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ESEMPI DI IMPIANTI TERMICI SOLARI

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LAVORI SVOLTI DALLA DITTA STAES S.R.L. DI ROMA vai al sito

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UN IMPIANTO DI GRANDE TAGLIA PER IL RISCALDAMENTO DELL'ACQUA CALDA SANITARIA: IL CARCERE DI REBIBBIA

La sede per la realizzazione del primo progetto pilota nell'ambito del programma nazionale di solarizzazione per le carceri è stata individuata nel penitenziario maschile di Rebibbia, a Roma.

Il programma è definito da un protocollo d'intesa tra il Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e il Ministero di Giustizia che prevede l'installazione di 5.000 mq di impianti solari termici per la produzione di calore a bassa temperatura in particolare produzione di acqua calda sanitaria, riscaldamento/raffrescamento degli ambienti.

L'impianto solare è installato sul tetto del reparto G11 e soddisfa un'utenza composta da 400 detenuti e 27 docce. Prima dell'avvio del programma di solarizzazione, una parte del vapore prodotto dalla centrale termica del penitenziario (alimentata a gas metano) veniva convogliata, alla pressione di 6 bar, nella sottocentrale del reparto G11 dove, per mezzo di un sistema di serpentine inserite in due bollitori da 1000 lt ciascuno, riscaldava l'acqua sanitaria richiesta dall'utenza.

L'impianto di Rebibbia

L'impianto di Rebibbia, inaugurato il primo Ottobre 2002, è a circolazione forzata e prevede due circuiti idraulici separati. Il trasferimento dell'energia termica dal circuito primario al secondario viene realizzato tramite uno scambiatore di calore a piastre in controcorrente. L'impianto è stato progettato e installato dalla ditta STAES di Roma, che ha vinto la gara d'appalto, in collaborazione con il CIRPS – Università di Roma “ La Sapienza ” e gli stessi detenuti.

I principali dati progettuali in base ai quali è stato dimensionato l'impianto sono:

1. acqua calda sanitaria necessaria: 20.000 kg/giorno;
2. temperatura di acqua fredda di rete: circa 10 °C ;
3. temperatura dell'acqua calda sanitaria: 48 °C ;
4. energia utile: 760.000 kcal/giorno = 3182,1 MJ/giorno;

Il circuito primario

Il campo solare è formato da 96 collettori aventi una superficie lorda di 2,77 m² ( 2,62 m² netti), per un totale di 266 m² lordi e 251 m² netti captanti (fig. 1). Si tratta di collettori solari piani Chromagen CR-120, con piastra captante in tubi di rame e lastra in rame saldata ad ultrasuoni con trattamento selettivo e copertura in vetro temperato semiriflettente.

Il campo si divide in 4 circuiti paralleli comprendente ciascuno 4 schiere (fig. 2); ogni schiera è formata da 2 stringhe collegate in serie e composte, ognuna, da 3 collettori disposti in parallelo. Le schiere, a loro volta, sono collegate in serie a coppie e connesse in tal modo ai circuiti di mandata e ritorno del fluido termovettore.

Ogni schiera consente un salto termico di 10°C , la connessione in serie di 2 schiere permette quindi di raggiungere la differenza di temperatura tra mandata e ritorno di 20°C proposta in fase progettuale.

I collettori solari sono installati con un'inclinazione di 30° rispetto al piano orizzontale e orientati a sud. Per evitare che una schiera di collettori possa ombreggiare la schiera adiacente, le file sono state posizionate con distanza minima sul piano orizzontale pari a circa 2,5 metri , calcolata con rapporto altezza/ombra pari a 2 e con riferimento alla posizione del sole alle ore 9 e alle ore 15 del giorno 21 dicembre.

La distribuzione del fluido termovettore nelle varie schiere è realizzata tramite uno schema a mandata inversa, così da equilibrare, in maniera efficace, il flusso in ogni zona del circuito. Per una regolazione fine è stato previsto un organo particolare, la valvola “jenkins”, disposta sulla tubazione di mandata che giunge dal locale caldaia, consentendo una prima grande regolazione del volume di fluido. All'ingresso di ogni coppia di schiere, inoltre, la presenza di valvole a saracinesca permette di avere una portata praticamente uniforme in ogni zona del circuito.

Per ogni schiera di collettori sono state montate 2 valvole jolly, in modo da permettere la fuoriuscita dell'aria al momento del caricamento.

Per evitare i danni connessi ad un incremento eccessivo e anomalo della pressione, si è installata nel circuito una valvola di sicurezza, con taratura di 6 bar che, in caso di necessità, provvede a scaricare all'esterno il fluido.

La circolazione del fluido è garantita dalla presenza di una pompa a due velocità, modello Salmson SXM, con prestazioni ampiamente sufficienti a garantire la portata (6,2 m³/h) e la prevalenza 4 mH 2 O definite in fase progettuale.

