High-Combi Sistemi di riscaldamento e raffrescamento ad alta frazione solare con combinazione di componenti e metodi innovativi Indice Premessa4 Introduzione6 Le Pompe di Calore 8 Il Solare Termico 12 Il Progetto High-Combi 12 Gli obiettivi del progetto 14 I partecipanti al progetto 16 Gli impianti dimostrativi 18 L’impianto italiano – Idroscalo di Milano 19 L’impianto greco - CRES di Atene 21 L’impianto spagnolo - Patronat Municipal de Barcelona 22 Gli impianti austriaci - Municipio e Centro Servizi di Gleisdorf 23 Gli impianti austriaci - Feistritzwerke Steweag di Gleisdorf 24 L’applicazione software 25 Il Team di lavoro italiano 26 3 Premessa Questa brochure è stata redatta nell’ambito del progetto HighCombi con il contributo del 6° Programma Quadro di Ricerca e Sviluppo della Commissione europea (Directorate General for Energy – ENER). Il coordinatore del Progetto High-Combi è il Centro per le Fonti Rinnovabili di Energia e il Risparmio di Atene (CRES) La riproduzione del contenuto è soggetta all’autorizzazione della Commissione europea e della Provincia di Milano. Né la Commissione europea né alcun altro agendo per suo conto può: a) dare alcuna garanzia o rappresentazione, espressa o implicita, riguardo alle informazioni contenute in questa pubblicazione; b) assumere alcuna responsabilità rispetto all’uso della presente pubblicazione o ai danni derivanti da queste informazioni. Le opinioni espresse in questa pubblicazione non riflettono necessariamente quelle della Commissione. Contratto No: TREN/07/FP6EN/S07.68923/038659, HIGH-COMBI Le tecnologie energetiche sono essenziali per la realizzazione degli obiettivi europei per il 2020 e il 2050 in materia di lotta contro il cambiamento climatico, di sicurezza dell’approvvigionamento energetico e di competitività delle imprese europee. Il piano strategico per le tecnologie energetiche presentato dalla Commissione europea nell’ambito del 6° Programma Quadro, si propone di contribuire a raggiungere gli obiettivi europei e a rispondere alle sfide del settore energetico basato su una pianificazione strategica comune e un miglioramento della ricerca e del mercato interno. D’altra parte, la Provincia di Milano è situata in un’area metropolitana tra le più inquinate d’Europa e alla riduzione dei consumi deve corrispondere una riduzione delle emissioni inquinanti, con particolare riguardo alle polveri di piccolo diametro (le cosiddette polveri sottili) che sono particolarmente nocive per la salute umana. E’ importante ricordare come nell’area metropolitana milanese, le azioni di contenimento dei consumi di energia siano nate in prima istanza come risposta strategica al persistere di una emergenza ambientale che occorreva affrontare con strumenti e mezzi di lungo periodo. Già nel 2006, infatti, a seguito dell’emanazione della Direttiva comunitaria 2006/32/CE la Provincia di Milano ha assunto l’impegno di ridurre di 35.000 tonnellate equivalenti di petrolio all’anno i consumi finali di energia primaria da conseguire nei settori civile e industriale. In termini di gas climalteranti l’obiettivo consiste nell’evitare l’immissione in atmosfera circa 130.000 tonnellate di CO² all’anno. Per raggiungere questi obiettivi la Provincia ha messo in campo una serie di iniziative, declinate in un Piano di Azione per l’Efficienza Energetica e articolate secondo tre principali linee: − definizione di un nuovo quadro normativo – il piano delle regole; − attivazione di partenariati pubblico-privato con istituzioni finanziarie per il sostegno agli investimenti; − diffusione delle informazioni, comunicazione, educazione e ricerca. In questo contesto, non potevano mancare attività di ricerca e sviluppo delle nuove tecnologie energetiche. Il progetto High-Combi, qui presentato, si colloca nell’ambito del Programma ‘Specific Targeted Research Projects – STREP’ del 6° Programma Quadro di Ricerca e Sviluppo, co-finanziato dall’Unione europea con lo scopo di trovare delle combinazioni di tecnologie, sistemi e fonti rinnovabili ottimali per migliorare l’efficienza energetica e per ridurre i consumi di energia nel settore residenziale e terziario. Cristina Stancari Assessore all’Ambiente, cave, bonifiche, risorse naturali e idraulica, energia. 5 Introduzione Negli ultimi anni c’è stato un forte incremento nella vendita di apparecchiature destinate alla climatizzazione estiva degli edifici e conseguentemente un forte incremento dei consumi di energia. Circa il 49% dei consumi finali europei di energia avviene nel settore residenziale e terziario. Un’indagine condotta in 15 paesi dell’Unione europea ha evidenziato che per il solo condizionamento estivo si consumano circa 90.000 GWh di energia elettrica, di cui 33.000 GWh imputabili alla Spagna e 27.000 GWh all’Italia. L’assorbimento di energia elettrica per alimentare queste apparecchiature impone la necessità di disporre di potenza elettrica di picco confinata in periodi limitati di non più di uno o due mesi all’anno. In Italia, in estate, per produrre 27.000 GWh aggiuntivi di energia elettrica, occorre mettere in produzione l’equivalente di ben 18 centrali elettriche da 1.000 MW ciascuna che funzionano per solo due mesi l’anno, con costi dell’elettricità prodotta molto elevati. Per fare fronte a questo problema, l’Unione europea ha adottato politiche che promuovono la ricerca e l’utilizzo di fonti rinnovabili per coprire i fabbisogni di raffrescamento estivo degli edifici. La principale caratteristica del progetto dimostrativo High-Combi è stata di realizzare sistemi di raffrescamento solare basati sull’utilizzo di particolari apparecchiature, dette Pompe di Calore ad Assorbimento, che utilizzano il calore fornito da collettori solari per produrre acqua fredda destinata a raffrescare gli ambienti. D’altra parte i fabbisogni più elevati di raffrescamento estivo si verificano in concomitanza dei più alti livelli di insolazione e questa favorevole combinazione rende l’accoppiamento