Stoccaggio Stagionale dell`Energia Termica

Miguel Ramirez
Dr Shane Colclough
Prof Neil J Hewitt
Versione italiana:
Ing. Daniela Reccardo
Ing. Giulia Veardo
Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica
(SSET)
per esperti tecnici
(architetti, ingegneri, industria delle costruzioni, ecc)
1
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
2
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
3
CHE COS’E’ LO SSET ?
 Stoccaggio del freddo
durante l’inverno per
utilizzarlo in estate
 Stoccaggio
di
calore
durante
l’estate
per
utilizzarlo in inverno
4
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
5
PERCHE’ USARE LO SSET?





Il consumo di energia degli edifici rappresenta il 30-40% del consumo
totate di energia nell’Unione Europea
Il 60-70% di esso è utilizzato per il riscaldamento delle abitazioni
La domanda di calore per il riscaldamento si verifica soprattutto in
inverno quando la disponibilità solare è più bassa
Stoccare l’energia termica solare in estate per utilizzarla nei mesi
invernali
I paesi del Nord Europa hanno una temperatura ambiente media di circa
5 °C e un irraggiamento solare annuo fino a 1000 kWh/(m2 anno)
(Stoccolma)
Fonte: SoDa-is.com
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
7
STORIA DELLO SSET– Stoccaggio del freddo
Nel 400 a.C. cupole in muratura alte circa 18
metri (Yakhchals) con un sistema di torri del
vento sono state usate per stoccare ghiaccio e
mantenere il raffreddamento a temperature
ambiente di 40 °C
Fonte: awesci.com
 Antica Persia
 Romani
1° secolo d.C. utilizzavano pozzi e neve per
mantenere freddi il loro cibo e vino nei giorni
più caldi
Nel XVIII – XIX secolo, l’acqua di fiumi o laghi
veniva utilizzata per mantenere basse
temperature all’interno di strutture, chiamate
Cold Houses, per la conservazione degli
alimenti (Middleton, Inghilterra – Glen River,
Irlanda del Nord)
Fonte: Griffiths & Colclough
 Cold Houses
8
STORIA DELLO SSET– Stoccaggio di calore
 Germania dopo la I Guerra Mondiale
I primi studi di fattibilità sono iniziati nel 1920 a
causa delle limitate risorse del paese
 USA
La casa di vetro Keck nel 1933 e la casa MIT nel
1939, entrambe realizzate con vetro e materiali ad
alta capacità termica per lo stoccaggio di energia
termica
 Danimarca, Svezia
Durante la crisi petrolifera degli anni ‘70 i governi
furono costretti a cercare alternative. Sistemi di
stoccaggio termico di piccole e grandi dimensioni
sono stati costruiti e combinati a reti di
teleriscaldamento
9
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
10
COME FUNZIONA- COMPONENTI

Fonte di calore




Stoccaggio Termico




Solare
Biomassa
Calore di scarto industriale…
Elevata Capacità termica
Grande volume
Basse perdite termiche
Sistemi Ausiliari & di Distribuzione


Caldaia, Pompa di calore
Rete di teleriscaldamento
11
COME FUNZIONA - CONFIGURAZIONI

In Parallelo

Source: Solites
Pompa di calore, collettori solari
and SSET lavorano in modo
indipendente per soddisfare la
domanda di calore
In Serie
Collettori solari o SSET agiscono
come fonte per la pompa di calore
o in aggiunta ad altre fonti

Serie/Parallelo
La pompa di calore o i collettori
forniscono calore all’edificio in
modo dipendente o indipendente
12
COME FUNZIONA - CONFIGURAZIONI

Parallelo
I collettori solari sono collegati direttamente al serbatoio di stoccaggio e lo
caricano con energia termica durante i periodi di elevata radiazione solare.
Lo SSET fornisce acqua calda per l’acqua calda sanitaria (ACS) e il sistema di
riscaldamento degli ambienti durante il periodo di riscaldamento (inverno).
Quando la temperatura dello SSTE è inferiore a quella richiesta, la pompa di
calore fornisce il calore necessario sia per l’ACS sia per il sistema di
riscaldamento degli ambienti. La sorgente termica della pompa di calore è
esterna e può essere l’aria, il terreno o derivante dal recupero di calore di
scarto
Collettori
solari
ACS
SSET
Pompa di
calore (ad aria o
Carico
geotermica)
13
COME FUNZIONA - CONFIGURAZIONI

Serie
Il campo solare, il serbatoio di SSET e la pompa di calore sono collegati in
serie. Il calore viene immagazzinato nei periodi di elevata radiazione solare.
I collettori solari possono agire direttamente come fonte per la pompa di
calore o indirettamente tramite accumulo termico. La pompa di calore deve
essere acqua-acqua e può soddisfare la richiesta sia di acqua calda sanitaria
(ACS) sia di riscaldamento. La temperatura del serbatoio di stoccaggio può
essere mantenuta entro un intervallo di temperature più basso in funzione
dell’intervallo di funzionamento della fonte della pompa di calore. Avendo
una temperatura inferiore nel serbatoio di stoccagio, le perdite termiche
dallo SSET sono minori
Pompa di
calore
Collettori
solari
ACS
SSET
Carico
14
COME FUNZIONA- CONFIGURAZIONI

