Applicazione ad un edifico del campus universitario di modelli per la

ABSTRACT - TESI DI LAUREA
MASTERCAMPUS
STRATEGY
Università degli Studi di Parma
Dipartimento di Ingegneria Industriale - Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica
A.A. 2013-2014
APPLICAZIONE AD UN EDIFICIO DEL CAMPUS
UNIVERSITARIO DI MODELLI PER LA SIMULAZIONE DI
RETI DI TELERISCALDAMENTO
Andrea Zubani
Relatore: Prof. Ing. Agostino Gambarotta
Correlatori: Ing. Carlo Corradi, Dott. Ing. Michele Rossi
Il presente lavoro di tesi è stato svolto nell’ambito del progetto MasterCampus Energia.
Tale progetto ha come obiettivo il miglioramento delle prestazioni energetiche del
Campus universitario dell’Università degli Studi di Parma, al fine di ottenere una
riduzione delle emissioni inquinanti e dei costi. Per raggiungere questo obiettivo risulta
particolarmente utile l’utilizzo di strumenti software di simulazione. Essi permettono
infatti di simulare in modo rapido mediante modelli matematici il comportamento e
le prestazioni di un sistema in diverse condizioni e configurazioni: è quindi possibile
analizzare sia lo stato attuale di sistema energetico esistente, individuando così le
cause delle principali perdite energetiche, sia gli effetti legati a specifici interventi di
riqualificazione. Ciò permette quindi di scegliere quali interventi siano i più opportuni
per migliorare le prestazioni del sistema originario.
L’analisi svolta in questa tesi riguarda in particolare l’energia necessaria per il
riscaldamento invernale, che costituisce una parte consistente dell’energia primaria
richiesta dalle utenze interne al Campus. L’energia termica per il riscaldamento
degli edifici viene generata in modo centralizzato nella centrale termica del Campus,
alimentata a gas naturale. Da qui parte una rete di riscaldamento che si dirama in tutto il
Campus, alimentando tutti gli edifici. Per ridurre il consumo di energia primaria è quindi
possibile agire su diversi aspetti: la generazione di energia (ad esempio attraverso
il miglioramento dell’efficienza delle caldaie, l’utilizzo di fonti di energia rinnovabili,
l’impiego di sistemi di cogenerazione), la sua distribuzione (miglioramento delle
prestazioni della rete di teleriscaldamento) e infine il suo consumo (riqualificazione
degli involucri edilizi e degli impianti).
Il presente lavoro riguarda gli ultimi due aspetti, ovvero le prestazioni della rete di
teleriscaldamento e degli edifici. In particolare si è scelto di simulare l’edificio di Scienze
della Terra ed il tratto della rete che lo collega alla centrale termica. La scelta è ricaduta
su tale edificio poiché esso presenta consumi di energia molto elevati, dovuti in parte
anche allo stato di degrado del tratto di rete che lo collega alla centrale. Il campo di
applicazione dei risultati di questo lavoro non si limita tuttavia all’edificio di Scienze
della Terra e al relativo tratto di rete: esso vuole anche essere un modo per sviluppare
una metodologia di simulazione valida in generale, analizzando anche le potenzialità
dei vari strumenti esistenti. In questo modo, le soluzioni e gli strumenti più idonei allo
scopo potranno essere utilizzati anche per studiare in futuro gli altri edifici e gli altri tratti
della rete, avendo a disposizione un quadro dettagliato sullo stato dell’arte in merito
alle metodologie di simulazione utilizzabili.
Fig. 1 - Flusso termico richiesto (in blu) ed energia
primaria (in rosso).
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Il comportamento dell’edificio è stato simulato tramite il software TRNSYS®. In
particolare questo programma è stato utilizzato per ricavare l’andamento ora per ora
della richiesta di potenza da parte dell’edificio. L’andamento del flusso termico richiesto
(figura 1) è importante per la simulazione della rete di teleriscaldamento, nella quale
gli edifici costituiscono le utenze. Per ricavare tale andamento sono necessarie diverse
informazioni: dati metereologici, caratteristiche dell’involucro edilizio (stratigrafie,
materia, ecc.) ed informazioni sugli impianti e sugli orari di funzionamento.
