Sisteme de amestec al energiilor regenerabile pentru clădiri nerezidențiale

Sisteme de amestec al energiilor regenerabile pentru clădiri nerezidențiale

Zonele industriale și comerciale sunt sinonime cu un consum ridicat de energie, atât pentru încălzire sau răcire, cât și pentru cerințele de energie electrică asociate, la rându-le, cu o utilizare masivă a combustibililor fosili, producând astfel consecințe de emisii de gaze cu efect de seră.

Pornind de aici, în această ediție a revistei infoCONSTRUCT Magazin, vă propunem spre atenție un studiu de caz care a făcut obiectul cercetării cu titlul ”Development of Innovative Heating and Cooling Systems Using Renewable Energy Sources for Non-Residential Buildings”, concretizată de un grup de ingineri format din Elisa Moretti, Emanuele Bonamente, Cinzia Buratti și Franco Cotana, de la Universitatea din Perugia.

Două sisteme pilot

Două sisteme pilot, cofinanțate de Ministerul Mediului din Italia, au fost create pentru a moderniza sistemele de încălzire și răcire a două clădiri existente pe cea mai mare zonă industrială din Umbria, Italia. Actualizarea a fost concepută special pentru a îmbunătăți eficiența sistemului și pentru a acoperi energia totală necesară cu resurse de energie regenerabilă.

În ambele cazuri, o instalație solară fotovoltaică asigură energia electrică necesară. Primul sistem are o pompă de căldură geotermală cu un aspect inovator: un rezervor de apă de stocare a căldurii, îngropat chiar sub nivelul solului, care permite o reducere semnificativă a dimensiunii unității geotermale, necesitând astfel mai puține foraje (până la 60% – 70%).

În celălalt sistem, un cazan de biomasă a fost cuplat cu un aparat de răcire cu absorbție, care controlează temperatura aerului interior atât vara cât și iarna. În acest caz, se obține un consum mai mic de energie electrică, în comparație cu un răcitor electric cu compresie. Sunt prezentate primele rezultate ale monitorizării răcirii de vară și se oferă o evaluare a performanței celor două sisteme pilot.

Caracteristica clădirilor nerezidențiale

Clădirile nerezidențiale se caracterizează prin consumuri medii ridicate de energie, atât pentru sistemele de încălzire și răcire, cât și pentru aparatele electrice. În medie, mixul electric este dominat de combustibili fosili, provocând emisii semnificative de gaze cu efect de seră. Epuizarea rezervelor de combustibili fosili și obiectivul presant pentru reducerea emisiilor de CO2 împinge comunitatea internațională să caute alternative valide la resursele convenționale fosile.

Politicile energetice la nivel mondial încurajează, atât economiile de energie din soluțiile pasive, cât și exploatarea energiilor regenerabile (energie solară și eoliană, geotermică, biomasă și biocombustibili și tehnologii cu celule de combustibil).

Comunitatea Europeană promovează în mod specific tranziția către clădiri cu energie aproape nulă, caracterizată prin performanțe energetice ridicate și exploatarea energiei regenerabile.

În sectorul comercial, clădirile de birouri și de vânzare cu amănuntul sunt cele asociate consumurilor cele mai mari, care se întind în intervalul 200-300 kW h / m2 pe an.

O fracțiune majoră (aproximativ 40% –50%) din consumul de energie se datorează utilizării încălzirii, ventilației și aerului condiționat (HVAC). Este clar că orice optimizare a performanțelor sistemelor de încălzire și răcire ar putea produce beneficii relevante pentru mediu.

Caracteristica pieței

În prezent, piața sistemelor de încălzire și răcire pentru clădirile comerciale este dominată de unități mici divizate cu o capacitate de răcire cuprinsă între 2 kW și 6 kW, care sunt disponibile la prețuri foarte mici.

Cu toate acestea, sistemele necesită o cantitate uriașă de energie primară, crescând impactul asupra mediului și producând probleme severe de supraîncărcare a rețelei. În acest context, unitățile de climatizare alternative, care funcționează cu energii regenerabile, reprezintă o soluție promițătoare.