tra collettori solari termici e macchine frigorifere ad assorbimento la soluzione ideale per il raffrescamento degli ambienti sia nelle aree continentali, sia nelle aree mediterranee, sottoposte a temperature estive particolarmente elevate, senza dover ricorrere a fonti tradizionali per produrre energia elettrica. Tuttavia le principali problematiche risiedono nell’ancora scarsa conoscenza di tipo sistemico ingegneristico e nella generale impreparazione sia dei progettisti, sia degli installatori, che non conoscono adeguatamente queste tecnologie e le loro modalità di accoppiamento. Inoltre i costi ancora elevati dei sistemi solari, delle pompe di calore ad assorbimento e la mancanza di esperienza in termini di operatività e manutenzione, confinano tali tecnologie, seppur separatamente valide e normalmente commercializzate, in applicazioni di nicchia e per lo più sperimentali. I paesi del sud dell’Europa avranno un bisogno sempre più forte di raffrescamento estivo e questo provocherà continui problemi di fabbisogno di potenza di picco con conseguenti rischi di blackout. Lo sviluppo di una solida industria di sistemi di condizionamento elioassistiti può portare a notevoli benefici multipli: riduzione della necessità di capacità elettrica utilizzata solo per pochi mesi all’anno, riduzione dei consumi di energia fossile per produrre energia elettrica, riduzione di emissioni inquinanti, sviluppo di un mercato sia di componenti e sistemi sia di competenze progettuali, sistemiche e manutentive. Il progetto High-Combi offre pertanto un’opportunità unica per avviare un’azione di promozione dedicata alle Piccole e Medie Imprese per la nascita di nuove attività imprenditoriali nel campo dei servizi per l’efficienza energetica: progettazione, realizzazioni impiantistiche avanzate, servizi di manutenzione e assistenza, servizi commerciali e finanziari. 7 La pompa di calore La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire energia termica da un ambiente a temperatura più bassa ad un ambiente a temperatura più alta. Dato che in natura il calore fluisce spontaneamente sempre e solamente da temperature più alte verso temperature più basse, per far funzionare una pompa di calore occorre fornire energia. Generalmente questa è fornita sotto forma di energia elettrica. La pompa di calore più conosciuta e più diffusa è il frigorifero, utilizzato presso tutte le famiglie e in tutti i settori commerciali e industriali. La prima teoria del ciclo frigorifero è stata formulata da Sadi Carnot nel 1834 e la pompa di calore è stata ideata da Lord Kelvin nel 1852, ma bisognerà aspettare la metà del ‘900 per una diffusione commerciale e di massa del frigorifero così come lo conosciamo ora. La tecnologia della pompa di calore è tutto sommato semplice e robusta; non è raro infatti trovare frigoriferi degli anni ’50 ancora perfettamente funzionanti anche se un po’ decrepiti. Tecnicamente la pompa di calore è costituita da un circuito chiuso percorso da uno speciale fluido, tipicamente un gas frigorigeno che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. Il circuito chiuso è costituito da: − un Compressore − un Condensatore − una Valvola di espansione − un Evaporatore Il condensatore e l’evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè tubi posti a contatto con un fluido di servizio (che può essere acqua o aria) nei quali scorre il fluido frigorigeno. Questo cede calore al condensatore e lo sottrae all’evaporatore. I componenti del circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due parti (sistemi “Split”), raccordati dai tubi nei quali circola il fluido frigorigeno. Il fluido frigorigeno, durante il funzionamento all’interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni: − Compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall’evaporatore, viene portato ad alta pressione e nella compressione esso si riscalda; − Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore ad alta temperatura, cede calore verso l’esterno, passando dallo stato gassoso a quello liquido; − Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si raffredda notevolmente trasformandosi parzialmente in vapore; − Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dall’esterno ed evapora completamente. 9 Ciclo di funzionamento di una pompa di calore in modalità riscaldamento ESTERNO +12°C Valvola di espansione Liquido a bassa pressione Liquido ad alta pressione INTERNO +20°C CALORE da aria esterna CALORE ceduto al locale Compressore Evaporatore Vapore ad alta pressione Vapore a bassa pressione Condensatore Il vantaggio nell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di trasferire più energia termica di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento. 10 L’efficienza di una pompa di calore nel funzionamento a caldo è misurata dal Coefficiente di Resa COP (Coefficient Of Performance) che è il rapporto tra l’energia prodotta (calore ceduto all’ambiente da riscaldare) e l’energia elettrica consumata per far funzionare la macchina mentre ENERGIA DALL’AMBIENTE (Rinnovabile) nel funzionamento a freddo è misurata dall’Indice di Efficienza Elettrica 75% EER (Energy Efficiency Ratio). Il COP e l’EER sono variabili a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed hanno, in genere, valori prossimi a 4. Questo vuol dire che per 1 kWh di energia elettrica consumato, il sistema fornirà o sottrarrà 4 kWh di calore all’ambiente da climatizzare. ENERGIA CLIMATIZZAZIONE 100% 25% ENERGIA AUSILIARE (Elettricità o gas) Per contro, il punto debole delle pompe di calore a compressione è che consumano comunque un’energia pregiata come quella elettrica e nel caso dei condizionatori estivi, come detto prima, costringe a mantenere in esercizio molte centrali elettriche per periodi di tempo molto limitati. Ciclo di funzionamento di una pompa di calore in modalità raffrescamento ESTERNO +35°C Valvola di espansione Liquido a bassa pressione Liquido ad alta pressione