Per consentire la dilatazione termica del fluido termovettore, senza compromettere il circuito idraulico, sono stati installati (a monte della pompa di circolazione) due vasi di espansione a membrana, della capacità di 25 litri cadauno (fig. 4).

Tenendo conto delle temperature minime che si raggiungono a Roma, è stato scelto come fluido termovettore una miscela di acqua e glicole etilenico, nella proporzione del 20% in volume di glicole puro inibito e dell' 80% di acqua. Una miscela così composta permette di evitare la formazione di ghiaccio fino ad una temperatura di –10°C. Il fluido circola in un circuito chiuso alla pressione di circa 1,5 bar nella zona dei collettori, a differenza della porzione posta nella centrale termica, dove la pressione è di circa 3 bar, essendo il dislivello fra locali caldaia e copertura pari a 15 metri .

Per evitare che la percentuale di glicole nel fluido termovettore scenda al di sotto di quella progettata, è stato collocato nella centrale un serbatoio di accumulo con capacità di 25 litri . Si tratta di un vaso di espansione a membrana modificato, in cui è stato eliminato il gas di precompressione ma mantenuta la membrana di separazione, che realizza così due camere, in equilibrio di pressione fra loro: una contenente acqua proveniente dalla rete dell'acquedotto (parte bassa), alla pressione di circa 3 bar; l'altra (parte alta) contenente la miscela di acqua e glicole e collegata al circuito primario.

In caso di fuoriuscita di miscela, a causa di qualche perdita nel circuito primario e che ivi comporta una diminuzione di pressione, la massa d'acqua della camera inferiore “spinge” nel circuito una certa quantità di miscela, finché non si raggiunge nuovamente l'equilibrio.

Una spia di allarme posto sul quadro di controllo entra in funzione nel caso in cui la riserva di fluido si esaurisce.

Il circuito secondario

L'elemento che realizza il trasferimento dell'energia termica dal circuito primario al secondario è lo scambiatore di calore, del tipo a piastre, installato nei locali caldaia (fig. 4).

Il fluido termovettore del circuito primario entra a 60°C ed esce a 40°C , mentre l'acqua calda sanitaria del circuito secondario entra a 15°C ed esce a 55°C .

Lo scambiatore è stato dimensionato ed assemblato ad hoc dalla ditta costruttrice, tenendo conto delle condizioni operative dei circuiti primario e secondario, in base cioè all'energia termica da trasmettere, alle temperature di ingresso e uscita dei fluidi, alle portate, e quindi perdite di carico, in gioco.

L'acqua sanitaria proveniente dall'acquedotto viene convogliata nel sistema di accumulo, costituito da quattro serbatoi da 2,5 m³ (diametro cm 110 e altezza cm 280) cadauno, per un totale di 10 m³ (fig. 3). Il volume d'accumulo è sottodimensionato rispetto a quello inizialmente progettato, l'accesso al locale caldaia non avrebbe permesso, infatti, l'utilizzo dei serbatoi più capienti presenti sul mercato.

I boiler sono di tipo verticale, in acciaio, idonei per acqua potabile, con trattamento interno anticorrosivo (termoflonatura) e rivestiti a un mantello isolante in schiuma poliuretanica.

Ogni serbatoio è corredato da due vasi di espansione, la cui presenza non sarebbe strettamente necessaria, a differenza del primario, in quanto il prelievo di ACS, da parte dell'utenza, costituisce uno sfogo automatico sia per la pressione che per la massa d'acqua. I dispositivi sono stati comunque previsti in modo da mantenere sotto controllo aumenti eccessivi di pressione in assenza di prelievo (equivalenza ad un circuito chiuso), in particolare nel periodo estivo, ove si raggiungono i valori massimi di temperatura. Ogni serbatoio è dotato di una valvola di sicurezza tarata a 6 bar e una valvola di non ritorno garantisce l'unidirezionalità del flusso tra i serbatoi posti in serie.

I serbatoi sono poi interconnessi fra loro a due a due, S1-S2 e S3-S4, in modo da effettuare il riscaldamento dell'ACS in sequenza di due accumuli alla volta. Il sistema di accumulo prevede, inoltre, un circuito di by-pass che consente di isolare un serbatoio (p.es.: per effettuare lavori di manutenzione o sostituzione) senza dover bloccare l'impianto.

Allo scopo di garantire la circolazione della portata d'acqua necessaria allo scambio termico, anche nel secondario è presente una pompa (modello Salmson CXL) che garantisce la portata di progetto (3,2 m³/h).

Il funzionamento dell'impianto

La gestione automatica dell'impianto (fig. 4) è affidata ad una centralina elettronica CS collegata a sensori di temperatura e pressione disposti in punti particolari di entrambi i circuiti.