Serie/Parallelo
Il serbatoio di SSET è caricato dai collettori solari e fornisce calore per
l’acqua calda sanitaria e per il riscaldamento degli edifici. Quando la
temperatura all’interno del serbatoio di SSET è inferiore al minimo richiesto
dal carico, la pompa di calore entra in funzione. La pompa di calore estrae il
calore residuo dal volume di stoccaggio per fornire acqua calda sanitaria e
riscaldamento agli edifici. In tutti e tre i casi, la pompa di calore può
funzionare durante i periodi di basso costo dell’elettricità per riscaldare il
volume di ACS in modo coveniente. Inoltre, un sistema ausiliario (per esempio
una caldaia a gas) deve essere utilizzato per coprire la domanda di
riscaldamento che non può essere coperta dal sistem di SSET.
Collettori
Solari
ACS
SSET
Pompa di
calore
Carico
15
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
16
MODI PER STOCCARE L’ENERGIA TERMICA

Calore Latente

Calore Chimico

Calore Sensibile
17
STOCCAGGIO TERMICO - Tipologie

Calore Latente

Calore Chimico

Calore Sensibile
I materiali più comunemente utilizzati per
immagazzinare calore latente sono i
Materiali a cambiamento di fase solidoliquido (Phase Change Materials - PCM).
L'energia termica può essere assorbita dai
PCM in entrambi gli stati solido e liquido.
Tuttavia, i PCM assorbono elevate quantità
di calore durante la conversione da solido a
liquido (temperatura di fusione). I materiali
a
cambiamento
di
fase
possono
immagazzinare da 5 a 14 volte più calore
per unità di volume rispetto ai materiali di
stoccaggio convenzionali quali acqua,
mattoni o roccia. Quando l'energia termica
viene assorbita dai PCM, questi cambiano
fase da liquido a solido rilasciando il calore
latente immagazzinato.
18
STOCCAGGIO TERMICO - Tipologie

Calore Latente

Calore Chimico

Calore Sensibile
I sistemi di stoccaggio di calore chimico e
di
assorbimento
(stoccaggio
termochimico),
sono
promettenti
tecnologie con notevoli vantaggi rispetto
ai sistemi di stoccaggio sia di calore
latente sia sensibile. Le densità di
immagazzinamento
possono
essere
teoricamente fino a 10 volte superiori a
quelle dell'acqua, riducendo così i
volumi. A causa della natura del processo
e la bassa temperatura dei materiali
stoccati possono essere eliminate quasi
totalmente le perdite termiche. La
combinazione di entrambi i vantaggi
facilita un efficiente stoccaggio di
energia termica nel tempo e il suo
trasporto.
19
STOCCAGGIO TERMICO - Tipologie

Calore Latente

Calore Chimico

Calore Sensibile
Il calore sensibile è l'energia termica
ceduta a o da una sostanza che provoca
un cambiamento di temperatura. E’ il
modo più comune e diretto per
immagazzinare
calore,
tuttavia
i
principali inconvenienti sono le grandi
quantità di materiali/volumi necessari e
le perdite di calore quando il mezzo di
stoccaggio è circondato da temperature
più basse. L'uso di serbatoi d'acqua per
l'accumulo termico è una tecnologia ben
nota. Soluzioni innovative possono
ridurre al minimo le perdite di calore,
garantendo una stratificazione ottimale
dell'acqua e un isolamento termico ad
alta efficienza.
20
Heißwasser-Wärmespeicher
QUANTA ENERGIA PUO’ ESSERE Kies/Wasser-Wärmespeicher
IMMAGAZZINATA
Sommer
Heißwasser-Wärmespeicher
Heißwasser-Wärmespeicher
Winter
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Sommer
Winter
Sommer
Winter
Wärmedämmung
Abdichtung
Schutzvlies
Stoccaggio di energia termica in serbatoio
d‘acqua calda (Hot Water TES)
Erdsonden-Wärmespeicher
~70 kWh/m³ 1)
Erdsonden-Wärmespeicher
Erdsonden-Wärmespeicher
Wärmedämmung
Wärmedämmung
Abdichtung
Abdichtung
Schutzvlies
Schutzvlies
Stoccaggio di energia termica in
fossa scavata nel terreno (Pit TES)
~55 kWh/m³ 2)
Stoccaggio di energia termica in pozzi
verticali (Boreholes TES)
Stoccaggio di energia termica in
Acquifero (Aquifer TES)
15-30 kWh/m³
30-40 kWh/m³
1) J
max=90
°C, Jmin=30 °C con pompa di calore 2) Jmax=80 °C, Jmin=10 °C gravel-water TES con pompa di calore
STOCCAGGIO TERMICO - Sistemi