CALORE ceduto ad aria esterna INTERNO +26°C CALORE dal locale Compressore Condensatore Vapore ad alta pressione Vapore a bassa pressione Evaporatore Le Pompe di Calore ad Assorbimento Nelle Pompe di Calore ad Assorbimento, attraverso la combinazione di una soluzione liquido refrigerante/ assorbente e di una fonte di calore è possibile sostituire il compressore elettromeccanico ed evitare quindi il consumo di energia elettrica. Per gli utilizzi tipici del settore del condizionamento, con acqua refrigerata ad una temperatura al di sopra di zero gradi, come refrigerante viene utilizzata una soluzione liquida H²O/LiBr (acqua e bromuro di litio). Diverse macchine utilizzano una pompa interna, che consuma una limitata quantità di energia elettrica. L’effetto frigorifero si basa sull’evaporazione del refrigerante (acqua) all’interno dell’Evaporatore ad una pressione molto bassa. Il refrigerante evaporato viene assorbito nell’Assorbitore, diluendo la soluzione H²O/LiBr. Per rendere efficiente il processo di assorbimento, la soluzione diluita deve essere raffreddata. La soluzione viene continuamente pompata nel Generatore, all’interno del quale viene rigenerata attraverso la fornitura di calore (ad esempio, con acqua calda). Il refrigerante che esce dal Generatore viene condensato nel Condensatore attraverso acqua di raffreddamento e da qui ritorna all’Evaporatore passando attraverso una valvola di espansione. Schema di una macchina frigorifera ad assorbimento. Acqua calda Acqua di raffreddamento 11 GENERATORE CONDENSATORE ASSORBITORE EVAPORATORE Acqua di raffreddamento Acqua refrigerata Le potenze frigorifere tipiche delle macchine ad assorbimento sono dell’ordine di parecchie centinaia di kW. Queste macchine possono essere alimentate con calore proveniente da bruciatori a gas, da reti di teleriscaldamento, da impianti solari, da calore di recupero o da calore cogenerativo. Nel caso del progetto High-Combi si utilizza il calore prodotto da collettori solari termici. La temperatura richiesta per la sorgente calda è normalmente superiore agli 80°C per macchine a singolo effetto ed il COP si mantiene in un campo compreso tra 0,6 e 0,8. Le macchine a doppio effetto con due stadi di generazione richiedono temperature di funzionamento al di sopra dei 140°C, ma il COP, in questi casi, può raggiungere valori prossimi a 1,2. Il Solare Termico I sistemi di riscaldamento solari sono ben conosciuti e generalmente consistono nell’accoppiamento di collettori che producono acqua calda per insolazione diretta o diffusa con un sistema fluidodinamico in grado di trasferire il calore dal collettore ai punti di utilizzo o a dei serbatoi per l’accumulo di acqua calda per usi successivi. Tali sistemi possono essere usati per riscaldare Acqua Calda Sanitaria (ACS) o per riscaldare gli ambienti. Il calore può anche essere usato per applicazioni industriali o come sorgente energetica per altri usi, come i dispositivi di raffreddamento. In molte zone climatiche un sistema di riscaldamento solare può fornire percentuali molto alte di energia necessaria a produrre acqua calda per usi sanitari. Nelle fasce climatiche mediterranee gli impianti solari sono in grado di coprire completamente questi fabbisogni ed è anzi frequente un eccesso di produzione di acqua calda durante i periodi estivi, richiedendo lo svuotamento degli impianti per non danneggiarli. Ora, dato che la domanda di raffrescamento coincide con l’elevato irraggiamento solare, l’energia solare in eccesso disponibile dai collettori può essere sfruttata per la climatizzazione estiva. 12 L’accoppiamento tra collettori solari e pompe di calore ad assorbimento rende il sistema ideale per il condizionamento estivo che, se alimentato nelle parti elettriche con pannelli fotovoltaici, può rendere il condizionamento estivo completamente rinnovabile, senza alcun bisogno di integrazioni con fonti elettriche e fossili in generale, evitando la necessità di dover utilizzare energia elettrica di picco confinata durante il periodo estivo. Così facendo, l’uso dei collettori solari è quindi esteso a tutto l’anno, rendendo il sistema finanziariamente interessante. Il Progetto High-Combi La finalità principale del progetto High-Combi è quello di sviluppare sistemi ad alta frazione solare tramite la combinazione di differenti tecnologie ottimizzate per riscaldamento invernale, raffrescamento estivo, stoccaggio del calore e strategie di controllo, al fine di contribuire allo sviluppo del mercato dell’energia solare. Gli obiettivi principali del progetto sono: − l’identificazione di varie possibili configurazioni di impianti solari per climatizzazione; − l’analisi computazionale degli impianti solari e delle procedure di ottimizzazione utilizzando diverse combinazioni di tecnologie; − la realizzazione di ifferenti impianti dimostrativi; − la sviluppo di strumenti software per il dimensionamento dei sistemi; − il monitoraggio e la valutazione delle differenti tecnologie; − la diffusione dei risultati a scala europea. Nel corso del progetto, sono stati realizzati cinque impianti dimostrativi in quattro paesi europei (Grecia, Italia, Spagna e Austria) con varie combinazioni di tecnologie, componenti e strategie di controllo. Sono state esaminate tecniche innovative, componenti e configurazioni differenti. Il progetto ha come target utenti finali medi e grandi che hanno carichi di riscaldamento e di raffrescamento durante tutto l’anno. In Grecia, l’impianto dimostrativo High-Combi è stato realizzato in un edificio terziario, nei locali del Centro per le Energie Rinnovabili e Risparmio (CRES) a Pikermi, in Attica. In Italia, l’impianto è stato realizzato presso il parco dell‘Idroscalo di Milano. L’Idroscalo è un lago artificiale costruito nel 1930 che oggi viene utilizzato come centro per attività ricreative con due milioni di visitatori all’anno. In Spagna, l’edificio scelto per la realizzazione dell’impianto dimostrativo è un edificio di nuova concezione, nel centro di Barcellona. L’edificio comprende un centro di assistenza sanitaria e un certo numero di appartamenti di edilizia sociale per persone anziane. In Austria sono stati progettati e realizzati due impianti dimostrativi di cui il primo presso la sede del Comune e del Centro Servizi della città di Gleisdorf ed il secondo presso la sede della società Steweag Feistritzwerke GmbH (un fornitore regionale di energia e di acqua). 