di calore latente, che è di 10,34 MWh.

La richiesta di acqua calda per usi domestici, stimata in base alla norma ISO 13790:2008, è di 165,66 litri al giorno, per ogni appartamento. Ipotizzando un aumento di temperatura da 15°C a 40°C, si ottiene il fabbisogno totale di energia per l’intero complesso di edifici, dato da

E ndhw = 66,70 MWh (2)

Figura 3: Carico termico di riscaldamento (in rosso) e di raffrescamento (in blu) per l’intero complesso di edifici e temperatura dell’aria esterna (in grigio) durante un anno tipico meteorologico. 3. DIMENSIONI DELL’IMPIANTO E CONSUMO DI ENERGIA PRIMARIA Il fabbisogno energetico di riscaldamento e raffrescamento viene soddisfatto da un sistema con pompe di calore accoppiate al

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   terreno che riceve energia elettrica dai pannelli solari fotovoltaici. Il calore latente per la regolazione dell’umidità dell’aria è fornito da deumidificatori d’aria, uno per ogni appartamento. Il calore per la produzione di acqua calda per usi domestici è fornito da pannelli solari termici e da una caldaia a pellet, che fa inoltre fronte ai carichi termici eccezionali nella stagione invernale (0,08% del consumo di energia per il riscaldamento nell’anno tipico meteorologico considerato). Sia per il riscaldamento che per il raffrescamento si utilizza un sistema di distribuzione del calore con pannelli radianti a pavimento. L’efficienza di distribuzione, di emissione e di regolazione sono state stimate secondo la norma ISO 13790:2008; i rispettivi valori sono:

d = 0,97 , e= 0,99 e c = 0,99.

Sono state considerate sonde geotermiche

a doppio tubo a U aventi le seguenti caratteristiche: tubi in polietilene alta densità SDR 11 con diametro esterno di 32 mm; pozzo di 156 mm di diametro; conducibilità termica del cemento 1,1 W/(mK), quindi resistenza termica del pozzo 0,095 mK/W. Il sistema con pompe di calore accoppiate al terreno prevede due serbatoi d’acqua: WR1, tra le sonde geotermiche e le pompe di calore; WR2, tra le pompe di calore e i pannelli radianti. Per WR2, si è stimata una temperatura massima dell’acqua di 35°C; quest’ultima è sufficiente a far fronte al carico termico di progetto, equivalente a 166,9 kW (temperatura esterna – 5°C).

La lunghezza totale delle sonde geotermiche è stata progettata tenendo conto dei carichi termici nella stagione invernale, con il metodo seguente. È stato fissato un valore minimo di temperatura dell’acqua in WR1 uguale a 4°C. Sono state scelte due pompe di calore, ciascuna con una potenza riscaldante di 79,5 kW, affinché la potenza massima di riscaldamento prodotta dalle pompe di calore sia & = 159 kW. Per queste pompe di calore, il coefficiente di resa

(COP) che corrisponde alle temperature estreme di WR1 e WR2 è

COP = 4,95 . (3)

Per ogni ora, la potenza erogata all’edificio è

    (4)  

dove Qn è la potenza termica netta richiesta dall’edificio, Qhp & è la potenza termica erogata dalle pompe di calore e Qaux & è la potenza termica ausiliaria per il riscaldamento fornita dalla caldaia a pellet. La potenza sottratta dal terreno per far fronte al carico termico invernale è data da

= (5)

Sono state eseguite delle simulazioni delle

sonde geotermiche tramite il TRNSYS Tipo 557, utilizzando i dati ottenuti con l’Equazione (5). La lunghezza totale delle sonde geotermiche è stata determinata per iterazione, allo scopo di rispettare il vincolo sulla temperatura minima di WR1. Si è ottenuta una lunghezza totale di 4000 m, corrispondente a 40 sonde geotermiche profonde 100 m. La Figura 4 riporta un grafico della temperatura di WR1 rapportata al tempo, per un periodo di due anni. Dalla figura si evince che la temperatura di WR1 durante il periodo estivo supera solo eccezionalmente i 18°C. La potenza termica sottratta all’edificio dai pannelli radianti, con una temperatura dell’acqua in entrata di 18°C e una temperatura dell’aria interna di 28°C, corrisponde a 28,9 W/m2.