Sistemi di Stoccaggio dell’Energia Termica
Fonte: http://solar-district-heating.eu/
22
STOCCAGGIO TERMICO - Perdite

Le perdite dai serbatoi
di SSET possono essere
elevate
Grazie
a
minori
rapporti superficie su
volume,
i
grandi
serbatoi si raffreddano
più lentamente e sono
quindi favoriti.
Questo ha portato a
focalizzarsi su SSET
combinati a reti di
teleriscaldamento
Curva di raffreddamento dell’acqua calda stoccata in un
serbatoio di volume netto pari a 10 m3 (forma cilindrica:
Ø 2 m, altezza 3,18 m).
Temperatura iniziale 80 °C, temperatura ambiente 5 °C
Time in days
A: Materiale isolante convenzionale: λ = 0,05 W/(m·K), spessore isolamento s = 0,2 m
B: Materiale isolante convenzionale : λ = 0,05 W/(m·K), spessore isolamento s = 2 m
C: isolamento sottovuoto: λ = 0,005 W/(m·K), spessore isolamento s = 0,2 m
23
STOCCAGGIO TERMICO – Sistemi

Stoccaggio di calore sensibile
Le tipologie di SSET sono caratterizzate da differenti capacità specifiche di stoccaggio
utilizzabile, livelli di temperatura e capacità di carica e scarica. Inoltre, la capacità di
stoccaggio volumetrica utilizzabile dipende dal range di temperatura e dalla capacità termica
specifica volumetrica del materiale di stoccaggio. Questi fatti devono essere considerati per la
selezione tecnica di un certo tipo di SSET.
Massime temperature di esercizio delle diverse tecnologie di SSET a seconda
della temperatura di ritorno della rete di teleriscaldamento e dell'utilizzo delle
pompe di calore [fonte: ITW, USTUTT]
Capacità di stoccaggio volumetrica Utilizzabile in funzione della
temperatura minima di scarico delle diverse tecnologie di SSET a
seconda della temperatura di ritorno della rete di
teleriscaldamento e l'utilizzo delle pompe di calore [fonte: ITW,
USTUTT].
STOCCAGGIO TERMICO - TTES
TTES
Calcestruzzo
Costruito in
Loco
Prefabbricato
Acciaio
Montato sul
posto
fibra
Isolamento
sottovuoto
Montato in
fabbrica
Cemento Armato
Serbatoio Metallico
VANTAGGI

Capacità di stoccaggio di energia
addizionale (fino a +25%)

Il materiale protegge l’isolamento.
SVANTAGGI

Struttura pesante

Richiede impermeabilizzazione

Limitazioni per serbatoi pressurizzati

Tipicamente basso rapporto h/D, poca
stratificazione
VANTAGGI

Struttura più leggera

Facile impermebilizzazione

Flessibilità nella geometria e nelle forme
SVANTAGGI

Molto conduttivo, può influenzare le
perdite termiche

Conducibilità può distruggere la
stratificazione
25
STOCCAGGIO TERMICO - Stratificazione

Stoccaggio termico e
stratificazione
Lo stoccaggio efficace di energia termica in
serbatoi di acqua calda richiede sia una parete
del serbatoio ben isolata sia un semplice sistema
di carica e scarica, che producano e mantengano
una stratificazione termica affidabile nel
serbatoio di stoccaggio. La qualità della
stratificazione termica all'interno del serbatoio
di stoccaggio ha una notevole influenza sulle
prestazioni
termiche
del
sistema
di
riscaldamento solare. La miscelazione di acqua
calda e fredda all'interno del serbatoio di
stoccaggio può ridurre la resa solare e può
aumentare significativamente la quantità di
calore richiesto per il riscaldamento. Quindi
anche il sistema di riscaldamento solare può
perdere la ragionevolezza.
STOCCAGGIO TERMICO - Stratificazione

Tipologie di Dispositivi di
stratificazione



Esterni: Valvole automatiche che controllano il flusso lungo
l'altezza del serbatoio
Interni: L’altezza dell’ingresso dell’acqua calda è
automaticamente controllata dalla densità dell’acqua
Motivi per utilizzarli




La stratificazione dello SSET influisce sulla qualità e la
durata della energia immagazzinata
Diversità di temperatura: collettori solari, pompe di calore e
caldaie convenzionali operano a diverse temperature
La temperatura dell’acqua di mandata e di ritorno influenza
la stratificazione all’interno del serbatoio di stoccaggio
Sistemi di stratificazione mal progettati influenzano
direttamente la qualità e la durata di un sistema di SET
27
STOCCAGGIO TERMICO - Buffer




Serbatoio Buffer
Richiesto in impianti termici per
decentralizzare la produzione di
energia
dallo
SSET,
fornendo
alimentazioni indipendenti di acqua
calda
Si stabilizza la capacità termica e la
temperatura di uscita della pompa di
calore
Controlla i livelli di temperatura,
migliorando così lo scambio termico
28
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
29
ESEMPIO di MODALITA’ DI FUNZIONAMENTO
DELLO SSET IN SERIE/PARALLELO
(IMPIANTO EINSTEIN)
COME FUNZIONA – Serie/Parallelo

