67° Congresso Nazionale ATI – Trieste, 11-14 Settembre 2012 SOMMARIO Nel presente lavoro si riportano i primi risultati ottenuti nell’ambito del progetto Warm Flow, il cui obiettivo consiste nello sviluppo di una metodologia di recupero dell’energia termica contenuta nelle acque reflue di abitazioni civili. Seppur a basso contenuto entalpico, i flussi degli scarichi civili possono rappresentare un’interessante fonte di risparmio energetico nella realizzazione di impianti di climatizzazione invernale ed estiva se adeguatamente sfruttati per l’alimentazi one di sistemi basati su pompa di calore. Nell’ambito di questo lavoro si presenta il risultato della fase di analisi della potenzialità di risparmio energetico legata a questa strategia di progettazione; la valutazione è basata sulla stima dei flussi energetici disponibili nelle più comuni tipologie di edificio e su un’ipotesi preliminare di layout impiantistico individuata per l’ottimizzazione delle performance del sistema integrato edificio-impianto. VALUTAZIONE DELLE POTENZIALITÀ DI UN SISTEMA DI RECUPERO ENERGETICO DA REFLUI A BASSA ENTALPIA PER LA CLIMATIZZAZIONE IN EDIFICI CIVILI Lucio Postrioti 1 , Giorgio Baldinelli 1 , Francesco Di Maria 1 , Francesco Bianchi 1 1 Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Perugia, INTRODUZIONE Gli obiettivi delle recenti normative europee in materia di efficienza degli usi finali dell’energia e dei servizi energetici, quali la Direttiva 2009/28/CE [1] e la Direttiva 2006/32/CE [2], puntano ad estendere i risultati oltre le fasi di produzione, distribuzione, regolazione ed emissione di energia, per arrivare a considerare anche il recupero e il successivo riutilizzo. Nell’ambito delle tematiche di risparmio energetico in edilizia, particolare attenzione è stata posta ai requisiti di isolamento dell’involucro e al recupero energetico dell’aria di ricambio, incrementando il peso relativo del consumo di energia per usi igienico-sanitari. In particolare le acque di scarico presentano possibili potenzialità legate al loro recupero energetico, trattandosi di vettori con un carico termico che viene inutilmente disperso negli scarichi fognari o in pozzi a perdere per una quantità pari a circa 25-30 kWh/(m 2 anno) di energia primaria. Lo sfruttamento del contenuto energetico delle acque reflue, oltre a risultare incisivo in termini energetici, contribuisce a dare un apporto agli sforzi compiuti per la diminuzione degli agenti climalteranti e inquinanti, considerando che il settore residenziale rappresenta una delle principali sorgenti di emissioni di gas serra del nostro Paese. In questo contesto si inserisce il progetto “Warm Flow” finanziato dal Ministero dell’Ambiente nell’ambito della “Ricerca finalizzata ad interventi di efficienza energetica ed all’utilizzo delle fonti di energia rinnovabile in aree urbane”. In particolare, il progetto si pone l’obiettivo di realizzare un prototipo sperimentale per ottimizzare le prestazioni energetiche del binomio edificio-impianto, sviluppando un sistema innovativo di recupero dell’energia termica contenuta nelle acque reflue di scarichi degli edifici ad elevato indice di affollamento. La memoria presenta l’analisi delle potenzialità energetiche delle acque reflue che, se opportunamente recuperate ed immagazzinate, pur trattandosi di una risorsa a basso contenuto entalpico, possono rappresentare un vettore energetico a servizio di impianti tecnologici quali le pompe di calore per la climatizzazione invernale ed estiva. Durante la stagione di riscaldamento, la pompa di calore costituisce una soluzione che ben si presta a sfruttare il calore contenuto in sorgenti a bassa temperatura; grazie a questa tecnologia, il ricorso alle acque di scarico da usi civili diviene quindi un argomento centrale nell’ambito del recupero e riutilizzo dell’energia. Il sistema è realizzato con soluzioni che permettono il suo impiego sia in edifici di nuova costruzione, pensandolo già nelle prime fasi di progettazione, sia in edifici già esistenti e dotati di impianti centralizzati. L’analisi impiantistica dell’apparato di recupero ha permesso di modellare i differenti componenti attraverso relazioni di bilancio energetico in regime semi-stazionario, utilizzando il codice di calcolo matlab. Dopo una prima descrizione del modello numerico implementato, verranno esposti i principali risultati, rappresentativi della fase preliminare alla messa in opera del prototipo sperimentale.
