La transizione energetica in atto prevede una sempre più accentuata penetrazione dei sistemi di produzione di energia da fonti rinnovabili non programmabili, come ad esempio quella fotovoltaica ed eolica. Per gestire al meglio questa evoluzione, è di importanza cruciale poter accumulare l’energia prodotta da tali sistemi, in modo da disaccoppiare la produzione di energia, non programmabile appunto, dal suo utilizzo finale. Tra le varie tipologie di sistemi, quelli di accumulo termico rappresentano una via matura ed affidabile, dal costo contenuto, ed impiegabile su tutte le scale.
Cosa sono gli Accumuli Termici?
Gli accumuli termici sono dispositivi progettati per immagazzinare e rilasciare energia termica in modo efficiente. Questi sistemi consentono di sfruttare al massimo l'energia termica generata da fonti rinnovabili come il sole o altre fonti di calore. In sostanza, gli accumuli termici fungono da "serbatoi" di calore, consentendo di immagazzinare l'energia quando è disponibile e di utilizzarla quando è necessario, garantendo un approvvigionamento continuo e affidabile.
La radiazione solare non è sempre disponibile e raramente può essere sfruttata nello stesso momento in cui si ha necessità di calore. Di conseguenza il calore solare deve essere immagazzinato dagli accumuli termici.
L’ideale sarebbe poter conservare energia solare su base stagionale, accumularla d’estate e utilizzarla in inverno, quando la domanda termica è maggiore. In alcuni paesi del centro-nord Europa (dalla Svizzera alla Germania, fino alla Svezia) da anni esistono esempi di abitazioni a basso consumo energetico dotate di sistemi solari con superfici di collettori estese e accumuli termici molto grandi.
Come requisito minimo, i serbatoi d’accumulo di calore derivante da energia solare dovrebbero contenere almeno la quantità d’acqua sufficiente a coprire il fabbisogno di un paio di giorni, per far fronte alle variazioni di intensità della radiazione solare dovute a eventi meteorologici di breve durata.
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I serbatoi di accumuli termici si differenziano per il loro utilizzo, che può essere per il solo uso di acqua sanitaria, per il riscaldamento degli ambienti, come anche per quanti e quali tipi di fonti energetiche possono essere collegate ad essi.
Negli accumuli termici possono essere collegati dei sensori che rilevano le temperature raggiunte dall’acqua contenuta all’interno del serbatoio d’accumulo costituiscono parte fondamentale del sistema di controllo e regolazione del funzionamento dell’impianto.
Configurazioni con Accumuli Termici Diretti (accumulo inerziale)
Un'applicazione ricorrente riguarda gli impianti destinati al riscaldamento degli ambienti, di media-grossa taglia, in cui l'acqua calda prodotta dal generatore di calore, invece di essere direttamente distribuita ai terminali scaldanti, viene raccolta in un serbatoio d'accumulo (accumulo inerziale), dove resta a disposizione per le periodiche richieste di riscaldamento degli ambienti: il serbatoio in questo caso svolge appunto la funzione di "volano termico", attenuatore delle fluttuazioni di richiesta di calore dell'utenza termica.
Con questa soluzione si riducono i cicli "attacca-stacca" della fonte energetica, prolungandone la vita utile di esercizio e riducendo i consumi (e di emissioni a questi associate).
La Stratificazione del Calore
La connessione idraulica dell'impianto di riscaldamento è guidata dal principio della stratificazione del calore, che implica una maggiore concentrazione di calore nella parte superiore. In altre parole, l'accumulo di calore inizia nella parte superiore del serbatoio, diffondendosi gradualmente verso il basso.
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I punti di prelievo per le utenze sono posizionati nella parte più alta dell’accumulo, in quanto è presente la temperatura più alta.
I collegamenti delle fonti energetiche che portano energia nell’accumulo sono invece posizionati nella parte inferiore, punto più freddo del bollitore e quindi la porzione dove si ha il maggior scambio di calore.