13 Mappa dei paesi partecipanti Austria, Germania , Grecia, Italia, Romania, Spagna e degli impianti dimostrativi installati in Atene, Barcellona, Gleisdorf, Graz e Milano. Inoltre al fine di valutare il potenziale di penetrazione di questi sistemi di climatizzazione nel mercato europeo, è stata effettuata un’apposita analisi di mercato. Le fasi di commissioning degli impianti e di monitoraggio dei risultati continueranno per i prossimi due anni. Gli impianti di dimostrazione High-Combi danno un notevole contributo alla promozione e diffusione del know-how necessario per i futuri sviluppi in questo settore. Le procedure di messa in servizio e i risultati di monitoraggio potranno anche essere di stimolo per replicare simili installazioni. Gli obiettivi Gli obiettivi del progetto In applicazioni di grandi dimensioni, ad esempio nei condominii o negli alberghi, i sistemi solari termici forniscono in genere solo acqua calda per usi sanitari, che coprono frazioni solari molto basse, nell’ordine del 10%. La ragione è che grandi aree di collettori, necessarie per ottenere frazioni solari maggiori, causano, in estate, problemi di ristagno con temperature molto elevate. Questo problema è ancora più rilevante nei paesi dell’Europa meridionale, caratterizzati da stagioni di riscaldamento piuttosto brevi e insolazioni molto elevate. Di conseguenza, la quota di mercato dei sistemi solari combinati è ancora molto bassa. Il progetto High-Combi intende dimostrare che è possibile superare questo problema usando il surplus di energia estiva per il raffrescamento degli ambienti. Pertanto, una combinazione di riscaldamento solare in inverno e raffrescamento in estate, oltre alla produzione di acqua calda sanitaria, può consentire la realizzazione di alte frazioni solari e risultare conveniente dal punto di vista economico grazie al doppio utilizzo del campo solare e degli altri componenti del sistema. Tra gli obiettivi scientifici e tecnologici del progetto High-Combi si possono enumerare: − uno sviluppo progettuale integrato, comune per tutti i sistemi; − la realizzazione di sistemi combinati di riscaldamento e di raffreddamento per impianti dimostrativi in quattro paesi europei (Grecia, Austria, Italia, Spagna); − la risoluzione dei problemi di ristagno del circuito collettore grazie all’ulteriore utilizzo dei collettori solari termici per il raffrescamento; − il raggiungimento di alte frazioni solari; − lo sviluppo di strategie di controllo ottimizzate per consentire buoni rendimenti solari e un funzionamento economico per la climatizzazione estiva. Un obiettivo importante riguarda la possibilità di trasferire di know how tra i diversi team di ricerca e di progettazione, consentendo di imparare gli uni dagli altri. Dal monitoraggio degli impianti si conta inoltre di ricavare informazioni utili da trasferire ai comparti produttivi di settore per l’ottimizzazione industriale di sistemi combinati riscaldamento/raffrescamento solare, abbattendone drasticamente i costi. Attualmente il costo di un sistema di riscaldamento e raffrescamento solare basato su accumuli termici e macchine ad assorbimento per una villetta monofamiliare costa intorno ai 50.000 Euro, cifra decisamente fuori mercato e insostenibile per le famiglie. Tuttavia un abbattimento dei costi a 5.000 Euro, può rendere tale sistemi interessanti commercialmente e alcuni istituti di ricerca che hanno partecipato al progetto si sono già posti l’obiettivo di ideare e sperimentare package compatti per la diffusione commerciale a grande scala. 15 I partecipanti al progetto Il team del progetto High-Combi è costituito da 12 partner provenienti da sei paesi europei (Austria, Germania, Grecia, Italia, Romania e Spagna). Il consorzio comprende Istituti di ricerca, Piccole e Medie Imprese (PMI), Università ed infine gli enti che hanno ospitato e realizzato gli impianti dimostrativi. Il costo globale del progetto è di 2,54 milioni di Euro, dei quali il 20% è dedicato alle attività di ricerca e sviluppo, il 70% agli interventi dimostrativi e il 10% alle attività di accompagnamento. Il contributo comunitario è di 1,15 milioni di Euro. Nome 16 CRES NOA SOLE SA AEE INTEC S.O.L.I.D. FRAUNHOFER-ISE SIG Solites POLIMI Provincia di Milano AIGUASOL PMHB UOR Funzione Istituto di ricerca Istituto di ricerca PMI Istituto di ricerca PMI Istituto di ricerca Istituto di ricerca Università Ente pubblico territoriale PMI Ente pubblico Università Paese Grecia Grecia Grecia Austria Germania Germania Germania Italia Italia Spagna Spagna Romania CRES - (Grecia) Il Centro per le fonti energetiche rinnovabili è un ente pubblico controllato dal Ministero dello Sviluppo Segretariato generale della ricerca e tecnologia. Il CRES è attivo nel campo delle Fonti di Energia Rinnovabili (RES), dell’uso razionale dell’energia (RUE) e del risparmio energetico (RES). Il suo scopo primario è quello di promuovere le applicazioni tecnologiche nei suddetti settori sia a livello nazionale ed internazionale. Il CRES agisce come consulente per lo Stato greco e gode di una grande reputazione sia a livello nazionale che internazionale. Osservatorio Nazionale di Atene (NOA) L’Energy Conservation Group (GREC) presso l’Istituto per la Ricerca Ambientale e Sviluppo Sostenibile (IERSD) a NOA, è attivo attraverso la ricerca e lo sviluppo nei settori delle fonti energetiche rinnovabili, il risparmio energetico, la costruzione fisica e le simulazioni e diagnosi energetiche e di adeguamento dell’edificio, dell’ambiente interno, il