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67° Congresso Nazionale ATI – Trieste, 11-14 Settembre 2012
SOMMARIO
Nel presente lavoro si riportano i primi risultati ottenuti nell’ambito del progetto Warm Flow, il cui obiettivo consiste nello
sviluppo di una metodologia di recupero dell’energia termica contenuta nelle acque reflue di abitazioni civili.
Seppur a basso contenuto entalpico, i flussi degli scarichi civili possono rappresentare un’interessante fonte di risparmio
energetico nella realizzazione di impianti di climatizzazione invernale ed estiva se adeguatamente sfruttati per l’alimentazione
di sistemi basati su pompa di calore.
Nell’ambito di questo lavoro si presenta il risultato della fase di analisi della potenzialità di risparmio energetico legata a
questa strategia di progettazione; la valutazione è basata sulla stima dei flussi energetici disponibili nelle più comuni tipologie
di edificio e su un’ipotesi preliminare di layout impiantistico individuata per l’ottimizzazione delle performance del sistema
integrato edificio-impianto.
VALUTAZIONE DELLE POTENZIALITÀ DI UN SISTEMA DI RECUPERO
ENERGETICO DA REFLUI A BASSA ENTALPIA PER LA CLIMATIZZAZIONE IN
EDIFICI CIVILI
Lucio Postrioti1, Giorgio Baldinelli
1, Francesco Di Maria
1, Francesco Bianchi
1
1Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Perugia,
INTRODUZIONE
Gli obiettivi delle recenti normative europee in materia di
efficienza degli usi finali dell’energia e dei servizi energetici,
quali la Direttiva 2009/28/CE [1] e la Direttiva 2006/32/CE
[2], puntano ad estendere i risultati oltre le fasi di produzione,
distribuzione, regolazione ed emissione di energia, per arrivare
a considerare anche il recupero e il successivo riutilizzo.
Nell’ambito delle tematiche di risparmio energetico in
edilizia, particolare attenzione è stata posta ai requisiti di
isolamento dell’involucro e al recupero energetico dell’aria di
ricambio, incrementando il peso relativo del consumo di
energia per usi igienico-sanitari. In particolare le acque di
scarico presentano possibili potenzialità legate al loro recupero
energetico, trattandosi di vettori con un carico termico che
viene inutilmente disperso negli scarichi fognari o in pozzi a
perdere per una quantità pari a circa 25-30 kWh/(m2
anno) di
energia primaria.
Lo sfruttamento del contenuto energetico delle acque
reflue, oltre a risultare incisivo in termini energetici,
contribuisce a dare un apporto agli sforzi compiuti per la
diminuzione degli agenti climalteranti e inquinanti,
considerando che il settore residenziale rappresenta una delle
principali sorgenti di emissioni di gas serra del nostro Paese.
In questo contesto si inserisce il progetto “Warm Flow”
finanziato dal Ministero dell’Ambiente nell’ambito della
“Ricerca finalizzata ad interventi di efficienza energetica ed
all’utilizzo delle fonti di energia rinnovabile in aree urbane”.
In particolare, il progetto si pone l’obiettivo di realizzare un
prototipo sperimentale per ottimizzare le prestazioni
energetiche del binomio edificio-impianto, sviluppando un
sistema innovativo di recupero dell’energia termica contenuta
nelle acque reflue di scarichi degli edifici ad elevato indice di
affollamento.
La memoria presenta l’analisi delle potenzialità energetiche
delle acque reflue che, se opportunamente recuperate ed
immagazzinate, pur trattandosi di una risorsa a basso
contenuto entalpico, possono rappresentare un vettore
energetico a servizio di impianti tecnologici quali le pompe di
calore per la climatizzazione invernale ed estiva. Durante la
stagione di riscaldamento, la pompa di calore costituisce una
soluzione che ben si presta a sfruttare il calore contenuto in
sorgenti a bassa temperatura; grazie a questa tecnologia, il
ricorso alle acque di scarico da usi civili diviene quindi un
argomento centrale nell’ambito del recupero e riutilizzo
dell’energia.
Il sistema è realizzato con soluzioni che permettono il suo
impiego sia in edifici di nuova costruzione, pensandolo già
nelle prime fasi di progettazione, sia in edifici già esistenti e
dotati di impianti centralizzati. L’analisi impiantistica
dell’apparato di recupero ha permesso di modellare i differenti
componenti attraverso relazioni di bilancio energetico in
regime semi-stazionario, utilizzando il codice di calcolo
matlab. Dopo una prima descrizione del modello numerico
implementato, verranno esposti i principali risultati,
rappresentativi della fase preliminare alla messa in opera del
prototipo sperimentale.
