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Applicazione ad un edificio del campus universitario di modelli per la simulazione di reti di teleriscaldamento

Università degli Studi di Parma
Dipartimento di Ingegneria Industriale - Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica
A.A. 2013-2014

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.
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.
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).
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.