Ottimizzazione economico-ambientale di impianti a pompe di calore geotermiche accoppiati a captatori solari termici e fotovoltaici - un'abitazione unifamiliare in Valle d'Aosta

1.1 Descrizione dell'obiettivo della tesi

L'ambito delle fonti energetiche rinnovabili e del contenimento energetico ha raggiunto ormai da tempo dimensioni tali da non poter essere trattato interamente e approfondito in una singola tesi. Inoltre le ultime innovazioni tecnologiche (dalle tecnologie fotovoltaiche a film sottile alle diverse varianti di involucro attivo) promettono un nuovo sviluppo ed un costante mutamento della disciplina. Scegliere un tema significativo da sviluppare diventa alquanto complesso, dato che presuppone una preventiva conoscenza delle tecnologie in via di sviluppo in questo momento e una valutazione critica sul loro futuro.

Il primo movente di questo lavoro risiede nella volontà di approfondire un tema relativo all'incremento dell'efficienza energetica del sistema impiantistico di un edificio. Un secondo movente e rappresentato dalla progettazione di un edificio a ridotta domanda di energia. Si tratta di due tematiche strettamente correlate, riguardanti un unico sistema edificio-impianti. La caratteristiche dell'involucro edilizio adottate nel progetto architettonico si riflettono direttamente sulle scelte del progetto impiantistico. Dal punto di vista termico, i due elementi sono complementari, in quanto entrambi concorrono al raggiungimento del medesimo obbiettivo, ovvero l'ottenimento delle condizioni di confort ambientali, e la prestazione di uno di essi può essere bilanciata dall'altro. Risulta dunque necessario trattare complessivamente il sistema, secondo una progettazione integrata. L'intento di questa tesi è quello di sviluppare un metodo di analisi energetica dell'edificio che serva da strumento di progettazione e parallelamente una procedura di calcolo in grado di gestire la configurazione impiantistica.

Per trattare anche le diverse utenze dell'edificio con un approccio integrato, coprendo tutti i fabbisogni energetici con un tonico sistema impiantistico costituito da convertitori energetici correlati tra loro, questa tesi ha approfondito il tema dei sistemi multienergia. Questi sono sistemi energetici ibridi, che coprono i carichi termici, frigoriferi ed elettrici di un edificio attraverso diversi convertitori energetici alimentati da un mix di fonti, di cui almeno uno di tipo rinnovabile. Nella categoria di convertitori utilizzati, possono rientrare sia le tradizionali e diffuse caldaie a metano (alimentate da fonti non rinnovabili), che i pannelli solari termici e fotovoltaici (alimentati da fonti rinnovabili) e le pompe di calore (alimentate da un mix di fonti rinnovabili e non o da fonti completamente rinnovabili, a seconda della provenienza dell'energia elettrica). Questa tipologia di sistemi energetici si sta affermando sempre più grazie alle sue caratteristiche di :

-Sfruttamento delle energie rinnovabili, alla base di questo sistema è l'integrazione tra diversi convertitori per supplire alla domanda energetica. Ciò consente di superare i limiti intrinseci di ciascuna fonte (dovuti all'oscillazione dell'offerta energetica nelle risorse rinnovabili). integrando o sostituendo le energie richieste ad un convertitore, con le energie provenienti da un diversa fonte.

-Flessibilità della gestione,grazie ai controlli elettronici e manuali ,questi sistemi consentono di ottimizzare la configurazione dell'impianto, adattandolo alle esigenze dell'utenza o ai comportamenti climatici stagionali.

-Risparmi economici,grazie alla possibilità di proporzionare le singole sezioni dell'impianto è possibile raggiungere i profili tariffari più vantaggiosi o ridurre l'investimento iniziale o ancora minimizzare i costi di gestione.

-Alta definizione nell'uso dell'energia, infatti i precedenti punti permettono di selezionare il convertitore energetico più efficiente in ogni situazione e di razionalizzare dunque il consumo di energia primaria.