2
SOLUZIONI ESISTENTI PER IL RECUPERO
ENERGETICO DAI REFLUI CIVILI
Il recupero delle acque di scarico da usi civili trova la sua
concretizzazione nella definizione degli aspetti impiantistici
che permettano la captazione del contenuto energetico delle
acque reflue. Nella maggior parte delle applicazioni il sistema
di recupero è costituito da un serbatoio di accumulo che
diventa un volano termico dal quale attingere per il
funzionamento dell’impianto di climatizzazione. Questa
tipologia di impianto si pone quindi come possibile alternativa
a differenti soluzioni impiantistiche quali l’utilizzo di sistemi
di scambio geotermico per l’alimentazione energetica di
pompe di calore, soluzioni certamente più complesse e costose
dal punto di vista realizzativo.
Una soluzione che prevede una semplificazione
impiantistica del sistema di captazione è descritta in un
rapporto del DOE [3], in cui si analizza la possibilità di
effettuare il recupero istantaneo, contemporaneo alla
produzione, del contenuto termico delle acque di scarico di
impianti sanitari civili. Il componente principale è uno
scambiatore di calore costituito da una tubazione centrale che
accoglie acqua calda da lavandini e docce, circondata sulla
superficie esterna da spire per il passaggio dell’acqua da
preriscaldare. Sulla base di prove sperimentali in differenti
condizioni di flusso è stato valutato un possibile risparmio di
energia tra il 30 e il 50%, individuando in strutture ad elevati
livelli di affollamento i candidati più appetibili per tale
applicazione. De Paepe et al. [4] hanno sperimentato un
dispositivo per il recupero diretto delle acque di scarico di una
lavastoviglie. Sulla base dei cicli di lavaggio effettuati con
acqua calda o risciacquo con acqua fredda
dall’elettrodomestico, il fluido viene raccolto in un serbatoio
di accumulo per preriscaldare le fasi di lavaggio con acqua
calda. Utilizzando le equazioni relative agli scambiatori di
calore è stato costruito un prototipo, sottoposto
successivamente ad un’analisi sperimentale del recupero
possibile, associando anche considerazioni di carattere
economico.
Le soluzioni sin qui presentate per il recupero dell’energia
termica delle acque reflue risultano relativamente semplici dal
punto di vista impiantistico: la maggior parte delle
applicazioni in questo campo sono concepite con un sistema di
accumulo delle acque di scarico, a servizio di una pompa di
calore per la climatizzazione invernale ed estiva.
Un’analisi delle potenzialità delle acque di scarico
recuperate con soluzioni impiantistiche più complesse è stata
studiata da Schmid [5] che ha presentato uno studio effettuato
nel territorio Svizzero valutando la possibilità di poter
recuperare e garantire il 3% del calore necessario a tutti gli
edifici con il recupero del contenuto termico delle acque
reflue. In particolare, vengono presentati sistemi che
recuperano il calore con dispositivi direttamente installati
subito a valle dell’utenza, sulle tubazioni di raccolta o in
collegamento con l’impianto di trattamento delle acque,
riportando esempi esistenti in Svizzera.
Nel primo caso, dispositivi installati direttamente a valle
dell’utenza, la stabilità del flusso determina la scelta della
tecnologia da adottare: se si è in presenza di una quantità
costante (condizione legata a processi industriali), si possono
impiegare scambiatori a fascio tubiero; in presenza di flussi
discontinui, quali quelli civili, è necessario ricorrere a sistemi
di accumulo con scambiatori a serpentina. Un maggiore grado
di complessità si raggiunge quando si intende recuperare
calore dalle tubazioni di raccolta e trasporto: esistono
soluzioni che integrano direttamente nelle pareti dei condotti
un insieme di tubazioni per il recupero del calore. La
problematica che si incontra in questi casi consiste
nell’impossibilità di scendere a temperature troppo basse delle
acque reflue per non compromettere i successivi trattamenti di
depurazione. A tal proposito, il recupero negli impianti di
trattamento viene considerato di maggior efficacia proprio
perché è possibile far scendere le temperature a livelli più
bassi. In questo caso, però, l’uso in strutture civili non è
sempre possibile per le distanze che solitamente esistono tra
impianto di depurazione e abitazioni. La maggior parte delle
applicazioni sfruttano il calore recuperato per le operazioni di
lavaggio.