Resursele locale de biomasă, în special, au un potențial atractiv, deoarece sunt substanțial neutre în ceea ce privește emisiile de CO2, generează emisii de NOx și SO2 mult mai mici decât cele ale combustibililor fosili și sunt disponibile la prețuri competitive în multe zone. În plus, în unele situații, pompele de căldură geotermale sunt, de asemenea, o tehnologie promițătoare pentru sistemele de încălzire și răcire din clădiri.

În acest context, Centrul de cercetare a biomasei (CRB) al Universității din Perugia, Italia, în colaborare cu municipalitatea din Perugia și un consorțiu local de companii meșteșugărești și de fabricație (Consorzio Le Fratte), a proiectat și a implementat două unități pilot de încălzire și sisteme de răcire pentru clădiri comerciale care găzduiesc birouri și comercianți cu amănuntul.

Amestecul energiilor regenerabile

Dimensiunea și aspectul celor două sisteme reprezintă un caz reprezentativ pentru viitoarele modernizări, în urma acestui studiu de caz, atât pentru clădiri rezidențiale, cât și nerezidențiale.

Cele două sisteme au fost înființate cu scopul de a moderniza clădirile existente anterior, situate pe cea mai importantă zonă comercială sau industrială din Umbria, situată în centrul Italiei, alimentându-le cu sisteme de încălzire și răcire de înaltă eficiență, utilizând un amestec de energii regenerabile.

În primul caz, o pompă de căldură geotermală folosește solul ca sursă de căldură / chiuvetă pentru a asigura încălzirea și răcirea spațiului. Avantajele energetice și de mediu ale acestei soluții în comparație cu aerul condiționat convențional sunt discutate în literatura de specialitate.

În lucrare este propus un aspect inovator pentru a crește eficiența și a reduce costurile de instalare, fiind inclus un rezervor de apă de stocare a căldurii de o dimensiune adecvată, îngropat chiar sub nivelul solului, furnizând căldura independent de partea geotermală și cea a pompei de căldură.

Cel de-al doilea sistem prototip prezintă un cazan de așchii din lemn / pelete cuplat cu o mașină de răcire cu absorbție. Multe aplicații ale aerului condiționat prin absorbție au fost cercetate, în principal referite la exploatarea energiei solare, mai degrabă decât la biomasă.

În ambele cazuri, centralele solare fotovoltaice de pe acoperiș furnizează energia electrică. Performanța celor două sisteme pilot este monitorizată cu un sistem personalizat de achiziție de date, iar primele rezultate ale monitorizării răcirii de vară sunt prezentate în această lucrare, pentru a evalua indicatorii cheie de performanță și beneficiile în comparație cu sistemele convenționale.

Zona investigată și clădirile selectate

Zona țintă, Sant’Andrea delle Fratte, este cel mai important domeniu comercial și industrial din Umbria, în centrul Italiei. Este situat la periferia orașului Perugia și găzduiește în prezent aproximativ 600 de companii comerciale, industriale, de fabricație și servicii. Zona are un consum ridicat de energie, cu aproximativ 28 GW h de energie electrică necesară pe an (date din 2020).

Pe baza unui sondaj, un număr mare de companii (aproximativ 40%) au un consum de energie electrică între 10.000 și 50.000 kW h/an. Metanul este combustibilul cel mai frecvent utilizat pentru încălzire (61%), iar răcirea este asigurată de unități mici divizate cu o capacitate de răcire de la 2 kW la 6 kW.

Clădirile care urmau să fie supuse procesului de renovare au fost atent selectate în funcție de interesul proprietarilor pentru utilizarea energiei regenerabile și de caracteristicile clădirii. Au fost selectate două clădiri:

– Clădirea nr.1 este condiționată de un volum total de 360 ​​m3, folosit ca birouri, ateliere și toalete. Starea ante-operam a fost caracterizată de pompe de căldură mono-divizate aer-aer, care au necesitat aproximativ 14.000 kW h de energie electrică din rețea;

– Clădirea nr.2 este constituită din diferite zone condiționate: o sală de expoziții (318 m2), două birouri (respectiv 24 m2 și 43 m2), toalete (12 m2), un dealer (24 m2) și un atelier mecanic (aproximativ 158 m2, 7 m înălțime). Clădirea are o zonă mare de ferestre pe sala de expoziții (aproximativ 206 m2), cu expunere la sud-est.