Come Funzionano gli Accumuli Termici?
Il funzionamento degli accumuli termici è basato sul principio di accumulare e rilasciare calore attraverso componenti di scambio specifici. Durante la fase di carica, l'accumulatore termico assorbe l'energia termica disponibile, facendo sì che l’acqua contenuta al suo interno aumenti la sua temperatura per poi essere utilizzata per soddisfare le utenze.
Fasi di Funzionamento
Gli accumulatori termici sono dispositivi progettati per accumulare calore in modo efficiente. Il loro funzionamento è suddivisibile in diverse fasi:
- Fase di Carica: Durante questa fase, l'accumulatore riceve l'energia termica proveniente da una fonte esterna, come da un pannello solare o da un’altra fonte energetica. In questo processo il calore viene quindi ceduto all’acqua contenuta in esso.
- Fase di Immagazzinamento: L'energia termica viene ceduta all’acqua contenuta nell’accumulo, che grazie al suo isolamento consente di conservare il calore il più a lungo possibile.
- Fase di Utilizzo: Ogni volta in cui sia richiesto l’utilizzo di acqua calda, questa viene fornita dall’accumulo termico direttamente all’utenza, sia che si tratti di acqua sanitaria o di riscaldamento ambienti.
Come Dimensionare gli Accumuli Termici?
La corretta dimensione degli accumuli termici è essenziale per garantire un'efficienza ottimale del sistema. Questo processo coinvolge diversi fattori, tra cui la potenza termica richiesta, le fonti di calore da abbinare, la tipologia e la quantità di utenze da soddisfare e l'efficienza complessiva del sistema.
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Sistemi di Accumulo Termico: Cosa sono?
Un sistema di accumulo di energia termica è un insieme di dispositivi e componenti progettati per immagazzinare e utilizzare energia termica in modo efficiente. Questi sistemi sono fondamentali per ottimizzare l'utilizzo delle fonti di energia termica, consentendo di far fronte alle fluttuazioni di disponibilità delle risorse e di garantire un approvvigionamento continuo. I componenti principali di un sistema di accumulo termico includono serbatoi termici, fonti di produzione e sistemi di controllo.
Principio di Funzionamento
Gli accumuli termici sfruttano il principio fondamentale di immagazzinare l'energia termica quando è disponibile e rilasciarla quando necessario.
Esploriamo ora il concetto di accumuli termici, analizzandone la definizione, l'utilità, il processo di ottenimento e i benefici associati. Gli accumuli termici si configurano come serbatoi, accuratamente isolato e con diverse configurazioni in base all'uso previsto.
All'interno del serbatoio è presente acqua comune, che può essere destinata ad uso sanitario o per il riscaldamento degli ambienti.
Per riscaldare l’acqua contenuta negli accumuli termici possono essere impiegate diverse fonti energetiche a seconda dell’impianto che si desidera realizzare. La fonte principale e soprattutto senza alcun costo per riscaldare un accumulo termico è l’energia solare, catturata grazie ai pannelli solari termici, i quali catturano e cedono calore durante tutte le ore di luce. Un impianto che sfrutta l’energia solare riduce l’utilizzo di fonti energetiche a combustibili fossili, riflettendo così un notevole risparmio in bolletta.
I principali vantaggi di accumulare acqua calda in un bollitore sono due: in primo luogo, si ottiene energia termica distribuita uniformemente nell'arco della giornata; in secondo luogo, si ha una potenza termica immediata superiore rispetto ai generatori tradizionali per il riscaldamento dell'acqua. Oltre al solare termico, per generare questo calore "gratuito" e accumularlo per utilizzi successivi, si può utilizzare una pompa di calore abbinata a un impianto fotovoltaico.
Componenti di un Accumulatore di Calore
L'accumulatore termico immagazzina energia termica prodotta in eccesso da un generatore termico e può essere utilizzato dall'impianto in un secondo momento quando serve.
