Padroneggiare l'accumulo termico: la chiave per un riscaldamento solare efficiente dell'acqua

Accumulo termico in un sistema di riscaldamento solare dell'acqua

In un sistema di riscaldamento solare dell'acqua, un serbatoio di accumulo dell'acqua, a volte chiamato anche serbatoio di accumulo termico, viene utilizzato per immagazzinare il calore generato dai collettori solari. L'utilizzo di liquidi (in particolare acqua) per l'accumulo termico è il metodo di accumulo termico più maturo, tecnicamente valido e ampiamente utilizzato. È generalmente auspicabile che il liquido abbia non solo un elevato calore specifico, ma anche un alto punto di ebollizione e una bassa pressione di vapore. Il primo serve a evitare il cambiamento di fase (allo stato gassoso), mentre il secondo serve a ridurre la pressione sul serbatoio di accumulo termico. Tra i liquidi di accumulo termico a bassa temperatura, l'acqua offre le migliori prestazioni ed è quindi il più comunemente utilizzato.

Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo dell'acqua come mezzo di accumulo termico

Vantaggi

① Le sue proprietà fisiche, chimiche e termiche sono molto stabili, è ben compreso e la sua tecnologia applicativa è matura.

② Può fungere sia da mezzo di accumulo termico che da mezzo di trasferimento del calore, eliminando la necessità di scambiatori di calore nei sistemi di accumulo termico.

③ Ha eccellenti proprietà di trasferimento del calore e di fluidità. Tra i liquidi comunemente utilizzati, ha la più alta capacità termica specifica, il più basso coefficiente di dilatazione termica e una bassa viscosità, il che lo rende adatto sia alla circolazione naturale che a quella forzata.

④ La relazione temperatura-pressione all'equilibrio liquido-gas è molto stabile, il che la rende adatta ai collettori solari piani.

⑤ È ampiamente disponibile e poco costoso.

Svantaggi

① Essendo una sostanza elettroliticamente corrosiva, l'ossigeno prodotto corrode facilmente i metalli. È anche un solvente per la maggior parte dei gas (in particolare l'ossigeno), il che lo rende suscettibile alla corrosione di contenitori e tubazioni.

② Durante la solidificazione (congelamento), il suo volume aumenta notevolmente (fino a circa il 10%), il che può danneggiare contenitori e tubi.

3 A temperature superiori a quelle moderate (oltre 100 °C), la sua pressione di vapore aumenta esponenzialmente con l'aumentare della temperatura dell'acqua. Pertanto, quando si utilizza l'acqua per l'accumulo di calore, sia la temperatura che la pressione non devono superare il punto critico (373,0 °C, 2,2×10 Pa). Ad esempio, il costo dell'accumulo di calore a 300 °C è 2,75 volte superiore rispetto a quello a 200 °C.

Quando si utilizza l'acqua come mezzo di accumulo di calore, i contenitori per l'accumulo di calore possono essere realizzati in una varietà di materiali, tra cui acciaio inossidabile, smalto, plastica, lega di alluminio, rame, ferro, cemento armato e legno. Le forme possono variare da cilindriche, a parallelepipedi, a sferiche. Tuttavia, è necessario valutare attentamente la resistenza alla corrosione e la durata dei materiali utilizzati. Ad esempio, quando si scelgono cemento e legno come materiali per i contenitori per l'accumulo di calore, è necessario considerare la loro dilatazione termica per evitare crepe e perdite dovute all'uso a lungo termine.

Un serbatoio di accumulo per l'acqua calda è un dispositivo in grado di immagazzinare sia calore che freddo. È stato sviluppato come componente nei sistemi di fornitura di acqua calda, riscaldamento e aria condizionata agli edifici. La sua funzione principale è quella di compensare lo squilibrio tra consumo energetico e consumo di energia, migliorando così l'efficienza termica del sistema e soddisfacendo il carico termico richiesto.

I serbatoi di accumulo dell'acqua calda possono essere classificati in diverse tipologie in base alle caratteristiche di rilascio del calore (flusso di estrusione completo, flusso di miscelazione completo e flusso di miscelazione parziale), allo stato di pressione (aperto o chiuso), al numero di serbatoi (singoli o multipli), al metodo di installazione (verticale o longitudinale, orizzontale o trasversale), ai materiali strutturali e all'uso previsto. Di seguito si concentrano le prime due tipologie.

Caratteristiche di rilascio del calore del serbatoio di accumulo dell'acqua calda

In base alle caratteristiche di rilascio del calore (o alle caratteristiche di miscelazione all'interno del serbatoio), i serbatoi di accumulo di acqua calda possono essere classificati in tre tipologie: flusso di estrusione completo, flusso di miscelazione completo e flusso di miscelazione parziale. Se υ rappresenta la velocità del flusso d'acqua, L rappresenta la lunghezza del serbatoio d'acqua ed E rappresenta il coefficiente di diffusione della miscelazione, le tre categorie sopra menzionate possono essere classificate in base al grado di miscelazione della temperatura dell'acqua nel serbatoio o al valore della caratteristica di miscelazione M=υL/(2E).