Secondo i risultati della simulazione, allo stato attuale il fabbisogno annuale di energia
per il riscaldamento dell’edificio è pari a 978 MWh. Il modello dell’edificio è stato
utilizzato anche per valutare l’efficacia di alcuni possibili interventi di riqualificazione.
In particolare sono stati considerati i seguenti interventi: cappotto esterno per le pareti
verticali, cappotto interno per il soffitto, installazione di U.T.A. (Unità Trattamento Aria)
con recuperatore di calore. I risultati delle simulazioni sono riassunti in tabella 1.
Tab. 1 - Tabella riepilogativa dei risultati delle simulazioni
relative agli interventi di riqualificazione
Come si nota dalla tabella, il miglioramento della coibentazione (tramite l’installazione
del cappotto) genera un risparmio energetico, che tuttavia è abbastanza modesto. Ciò
è dovuto al fatto che buona parte dei consumi d’energia dell’edificio non sono causati
dalle dispersioni attraverso l’involucro, ma dall’elevato numero di ricambi d’aria (6
volumi/ora) che vengono effettuati nelle zone riscaldate tramite U.T.A.: riscaldare elevati
volumi d’aria provenienti dall’esterno ha infatti un costo energetico molto elevato.
L’installazione di un recuperatore di calore consente di preriscaldare l’aria in ingresso
alla U.T.A sfruttando il calore dell’aria in estrazione. In particolare, si è ipotizzato di
utilizzare uno scambiatore a piastre con flusso controcorrente, avente un rendimento
molto elevato (85%). Come si nota dalla tabella, con la sola installazione delle U.T.A. a
recupero il fabbisogno si riduce del 21.5%.
La rete di teleriscaldamento è stata quindi simulata in ambiente Matlab/Simulink®.
Il modello è stato realizzato partendo dalle equazioni della fluidodinamica e dello
scambio termico ed utilizzando una struttura modulare: ogni componente della rete
viene simulato da un blocco Simulink® appositamente costruito che viene collegato ad
altri blocchi che simulano altri componenti. In questo modo risulta semplice e veloce
introdurre modifiche nella struttura della rete, e ciò permette di analizzare diverse
possibili configurazione della rete in modo rapido, senza dover ricostruire un modello
“ad hoc”.
La simulazione della rete ha evidenziato che se quest’ultima si trovasse in condizioni
ottimali (ovvero assumendo per essa parametri caratteristici di una condotta in ottime
condizioni) la perdita di energia termica lungo la rete sarebbe minima, pari a circa il
2.3% del calore in ingresso, con una riduzione di temperatura dalla centrale a Scienze
della Terra pari a meno di 1°C. La rete attuale si trova però in pessime condizioni, poiché
da rilievi sperimentali risulta che tale caduta è pari a circa 15 °C. Perché la variazione
di temperatura calcolata dal modello arrivi a 15°C è necessario utilizzare un valore di
conduttività dell’isolante pari a 1.35 W/mK (valore medio sull’intero tratto di rete), molto
più elevato del limite imposto dalla norma UNI EN 253:2013 (pari a 0.028 W/mK).
Fig. 2 - Andamento del flusso di calore dissipato dalla rete
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Un valore così elevato può essere dovuto non solo al degrado nel tempo delle prestazioni
dell’isolante, ma anche alla presenza in alcuni tratti molto deteriorati di lacerazioni che
lasciano esposto al terreno il tubo d’acciaio interno (che ha una conducibilità termica
molto elevata, pari a circa 57 W/mK). Si è stimato che è sufficiente un tratto di poche
decine di metri in cui il condotto sia in pessime condizioni per compromettere le
prestazioni dell’ intero tratto di rete. Nelle attuali condizioni, si è stimato che il calore
perso lungo la rete risulta pari a circa il 43%, valore assai elevato. In figura 2 è mostrato
l’andamento durante l’anno del flusso di calore perso dalla rete attuale nel tratto dalla
centrale a Scienze della Terra.
Per quanto riguarda il caso studiato, la rete risulta quindi essere di gran lunga la causa
di perdita più importante, sulla quale appare urgente intervenire. Attualmente è infatti in
costruzione un nuovo tratto di rete, che andrà a sostituire quello attuale. Il nuovo tratto
di rete permetterà, secondo i risultati della simulazione, un risparmio di circa il 40% per
quanto riguarda il consumo di energia legato all’edificio di Scienze della Terra.