75441 - SISTEMI SOLARI E GEOTERMICI M

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si propone di fornire agli studenti gli strumenti fondamentali per la progettazione e la valutazione economica ed exergetica di impianti per l'utilizzazione dell'energia solare e geotermica. Tale obiettivo viene perseguito attraverso l'illustrazione e l'analisi dei più recenti metodi di calcolo per il dimensionamento di sistemi di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria a pannelli solari termici, di campi fotovoltaici fissi e ad inseguimento per la produzione di energia elettrica, di pompe di calore geotermiche. Il corso si propone inoltre di fornire criteri per l'integrazione ottimale di queste tecniche al fine di realizzare edifici passivi ad energia zero.

Contenuti

Modulo 1 (Energia Solare)

Radiazione solare e atmosfera. Energia solare. Calcolo dello spettro di emissione del sole e della costante solare. Proprietà notevoli dell'atmosfera terrestre e interazione con la radiazione solare. Bilancio energetico globale del sistema terra-atmosfera-sole.

Geometria solare e calcolo dell'irraggiamento. Coordinate spaziali e temporali per l'analisi del movimento apparente del sole. Angoli per la caratterizzazione delle superfici captanti. Calcolo dell'angolo di incidenza della radiazione solare su una superficie comunque orientata ed inclinata. Calcolo dell'irraggiamento solare giornaliero su una superficie posta all'estradosso dell'atmosfera terrestre. Irraggiamento solare giornaliero su una superficie al suolo: calcolo della componente diretta, diffusa e riflessa. Calcolo dell'angolo di inclinazione ottimale di una superficie fissa per massimizzare l'irraggiamento solare raccolto. Calcolo dell'irraggiamento globale istantaneo. Sistemi ad inseguimento ad 1 o 2 assi di rotazione. Ombreggiamento: diagramma solare. Esempi numerici sull'uso del diagramma solare.

Applicazioni solari per la produzione di energia termica a bassa temperatura. Pannelli solari termici. Curva caratteristica di un collettore. Determinazione sperimentale delle caratteristiche dei pannelli. Pannelli a circolazione naturale. Pannelli a circolazione forzata. Pannelli a svuotamento. Il fenomeno della stagnazione. Dimensionamento vaso di espansione e dissipatore. Metodo F-Chart per il calcolo del fattore di copertura solare mensile. Definizione di X e Y secondo norma UNI TS 11300/4. Determinazione del fattore di copertura solare. Studio del ruolo dell'accumulo termico nei sistemi termici solari per la produzione di acqua calda sanitaria. Ricostruzione dei profili orari di carico e scarico del serbatoio di accumulo. Impianti solari per il riscaldamento di piscine scoperte.

Sistemi a concentrazione. Equazione di bilancio termico di un sistema concentratore-ricevitore. Proprietà dei sistemi di concentrazione dell'energia solare. Sistemi a torre. Lenti di Fresnel. Concentratori parabolico-cilindrici. Dish Stirling. Calcolo del fattore di concentrazione. Caratteristiche dei ricevitori. Rendimento del sistema di concentrazione. Rendimento del ricevitore. Rendimento istantaneo utile. Forni solari. Centrali elio-termoelettriche (solare termodinamico).

Solar cooling. Macchine ad assorbimento e STR. Valutazioni energetiche sull'uso accoppiato di macchine ad assorbimento e collettori solari termici. Dimensionamento della superficie captante dei pannelli solari da utilizzare per l'alimentazione di macchine frigorifere. Macchine combinate ciclo Rankine-ciclo frigorifero a compressione e macchine ad assorbimento.

Sistemi fotovoltaici. Caratteristiche dei semi-conduttori. Efficienza quantica e risposta spettrale. Efficienza energetica ideale. Efficienza energetica reale. Celle multi giunzione III-V. Modello elettrico equivalente di una cella fotovoltaica. Curva caratteristica. Potenza elettrica massima. Calcolo dell'energia elettrica prodotta da un impianto fotovoltaico con il metodo della norma UNI TS 11300-4. Moduli solari ibridi PV/T. Sistemi fotovoltaici a concentrazione CPV.

Modulo 2 (Energia Geotermica)

Cenno alle risorse geotermiche ad alta e media entalpia. Serbatoio geotermico. Classificazione delle risorse geotermiche. Risorse geotermiche ad alta entalpia. I sistemi geotermici ad alta entalpia della Toscana. Il sistema a media entalpia di Casaglia.