(1) Flusso di estrusione completo

Noto anche come flusso a pistone, il flusso nel serbatoio dell'acqua è completamente a pistone e presenta due aree di acqua calda e fredda. L'interfaccia tra le due è molto chiara, indicando che non c'è quasi nessuna miscelazione. In questo momento, si può considerare che E→0 o M→∞. Quando il serbatoio di accumulo dell'acqua calda rilascia calore (si raffredda), l'acqua fluisce dal basso (dall'alto) e tutto il calore può essere utilizzato. Questo è uno stato ideale, come mostrato nella Figura 2-11. Supponiamo che ci siano 100 litri di acqua calda con una temperatura di 80 °C nel serbatoio di accumulo dell'acqua calda, quindi acqua fredda a 20 °C viene lentamente iniettata dall'ingresso inferiore A e tutta l'acqua che esce dall'uscita B è acqua calda a 80 °C. Ma non appena la quantità d'acqua che esce supera i 100 litri, la temperatura dell'acqua scende immediatamente a 20 °C.

(2) Flusso completamente miscelato

La temperatura nel serbatoio dell'acqua è completamente uniforme, a indicare che la miscelazione è molto accurata. In questo caso, si può considerare E→∞ o M→0. In circostanze normali, questo può essere ottenuto solo installando un potente miscelatore nel serbatoio di accumulo dell'acqua calda e iniettando lentamente acqua fredda sotto agitazione. Inizialmente, la temperatura dell'acqua che esce dall'uscita B è di 80 °C. Poi, con il passare del tempo, la temperatura dell'acqua diminuisce secondo una funzione esponenziale. Quando il flusso d'acqua in uscita raggiunge appena 100 L, la temperatura dell'acqua è scesa a circa 80 × e≈29,3 °C.

(3) Flusso parzialmente miscelato

Noto anche come flusso stratificato a temperatura, indica che la distribuzione della temperatura nel serbatoio dell'acqua non è uniforme e si verifica una stratificazione. In questo caso, il valore E può essere considerato finito, ovvero pari a 0.

Lo stato di pressione del serbatoio di accumulo dell'acqua calda

A seconda dello stato di pressione del serbatoio di accumulo dell'acqua calda, questo può essere suddiviso in due categorie: aperto e chiuso. A pressione atmosferica normale, la forma dello spazio da occupare dipende dalla situazione effettiva.

(1) Tipo aperto

Poiché il serbatoio dell'acqua è esposto all'atmosfera, è soggetto a una pressione inferiore, ma è facilmente corrodibile dagli acidi. Poiché l'ossigeno è facilmente solubile in acqua, è richiesta un'elevata resistenza alla corrosione del contenitore. Inoltre, anche la prevalenza richiesta dal sistema deve essere elevata. Viene generalmente utilizzato nei grandi impianti solari.

(2) Tipo chiuso

Poiché il serbatoio dell'acqua è pieno d'acqua, è consigliabile installare un vaso di espansione sulla parte superiore per evitare di danneggiare l'accumulo termico. I suoi vantaggi sono la semplicità del sistema di tubazioni, la ridotta prevalenza della pompa dell'acqua richiesta e il minor consumo energetico della pompa di circolazione; gli svantaggi sono la pressione statica relativamente elevata, l'elevata resistenza alla pressione richiesta per l'accumulo termico e l'elevato costo dell'attrezzatura per il contenitore resistente alla pressione. Viene generalmente utilizzato in piccoli impianti solari.

Nelle applicazioni reali, il sistema di fornitura di acqua calda sanitaria dell'edificio e il serbatoio di accumulo termico sul tetto (utilizzato in combinazione con il sistema di acqua calda sanitaria a circolazione naturale) sono per lo più di tipo aperto; inoltre, l'utilizzo dello spazio della trave di fondazione come serbatoio di accumulo termico e l'utilizzo di un serbatoio di accumulo termico separato in calcestruzzo sono anch'essi di tipo aperto. Al contrario, quando la temperatura di esercizio del sistema supera i 100 °C, il serbatoio di accumulo termico deve essere chiuso, a meno che non venga utilizzato uno speciale fluido termovettore. Inoltre, i serbatoi di accumulo termico negli impianti di acqua calda sanitaria a circolazione forzata montati a terra sono generalmente chiusi.

I serbatoi di accumulo dell'acqua calda di tipo aperto sono spesso realizzati in acciaio zincato, acciaio inossidabile e fibra di vetro, mentre i tipi chiusi sono spesso realizzati in smalto, acciaio inossidabile e fibra di vetro.

