ANALISI TEORICA E SPERIMENTALE DI SISTEMI SOLARI PER LA CLIMATIZZAZIONE E LA PRODUZIONE DI ACQUA CALDA SANITARIA DI EDIFICI RESIDENZIALI

The aim of this work is the analysis of the application of solar thermal systems for combining heating, cooling and hot water production. The most important topic of this work is therefore the use of renewable solar energy for the reduction of energy use in civil buildings. The use of solar radiation to produce electrical energy has not been investigated in this context. In particular, measurements of the effciency of solar thermal system installed in a residential dwelling in Treviso and results of solar cooling system simulations coupled with radiant systems are presented. The first part of the thesis presents the current status of the solar thermal market in Europe and in the World, and expected trends for the future. The first case study regards the energy efficiency of a residential building with solar thermal system for heating and domestic hot water production. Afterwords a dynamic model of the building and the system was developed in the software TRNSYS, in order to evaluate the performance of the system depending on with different parameters, such as collector area and tank volume. The second part of the thesis regards solar cooling systems equipped with absorption machines. This part starts with a short introduction of the absorption technology. Then, the results of a study for a patent prototype system are summed up. This system is a “Plug&Play” machine for residential and office buildings. In the frame of this study the design of each part of the system has been carried out by the use of dynamic models, by applying simulations to the proposed system, in a typical dwelling. This model describes the application of the proposed system both in a residetial building and in a office building. Different types of radiant system are used for checking the indoor comfort and for evaluating the best solution as terminal unit. The last part of this thesis is based on the previous study. At first the design of a thermal chamber for a company producing radiant ceilings was developed. This chamber will be used to measure the performance of cooling radiant systems and for didactic purposes. After that, a case study consisting in solar collectors, coupled with an absoption chiller applied to a radiant ceiling has been investigated. This case evaluates the energy provided for heating, cooling and domestic hot water production for a residential dwelling. The results of the simulations are presented for four different climatic zones.Il presente lavoro verifica l’applicazione dell’energia solare termica ai fini della climatizzazione combinata alla produzione di acqua calda sanitaria nel settore civile al fine di ridurne i consumi energetici. In particolare è stata analizzata una serie di studi derivanti da misure in opera delle prestazioni di funzionamento di un impianto solare termico installato in un’abitazione residenziale nella provincia di Treviso e da simulazioni dinamiche del sistema edificio–impianto sia per il riscaldamento che per il raffrescamento. L’obiettivo principale è verificare, o comunque prevedere, quali siano i margini di risparmio ottenibili dallo sfruttamento della tecnologia appositamente creata per l’utilizzo della radiazione solare solamente da punto di vista termico in sistemi attivi. In tale contesto infatti non verrà trattato l’aspetto relativo alla produzione elettrica fotovoltaica, che assieme ai sistemi solari termici ha avuto una grande diffusione soprattutto negli ultimi anni grazie ad incentivi di natura pubblica. Nella prima parte del lavoro si analizza quale sia lo stato attuale del mercato del solare termico nei vari Paesi europei e del mondo e quali siano le prospettive future, dal momento che l’energia solare diventerà parte integrante di tutti i sistemi energetici sia su piccola che su grande scala. Sulla base di queste considerazioni si riportano i risultati prestazionali di alcuni casi di studio. Un primo studio ha riguardato l’analisi di un sistema solare a servizio di un edificio residenziale. La prima parte dello studio ha riguardato il monitoraggio in opera per circa un anno di tutte le grandezze utili ai fini della valutazione energetica. Successivamente è stato sviluppato un modello di simulazione dinamica del sistema edificio–impianto mediante il codice di calcolo dinamico TRNSYS. La seconda parte del lavoro prosegue con la trattazione di sistemi solari dedicati al raffrescamento estivo, conosciuti anche come sistemi di solar cooling. A tal riguardo, dopo una breve descrizione delle macchine frigorifere ad assorbimento, si riporta lo studio effettuato in collaborazione con un’azienda per lo sviluppo di un prototipo di macchina solare di tipo “Plug&Play”, basata su un brevetto depositato, da utilizzarsi nell’edilizia sia residenziale che del settore terziario. In particolare sono stati affrontati problemi di natura tecnica legati ad alcune limitazioni che il prototipo ha presentato e sono stati dimensionati i componenti principali del sistema. Nonostante in questa prima fase il lavoro sia stato di natura progettuale, è stato richiesto l’ausilio di simulazioni dinamiche per poter effettuare alcuni dimensionamenti e scelte. L’ultima parte di questo progetto è dedicata alla creazione di un modello dinamico complessivo del sistema considerando utenze di tipo sia residenziale che terziario. Mediante tale modello sono state effettuate delle simulazioni accoppiando la macchina a diverse tipologie di sistemi radianti. La parte conclusiva ha riguardato un altro caso di studio sul solar cooling, differente da quello precedente; tale lavoro ha avuto come primo obiettivo lo studio di una camera termica da installare all’interno di un’azienda al fine di testare i sistemi radianti di propria produzione. Successivamente si sono effettuate delle simulazioni analizzando una tipologia di sistema radiante a soffitto accoppiato ad un sistema di solar cooling. A differenza del lavoro precedente, in questo caso sono stati valutati i fabbisogni energetici legati al riscaldamento, al raffrescamento e alla produzione di acqua calda sanitaria per quattro zone climatiche