Data la complessività del sistema ,sorge l'esigenza di creare uno strumento che sia in grado di analizzare in maniera analitica le variabili in gioco,in modo da permettere al committente, già in fase progettuale, di scegliere la configurazione del sistema migliore.

Poiché sono molteplici le aggregazioni tra convertitori energetici che possono essere adottate, la scelta del sistema multienergia presuppone lo studio dell'ottimizazione tra la domanda, l'offerta di energia, i convertitori energetici, gli accumuli di energia e i componenti di back-up. Si tratta dunque di un problema complesso per un numero di variabili in gioco e per le reciproche interrelazioni. I software attualmente presenti sul mercato analizzano costi e rendimenti dei singoli componenti d'impianto, ma non sono sufficienti per valutare le loro interrelazioni.

Una volta stabiliti i convertitori da adottare, è ancora possibile sviluppare sistemi multienergia molto diversi tra loro, in quanto l'accopiamento tra i convertitori e il loro dimensionamento riveste un ruolo fondamentale nel funzionamento del sistema. Per valutare questi parametri in maniera analitica, è necessario stabilire delle funzioni obiettivo. Di seguito sono riportati alcuni tra gli obbiettivi più ricercati:

-Dal punto di vista energetico :

.la minimizzazione dell'energia primaria (impianti a basso consumo)

.la massimizzazione dell'uso delle energie rinnovabili (impianti che non usano combustibili fossili o energia elettrica dalla rete)

-Dal punto di vista economico:

.la minimizzazione dei costi d'installazione (non a discapito della qualità del sistema, ma realizzata predisponendo i convertitori più economici per l'ottenimento delle utenze necessarie)

.la minimizzazione dei costi di gestione

-Dal punto di vista ambientale:

.la minimizzazione delle emissioni inquinanti (CO2.CO.CH4.NOx.SOx)

.la minimizzazione delle emissioni di CO

Risolvendo analiticamente il sistema per talifunzioni obbiettivo,si possono ottenere le configurazioni impiantistiche ottimali per ognuna di esse. Raramente però una di queste configurazioni risulta essere quella ottimale per un investitore, poiché spesso è necessario prendere in considerazione più funzioni obbiettivo allo stesso tempo. Diventa quindi necessario un'analisi multicriteriale che sia in grado di pesare in maniera adeguata i differenti aspetti.

A tale fine viene utilizzato un modello di analisi dei sistemi multienergia applicato agli edifici attraverso la metodologia dell'energy-hub. L'hub consente di esprimere in maniera sintetica l'accopiamento tra domanda di energia ed offerta di energia.Si viene quindi a creare un sistema di equazioni ,basate sulle efficienze di conversione dei componenti d'impianto.

La procedura consente di prendere in considerazione l entità delle energie richieste dall'edificio, la variabilità delle efficienze di conversione in funzione delle condizioni al contorno, le condizioni di funzionamento a carico parziale, i fenomeni di accumulo dell'energia (termica, frigorifera. elettrica, chirnica) e la variabilità delle condizioni di funzionamento.

Il risultato consente di stabilire per ogni utenza necessaria:

.Quali convertitori energetici conviene installare;

.Il carico parziale o totale a cui saranno soggetti;

.La connessione con gli altri convertitori (in serie o in parallelo) e con i terminali d'inpianto più efficiente;

.la necessità e il dimensionamento degli accumuli termici;

.La necessità e il dimensionamento dei componenti di back-up;

.Una stima del costo dell'impianto;

.le temperature dei fluidi in ogni parte dell'impianto per ottenere la massima efficienza;

.Il variare del rendimento dell'impianto al variare delle condizioni climatiche;

.Le emissioni inquinanti che si prevede che produrrà l'impianto;

.Una stima del consumo dell'impianto.

Restringendo il campo d'indagine al sistema con pompe di calore geotermiche e captatoti solari sia termici che fotovoltaici, la tesi intende analizzare le diverse tecnologie : dagli ormai tradizionali pannelli fotovoltaici monocristallini e pompe di calore aria-aria ai collettori piatti e sottovuoto e alle tecnologie fotovoltaichhe a film sottile.