raffrescamento solare, i grandi impianti solari termici, la radiazione solare e le misurazioni meteorologiche, lo sviluppo di software in materia. Sole SA (Grecia) Sole SA è stata la prima società greca a essere coinvolta nel settore delle energie rinnovabili, dal 1974, e produce collettori solari termici, scaldabagni solari e scaldacqua solari compatti per cui mantiene una posizione di leadership nel mercato europeo dell’energia solare. Le applicazioni includono: la produzione di acqua calda per uso domestico o di processo, il riscaldamento di ambienti e piscine, sistemi di climatizzazione ad energia solare. AEE INTEC Istituto per le Tecnologie Sostenibili (Austria) AEE - INTEC è stata fondata nel 1988 come associazione indipendente di ricerca. L’obiettivo delle attività di ricerca è l’uso efficiente dell’energia e delle risorse, lo sviluppo di tecnologie e strategie che consentano l’utilizzo diffuso della tecnologia solare per una fornitura di energia ecologicamente compatibile. S.O.L.I.D. GmbH (Germania) Dal 1992 S.O.L.I.D. GmbH ha progettato e costruito grandi impianti solari per la produzione di ACS e climatizzazione. Nel 1994 è stato costruito il primo sistema di teleriscaldamento e nel 1995 il primo impianto solare è stato dato in gestione BOT (build-operate-transfer). Con il suo know-how per impianti solari di grandi dimensioni (oltre 100 m²), SOLID è una delle aziende leader a livello mondiale nel campo del raffrescamento solare, degli impianti di teleriscaldamento, delle case plurifamiliari, di ospedali e piscine. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE (Germania) L’Istituto Fraunhofer per i sistemi ad energia solare fa parte della Fraunhofer Society, la principale organizzazione per la ricerca applicata in Germania. L’Istituto promuove attivamente lo sviluppo di tecnologie energetiche rinnovabili e la loro integrazione nelle infrastrutture energetiche esistenti a livello internazionale e sviluppa sistemi, componenti, materiali e processi per l’utilizzo termico dell’energia solare, l’architettura solare, il fotovoltaico, l’energia chimica, lo stoccaggio e l’uso razionale dell’energia. SIG Solites - Steinbeis Innovation GmbH (Germania) Il Centro per l’Innovazione Steinbeis per impianti solari e sistemi sostenibili di energia termica è una organizzazione non-profit per il trasferimento di tecnologia dello stato di Baden-Württemberg. SIG gestisce la rete tedesca di esperti per lo stoccaggio di calore stagionale ed i suoi esperti sono consulenti dei ministeri tedeschi per l’ambiente e l’economia in materia di sviluppo tecnologico e di ricerca sul solare termico. Politecnico di Milano (Italia) Il Politecnico di Milano è una grande università di scienza e tecnologia che forma ingegneri, architetti e disegnatori industriali attraverso una ampia varietà di innovativi corsi di specializzazione, con grande attenzione per tutti gli aspetti dell’istruzione. Il Dipartimento di Energetica si occupa di attività di formazione e di ricerca in vari campi che vanno dalla progettazione dei processi energetici alla la gestione dei sistemi ed alla fisica per l’edilizia. Provincia di Milano (Italia) La Provincia di Milano è un ente di governo locale che rappresenta 135 comuni (compresa la città di Milano) della Regione Lombardia. La Provincia di Milano governa la più grande area metropolitana in Italia, abitata da oltre 3 milioni di abitanti, e si trova al centro di una delle regioni più densamente popolate d’Europa. La Provincia di Milano, attraverso il suo Settore Energia, si occupa dell’uso razionale dell’energia e dello sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili. AIGUASOL (Spagna) AIGUASOL è stato costituito da un gruppo di ricercatori della Universitat Politecnica de Catalunya (UPC), e opera nel settore dei sistemi avanzati ad energia solare termica: collettori solari efficienti per applicazioni con medie temperature, raffreddamento ad assorbimento solare, serbatoi di stoccaggio di acqua calda, la simulazione dinamica di sistemi solari, sistemi solari ad aria per il raffreddamento, essiccamento e riscaldamento degli ambienti, la simulazione e la costruzione di sistemi solari. PMHB (Spagna) Il Patronat Municipal de l’Habitatge de Barcelona (PMHB) è un’agenzia della città di Barcellona, fondata nel 1927 allo scopo di promuovere alloggi a prezzi accessibili per soddisfare le diverse esigenze sociali della città di Barcellona. Negli ultimi anni ha aumentato la sua attività e si è affermata come uno strumento importante nella promozione di alloggi popolari e abitazioni sociali, oltre ad essere il responsabile principale del parco alloggi pubblici in città. Università di Oradea (Romania) L’Università di Oradea è un’università statale con circa 20.000 studenti, dottorandi e post-laurea in 18 facoltà e 4 istituti superiori, ed una serie di soggetti attivi in specifici campi di ricerca quali le fonti energetiche rinnovabili, con particolare attenzione sulla geotermia e l’energia solare. La Facoltà di Ingegneria Energetica ha un corso di laurea di specializzazione in fonti energetiche rinnovabili ed un corso Master di specializzazione in utilizzo dell’energia geotermica e solare. 