Carica
La carica di un sistema di SSET inizia quando l’energia termica della fonte
(solare) è disponibile. L’energia termica solare può essere raccolta durante I
mesi estivi e stoccata nel serbatoio di SSET per utilizzarla successivamente.
E’ anche possibile immagazzinare e fornire energia termica solo quando il
serbatoio ha circuiti indipendenti per la carica e la scarica.
COME FUNZIONA– Serie/Parallelo

Scarica diretta
La scarica di un sistema di SSET inizia con la stagione di riscaldamento. Il
serbatoio fornisce calore direttamente agli edifici attraverso una rete
teleriscaldamento o tubazioni dirette. La temperatura di uscita dell'acqua
calda è regolata in base alla curva di riscaldamento del carico. Le
temperature massime in uscita dallo SSET sono tipicamente 80 °C, (con
serbatoi pressurizzati è possibile avere temperature > 100 ° C).
TSSET > 50°C
COME FUNZIONA– Serie/Parallelo

Funzionamento Pompa di calore
La pompa di calore funziona quando la temperatura di uscita dallo SSET è
inferiore alla temperatura necessaria al carico per coprire interamente la
domanda di riscaldamento. L’acqua dallo SSET fornisce calore al ciclo di
evaporazione della pompa di calore e il ciclo di condensazione fornisce
acqua calda con temperatura sufficiente a superare le esigenze del
carico.
10°C < TSSET < 50°C
HOW DOES IT WORK – Serial/Parallel

Sistemi ausiliari – Caldaia
Quando la temperatura dell'acqua nel serbatoio scende (10 °C) ad un
livello che è fuori del funzionamento efficiente della pompa di calore, il
sistema ausiliario si avvia. L'energia termica dal serbatoio di SSET è stata
completamente scaricata e il carico dipende totalmente sul sistema
ausiliario.
TSSET < 10°C
COME FUNZIONA– Serie/Parallelo

Sistemi Ausiliari– Caldaia/ Pompa di calore




Una sorgente di calore ausiliaria è essenziale per coprire il carico
di punta e per i periodi in cui il serbatoio è scarico
Le pompe di calore sono tipicamente tre/quattro volte più
efficienti dei riscaldatori convenzionali a parità di quantità di
calore
Le pompe di calore acqua-acqua hanno una bassa temperatura di
ritorno lato sorgente. Tale differenza di temperatura favorisce la
stratificazione nel serbatoio.
Una temperatura più bassa in fondo al serbatoio determina una
maggiore efficienza del collettore e diminuisce le perdite termiche
attraverso il terreno
35
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
36
CALCOLI- Diagramma

Diagramma Energetico di un sistema di SSET con Pompa
di Calore
37
CALCOLI

Q= m.cp.ΔΤ




Q: Energia termica stoccata
m: Massa della sostanza usata per stoccare calore
cp: Capacità termica specifica della sostanza usata
per stoccare calore
ΔT: Variazione di temperatura del mezzo di
stoccaggio prima e dopo averlo caricato
38
CALCOLI

Massima Energia Termica Accumulata al
La massima energia termica accumulata in un sistema di SSET MWh può essere
calcolata con la seguente equazione:
𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝑉 ∙ 𝜌 ∙ 𝐶𝑃 ∙ (𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑚𝑖𝑛 )
V: Volume (m3)
ρ.Cp: Capacità termica del mezzo di stoccaggio (MJ/(m3 K)
Tmax: Massima temperatura di stoccaggio
Tmin: Temperatura minima
39
CALCOLI

Produzione dei collettori solari
I due fattori principali che determinano l'efficienza di stoccaggio stagionale di
energia termica con una pompa di calore sono la frazione solare (SF) e il
coefficiente di prestazione (COP) della pompa di calore. Questi fattori
cambiano con la superficie del collettore ed il volume di stoccaggio.
Impianti di riscaldamento solare sono principalmente valutati in base alla loro
SF, che è la quantità di energia fornita dal sistema di riscaldamento solare
diviso il fabbisogno energetico totale, come mostrato nell’Eq
.
𝑞𝑐 − 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑆𝐹 =
𝑄ℎ𝑑
qc: Produzione dei collettori solari
Qloss: Perdite termiche dal sistema
Qhd: Domanda termica
40
CALCOLI

Bilancio energetico del sistema di SSET
La relazione tra SF, COP, collettori solari e volume di stoccaggio può essere
calcolata considerando il principio di conservazione dell’energia, con l’energia
all’interno del serbatoio di stoccaggio calcolata con la seguente equazione:
𝑞𝑐 + 𝑊ℎ𝑝 = 𝑄ℎ𝑑 + 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 + 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑘
Dove qc è la produzione dei collettori solari, Whp è l’energia elettrica richiesta
dalla pompa di calore, Qhd è la domanda di calore per il riscaldamento degli
ambienti e dell’ACS (Acqua Calda Sanitaria) se presente, Qloss è la perdita di
calore dal sistema e Qtank è l’energia stoccata nel serbatoio. Unità in kWh.
41
CALCOLI