Per questi e stato svolto uno studio sui principi di funzionamento e sulle loro possibili applicazioni al clima Valdostano, nonché sono stati sviluppati brevi excursus sulle soluzioni tecniche che ne

ottimizzano il funzionamento. E stata poi eseguita una raccolta di dati economici e prestazioni dai

Prezzari regionali, da enti certificatori e da un'altra tesi di laurea. Grazie a questo set di dati di riferimento sono state determinate le finzioni prestazionali ed economiche necessarie per l'applicazione dell'energy-hub. Il testo relativo è stato inserito nell'elaborato del SAGGIO DI RICERCA.

Da quest'ultimo vengono poi determinati i coefficienti numerici delle funzioni matematiche. In questo modo è possibile, in relazione al profilo di domanda energetica e in relazione alle condizioni climatiche, determinare la configurazione dell'impianto più adatta dimensionare i singoli componenti.

Si è quindi applicato questo metodo ad un edificio residenziale di cui è stato sviluppato anche il progetto.La progettazione, che si è incentrata prevalentemente sul carattere energetico ,riguarda un'abitazione unifamiliare a basso consumo..Il metodo di calcolo adottato per la determinazione del fabbisogno energetico è stato un sotwer di simulazione e numerica,mediante il quale si è studiato il comportamento dell'edificio in relazione all'andamento climatico della regione Valle d'Aosta. Grazie all'analisi e al confronto tra i risultati ottenuti, la progettazione si avvalsa di un criterio di scelta tra le diverse ipotesi progettuali, che ha portato l'edificio al raggiungimento dello standar energetico passivHaus.

Il sito del caso studio è stata la città di Aosta, per aderire ai requisiti del bando di concorso descritto nel paragrafo 1.3. Per analizzare meglio il singolo edificio, l'ipotesi non prevede alcuna adiacenza ad altre costruzioni o ostruzioni che possano compromettere il funzionamento dei sistami solari attivi e passivi . Considerata la forte tradizione costruttiva locale, l'aspetto esteriore dell'abitazione riprende i caratteri delle costruzioni rurali montane.

1.2 Descrizione del carattere innovativo del progetto

Una delle peculiarità vantaggiose di questi impianti è che si basano su tecnologie maturate e commercializzate da almeno una decina di anni (pannelli solari fotovoltaici e termici, pompe di calore geotermiche) che stanno subendo ai giorni nostri una rapida espansione commerciale.

Ciò comporta numerosi vantaggi,tra cui principalmente:

-costo dei componenti relativamente moderato ,in quanto sono entrati in un sistema di produzione su larga scala;

-convenienza all'innovazione per i produttori (che sono i soggetti coinvolti con maggior risorse economiche),un miglioramento delle prestazioni dei componenti significa una migliore commercializzazione del prodotto;

-esperienza acquisita dagli installatori negli anni passati;

Inoltre una serie di nuovi vantaggi derivano da quelli appena descritti, quali la possibilità di realizzare previsioni fondati su dati statistici, la rapidità di un processo consolidato, la conoscenza dei componenti d'impianto anche se spesso solo basilare da parte dell'utente che pertanto avrà capacità di mantenere in efficienza lo stesso. Bisogna poi tenere conto dei notevoli contributi su base regionale e nazionale concessi per l'acquisto e l'istallazione di queste tecnologie.

L'innovazione insita nei sistemi multienergia consiste nella capacità di accoppiare questi componenti in triodo da poter sfruttare contemporaneamente i vantaggi prodotti da ognuno di essi. In questo obiettivo rientra la capacità dì massimizzare i rendimenti dei singoli componenti e al tempo stesso di garantire il costante soddisfacimento dei requisiti dell'utenza in qualsiasi condizione ambientale.