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Figura 4: Temperatura di WR1 rapportata al tempo, per un periodo di 2 anni

Mediante TRNSYS, sono state eseguite delle simulazioni degli appartamenti tenendo conto dei seguenti vincoli: potenza massima di riscaldamento durante la stagione invernale, per superficie unitaria, uguale alla potenza di riscaldamento di progetto, per ogni stanza; potenza massima di raffrescamento per superficie unitaria durante la stagione estiva uguale a 28,9 W/m2. Con l’aiuto di queste simulazioni, si è potuto determinare l’energia elettrica richiesta dal sistema a pompe di calore e l’energia termica prodotta per il riscaldamento dalla caldaia a pellet nel corso di un anno. Inoltre, è stato verificato che: la temperatura interna di regolazione (set point) (28°C) si raggiunge in estate per raffreddamento libero, cioè, inviando l’acqua direttamente da WR1 ai pannelli radianti; durante le notti estive, quando il flusso dell’acqua nei pannelli radianti viene interrotto, la temperatura dell’aria interna è solitamente inferiore a 29°C e solo eccezionalmente supera tale valore. Queste condizioni di temperatura e il 50% di umidità relativa sono state considerate soddisfacenti.

L’energia elettrica consumata all’anno dalle pompe di calore, Ehp = 27,98 MWh, è stata determinata come l’integrale, nel corso di un anno di & �COP. L’energia termica ausiliaria annuale per il riscaldamento, prodotta dalla caldaia a pellet, è Eaux = 0,11 MWh.

L’energia termica fornita annualmente al sistema di produzione di acqua calda per usi domestici è

  (6)  

 dove e sono le efficienze di distribuzione, accumulo e fornitura per il sistema di produzione di acqua calda per usi domestici, stimate secondo la norma EN 15316-3-1:2007. Il loro prodotto è 0,89; quindi, dalle Equazioni (2) e (6) si ottiene

74,94 MWh . (7)

L’energia termica totale prodotta dalla caldaia in un anno è data da

  (8)  

dove f è la frazione di Esdhv fornita dai pannelli solari termici, è la resa della caldaia. Si è scelto una caldaia a pellet della potenza di 200 kW e con una resa di 0,92. I pannelli solari termici sono stati dimensionati in modo da rendere f = 0,70, cosicché

24,56 MWh . (9)

Poiché l’energia elettrica per le pompe di calore e la circolazione dell’acqua è fornita dai pannelli fotovoltaici, l’equazione (9) dà il consumo totale di energia primaria del complesso di edifici per il riscaldamento, il raffrescamento e la produzione di acqua calda per usi domestici. Questo consumo corrisponde a 5,80 kWh/(m2anno), a emissioni zero.

Il sistema di tubazioni delle sonde geotermiche è composto da 8 circuiti paralleli, ciascuno formato da 5 sonde geotermiche collegate in parallelo. La portata d’acqua è di 20 litri al minuto per ogni sonda geotermica. La perdita di carico totale, stimata come suggerito al Rif. [6], è di 93,9 kPa, e il

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   consumo energetico previsto è di 8,51 MWh all’anno.

Come per il sistema di tubazioni tra WR2 e i pannelli radianti, la perdita di carico totale e la portata sono rispettivamente di 69,9 kPa e 8,03 litri/s. Il consumo energetico previsto è di 5,34 MWh all’anno.

Il consumo di energia elettrica per pompare l’acqua calda per usi domestici è stimato in 0,05 MWh all’anno; il consumo di energia elettrica per la deumidificazione è stimato in 4,92 MWh all’anno. Quindi, il consumo totale annuo di energia elettrica per il riscaldamento, il raffrescamento, la regolazione dell’umidità dell’aria e la produzione di acqua calda per usi domestici è di

      (10)  

 I pannelli solari fotovoltaici sono stati

dimensionati in modo da produrre 46,80 MWh di energia elettrica all’anno, impiegando il software di progetto citato al Rif. [7]. Il sistema fotovoltaico considerato presenta le seguenti caratteristiche: angolo di inclinazione 14°, angolo di orientamento – -21°, perdite congiunte del sistema fotovoltaico 25,5%. La produzione energetica desiderata si ottiene con un sistema fotovoltaico da 45 kWp (potenza di picco). I pannelli solari fotovoltaici sono integrati nel tetto, in ogni casa. Per una casa di quattro appartamenti la superficie dei pannelli fotovoltaici è di circa 38 m2.