L'accumulatore di calore è solitamente costituito da un serbatoio termico ben isolato, in cui l'energia termica viene accumulata sotto forma di calore sensibile (cioè la temperatura del materiale di accumulo aumenta).
L'accumulatore di calore é costituito da un cilindro in acciaio con un diametro di 8,5 m ed un’altezza di 32 m. È ancorato e appoggia su un basamento di conglomerato cementizio.
L’isolamento avviene mediante una coibentazione in lana di roccia di 40 cm di spessore e protezione in lamiera di alluminio esterna. La più comune sostanza utilizzata in impiantistica per accumulare energia termica è l'acqua. Durante il carico dell’accumulatore l’acqua calda viene introdotta sulla parte alta dell’accumulatore e scaricata acqua fredda in basso.
La fase di scarico avviene in modo contrario. Nell’accumulatore stesso si formano dei strati di temperatura differenti, che si spostano verso l’alto o verso il basso in seguito alla quantità stoccata. Per evitare turbolenze all’ingresso e uscita dell’acqua sono previsti degli ugelli che riducono la velocità dell’acqua stessa.
Inoltre l’accumulatore ha la funzione di risultare da vaso di espansione della rete di teleriscaldamento. Per evitare che nella zona al di sopra del livello dell’acqua si depositi dell’ossigeno e quindi si formi della ruggine sul serbatoio, viene introdotto del vapore e quindi formato un cuscino di vapore di pressione costante.
Materiali per l'Accumulo Termico
In un’ottica di transizione ecologica e di indipendenza energetica, sapere cos’è l’accumulo termico e come applicarlo in modo corretto rappresenta un passo fondamentale. Il funzionamento di un sistema di accumulo termico dipende in gran parte dai materiali impiegati. Il materiale più semplice e diffuso è l’acqua, usata in serbatoi coibentati che fungono da riserva di calore. Un’altra soluzione sempre più diffusa, soprattutto in impianti ad alta efficienza, è rappresentata dai materiali a cambiamento di fase, noti anche come PCM (Phase Change Materials). Questi materiali sono capaci di assorbire e rilasciare grandi quantità di energia durante il loro passaggio da solido a liquido e viceversa.
Recentemente, si stanno affermando i cosiddetti PCM (Phase Change Materials), che sfruttano il calore latente di fusione/solidificazione e lavorano a temperatura pressoché costante. Il limite di questi materiali è la loro bassa conducibilità termica, che limita la velocità negli scambi di calore, e che si sta cercando di incrementare con additivi ad alta conducibilità, anche su scale nanometriche, oppure con schiume metalliche immerse nel PCM [1]. Esistono svariati tipi di PCM in commercio, sia organici che inorganici, con differenti valori della temperatura di transizione solido-liquido.
Nel settore industriale, ma anche in alcuni progetti avanzati di edilizia sostenibile, si impiegano sali fusi, che riescono a trattenere il calore anche a temperature molto elevate, e masse solide come il cemento o la pietra, capaci di accumulare calore per conduzione e rilasciarlo lentamente.
Applicazioni degli Accumuli Termici
Negli ultimi decenni, i sistemi di accumulo termico hanno suscitato un interesse via via crescente perché consentono sia di disaccoppiare produzione e domanda di energia nei sistemi alimentati da fonte solare, sia di migliorare l'affidabilità e la flessibilità delle reti elettriche. Infatti, attualmente queste sono caratterizzate da forte presenza di impianti di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, non programmabili, come fotovoltaici ed eolici.
L’impiego di sistemi di accumulo termico rende possibile immagazzinare indirettamente energia elettrica adoperando pompe di calore, la cui produzione può essere accumulata e poi utilizzata per produrre energia elettrica tramite motori termici. Questa tecnologia è conosciuta come PTES (Pumped Thermal Energy Storage).