I serbatoi di accumulo per l'acqua calda hanno spesso una forma cilindrica. In primo luogo, sono facili da produrre e sigillare, il che li rende economici. In secondo luogo, offrono una migliore dissipazione del calore e riducono al minimo le zone morte. In terzo luogo, offrono una migliore resistenza alla pressione (a pressione interna costante, la tensione che agisce sulla parete del cilindro è proporzionale al suo raggio).

Caratteristiche termodinamiche dei serbatoi di accumulo di calore

(1) Parametri principali delle caratteristiche termodinamiche

① La dimensione dell'area dell'acqua morta nel serbatoio di accumulo del calore;

② La dimensione del valore caratteristico di miscelazione M è determinata dal grado di miscelazione dell'acqua a diverse temperature nel serbatoio di accumulo termico;

③ Il gradiente di temperatura all'interno del materiale di accumulo del calore;

④ La capacità termica dello scambiatore di calore;

⑤ La capacità termica del sistema di tubazioni collegato al serbatoio di accumulo termico;

⑥ La capacità termica dell'accumulatore di calore stesso e dell'ambiente circostante a contatto con esso (applicabile agli accumulatori di calore interrati).

Per gli accumulatori di calore che utilizzano l'acqua come mezzo di accumulo del calore, poiché non è necessario uno scambiatore di calore, i due punti precedenti ③ e ④ possono essere ignorati.

(2) Fattori che influenzano le caratteristiche termodinamiche

① Lo stato di miscelazione del fluido nel serbatoio dell'acqua - Nell'uso effettivo dei serbatoi di accumulo di calore, la linea di flusso dell'acqua può formare una forma di flusso a pistone non completa, che non solo non riesce ad immagazzinare completamente il calore, ma fa anche sì che il calore immagazzinato non possa essere completamente utilizzato.

② Struttura del serbatoio dell'acqua e volume dell'acqua circolante: si riferisce principalmente al numero e alla configurazione dei deflettori all'interno del serbatoio, al numero, al diametro e alla posizione dei tubi di collegamento, nonché alla forma del serbatoio e al volume dell'acqua circolante.

3. Perdita e guadagno di calore: poiché il serbatoio dell'acqua stesso ha una superficie protettiva, la perdita e il guadagno di calore sono inevitabili. Per i serbatoi di accumulo di calore a breve termine progettati per mitigare i picchi transitori di domanda di calore, interrarli e isolarli può effettivamente avere un impatto negativo sulla loro dinamica termica. Questo perché il terreno, con la sua capacità termica, può anche svolgere una certa funzione nell'immagazzinare calore.

④ Temperature di accumulo e prelievo del calore: la temperatura di accumulo si riferisce alla temperatura media dell'acqua all'interno del serbatoio al termine dell'accumulo; la temperatura di prelievo del calore si riferisce alla temperatura dell'acqua in uscita al momento del prelievo del calore dal serbatoio. La piena utilizzabilità del calore e la durata operativa del serbatoio di accumulo sono strettamente correlate al modo in cui vengono misurate queste due temperature.

Risposta transitoria dei serbatoi di accumulo di calore

Quando si utilizza un serbatoio di accumulo termico, la fluttuazione della temperatura dell'acqua in uscita è fondamentale per determinare il carico termico. Teoricamente, la relazione funzionale tra la temperatura di ingresso e quella di uscita (comunemente note come temperature di ingresso e di uscita) può essere ricavata calcolando la distribuzione della temperatura dell'acqua all'interno del serbatoio. Tuttavia, ciò richiede la risoluzione dell'equazione di continuità tridimensionale, dell'equazione di conservazione della quantità di moto e dell'equazione di conservazione dell'energia, un processo complesso che richiede un lungo programma di calcolo.

Nella progettazione pratica, non è necessario comprendere direttamente la distribuzione della temperatura dell'acqua all'interno del serbatoio. È invece sufficiente conoscere la variazione temporale della temperatura in ingresso e dell'apporto termico, ed essere in grado di calcolare la variazione temporale della temperatura in uscita. Attualmente, il metodo più comunemente utilizzato è il "metodo della risposta transitoria", che tratta l'intero serbatoio come un unico sistema. Se si assume una relazione lineare tra ingresso e uscita (che può essere approssimativamente ipotizzata quando le temperature dell'acqua in ingresso e in uscita sono simili), la variazione della temperatura in uscita può essere calcolata per qualsiasi variazione della temperatura in ingresso utilizzando un integrale di convoluzione.

In sintesi, l'utilizzo di serbatoi di accumulo termico come dispositivi di accumulo termico su piccola scala e a breve termine per sistemi di acqua calda sanitaria, riscaldamento e condizionamento dell'aria svolge un ruolo importante nell'utilizzo del solare termico e ha trovato una vasta gamma di applicazioni pratiche. Se è necessario un accumulo termico su larga scala e a lungo termine per più stagioni, negli ultimi due o tre decenni alcuni Paesi hanno iniziato a studiare le falde acquifere sotterranee come efficace misura di accumulo termico e di risparmio energetico.