La scelta è caduta su pannelli solari termici piani vetrati con una superficie selettiva di assorbimento per un impianto dalle seguenti caratteristiche: angolo di inclinazione 45°; angolo di orientamento 0°; FR ( )0 = 0,824, dove FR è il fattore di asporto termico e ( )0 è il prodotto effettivo di trasmittanza e assorbanza a incidenza normale; FR UL = 3,66 W/(m2K), dove UL è il coefficiente di scambio termico globale; volume di accumulo 75 kg/m2. L’impianto è stato dimensionato con il metodo f-chart [8], utilizzando gli stessi dati climatici impiegati

per la simulazione degli edifici [5]; esso fornisce il 70% di Esdhw con una superficie a pannelli trasparenti di circa 87,5 m2. I pannelli solari termici sono collocati sul tetto di un ambiente caldaia separato, che ospita la caldaia a pellet, le pompe di calore accoppiate al terreno, i serbatoi WR1 e WR2. 4. ANALISI ECONOMICA

La fattibilità economica dell’impianto proposto è stata analizzata facendo un confronto con un impianto di riscaldamento e raffrescamento di tipo convenzionale. Quest’ultimo è composto da un impianto di riscaldamento centrale, con una caldaia a gas a condensazione, e una pompa di calore aria-aria per ogni appartamento, per il raffrescamento nella stagione estiva e la regolazione dell’umidità dell’aria. I pannelli solari termici sono stati considerati in entrambi gli impianti, senza alcuna modifica. Nella valutazione dei costi dell’impianto, come illustrato nella Tabella II, sono stati considerato solo i componenti non presenti in entrambi gli scenari.

Le tariffe correnti per il combustibile e l’elettricità nella zona di Bologna sono: 0,23 €/kg per il pellet; 0,70 €/m3

per il metano; 0,22 €/kWh per l’elettricità. Sono previsti incentivi statali per la produzione di elettricità con la tecnologia fotovoltaica: l’utente paga soltanto la differenza tra il consumo annuale e la produzione (in questo caso zero); l’elettricità prodotta viene pagata dallo Stato 0,422 €/kWh, per l’impianto qui considerato. Il costo annuale per il consumo di energia e il reddito annuo per la produzione di energia, in entrambi gli scenari, sono riportati nella Tabella III. Per l’impianto proposto, è stato inoltre considerato un costo aggiuntivo per la manutenzione di 2000 €/anno.

Tabella II: Costi dell’impianto.

IMPIANTO PROPOSTO Sonda geotermica, circuito e pompa 207000 €

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   Pompe di calore 40000 € Deumidificatori 20500 € Pannelli solari fotovoltaici 216000 € Caldaia a Pellet 12000 € TOTALE 495500 €

IMPIANTO CONVENZIONALE Caldaia a gas 11000 € Pompe di calore aria-aria 114000 € TOTALE 125000 €

Tabella III: Costo annuale (reddito) per il consumo di energia (produzione)

IMPIANTO CONVENZIONALE

Costo Reddito Metano € 10300

Elettricità € 5450 IMPIANTO PROPOSTO Pellet € 1200

Elettricità fotovoltaica € 19750 Manutenzione € 2000

Il costo supplementare dell’impianto

proposto è di 370.500 €, mentre il vantaggio annuale dell’impianto proposto, rispetto a quello convenzionale, è di 32.300 €/anno; il tempo di payback risulta quindi di circa 11,5 anni. 5. CONCLUSIONI

È stato progettato un impianto per il riscaldamento, il raffrescamento, la regolazione dell’umidità e la produzione di acqua calda per usi domestici per un complesso di edifici situato in Italia Settentrionale; l’impianto è a emissioni zero e, grazie ai pannelli solari, ha un consumo quasi zero di energia primaria. Per determinare il fabbisogno energetico e per dimensionare le sonde geotermiche, sono state impiegate delle simulazioni dinamiche eseguite con il pacchetto software TRNSYS.

Le pompe di calore accoppiate al terreno forniscono il 99,92% del consumo di energia per il riscaldamento degli ambienti, mentre, durante la stagione estiva, il comfort termico è assicurato dal raffreddamento libero e dai deumidificatori. La fattibilità economica dell’impianto è soddisfacente. RIFERIMENTI [1]Balaras, CA, et al. 2000. Potential for energy conservation in apartment buildings. Energy and Buildings. Vol. 31. pp 143-154. [2]Griffith, B, et al. 2007. Assessment of the Technical Potential for Achieving Net Zero-Energy Buildings in the Commercial Sector. http://www.nrel.gov/docs/fy08osti/41957.pdf [3] Lang, S, 2004. Progress in energy-efficiency standards for residential buildings in China. Energy and Buildings. Vol. 36. pp.1191–1196. [4]2007 ASHRAE Handbook – HVAC Applications, Ch. 32. [5] U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, http://www.eere.energy.gov/. [6]Kavanaugh, SP, Rafferty, K. 1997. Ground-Source Heat Pumps. Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings. ASHRAE. [7]Joint Research Centre, Institute for Energy, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/a pps3/pvest.php. [8]Kelin, SA, Beckman, WA, Duffie, JA. 1976. A Design Procedure for Solar Heating Systems. Solar Energy. Vol 18. pp113-127. UK.