Înainte de renovare, pompele de căldură mono-divizate aer-aer erau folosite pentru răcire în unele zone, în timp ce un cazan cu metan cu ventiloconvectoare și radiatoare asigura încălzirea.

În acest caz, sistemul a fost subdimensionat, în special vara, provocând temperaturi mai mari de 30 C în zilele cele mai fierbinți, cu condiții evident incomode pentru ocupanți. Mai mult, atelierul mecanicului nu avea deloc un sistem de răcire.

Calculul necesităților de încălzire și răcire

Proprietățile anvelopei (suprafețe opace și transparente) ale ambelor clădiri au fost caracterizate prin campanii experimentale. Sarcinile de încălzire și răcire au fost estimate în stare de echilibru utilizând pachetul software TerMus. Rezultatele au fost utilizate pentru proiectarea noilor sisteme de încălzire și răcire, în funcție de cererea maximă de putere.

Pentru amplasament a fost aleasă o temperatură externă egală cu -2 C pentru iarnă și cu 32 C pentru vară. Concomitent, s-a presupus un program adecvat de încălzire/răcire și ocuparea oamenilor.

Cerințele energetice maxime pentru clădirea nr. 1 sunt de 19 kW pentru încălzirea de iarnă și de 12 kW pentru răcirea de vară, datorită proprietăților de izolație a izolației în mod rezonabil satisfăcătoare și a zonei transparente limitate. Pentru a doua clădire, puterea maximă este de aproximativ 60 kW iarna și 65 kW vara, datorită suprafeței mai mari condiționate și a ferestrelor mari cu geamuri unice.

A fost efectuată o simulare dinamică pentru clădirea nr.1 folosind pachetul software Energy Plus pentru a obține profiluri orare și pentru a estima necesarul maxim de energie zilnică. Se găsește maximum 100 kW h pentru încălzire și 70 kW h pentru răcire. Simulările au fost necesare pentru dimensionarea corectă a sistemului geotermic inovator.

Utilizarea căldurii geotermale

Prima instalație are o pompă de căldură geotermală, utilizată pentru a transfera eficient căldura de la sol la clădire. În sistemele geotermale apă-apă, energia termică este extrasă de la sol, de obicei, prin bucle verticale închise, procesate de pompa de căldură și distribuite clădirii, folosind un amestec de apă și propilen glicol ca purtător.

Pompele de căldură de la sol sunt deja utilizate pe scară largă pentru deservirea clădirilor rezidențiale și comerciale, în special în SUA, Europa și Asia, datorită potențialului lor mare de economisire a energiei în clădirea aerului condiționat și a reducerii emisiilor de CO2.

În prezent, această tehnologie nu este încă utilizată pe scară largă în Italia, în special în zonele din centru și sud, în principal din cauza costurilor inițiale ridicate (forarea forajului, aproximativ 40-55 €/m în Italia).

În această aplicație, este propus un aspect inovator. Pompele de căldură geotermale convenționale utilizează transferul direct de căldură între unitatea internă și sol, având loc în același timp în care clădirea necesită încălzire sau răcire, în funcție de orele de vară și în conformitate cu programele regulate de utilizare a sistemelor de încălzire și răcire.

Resursa geotermală este, prin urmare, exploatată la capacitatea sa maximă doar pentru o perioadă scurtă de timp, chiar și în zilele cele mai reci și mai calde; cu toate acestea, dimensionarea forajului se efectuează pentru a acoperi necesarul maxim de putere.

O posibilă optimizare a câmpului geotermal ar putea fi obținută introducând o volantă termică care decuplează unitatea de la sol de la pompa de căldură. În aspectul inovator, pompa de căldură nu este conectată direct la foraje, ci schimbă căldura cu un rezervor subteran, umplut cu apă.