17 Gli impianti dimostrativi L’impianto italiano Idroscalo di Milano Informazioni generali Proprietario Posizione Edificio In uso da Area climatizzata Descrizione dell’impianto Provincia di Milano Milano Edificio polifunzionale Dicembre 2011 700 m² Vista dell’interno dell’edificio Vista dei panelli solari sulla copertura L’impianto dimostrativo italiano del progetto HighCombi è stato realizzato nel Parco Idroscalo ubicato a est della città di Milano, presso la Casa dello Sport, in un edificio che ospita varie attività sportive, una sala medica, un bar e una sala polifunzionale. L’Idroscalo venne inaugurato nel 1930 come aeroporto per idrovolanti e oggi è utilizzato come centro per attività ricreative con due milioni di visitatori all’anno. Il budget totale della Provincia di Milano ammonta a 312.000 Euro dei quali 250.000 destinati alla realizzazione dell’impianto dimostrativo con un contributo comunitario di 115.000 Euro. Il progetto è stato realizzato in collaborazione tra il Servizio Tecnico dell’Idroscalo, il Settore Energia della Direzione Centrale Ambiente della Provincia di Milano e il Politecnico di Milano che ha curato la progettazione dell’impianto e ne segue la fase di monitoraggio dei risultati. Prima di realizzare l’impianto dimostrativo, la Provincia di Milano ha deciso di ristrutturare completamente l’edificio scelto per ospitare l’impianto combinato di riscaldamento e raffrescamento con fonte solare. Particolare attenzione è stata dedicata alla riqualificazione dell’involucro edilizio con l’obiettivo di raggiungere la classificazione “Edificio ad Energia Quasi Zero”. Tutto l’involucro edilizio esistente è stato quindi riqualificato innalzandolo in Classe energetica “A” con un isolamento “a cappotto” e un fabbisogno di energia inferiore ai 30 kWh/m² con un ulteriore investimento di 120.000 Euro. Infine è prevista la realizzazione di un impianto fotovoltaico in grado di coprire il fabbisogno elettrico totale dell’edificio e degli impianti con un investimento aggiuntivo di 60.000 Euro. Con questi due ulteriori interventi ci si aspetta che il fabbisogno energetico per il riscaldamento, il raffreddamento e la produzione di acqua calda sanitaria per La Casa dello Sport sia vicino allo Zero. Descrizione generale del sistema Vista dell’impianto High-Combi L’impianto è operativo da luglio del 2011 ed è incentrato su un campo di collettori solari termici collegato ad un accumulo di calore che alimenta una pompa di calore ad assorbimento che provvede al riscaldamento invernale e al raffrescamento estivo. Due pompe di calore a compressione sono utilizzate 19 L’impianto italiano come riserva nei casi di insolazione insufficiente. E’ prevista anche la produzione di acqua calda per usi sanitari durante tutto l’anno. Il cuore del sistema, che si propone di dimostrare che è possibile riscaldare e raffreddare gli edifici con sistemi solari senza utilizzare massicciamente energia elettrica, consiste nei collettori solari e nell’assorbitore. L’impianto dimostrativo italiano segue lo stesso approccio degli altri impianti di dimostrazione per quanto riguarda la configurazione, puntando su una combinazione ottimizzata di riscaldamento e raffreddamento massimizzando così la frazione solare. 20 Il sistema è costituito principalmente da: − un campo solare con una superficie assorbente di 146 m² composto da 64 collettori piani con superficie selettiva, inclinati di 30° e collegati in 8 serie parallele, che possono produrre 62.700 kWh di energia termica. Questa energia termica sarà utilizzata principalmente per il riscaldamento (53%) e il resto sarà utilizzato per l’ACS (21%) e l’alimentazione della pompa di calore ad assorbimento (raffrescamento solare, 26%); − un sistema di stoccaggio del calore basato su due accumuli principali da 10 m³ e da 8 m³, un buffer da 4 m³ e un accumulo per Acqua Calda Sanitaria da 500 litri; − un Gruppo ad Assorbimento Monoblocco (GAM) completo di torre di raffreddamento per la produzione di acqua refrigerata; − due pompe di calore a compressione di cui una ad acqua-acqua in assetto invernale da 20 kW di potenza termica e una ad aria-acqua da 60 kW in assetto invernale e da 55 kW in assetto estivo; − una unità di trattamento aria (UTA) che alimenta un sistema di aria primaria; − una rete di distribuzione di acqua calda o refrigerata basata su ventilconvettori per il riscaldamento e il raffrescamento; − un sistema di monitoraggio e controllo. L’impianto così realizzato permette di coprire un’elevata quota parte del fabbisogno termico e frigorifero annuale attraverso l’uso di energia solare. La copertura della restante parte del fabbisogno avviene attraverso l’utilizzo di energia elettrica per l’alimentazione delle pompe di calore, eliminando di fatto la necessità di approvvigionamento di gas naturale non presente in loco. Schema semplificato dell’impianto Utenze Pannelli solari Pompa di calore ad assorbimento Pompa di calore aria-acqua ACS acqua calda sanitaria Accumulo acqua calda 33 (10m + 8m3 ) Pompa di calore acqua-acqua Utenze Caratteristiche Tecniche Produzione pannelli solari Tipo di collettori: piani selettivi Superficie captante: 160 m² (lordi) Prestazione attese del sistema: 62.700 kWh/a Per riscaldamento solare: 33.200 kWh/a (5 mesi) Per raffrescamento solare: 16.300 kWh/a (7 mesi) Per ACS: 13.200 kWh/a (12 mesi) Fabbisogni ACS: 24.000 kWh/a (quasi la totalità del carico è soddisfatta in estate con il solare) riscaldamento: 59.000 kWh/a raffrescamento: 23.000 kWh/a Raffrescamento solare Tecnologia: ciclo chiuso Capacità nominale: 35 kW Tipo di sistema: Refrigeratore ad Assorbimento (LiBr) Quota dei fabbisogni di raffrescamento coperta: 45% Configurazione Accumulo termico: 22,5 m³ di acqua (10m³ + 8m³ accumuli principali; 4m³ buffer; 0,5m³ ACS) Accumulo raffrescamento: 4m³ Sistema di riscaldamento ausiliario: 20 kW PdC acqua-acqua, 60 kW PdC aria-acqua Sistema di raffreddamento ausiliario: 55 kW PdC aria-acqua L’impianto greco CRES di Atene Informazioni generali Proprietario Posizione Edificio In uso da Area climatizzata CRES Pikermi, Attica Edificio per uffici Dicembre 2011 472 m² Descrizione dell’impianto L’impianto è stato realizzato in un edificio terziario esistente, presso la sede del Centro per le Fonti di Energia Rinnovabili e il Risparmio Energetico - CRES ad Atene, in Grecia. L’edificio si sviluppa su 427 m² con un volume di 1296 m³, che è la dimensione media tipica degli uffici e degli edifici multifamiliari. L’edificio è stato costruito nel 2000 ed è stato inizialmente utilizzato come laboratorio. Nel 2008 l’edificio è stato rinnovato ed è attualmente utilizzato come ufficio. Vista dell’edificio 21 Vista del campo solare Descrizione generale del sistema