Prestazione della pompa di calore
L'efficienza di una pompa di calore in modalità riscaldamento è determinata
dal coefficiente di prestazione (COP). Il COP della pompa di calore indica il
rapporto tra energia prodotta ed energia utilizzata. Il COP dipende dalla
temperatura della sorgente di calore e quella del dissipatore di calore,
l'efficienza del compressore e la tipologia del suo mezzo di lavoro.
𝐶𝑂𝑃 = 𝜂𝑐 ∙ (𝑇𝑠𝑖𝑛 𝑇𝑠𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑟 )
𝑛
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 +
𝑊𝑖,𝑝𝑢𝑚𝑝 𝑎𝑛𝑑 𝑓𝑎𝑛
𝑖=1
𝑄ℎ𝑑
=
𝐶𝑂𝑃
La diminuzione della differenza di temperatura tra fonte di calore e
dissipatore di calore comporta un aumento del COP. Un sistema di
riscaldamento a bassa temperatura e fonte di calore ad alta temperatura è
quindi vantaggioso
ηc: Efficienza di Carnot
Tsin, Tsor : temperature del dissipatore di calore e della fonte di calore (C)
W: Lavoro del compressore, della pompa e del ventilatore (kWh)
Qhd: Domanda di calore (kWh)
42
CALCOLI

Dimensione dello SSET
Quando il volume del sistema di stoccaggio è noto le altre dimensioni
possono essere calcolate. Si presume che venga utilizzato un serbatoio di
forma cilindrica con RHD = 0.6.
1
𝐷 = [4 ∙ 𝑉 (𝜋 ∙ 𝑅𝐻𝐷)] 3
𝐴 = 𝜋𝑟 2
𝐻𝑎𝑐𝑢 = 𝑅𝐻𝐷 ∙ 0.5
𝐴𝑎𝑐𝑢 = (𝑅𝐻𝐷 ∙ 0.5) ∙ 𝜋 ∙ 𝐷2
RHD: ration height/diameter (Rapporto altezza/Diametro)
Hacu: Altezza del serbatoio di stoccaggio (m)
Aacu: Area superficiale totale del serbatoio di stoccaggio (m2)
43
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
44
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO?
Tipologia di edificio





Condizioni climatiche


Casa singola
Sviluppo di multi-unità
Di
nuova
costruzione
(preferibile)
Edifici esistenti
Fonte: Asko professionals

Elevata Radiazione solare
annuale
e
moderato
fabbisogno di calore in
inverno sono ideali
Tipologia di riscaldamento


Teleriscaldamento
Bassa temperatura
45
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? - Considerazioni

Condizioni del terreno




Fonte di energia termica




Struttura Geologica
Terreno per lo Stoccaggio
Caratteristiche idrogeologiche (acquiferi)
Superficie sufficiente per i collettori solari (terra, tetto)
Fonti di calore di scarto industriali (intervallo di
temperatura, distanza dal punto della domanda di calore
e disponibilità)
Disponibilità della rete di teleriscaldamento
Tipologia di utilizzo


Carico singolo
Utilizzo in abitazione indipendente (sistema di controllo
complesso)
46
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – Risorse EINSTEIN

Posizione all’interno dell’UE
La domanda di energia per il riscaldamento degli ambienti in
Europa varia significativamente da paese a paese. I principali
fattori dipendono dagli edifici esistenti, il periodo di
costruzione, la densità edilizia e le condizioni climatiche locali.
Il maggior potenziale per
l'applicazione dei sistema di
SSET
in
Europa
sono
evidenziati nel rapporto:
“Classification of EU building
stock according to energy
demand
requirements.”
("Classificazione degli edifici
europei in base alle esigenze
della domanda di energia ")
Domanda di energia residenziale in funzione della temperatura
ambiente media.
(ACC4: Bulgaria, Romania, Turchia, Croazia, EFTA3: Islanda,
Norvegia e Svizzera; NMS 10: nuovi dieci Stati membri dal maggio
2004.
(Fonte: ECPHEATCOOL).
47
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – Risorse EINSTEIN

Integrazione dello SSET
Date le recenti normative di rendimento energetico nei paesi
dell'UE si prevede che gli edifici avranno domanda di energia più
bassa (< 50 kWh/m²anno). In questo caso è possibile usare
temperature più basse di alimentazione per i sistemi di
riscaldamento diminuendo così le perdite termiche. Questo rende
i sistemi di SSET più adatti all'integrazione in sistemi di
riscaldamento a basso consumo energetico.
L’integrazione dello
SSET con una serie di tecnologie per
generazione di calore, quali caldaie a gas, pompe di calore,
produzione combinata di calore ed elettricità (CHP) e sistemi di
distribuzione, sono discussi in questo documento: “Technology
assessment HVAC and DHW systems in existing buildings
throughout the EU” ("Valutazione della tecnologia HVAC e dei
sistemi di produzione di acqua calda negli edifici esistenti in tutta
l'UE ")
48
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – Risorse EINSTEIN