Pompe di calore geotermiche. Classificazione ASHRAE delle pompe di calore geotermiche: Ground Coupled Heat Pumps (GCHPs), Ground Water Heat Pumps (GWHPs), Surface Water Heat Pumps (SWHPs). Richiami sul ciclo frigorifero a compressione: ciclo sui diagrammi (p,v) e (p,h), Energy Efficiency Ratio (EER) e Coefficient of performance (COP). GCHPs verticali: caratteristiche degli scambiatori verticali (detti sonde geotermiche) e tipi di impianto. GCHPs orizzontali: tipi di scambiatori orizzontali e loro disposizione. Tipologie di impianto delle GWHPs e delle SWHPs.

Surface Water Heat Pumps (SWHPs) a circuito chiuso. Descrizione degli scambiatori. Calcolo dei coefficienti di convezione interno ed esterno. Dimensionamento pratico degli scambiatori. Calcolo delle perdite di carico. Esempi di dimensionamento degli scambiatori.

Resistenza Termica della Sonda. Definizione di resistenza termica della sonda. Espressioni approssimate. Calcolo del coefficiente di convezione interno. Calcolo della resistenza termica mediante simulazione agli elementi finiti. Resistenza termica effettiva. Calcolo della resistenza termica effettiva mediante il metodo analitico di Hellström.

Test di Risposta Termica (TRT). Finalità e fasi di un TRT. Determinazione della temperatura del terreno indisturbato. Fase di Riscaldamento. Descrizione del circuito di prova raccomandato dall’ASHRAE e grandezze da monitorare. Determinazione della conducibilità termica del terreno e della resistenza termica della sonda, oppure della conducibilità e della diffusività termica del terreno, mediante il metodo infinite-line-source.

Metodo di dimensionamento ASHRAE dei campi di sonde geotermiche. Logica del metodo. Espressione della lunghezza totale del campo sonde per i casi di raffrescamento e di riscaldamento. Determinazione delle resistenze termiche del terreno per impulsi annuali, mensili, giornalieri, mediante l’uso del g-factor. Fattori di penalizzazione per il corto-circuito termico interno e per l’interferenza fra le sonde. Determinazione del fattore di carico parziale del mese di progetto. Esempio di dimensionamento di un campo di sonde geotermiche con il metodo ASHRAE.

Territorio della Regione Emilia-Romagna. Caratteristiche geologiche ed idrogeologiche della regione: zona appenninica, zona pedecollinare, zona di pianura. Mappa regionale della conducibilità termica media del terreno fra la superficie e 100 m di profondità. Esempio di stratigrafia rilevata durante la realizzazione di una sonda geotermica.

Dimensionamento dei campi di sonde geotermiche con il metodo delle g-function. Limiti del metodo di dimensionamento ASHRAE. Definizione di g-function. Schematizzazione della sonda come sorgente cilindrica di lunghezza finita in un solido omogeneo semi-infinito e scelta del dominio computazionale. Adimensionalizzazione delle equazioni. Determinazione delle g-function. Espressioni polinomiali delle g-function di Zanchini e Lazzari. Determinazione della temperatura adimensionale mediata sulla lunghezza della sonda provocata da un carico termico variabile nel tempo. Determinazione della g-function di un campo sonde. Esempio di Esempio di dimensionamento di un campo di sonde geotermiche con il metodo delle g-function.

Sostenibilità di lungo termine dei campi di sonde geotermiche. Non sussistenza del problema per sonda singola. Esempio di criticità del problema per un campo quadrato con carichi termici solo invernali, in assenza del movimento dell’acqua di falda. Velocità tipiche dell’acqua di falda nei vari tipi di terreno. Effetto del movimento dell’acqua di falda sulla conducibilità termica apparente del terreno. Effetto del movimento dell’acqua di falda sulla sostenibilità di lungo termiche di vasti campi di sonde geotermiche in linea singola o doppia.

Tempo di ritorno economico di un intervento di riqualificazione energetica. Valore attuale di un ammontare disponibile fra n anni. Tasso di interesse, i, e tasso di aumento annuo del costo delle risorse energetiche, e. Valore attuale netto e tempo di ritorno economico di un intervento di riqualificazione energetica. Caso particolare di e= i. Irrilevanza del tasso di inflazione generale. Esempio di calcolo del tempo di ritorno economico della sostituzione di una caldaia a gas con un impianto a pompa di calore accoppiata al terreno.

Tempo di ritorno exergetico di un intervento di riqualificazione energetica. Relazione fondamentale di un sistema aperto. Potenziale chimico ed equazione di Gibbs per un sistema aperto. Differenziale dell’entalpia e dell’energia libera di Gibbs per un sistema aperto. Equazione di Eulero. Uguaglianza fra potenziale chimico ed energia libera di Gibbs molare per un sistema monocomponente. Potenziale chimico di un componente di una miscela di gas ideali. Relazione di equilibrio chimico. Exergia. Potere calorifico inferiore di un combustibile ed entalpia di reazione standard. Approssimazione dell’exergia specifica di un combustibile chimico mediante il potere calorifico inferiore. Consumo di exergia per la realizzazione di un intervento di riqualificazione energetica. Tabelle di embodied energy dei materiali. Esempio di calcolo del tempo di ritorno exergetico della sostituzione di una caldaia a gas con un impianto a pompa di calore accoppiata al terreno.