L’impianto greco è in funzione da dicembre 2011. Il progetto dell’impianto prevede collettori solari termici, un accumulo sotterraneo stagionale di energia termica, una macchina per il raffrescamento alimentata dai collettori solari, una torre di raffreddamento e una pompa di calore. Per il riscaldamento l’acqua calda viene fornita all’edificio ad una temperatura di 70°C. Durante i periodi di bassa domanda, come l’autunno, una grande quantità di energia termica viene accumulata per essere recuperata nel successivo periodo di riscaldamento. La pompa di calore, che serve come sistema ausiliario, è alimentata dall’energia solare con conseguente aumento del COP. Per il raffrescamento la macchina ad assorbimento fornisce acqua refrigerata a 7°C. L’energia termica, mediante acqua calda oltre i 65°C, alimenta il processo di raffrescamento. La frazione solare è stimata intorno all’85% del fabbisogno totale di energia termica. Caratteristiche Tecniche Riscaldamento solare Tipo di collettori: piani selettivi Vista del serbatoio di accumulo sotterraneo Superficie captante: 149,5 m² (lordi) Carico di riscaldamento: 12.300 kWh/a Raffrescamento solare Tecnologia: ciclo chiuso Capacità nominale: 35 kW Tipo di sistema: Assorbimento (LiBr) Carico di raffrescamento: 19.400 kWh/a Configurazione Accumulo termico: 58 m³ (sotterraneo ad acqua) Sistema di riscaldamento ausiliario: pompa di calore acqua-acqua alimentata dai collettori solari Capacità nominale: 18 kW COP: 7 L’impianto spagnolo Patronat Municipal de Barcelona Informazioni generali PMHB Barcelona Proprietario Barcellona Posizione Centro sanitario e Edificio residenza anziani Dicembre 2011 In uso da Area climatizzata 3.700 m² Descrizione dell’impianto 22 L’impianto pilota spagnolo è installato in un edificio di nuova concezione, nel centro di Barcellona. L’edificio, di proprietà del Patronat Municipal de l’Habitatge de Barcelona, comprende un centro di assistenza sanitaria nei tre piani inferiori, e 32 appartamenti di edilizia sociale per le persone anziane nei piani superiori. L’edificio è stato progettato e costruito secondo i criteri di ottimizzazione di AIGUASOL (Società di consulenza in materia energetica), attraverso la simulazione dettagliata e la proposta di diverse soluzioni di ottimizzazione energetica (tra cui gli spessori ottimali dell’isolamento termico, la tipologia di infissi da utilizzare e le dimensioni e proporzioni dei balconi). Descrizione generale del sistema Il sistema installato è composto da un campo solare di 200 m², un serbatoio di accumulo stratificato, un refrigeratore ad assorbimento, una pompa di calore a compressione ed una caldaia a condensazione. L’opzione relativa all’installazione di scambiatori di calore geotermici è stata ignorata, a causa di costi di investimento elevati rispetto ai ritorni ottenibili. Inoltre la domanda di calore in inverno è bassa e viene facilmente coperta dall’energia solare. Il processo di ottimizzazione ha condotto ad una temperatura di alimentazione ottimale per la pompa di calore ad assorbimento (75-80°C), per l’inclinazione ottimale dei collettori solari (25°) e per il rapporto specifico di accumulo del calore (35 l/m²). I componenti principali dell’impianto High-Combi spagnolo sono: − il campo solare a tubi evacuati − l’acqua come fluido del circuito primario − una pompa di calore ad assorbimento di 70 kW di potenza di raffreddamento − torre di raffreddamento Vista posteriore del centro sanitario Vista del campo solare sulla copertura dell’edificio − pannelli radianti climatizzazione − deumidificazione a pavimento Caratteristiche Tecniche Riscaldamento solare Tipo di collettori: tubi evacuati Superficie captante: 200 m² (lordi) Raffrescamento solare Capacità nominale: 70 kW Tipo di sistema: Assorbimento (LiBr) Prestazioni attese del sistema Raffrescamento: 60.418 kWh/anno Riscaldamento: 11.664 kWh/anno ACS: 49.487 kWh/anno Configurazione Accumulo termico: 9 m³ per la L’impianto austriaco Municipio e Centro Servizi di Gleisdorf Informazioni generali Proprietario Posizione Edificio In uso da Area climatizzata Descrizione generale del sistema Municipio di Gleisdorf Gleisdorf Terziario Luglio 2008 2.533 m² Vista del campo con alberi solari. L’energia per la climatizzazione è generata mediante due differenti tecnologie: una pompa di calore ad assorbimento ed un sistema “desiccant cooling” (DEC). Il sistema “desiccant cooling” fornisce il trattamento aria del Centro Servizi e la pompa di calore ad assorbimento fornisce la potenza frigorifera di entrambi gli edifici. La distribuzione dell’energia frigorifera avviene tramite ventilconvettori nel Municipio e con pannelli radianti a soffitto nel Centro Servizi. Due campi solari con differente orientamento sono integrati nel sistema. Un campo è situato sul tetto del Centro Servizi e l’altro si trova su quattro cosiddetti “alberi solari”. Il calore generato viene conservato in un accumulatore di calore. Un collegamento alla rete di teleriscaldamento serve come riserva. Il riscaldamento degli ambienti avviene tramite radiatori e pannelli radianti a pavimento nel Municipio e tramite elementi nel soffitto nel Centro Servizi. Caratteristiche Tecniche Collettori isolari installati sulla copertura del Service Center. Rappresentazione schematica dei flussi energetici 2 302 m collettori solari torre di raffreddamento accumulo caldo 26/30°C 85 kW 4.6 m3 accumulo freddo 8°C; 1m 3 80...90°C 140 kW 35 kW 8/14°C 78...88°C 50 kW teleriscaldamento 190 kW POMPA DI CALORE AD ASSORBIMENTO WFC 10 - 35 kW riscaldamento ambiente (o edificio) ventilconvettori Town Hall, 10/20°C pannelli radianti (o soffitto radiante) Raffrescamento solare (pompa di calore ad assorbimento) Tecnologia: ciclo chiuso Capacità nominale: 35 kW Tipo di sistema: Assorbimento Carico di raffrescamento: 28.748 kWh/a Service center 16/19°C scambiatore di rigenerazione (o calore di rigenerazione) 65 kW / 80°C aria espulsa Riscaldamento solare Tipo di