Valutazioni di carattere maggiormente teorico sulla
possibilità di recupero del contenuto termico delle acque reflue
con accumulatore sono state condotte da Meggers et al. [6],
presupponendo come utenza la sola acqua calda sanitaria e
proponendo un sistema innovativo basato sul recupero
immediato delle acque di scarico così da sfruttare temperature
più elevate. Il modello è basato sull’analisi del comportamento
del serbatoio di accumulo e sui tempi di riempimento e
svuotamento legati allo scambio di calore con le acque di
scarico. Partendo dallo stesso modello, gli autori propongono
due versioni di analisi: una prima che fissa una temperatura
ipotizzata arbitrariamente che permette all’algoritmo di
determinare risultati in maniera indipendente alla domanda di
acqua calda sanitaria; una seconda in cui si fa cadere tale
ipotesi e si ottengono risultati, da processi iterativi,
strettamente legati alla domanda dell’utenza. Tale sistema è
stato poi inserito in scenari differenti per l’accoppiamento con
una pompa di calore e per la valutazione del suo COP.
Il ricorso a programmi di simulazione dinamica è un
ulteriore strumento per individuare e sfruttare le potenzialità
delle acque di scarico. Baek et al. [7] hanno sviluppato
l’ottimizzazione teorica di un sistema che raccoglie le acque di
scarico da saune e bagni pubblici a servizio di una pompa di
calore che riesce a lavorare con un COP medio annuale
maggiore rispetto a sistemi convenzionali che usano aria
ambiente come sorgente di calore.
Zhao et al. [8] hanno analizzato sperimentalmente
l’accoppiamento tra le acque di scarico urbane,
preventivamente filtrate, e il comportamento di una pompa di
calore in funzione dal 2008. Dallo studio è stato possibile
individuare una metodologia per migliorare le performance
della macchina.
IL MODELLO MATEMATICO
Nel presente studio, l’analisi del sistema edificio-impianto
legato al recupero del contenuto energetico delle acque reflue
si fonda sull’individuazione delle caratteristiche di portata e
temperatura delle utenze. I due parametri definiscono il
contenuto energetico che è possibile accumulare ora per ora
per migliorare il funzionamento della pompa di calore. Tali
caratteristiche sono assunte quali parametri di input
dell’impianto insieme alla valutazione delle temperature
esterne per un giorno tipo di ciascun mese. Partendo dal
numero di utenze da servire e dalle caratteristiche tecniche
della pompa di calore, si ottiene come principale parametro di
output il COP della macchina. Tutte le valutazioni sono state
3
eseguite in riferito all’impianto di climatizzazione impostato
in modalità riscaldamento, facendo riferimento al COP della
macchina e al recupero di calore dal lato dell’evaporatore.
Profili di utenza
Sono stati studiati in dettaglio i profili di utenza dei
principali impianti ed elettrodomestici che dopo il loro uso
scaricano acqua con un significativo livello di energia termica,
valutando gli andamenti desunti da uno studio eseguito dal
NREL (National Renewable Energy Laboratory) [9].
Figura 1: Portata oraria giornaliera della lavatrice [9].
Figura 2: Portata oraria giornaliera della lavapiatti [4, 9].
Figura 3: Portata oraria giornaliera della doccia [9].
Figura 4: Portata oraria giornaliera della vasca da bagno [9].
Figura 5: Portata oraria giornaliera del lavandino [9].
L’andamento orario della portata delle diverse utenze è
riportato nelle figure 1-5, con l’indicazione della relativa
equazione che regola il flusso in funzione del numero di
utenti.
La temperatura è ipotizzata costante ora per ora. I profili sono
relativi ad un numero di utenti (23 unità) rappresentativo di
una possibile applicazione in locali a medio-alto livello di
affollamento.
Descrizione dell’impianto
L’impianto può essere definito dai componenti
rappresentati con il diagramma a blocchi riportato in figura 6.
Le acque reflue vengono raccolte in un serbatoio in cui è
installato il sistema di recupero, che potrebbe essere la stessa
fossa imhoff, dove viene trasferito calore tra le acque di
scarico e il circuito del fluido dal lato dell’evaporatore della
pompa di calore. Lo scambiatore interno al serbatoio di
accumulo è dimensionato sulla base di un compromesso tra
esigenze di tipo energetico e geometrico, poiché si deve
assicurare un efficiente scambio termico all’interno di uno
spazio la cui funzione primaria è quella di garantire la raccolta
degli scarichi delle utenze considerate.
Sono stati scelti una pompa di calore e un serbatoio di
accumulo a servizio di un numero di utenze già definito in
precedenza (23).
Il serbatoio di accumulo in cui verrà installato lo scambiatore
di calore tra il fluido del circuito evaporatore e le acque di
scarico ha le dimensioni di 150 cm di diametro e 100 cm di