Testi/Bibliografia

Modulo 1 (Energia Solare)

Dispense del Corso redatte dal Docente
Duffie JA Beckman WA, L'energia solare nelle applicazioni termiche, Liguori Editore (1974)
Lazzarin R, Sistemi solari attivi: manuale di calcolo, F. Muzzio Editore (1981)
Comini G Savino S, La captazione dell'energia solare, Monografie CISM (2013)

Modulo 2 (Energia Geotermica)

Slide di Sistemi Solari e Geotermici M Modulo 2, redatte dal docente e disponibili online sul sito https://campus.unibo.it/.

Le slide sono disponibili anche in formato cartaceo presso il centro di fotodocumentazione della Scuola di Ingegneria e Architettura, Viale Risorgimento 2, vicino alla Biblioteca Dore, primo piano dell’edificio storico.

Materiale didattico per approfondimenti (non necessario per l’esame)

ASHRAE 2007 Handbook, HVAC Applications, Chapter 32.

S. Kavanaugh, K. Rafferty, Geothermal Heating and Cooling. Design of Ground-Source Heat Pump Systems. ASHRAE, Atlanta, 2014.

UNI 11466 2012. Sistemi geotermici a pompa di calore. Requisiti per il dimensionamento e la progettazione.

Metodi didattici

Modulo 1 (Energia Solare)

Tutti gli argomenti trattati nel Corso verranno conclusi da una esercitazione numerica al fine di permettere agli studenti di familiarizzare con le metodologie proposte e con le procedure di progetto presentate. Le esercitazioni numeriche permetteranno agli studenti di prendere confidenza con gli ordini di grandezza associati alle quantità fisiche principali che entrano in gioco nella progettazione degli impianti solari. Al termine del Corso gli studenti saranno in grado di effettuare un dimensionamento di massima di impianti solari per la produzione di energia termica, frigorifera e/o elettrica.

Modulo 2 (Energia Geotermica)

Il metodo didattico principale è costituito da lezioni teoriche e da esemplificazioni applicative in aula, svolte dal docente alla lavagna con l'ausilio di videoproiettore o lavagna luminosa per le illustrazioni.

La didattica è integrata da due esercitazioni pratiche eseguite nel Laboratorio di Fisica Tecnica del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIN), situato in Via Terracini 34.

La partecipazione alle lezioni e alle esercitazioni in laboratorio è importante per ottenere una solida preparazione sulla materia. Tuttavia, l'esame può essere superato con il punteggio massimo anche senza partecipare alle lezioni in aula e alle esercitazioni in laboratorio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Modulo 1 (Energia Solare)

L'esame consiste in una prova scritta e in un colloquio orale. E' prevista una prova scritta al termine del Modulo. Il superamento della prova scritta in itinere di Modulo esonera i candidati dalla prova scritta per l'ammissione all'orale. Per quanto concerne l'esame orale di Modulo esso può essere sostenuto solo dopo aver superato la prova scritta di Modulo con votazione superiore a 18/30. L'orale verte su un colloquio sulle applicazioni illustrate durante le lezioni del Modulo. Il voto finale viene calcolato come media delle votazioni riportate nella prova scritta di Modulo e nella prova orale di Modulo.

Modulo 2 (Energia Geotermica)

L'esame consiste in una prova orale, che comprende due domande. Per ottenere il voto massimo (30 e lode) lo studente deve dimostrare di avere capito i temi oggetto di domanda e di sapersi esprimere con chiarezza. Il mancato superamento dell'esame si ha quando lo studente dimostra di non avere alcuna conoscenza di un argomento fondamentale o di averlo compreso in modo totalmente errato.

Strumenti a supporto della didattica

Modulo 1 (Energia Solare)

Le lezioni verranno svolte con l'ausilio di lucidi e diapositive (powerpoint).

Materiale didattico disponibile in rete: https://campus.unibo.it/
Sono disponibili le fotocopie dei lucidi proiettati durante il corso presso la copisteria di Facoltà.

Modulo 2 (Energia Geotermica)

Strumenti audiovisivi; aula informatica e circuito di prova per Test di Risposta Termica del laboratorio di Fisica Tecnica del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIN), Via Terracini 34. Materiale didattico disponibile in rete: https://campus.unibo.it/

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Gian Luca Morini

Consulta il sito web di Enzo Zanchini