collettori: piani selettivi Superficie captante: 302 m² Carico di riscaldamento: 12.300 kWh/a umidificatore aria esterna 32° C DEC - Sistema Desiccant Cooling aria di ritorno (o estratta) dall’ambiente 26°C aria in mandata all’ambiente (o al Service Center) 18°C 3 6250 m /h Descrizione dell’impianto Nell’ambito della ristrutturazione del Municipio e della costruzione di nuovi locali per il Centro Servizi per la città di Gleisdorf in Austria è stato realizzato un impianto di climatizzazione solare. Il sistema solare fornisce entrambi gli edifici di climatizzazione ed acqua calda sanitaria. Raffrescamento solare (DEC) Tecnologia: ciclo aperto Capacità nominale: 6.250 m³/h (35 kW) Tipo di sistema: ruota deumidificante a gel di silice Carico di raffrescamento: 19.649 kWh/a Configurazione Accumulo termico: 4,6 m³ Accumulo frigorifero: 1 m³ Sistema di riscaldamento ausiliario: teleriscaldamento Rendimenti COP (senza sistema DEC): 5 23 L’impianto austriaco Feistritzwerke Steweag di Gleisdorf Descrizione dell’impianto dimostrativo Informazioni generali Proprietario Feistritzwerke STEWEAG GmbH Posizione Gleisdorf Edificio Terziario In uso da Luglio 2010 Area climatizzata 1.000 m² 24 Vista dell’edificio uffici di Steweag Gli uffici della Steweag Feistritzwerke GmbH (un fornitore regionale di energia e di acqua) si trovano a Gleisdorf e sono stati dotati di un sistema di climatizzazione solare nel giugno 2010. Descrizione generale del sistema L’energia termica solare è prodotta da un campo solare di 64 m² e viene accumulata in cinque serbatoi di calore da 2 m³ ognuno. Uno di questi accumuli è dotato di uno stratificatore. Tale accumulo ad alta temperatura può essere utilizzato indipendentemente dagli altri. Il calore per il refrigeratore ad assorbimento viene prelevato dal serbatoio ad alta temperatura. L’acqua fredda prodotta viene portata direttamente ai pannelli radianti a soffitto senza stoccaggio intermedio per evitare il consumo di elettricità di una pompa di circolazione. Per permettere al refrigeratore di produrre l’effettivo carico di raffreddamento istantaneo richiesto dall’edificio viene operata una regolazione dinamica di controllo della potenza di raffreddamento. Ciò è realizzato mediante il controllo delle portate e delle temperature nei circuiti idraulici del refrigeratore. Il riscaldamento degli ambienti avviene con pannelli radianti a soffitto e con radiatori. Durante la stagione di riscaldamento tre cogeneratori, una caldaia a condensazione a gas naturale e una pompa di calore servono come riserva. Il calore in eccesso viene ceduto a una rete locale di teleriscaldamento. Caratteristiche Tecniche Pompa di calore ad assorbimento Rappresentazione schematica dei flussi energetici TORRE DI RAFFREDDAMENTO COLLETTORI SOLARI 2 64 m 57 Kw, 24/30 °C 3 33KW 85°C 10 m ACCUMULO 75/68 °C 27 kW CALDAIA A GAS NATURALE (METANO) POMPA DI CALORE AD ASSORBIMENTO 19 kW 250 Kw 3 COGENERATORI AD OLIO VEGETALE E GAS NATURALE 35+18+16 kW th 20+8+2 kW el Raffrescamento solare Tecnologia: ciclo chiuso Capacità nominale: 19 kW Tipo di sistema: pompa di calore ad assorbimento Carico di raffrescamento: 13.354 kWh/a 19 kW 16/19 °C POMPA DI CALORE GEOTERMICA 15 Kw Riscaldamento solare Tipo di collettori: piani selettivi Superficie captante: 64 m² PANNELLI RADIANTI (O SOFFITTO RADIANTE) RISCALDAMENTO AMBIENTE (O EDIFICIO) Configurazione Accumulo termico: 10 m³ Sistema di riscaldamento ausiliario: cogenerazione ad olio vegetale 60 kW Rendimenti COP: 5 L’applicazione software Descrizione del programma software Nell’ambito del progetto High-Combi è stato realizzato uno strumento di calcolo (software) che mostra, attraverso simulazioni, le potenzialità dell’energia solare nel soddisfare gran parte del fabbisogno di energia termica degli edifici in termini di riscaldamento, di raffrescamento, ed acqua calda sanitaria. climatiche, ecc), campo collettori solari, accumulo stagionale, pompa di calore ad assorbimento, sistema ausiliario e risultati. Il software è disponibile sul sito web del progetto High-Combi: www.highcombi.eu/deliverables Il software ha l’obiettivo di contribuire alla ottimizzazione dell’operatività del sistema di produzione di energia. La schermata principale del software riporta lo schema di simulazione del sistema. Nell’ambito del progetto High-Combi sono stati analizzati tre sistemi concettuali: − un sistema solarcombi-plus; − un sistema solarcombi-plus con accumulo stagionale costituito da sonde geotermiche; − un sistema solarcombi-plus con un accumulo interrato stagionale di acqua calda. Il software consente: − un’analisi energetica complessiva di ogni componente; − input ed output del sistema visualizzati in una modalità semplice per l’utente; − un’analisi dei costi; − un confronto dell’impianto solare con quello di riferimento, (caldaia a gas e refrigeratore elettrico). I risultati della simulazione rappresentano un’analisi economica, energetica ed ambientale. Attraverso l’analisi economica si può stimare l’entità del finanziamento necessario per rendere l’investimento sostenibile. Il menu del software è costituito da cinque schede che riportano differenti informazioni in relazione alla particolare configurazione di ciascun impianto realizzato: menu principale, informazioni generali (parametri di simulazione, informazioni meteo- 25 Il team di lavoro Il team di lavoro italiano Provincia di Milano - Settore Energia Stefano Bardo Giuseppe Bono Giuseppe Giambersio Michele Loizzo Paolo Timoni Michela Vacchini Sergio Zabot Provincia di Milano - Settore Idroscalo Giovanni Belloni Alberto di Cataldo Ernesto Valerio Garagiola Giannandrea Garavaglia Politecnico di Milano Aristotelis Aidonis Marcello Aprile Osama Ayadi Marco Calderoni Antoine Frein Alberto Mauro Mario Motta 27 High-Combi Provincia di Milano Settore Qualità dell’Aria Rumore ed Energia Corso di Porta Vittoria 27 20122 MILANO www.provincia.milano.it/ambiente/energia/ www.highcombi.eu/deliverables