Progettazione di sistemi di SSET e impianti EINSTEIN
Numerose fasi devono essere intraprese per la progettazione di un
sistema di SSET. Esse consistono principalmente in sfide e decisioni
tecniche, come il dimensionamento dei serbatoi di stoccaggio, la
localizzazione, il dimensionamento del campo solare e le
modifiche al sistema di riscaldamento. Avere un sistema transitorio
influenzato principalmente dalle condizioni climatiche, consente di
prevedere e determinare il comportamento tramite calcoli
stazionari. Una guida completa per la pianificazione e la
progettazione di un sistema di SSET la si può trovare qui: “Design
guidelines for STES systems in Europe”.
Per avere una panoramica
della
progettazione
ed
installazione degli impianti
dimostrativi del progetto
EINSTEIN si prega di
cliccare qui.
49
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – Combinazione tra una maggiore
efficienza energetica e l’utilizzo di fonti rinnovabili

Strategia Energetica
Per essere più efficaci, i sistemi di SSET devono essere parte di una
strategia energetica globale.
Questa comprende:
 Riduzione della domanda di energia degli edifici esistenti
attraverso misure di ristrutturazione in chiave energetica
 Integrazione delle energie rinnovabili
 Integrazione di soluzioni specialistiche tra cui lo SSET
Queste decisioni devono essere ottimizzate in base a variabili relative
al caso specifico, quali:
 Clima
 Costi
 Tipo di edificio
Un Tool software di valutazione (Evaluation Tool) è stato sviluppato
per determinare la combinazione più conveninte dei provvedimenti
50
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – Evaluation Tool
Configurazione del Tool di Valutazione
1.Definizione
dell’edificio
2. Riduzione del
consumo
energetico
desiderata
3. Calcolo della
soluzione più
conveniente
4. Risultati
• Selezione della zona climatica
• Selezione della tipologia di edificio
• Superficie dell’edificio
• Selezione dell’intervallo di risparmio
•Ricerca sul database dei risultati:
•- Identificazione dei casi ottimali che soddisfano i risparmi selezionati.
•- Identificazione della combinazione più efficace di misure attive e passive (compreso lo SSET)
• Combinazione ottimale selezionata
• Risparmio di energia primaria (-kWh/anno)
• Investimento richiesto (€)
51
EVALUATION TOOL– La soluzione più conveniente
Modello per la
valutazione del
comportamento
energetico di
edifici esistenti
Contributo dello
SSET all’efficacia
dei costi
Tool di Valutazione
per la
determinazione
dell’intervento di
ristrutturazione più
conveniente
Entra
nell’EVALUATION
TOOL
Strategie di
ristrutturazione
passive
Strumento
decisionale per la
progettazione e
valutazione dello
SSET
52
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – SSET Design Tool
Decision Support Tool
Per effettuare un design e una valutazione economica (CAPEX/OPEX) preliminari di
sistemi di stoccaggio stagionale dell’energia termica in edifici esistenti, un
Decision Support Tool (DST) è stato sviluppato nell’ambito del progetto EINSTEIN. Il
DST aiuta gli utenti ad identificare le tecnologie più adatte e le loro prestazioni in
funzione di alcune condizioni specifiche.



Condizioni climatiche
Esigenze di spazio
Macchinari e esigenze di integrazione (Collettori solari ,
SSET, rete di teleriscaldamento, pompa di calore e sistemi
ausiliari)
Per ulteriori informazioni riguardanti il modello cliccare qui.
53
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – SSET Design Tool
Descrizione del DST
Il tool software è costituito da tre parti principali:
 Sezione di inserimento dati
 Sezione di calcolo
 Sezione dei risultati
Casistiche di progettazione
In aggiunta alla selezione e valutazione di sistemi di SSET, il tool
software consente di analizzare e confrontare diversi scenari. Sistemi
centralizzati così come configurazioni distribuite possono essere studiate
dall’utente per ogni luogo e ogni livello di domanda di riscaldamento di
edifici esistenti e non esistenti.
Per accedere al tool, cliccare qui:
DECISION SUPPORT TOOL
54
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – Casa monofamigliare di
riferimento
SFH: Single Family house (Casa monofamigliare)
SFH
84,5
m2
55
DOVE VIENE MEGLIO UTILIZZATO? – Casa multifamigliare di
riferimento
MFH: Multifamily house (Casa Multifamigliare - Condominio)
MFH
676
m2
litres of water
consumption
DHW MFH
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
0.00 2.00 4.00 6.00 8.0010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.00
h
56
DOVE VIENE MEGLIO IMPIEGATO? – Esempi
€ saving/kWh consumed
Rapporto Risultato economico/energia
primaria consumata vs energia primaria
risparmiata
Curve dei rapporti
risultanti migliori
(Distribuzione di Pareto)
0.300
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
0.000
0%
140.00
20%
40%
60%
% Primary savings
80%
100%
Rapporto Investimento/energia primaria risparmiata vs energia
primaria risparmiata
120.00
100.00
best restults (Invest
aproach)
80.00
60.00
best results (20 y
exploitation
aproach)
40.00
20.00
0.00
0%
20%
40%
60%
% Primary savings
80%
100%
57
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
58
QUANTO COSTA?
I costi e i benefici economici dello stoccaggio
stagionale dell’energia termica variano notevolmente.
Tra le variabili sono inclusi:






Dimensione
Aspetti Climatici (irraggiamento solare, temperatura
esterna)
Domanda di riscaldamento
Tipo di SSET
Integrazione con la rete di teleriscaldamento
Variabili economiche tra cui il tasso di inflazione, tasso di
inflazione del combustibile, tasso interno di rendimento,
ecc.
59
QUANTO COSTA? – Il serbatoio di SSET




Il diagramma qui sopra mostra i costi di una vasta gamma di dimensioni
di serbatoio di SSET utilizzati per grandi sistemi di teleriscaldamento.
Il costo dell'investimento diminuisce con le dimensioni.
Sono evidenziati i costi dei serbatoi di SSET di entrambi i pilot di
EINSTEIN
Il serbatoio MultiUnit di 23 m3 a Lysekil è su una scala diversa e costa
700 €/m3
60
QUANTO COSTA? – Costo complessivo di riscaldamento
Esempio di installazione del sistema di SSET in una abitazione singola
Casa passiva con ACS solare e
riscaldamento degli ambienti con SSET
 Il ritorno dell’investimento in tempi
più brevi è stato raggiunto con ACS
solare e sistema di riscaldamento
degli ambienti senza SSET (opzione
con costo più basso nell’anno 16 & di
nuovo
nell’anno
24
dopo
la
ristrutturazione)
 Quando lo SSET è stato aggiunto al
sistema ACS solare e al sistema di
riscaldamento, l’opzione è risultata a
più basso costo nell’anno 33
 Si noti che lo SSET è richiesto come I costi indicati includono sistemi, costi operativi e di
combustibile e sono corretti per l'inflazione e il
parte integrante del sistema al fine fattore di sconto della società (valore attuale netto).
di evitare problemi tecnici di ristagno

Source: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016
61
QUANTO COSTA?

Esempio di installazione di SSET di piccole dimensioni
Sviluppo di 10 unità con ACS solare e sistema di riscaldamento con
SSET in Lysekil, Svezia



Edificio ristrutturato come Casa
Passiva
Utilizzato sistema di riscaldamento
solare con SSET
Ritorno dell’investimento raggiunto
in 17 anni
Descrizione
Sviluppo di multiunità
Numero di unità
10 (4 commerciali, 6
residenziali)
Area superficiale totale
{m2}
381 più 390 = 781 Totali
Campo solare {m2}
50
Stoccaggio
{m3}
3.3
giornaliero
Volume SSET {m3}
Domanda di energia per il
riscaldamento {kWh}
Domanda di energia per
ACS {kWh}
VAN Totale dopo 40
anni{€}
Ritorno dell’investimento
{Anni}
Risparmio
rispetto
a
sistemi di SSET non solari
23
53,422
7,417
405,415
17
27%
62
QUANTO COSTA?

Esempio di una installazione di SSET di piccole dimensioni
Sviluppo di 10 unità con ACS solare and sistema di riscaldamento con
SSET in Lysekil, Svezia



Il costo totale della fornitura di ACS e
riscaldamento degli ambienti è visibile
nella figura. I costi comprendono sistemi,
costi operativi e di combustibile e sono
corretti per l'inflazione e fattore di
sconto della società (valore attuale
netto)
I costi di riscaldamento, nel corso dei 40
anni
considerati,
con
rete
teleriscaldamento (€514.492) superano
quelli relativi all’utilizzo di riscaldamento
solare con SSET che utilizzano la rete di
teleriscaldamento
come
backup
(€405.415)
Dettagli completi di questa analisi sono
disponibili qui
63
Argomenti

Che cos’è lo Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica (SSET)?

Perchè usare lo SSET?

Storia dello SSET

Come funziona?

Stoccaggio Termico (Tipologie, Sistemi, dispositivi di stratificazione)

Funzionamento in serie/parallelo

Calcoli

Dove viene meglio impiegato?

Quanto costa?