Quando la differenza di temperatura tra il fluido termovettore in uscita dal campo di collettori solari (sonda SC) e l'acqua contenuta nella parte bassa del serbatoio S1 (sonda SB1) è maggiore di 5°C , la centralina comanda l'accensione delle pompe P1 e P2 dei circuiti primario e secondario, permettendo il trasferimento di calore dal fluido termovettore all'acqua calda sanitaria attraverso lo scambiatore a piastre.

L'ACS, riscaldata nello scambiatore a piastre in controcorrente, alimenta i quattro serbatoi disposti in serie; quando la temperatura nel serbatoio S1 è superiore a 45°C la centralina CS apre le valvole VD1 e VD2 consentendo il flusso dell'acqua calda nei serbatoi S3 ed S4 a condizione che la differenza di temperatura tra il fluido termovettore in uscita dal campo di collettori solari (sonda SC) e l'acqua contenuta nella parte bassa del serbatoio S3 (sonda SB2) sia pari almeno a 5°C .

L'impianto solare può alimentare direttamente l'acqua delle docce oppure funzionare come preriscaldamento dell'impianto a vapore preesistente. Quando la temperatura nel serbatoio S1 è maggiore di 45°C , la centralina comanda la valvola motorizzata deviatrice VD3 escludendo il funzionamento dell'impianto a vapore; se, invece, la temperatura nel serbatoio S1 è inferiore a 45°C l'impianto solare funziona preriscaldando l'acqua in ingresso all'impianto integrativo. A valle del punto d'integrazione è presenta una valvola miscelatrice che assicura all'utenza la stabilità della temperatura di erogazione voluta.

Il sistema di monitoraggio

Per ciò che concerne il monitoraggio del sistema, sono stati previsti ed installati tre contabilizzatori di energia termica con lancia-impulsi.

Il primo contabilizzatore misura l'energia totale immessa nella rete idraulica delle docce dopo l'integrazione da caldaia; la seconda apparecchiatura, misura l'energia immessa nella rete idraulica dall'impianto solare. Il terzo contabilizzatore, montato sul circuito primario solare, misura l'energia captata dall'impianto solare e trasmessa al fluido termovettore, al lordo delle dispersioni dello scambiatore di calore e dei serbatoi di accumulo.

Le informazioni così ottenute dai contabilizzatori vengono fornite a integratori elettronici di energia che le elaborano e le visualizzano su display; è così possibile avere informazioni precise, in un dato istante e per ciascun circuito , sui MWh termici prodotti, sul volume di fluido trattato e sui valori della temperatura nei punti monitorati tramite i contabilizzatori .

In particolare, per il circuito primario vengono monitorate le temperature di ingresso del fluido allo scambiatore e di ritorno dello stesso ai collettori in copertura; per il secondario la temperatura dell'acqua nei serbatoi in corrispondenza alla mandata verso l'utenza e quella dell'acqua di rete, mentre per l'impianto tradizionale i valori corrispondenti alla mandata alle docce e all'ingresso nei serbatoi integrativi dell'acqua proveniente dall'impianto solare in modalità preriscaldamento. Tramite i suddetti valori di temperatura ed il volume di fluido misurato in un certo intervallo di tempo, si calcola l'energia termica prodotta.

In fig. 5 sono indicati alcuni dei valori monitorati nell'anno intercorrente tra Aprile 2004 e Marzo 2005. L'impianto in questo periodo ha prodotto 145 MWh termici equivalenti fornendo alle docce 4,15 milioni di litri di acqua calda a 40°C , nonostante ci siano stati periodi di interruzione della fornitura a causa di una mancata o non corretta manutenzione.

Conclusioni

Il costo complessivo dell'impianto (comprensivo della formazione dei detenuti) è stato di circa 118.800 euro. Se consideriamo che, in condizioni di funzionamento normale, l'impianto produce 221.263 kWh/anno e che il costo del metano per questo tipo di utenza è di circa 0,068 €/kWh, il risparmio annuo in termini economici è di poco più di 15.000 euro. Questi valori comportano un tempo di ritorno economico dell'investimento (nell'ipotesi in cui tale investimento non venga attualizzato) pari a meno di 8 anni.

I benefici ambientali dovuti alla minore emissione di CO 2 si calcolano considerando che le emissioni medie per il metano di 0.21 kg di CO 2 per kWh, le emissioni evitate ogni anno ammontano a più di 46 tonnellate di CO 2 equivalente.

I vantaggi dal punto di vista economico e ambientale sono evidenti, ma il punto di forza di questo progetto è il valore sociale. Alcuni detenuti, infatti, hanno seguito un corso di formazione e hanno partecipato all'installazione dell'impianto, acquisendo in questo modo una nuova professionalità spendibile al momento della fine della detenzione.

Per le informazioni e le immagini fornite riguardo all'impianto qui descritto ed al suo funzionamento, si ringrazia l'ingegner Carlo Arganini della STAES SRL.

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Ultimo aggiornamento: Sabato Gennaio 5, 2008 12:40

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