Utilizarea biomasei

În a doua instalație, un cazan, cuplat la o mașină de absorbție, asigură atât încălzire, cât și răcire, utilizând biomasă locală pe bază de lemn. Comparată cu combustibilii fosili, biomasa prezintă o serie de avantaje: conținut scăzut de sulf și azot, generând emisii mult mai mici de NOx și SO2 decât cele ale combustibililor fosili convenționali; conținutul de cenușă este foarte scăzut (conținut de cenușă etc.), este disponibil la un cost redus, mai ales în timpul verii.

Prin urmare, căldura produsă utilizând biomasă ar putea fi utilizată în mod convenabil pentru răcirea cu ajutorul unei mașini de absorbție. Frigiderele cu absorbție cu gaz, kerosen sau electric au fost investigate teoretic și experimental în literatură, de asemenea pentru aplicații de trigenerare și sunt utilizate pe scară largă atât cu surse convenționale de căldură, cât și cu energie solară termică. Abordarea inovatoare propusă aici este producția de căldură pentru absorbția din diferite resurse regenerabile, cum ar fi biomasa.

Implementarea sistemului

Pompa de căldură geotermală (GHP), a fost prevăzută cu un rezervor de stocare a căldurii pentru clădirea nr. 1. Tot acolo, o instalație policristalină fotovoltaică de 40 kWp a fost instalată pe acoperiș și furnizează energie pentru a acoperi pompa de căldură și alte necesități de aparate electrice. O pompă de căldură apă-apă (HP) Elco Aquatop T17CH (Elco Italia S.p.A, Resana, Treviso, Italia), a fost aleasă pentru a furniza energie de încălzire și răcire.

Unitatea transferă căldura către și din încăperile condiționate prin intermediul a două fluide: un amestec de apă și propilen glicol pe partea geotermală, apă pe partea clădirii. Având în vedere condițiile proiectului, ar putea fi estimat un coeficient nominal de performanță (COP) de 4,0 și un raport de eficiență energetică nominală (EER) de 5,3.

Încălzirea și răcirea spațiului utilizează ventiloconvectoare. Pentru a fi în siguranță, dimensionarea forajelor geotermale (GT) a fost efectuată pentru a asigura necesarul maxim de putere, fără a lua în considerare efectul rezervorului de stocare a căldurii: conform rezultatelor testului de răspuns la sol (extracția măsurată a puterii) capacitate egală cu 46,5 W/m), au fost forate trei foraje de 120 m lungime.

Acest aspect inovator cu rezervor de stocare a căldurii a fost conceput pe baza unei abordări a echilibrului energetic mai degrabă decât a abordării convenționale cu cererea de energie, în care câmpul geotermic este dimensionat pentru a furniza puterea termică maximă cerută de pompa de căldură. Abordarea echilibrului energetic necesită în schimb unitatea geotermală să furnizeze energia necesară numai pe parcursul unui ciclu de 24 de ore.

Dimensionarea rezervorului

Dimensionarea rezervorului de stocare a căldurii a fost efectuată cu o simulare a echilibrului energetic, luând în considerare programul tipic de încălzire pentru cele mai reci zile. Rezultatele simulării au arătat că un rezervor de 12 m3 (2,5 m înălțime), îngropat la 0,5 m sub nivelul solului, reprezintă un compromis bun și îndeplinește atât cerințele de încălzire, cât și de răcire.

Transferul de căldură între fluidul de foraj geotermal și apa din rezervor este asigurat de un schimbător de căldură cu plăci cilindrice de dimensiuni corespunzătoare, în timp ce un al doilea schimbător de căldură cilindric este utilizat pentru a transfera căldura între rezervor și pompa de căldură. Ambele aceste două circuite închise sunt umplute cu un amestec de apă (82%) și propilen glicol (18%), protejând sistemul de îngheț.

Sistemul pilot este instalat într-o clădire comercială aflată în prezent în activitate, prin urmare, a fost inclusă o conductă specială pentru a ocoli rezervorul și pentru a trece la configurația standard. Această abordare ar putea permite, de asemenea, o comparație directă cu performanța unui aspect geotermic convențional pentru aceeași aplicație.

infoconstruct