Impianti pilota EINSTEIN & Casi studio
64
Impianti pilota di EINSTEIN
65
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Bilbao
Impianto dimostrativo spagnolo
Impianto demo spagnolo
Edificio
Collettori solari
Flat plate
Area utilizzabile
1050 m2
Area superficiale
62 m2
83 MWh/a
Angolo di
inclinazione
40°
Domanda di calore
annuale
Bassa T.
Orientamento
Sud
Range di T di
riscaldamentento
Fluido di lavoro
Glicole
Vol. Serbatoi Buffer
2 m3
Vol. Serbatoio SSET
180 m3
Dettagli ulteriori sono disponibili
nei report seguenti:
• Design and installazione
• Monitoraggio
• Valutazione impatto
• Report complessivo
66
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Bilbao
Schema Idraulico
Generazione solare
Boiler
Pompa di
calore
Stoccaggio
SSET
Buffer
Edificio
67
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Bilbao
11 giorni: tempo di assemblaggio
68
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Bilbao
Design innovativo dello SSET
Due serbatoio indipendenti. Costruzione modulare.

Serbatoio interno:  6 m ;
Altezza 6.45
m bagnato (6.70 totale)

Sernatoio esterno:  7.10 m; Altezza 8,05 m

Ponti termici minori a causa dell’assenza dei supporti
Isolamento innovativo.
Isolamento di fondo sul terreno:

0.45 m Argilla espansa granulare.

Regolare distribuzione dei carichi sul terreno (no
aumenti perimetrali)
Superficie laterale e superiore: nuovi granuli di PUR
reciclato.

Superficie laterale 0.55 m; Superficie superiore 0.87m

Tipologia di materiale isolante Blowable
69
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Bilbao

Pompe, tubazioni, HX, serbatoio buffer
Scambiatore di calore
(HX)
Circuiti
primario/secondario
Circuito secondario,
Collettori idraulici
Serbatoio Buffer, 2 m3
70
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Bilbao
Carica del serbatoio di SSET
Max Temp 66.7°C
71
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Zabki
Impianto dimostrativo polacco
Sistema di stoccaggio
Edificio
Tipologia
TTES
Area utilizzabile
794 m2
Volume
800 m3
Angolo di
inclinazione
40°
Domanda di calore di
picco
75kW
Orientamento
Sud
Range di riscaldamento Alta T.
Fluido di lavoro
Glicole
Rete di teleriscaldamento
Lunghezza totale
150 m2
Tubi
2x De65 flessibile, Tubi
preisolati in polibutilene
con involucro in PEHD
Dettagli ulteriori sono
disponibili nei report
seguenti:
• Design and
installazione
• Monitoraggio
• Valutazione impatto
• Report complessivo
72
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Zabki
73
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN - Zabki
Serbatoio Buffer
Boiler a Gas
Pompa
di
Calore
74
IMPIANTO PILOTA EINSTEIN – Zabki sistema SCADA
75
CASI STUDIO
Impianto di
riscaldamento
Heizzentrale
centralizzato
Gas
Collettori
solari
Flachkollektoren
BrennwertKessel
Sottostazione di
Wärmeübertrasferimento del
gabestation
calore
Wärmenetz
Rete di
Rete
Saisonaler
Stoccaggio
Solarnetz
Wärmespeicher Solare teleriscaldamento
Stagionale
dell‘Energia
Termica
CASI STUDIO
Serbatoio di SSET sotto l’edificio



Prima Casa 100% Solare in Europa
Oberburg, Svizzera
In funzione a partire da Gennaio 1990
Fonte: Jenni Energietechnik

77
CASI STUDIO
Casa Solare (Oberburger Sonnenhaus)




Prima abitazione multifamigliare ad essere completamente
riscaldata con energia solare
Oberburg, Svizzera
276m² di collettori solari
205m³ Serbatoio di stoccaggio di energia termica
Fonte: Jenni Energietechnik

78
CASI STUDIO
Amburgo (1996)




3.000 m²
Coll. Flat plate
4500 m³
Water TES
Neckarsulm (1997)
 5.900 m²
 Coll. Flat plate
63.300 m³
 Boreholes TES
Rostock (2000)




1.000 m²
Tetto solare
20.000 m³
Acquifer TES
Fonte: USTUTT
Friedrichshafen (1996)




4.050 m²
Coll. Flat plate
12.000 m³
Water TES
Steinfurt (1998)




510 m²
Coll. Flat plate
1.500 m³
Pit TES
Hannover (2000)




1.350 m²
Coll. Flat plate
2.750 m³
Water TES
CASI STUDIO
Chemnitz, 1. fase (2000)




540 m²
Vacuum tubes
8.000 m³
Pit TES
Munich (2007)




2.900 m²
Coll. Flat plate
5.700 m³
Water TES
Eggenstein (2008)




1.600 m²
Coll. Flat plate
4.500 m³
Pit TES
Fonte: USTUTT
Attenkirchen (2002)




800 m²
Tetto solare
9.850 m³
Water TES &
Boreholes TES
Crailsheim (2007)




7.500 m²
Coll. Flat plate
37.500 m³
Boreholes TES
Miguel Ramirez
Dr Shane Colclough
Prof Neil J Hewitt
Versione italiana:
Ing. Daniela Reccardo
Ing. Giulia Veardo
Stoccaggio Stagionale dell’Energia Termica
(SSET)
per esperti tecnici
(architetti, ingegneri, industria delle costruzioni, ecc)
81