Per quanto riguarda le applicazioni dei sistemi di accumulo termico a bassa temperatura, con la crescente elettrificazione dei sistemi di condizionamento dell'aria, questi sistemi sono sempre più utilizzati nello sviluppo di programmi di gestione del carico elettrico, poiché consentono la gestione del carico di picco mediante lo spostamento del carico elettrico per il condizionamento ambientale, oltreché per migliorare la flessibilità della rete in caso di elevata percentuale di elettricità da rinnovabili.
In letteratura vi sono innumerevoli applicazioni di questo tipo per livellare o shiftare il carico elettrico di sistemi di condizionamento ambientale, che coinvolgono anche pompe di calore elettriche reversibili, in cui l’accumulo di energia termica consente lo spostamento totale o parziale della domanda elettrica dalle ore di picco a quelle cosiddette off-peak, come le ore notturne, con riduzione dei costi operativi e delle apparecchiature per effetto del maggior funzionamento a pieno carico.
Un’altra applicazione riguarda la produzione di acqua calda sanitaria con i cosiddetti Night Storage Heaters (NSH), utilizzati per ottenere benefici economici nel caso in cui è incentivato il consumo di energia elettrica durante le ore notturne. Altre applicazioni riguardano lo sfruttamento di sistemi poli-generativi (CHP, CCHP) per il condizionamento ambientale [2]. Tali sistemi permettono di incrementare l’efficienza di conversione dei carburanti tradizionali, riducendo i consumi e l’impatto delle emissioni inquinanti.
Molte applicazioni riguardano i sistemi di accumulo del freddo (CTES-Cold Thermal Energy Storage) accoppiati a sistemi elettrici per il condizionamento ambientale estivo [3]. Sono molti gli autori che hanno analizzato il peak shaving dei carichi elettrici grazie all’ausilio dei CTES, soprattutto mediante l’utilizzo di materiali a cambiamento d fase (PCM).
Vantaggi degli Accumuli Termici
Investire in un sistema di accumulo termico è una scelta strategica che non si percepisce nell’immediato, ma che produce benefici tangibili nel tempo. Si riducono i consumi, si abbassano le bollette e si migliora la qualità dell’abitare, senza rinunciare al comfort.
Accrescere la quota di autoconsumo grazie allutilizzo di pompe di calore significa non solo valorizzare il proprio sistema fotovoltaico ma anche accrescere il proprio grado dindipendenza energetica rispettando lambiente.
Accumulo termico e Pompe di calore
Spesso questo problema è risolto localmente vincolando le temperature o i tassi di carica e scarica. Lobiettivo che ci si è posti è stato quello della gestione ottima di queste energie, al fine di limitare al massimo gli sprechi e all'applicazione di tecniche di supervisione capaci di limitare gli assorbimenti in determinate fasce orarie.
Una pompa di calore con accumulo permette di avere una riserva di acqua calda sanitaria sempre a disposizione. Una pompa di calore idronica provvede sia al riscaldamento che alla produzione di acqua calda sanitaria (ACS). Quando si decide di installare questo generatore, però, è necessario prevedere anche un serbatoio di accumulo destinato all’ACS e il motivo è semplice: solo una pompa di calore con accumulo può garantire la disponibilità di acqua calda, perché la pompa di calore non è in grado da sola di produrre acqua calda istantaneamente come fanno, invece, le caldaie a gas chiamate appunto “istantanee”.
Considerazioni sull'Installazione
La presenza del serbatoio di accumulo è il motivo principale per cui una pompa di calore occupa più spazio all’interno della casa, rispetto a una caldaia: le sue dimensioni, infatti, sono simili a quelle di un frigorifero pesante anche più di 300 Kg. Oltre a un locale dedicato con spazio sufficiente, quindi, è necessario che il solaio sia strutturato per reggere quel peso (per saperne di più trovi un approfondimento su Installazione pompa di calore: posizione, spazi e condizioni).