Questo vantaggio risulta particolarmente significante le fonti energetiche sfruttate sono del tipo rinnovabile. Infatti uno dei principali problemi nello sfruttamento di tali fonti di energia è il doversi spesso rapportare a una discontinuità di offerta energetica, dovuta alla variabilità delle condizioni climatiche. I captatori solari sono alimentati dall'irragiamento solare che è fortemente condizionato dalla copertura nuvolosa e dalla torpidità dell'atmosfera (da notare che in presenza di condizioni climatiche sfavorevoli si registrano i picchi di richiesta energetica). Le pompe di calore, che garantiscono comunque un funzionamento continuo, risentono però di una drastica riduzione del loro rendimento quando il fluido primario entrante non ha temperatura sufficientemente elevata (quando operano la produzione dl calore). Diventa dunque di fondamentale importanza compare graficamente le richieste e le offerte energetiche 1n funzione del tempo; tali valutazioni possono esser effettuate su un intervallo di tempo giornaliero o annuale. Lo sfasamento dei picchi presentì nei due grafici rappresenta le criticità dl ciascun convertitore, poìché nel momento in cui la domanda supera l'offerta dì energia è necessaria un�integrazione energetica da un�altra fonte; quando invece l'offerta supera la domanda, si viene a creare un surplus di energia che viene generalmente sprecata.

Questo problema può essere parzialmente colmato da accumuli di energia, come i serbatoi dì accumulo termico o le batterie (che hanno comunque delle dispersioni), che conservano l'energia in eccedenza per riutilizzarla quando l'impianto necessita di un'integrazione. Tuttavia quando, in un determinato intervallo di tempo, la richiesta supera complessivamente l'offerta, occorre l'apporto di fonti energia alternative, travolta aliene di tipo non rinnovabile. Questi sono i presupposti per l�affermarsi degli impianti multienergia. Come dimostrato dalle date di pubblicazione dei testi facenti parte della bibliografia allegata ,questo tema è molto attuale e costituisce uno dei più probabili sviluppi della ricerca in questo campo.

In un ambito costituito da un'enorme variabilità di componenti d'impianto (convertitori energetici) e di possibili accoppiamenti tra questi, acquista molta importanza la capacità d'analisi critica e oggettiva del mercato e delle sue applicazioni. Da ciò nasce l'obbiettivo di questa attività di ricerca volta trovare uno strumento pratico, analitico e applicativo per valutare e comparare preventivamente le diverse soluzioni di impianti a pompe di calore geotermico associata a captatori solari e fotovoltaici . L'innovazione sta dunque nel creare un modello che aiuti a fare chiarezza in un settore in rapida espansione e quindi ancora carente di una consistente statistica di dati in proposito (soprattutto per le tecnologie più recenti )e anche carente di esperienze condivise e comprovate.

Per quanto riguarda la progettazione dell'edificio, si è utilizzato un software di simulazione numerica come strumento di progettazione termica dell'edificio.

Le valutazioni non si sono soffermate solamente sui consumi annuali delle abitazioni, ma attraverso profili orari sull'arco di un anno,sono stati valutati puntualmente i contributi dovuti alle dispersioni per trasmissione attraverso l'involucro, alle dispersioni per ventilazioni agli apporti dell'irraggiamento solare attraverso i componenti vetrati, agli apporti gratuiti interni. Al variante delle condizioni climatiche esterne (i fattori che incidono maggiormente sui risultati sono la temperatura dell'aria esterna e l'irradianza solare)della regione ,si sono individuate le criticità dell'edificio e ne sono state poste soluzioni sia architettoniche che impiantistiche.

1.3 Il premio nazionale rigenergia 2008

Questa tesi,nella sua fase preliminare, ha aderito al bando di Concorso per l'assegnazione a studenti universitari del premio nazionale Rigenergia 2008. Esso è stato indetto dalla camera valdostana delle imprese e delle Professioni, al fine di favorire le attività di studio e di ricerca sulle fonti rinnovabili e sull'uso razionale dell'energia in ambienti montani, di facilitare la collaborazione fra imprese valdostane e mondo univer