Tipologie di Accumuli
Come dicevamo, diversamente dagli accumuli per l’acqua tecnica dell’impianto di riscaldamento, chiamati generalmente “puffer”, quelli per l’acqua calda sanitaria ACS (bollitori o boiler) contengono acqua potabile che è costantemente reintegrata dall’acquedotto. Sono costituiti da un contenitore coibentato riempito con acqua che viene riscaldata da uno scambiatore di calore presente all’interno del serbato stesso.
L’acqua tecnica sarà sempre a una temperatura superiore rispetto a quella dell’ACS e questa differenza viene chiamata “salto termico”. Sul mercato esistono anche puffer "combinati", che consentono di produrre anche acqua sanitaria, ovviamente separata dall'acqua tecnica.
Calcolo della Potenza Termica
Quando si vuole installare una nuova caldaia o pompa di calore (anche ibrida), il primo passo è calcolare la potenza termica necessaria. Il parametro principale da considerare è il numero di persone presenti nell’abitazione che fanno uso dell’acqua calda. Il valore dei 50 litri a persona non è però rigido e potrebbe rivelarsi insufficiente in alcuni casi.
Temperatura dell'Acqua Sanitaria
Normalmente la temperatura dell’acqua sanitaria dovrebbe essere attorno ai 40°C, limite al disopra del quale l’acqua può risultare troppo calda al contatto con la pelle. In alcuni casi, però, l’aumento della temperatura dell’acqua può rivelarsi utile: portando la temperatura dell’ACS a 50-55 °C, ad esempio, è possibile sfruttare un accumulo leggermente più piccolo, perché l’acqua all’uscita dal bollitore viene miscelata con quella fredda e di fatto la riserva di ACS viene diluita, consentendo di sfruttare più litri di quelli effettivamente a disposizione nel serbatoio.
Accumulo del Freddo
Figura 1. La diffusione degli accumuli di freddo è iniziata negli Stati Uniti per limitare i forti picchi estivi nella domanda di energia elettrica legati alla capillare diffusione del condizionamento degli edifici. Anche in Italia l’evoluzione dei consumi ha spostato nella stagione calda le criticità del sistema elettrico e le ore di punta delle fasce orarie.
Negli USA molti impianti di accumulo del freddo sono incentivati da programmi di Demand Side Management e alcuni addirittura telecontrollati dai produttori-distributori di energia elettrica. La situazione sovra esposta è stata valida sino al 2008-2010, periodo in cui, la diffusione del fotovoltaico ha fatto cadere le tariffe di picco estive anche se in maniera non ancora formalizzata in tariffe ufficiali.
Tipologie di accumulo del freddo
- acqua: si sfrutta il calore sensibile, è più utilizzata per i retrofit poiché la temperatura (di solito 5°-7°C) è prossima a quella degli impianti tradizionali; si possono utilizzare serbatoi già esistenti (antincendio), ma la capacità di accumulo è piuttosto bassa (4.860 kJ/m3K, con DT tipici di 5-10°K) e va ancora diminuita del 20-30% per tener conto della stratificazione.
- ghiaccio: si sfrutta il calore sensibile e quello latente, ha maggiore capacità di accumulo (calore latente circa 300 MJ/m3 da sommare al calore sensibile dell’acqua, dipendente dal DT. A seconda del sistema utilizzato può cambiare fase una parte più o meno grande del volume della vasca). Tutto l’impianto deve essere progettato per T inferiori: minori dimensioni e costi di pompe, ventilatori, e sistema di distribuzione.
- ghiaccio che si forma sulle serpentine nel serbatoio (in questo caso per prelevare il freddo si può scambiare calore con l’acqua della vasca o facendo passare un fluido all’interno della stessa serpentina su cui il ghiaccio si è formato).
- materiali a cambiamento di fase (Phase Chang Materials): come per il ghiaccio, si sfrutta il calore di fusione. Variando, in fase di fornitura, la composizione del materiale si può variare la T di fusione. La soluzione, che cambia fase, è contenuta in palline di materiale plastico.
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