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Sistema di riscaldamento basato su collettori solari e pompe di calore, per un edificio amministrativo di una miniera di carbone di 24.000 m² di superficie.
Sistema di riscaldamento basato su collettori solari e pompe di calore, per un edificio amministrativo di una miniera di carbone di 24.000 m² di superficie.
Come un sistema termico solare a doppia fonte abbia sostituito il riscaldamento elettrico a Yulin, nella provincia dello Shaanxi: un risparmio annuo di 300.000 kWh, con un periodo di ammortamento di 4 anni. Analisi ingegneristica per acquirenti B2B che valutano soluzioni di riscaldamento su larga scala per scopi commerciali.
Un sistema di riscaldamento basato su un collettore solare e una pompa di calore ha sostituito il tradizionale riscaldamento elettrico in un edificio per uffici di una miniera di carbone di 24.000 metri quadrati, situato a Yulin, nella provincia dello Shaanxi, in Cina. Entrato in funzione nel 2021, questo sistema garantisce temperature interne stabili anche durante i rigidi inverni, permettendo di risparmiare annualmente 300.000 kWh di elettricità; inoltre, il recupero dell’intero investimento è avvenuto entro quattro anni. Questo caso di studio analizza nel dettaglio la progettazione tecnica, l’approccio ingegneristico adatto ai climi freddi e i risultati effettivamente ottenuti, fornendo informazioni utili per i clienti B2B che valutano sistemi simili per edifici industriali o commerciali di grandi dimensioni.
Perché le impianti di estrazione del carbone hanno bisogno di alternative al riscaldamento a energia solare
Le operazioni di estrazione del carbone nel nord della Cina si trovano di fronte a una specifica contraddizione legata all’uso del carbone per il riscaldamento. Queste strutture si trovano infatti in zone ricche di risorse di combustibili fossili, ma la combustione del carbone a scopo di riscaldamento è sempre più regolamentata dalle politiche nazionali di decarbonizzazione. Il riscaldamento a resistenza elettrica risolve localmente il problema delle emissioni, ma comporta costi operativi elevati, soprattutto per gli edifici di superficie superiore ai 10.000 m², nelle regioni dove la stagione invernale dura 4–5 mesi e le temperature esterne scendono regolarmente sotto i -15°C.
La regione di Yulin, nella provincia dello Shaanxi, rappresenta in modo evidente questa sfida. Essendo una delle principali regioni cinesi produttrici di carbone, le imprese locali sono sotto pressione per dimostrare di rispettare le normative ambientali, mantenendo al contempo la continuità delle proprie attività operative. I tradizionali impianti a carbone stanno venendo progressivamente sostituiti. Il riscaldamento alimentato esclusivamente da elettricità, sebbene pulito al momento dell’uso, comporta costi energetici che aumentano in modo lineare in base alla superficie dell’edificio; in climi freddi, tali costi possono superare ciò che molti operatori industriali considerano accettabile.
Ciò apre concrete possibilità per i sistemi termici solari abbinati a pompe di calore: un approccio che sfrutta appieno la radiazione solare durante le ore di luce, utilizzando al contempo la tecnologia delle pompe di calore per colmare le lacune nei periodi nuvolosi e di notte. La domanda tecnica principale riguarda la capacità di tali sistemi di fornire un calore affidabile su larga scala, soprattutto in edifici di superficie superiore ai 20.000 m² e in climi caratterizzati da temperature negative fino a -20°C.
Ambito del progetto: Edificio per uffici di 24.000 m² a Yulin, Shaanxi
Il sito del progetto è un complesso amministrativo di una miniera di carbone situato a Yulin, che comprende aree per uffici, sale riunioni e strutture per il personale, per un totale di 24.000 metri quadrati di superficie coperta. Il sistema è stato messo in funzione nel 2021.
Parametri chiave del sito:La stagione invernale va da metà novembre a metà marzo (circa quattro mesi). Le temperature in inverno raggiungono regolarmente i -15°C fino ai -20°C. L’irradiazione solare nella regione di Yulin è relativamente elevata; nei mesi invernali secchi sono comuni giorni con cielo sereno. L’edificio è utilizzato durante il giorno (per uffici), il che coincide perfettamente con gli orari di massima assorbimento della luce solare.
L’obiettivo del progetto era garantire un riscaldamento efficace in tutta l’area di 24.000 m², mantenendo una temperatura interna compresa tra 18 e 22°C per tutta la stagione invernale, al contempo riducendo significativamente sia il consumo di elettricità che le emissioni di carbonio rispetto al precedente sistema di riscaldamento completamente elettrico.
Progettazione tecnica: Come funziona l’accoppiamento tra la pompa di calore solare e il sistema di riscaldamento.
Il sistema utilizza un’architettura a doppia fonte che combina componenti di qualità industriale.collettori solari a piastra pianaCon le pompe di calore a fonte d’aria. Nessuna di queste tecnologie funziona in modo autonomo: la logica di funzionamento si basa su un’attiva alternanza tra il regime alimentato esclusivamente da fonti solari e quello alimentato esclusivamente dalle pompe di calore, in base alle condizioni reali in tempo reale.
Collettori a piattaforma piatta per sistemi di ingegneria idraulica
L’array di collettori solari utilizza pannelli piatti di grandi dimensioni, progettati appositamente per impianti su scala commerciale. A differenza dei pannelli utilizzati in ambito residenziale, questi collettori presentano aree di assorbimento estese (superiori a 10 m² per unità), canali di flusso interni di tipo “manifold” e una struttura progettata appositamente per resistere alle sollecitazioni causate dal vento tipiche delle pianure settentrionali della Cina.
Per questa applicazione sono stati scelti i collettori a piastra piatta invece dei collettori a tubi evacuati per diversi motivi. In ambienti caratterizzati da forti venti, i collettori a piastra piatta presentano un profilo più stabile e un rischio inferiore di danni meccanici. Il loro design modulare consente configurazioni in serie o in parallelo, il che semplifica l’equilibrio idraulico in grandi sistemi. Inoltre, tollerano bene la parziale ombreggiatura e i cicli termici, senza i rischi di degradazione causati da guasti alle sigillature in vuoto presenti nei collettori a tubi, soprattutto dopo un utilizzo prolungato di oltre 15 anni.
L’array di raccolta riscalda una miscela di glicole e acqua; questa miscela trasferisce l’energia termica a un sistema di accumulo di riserva. Da lì, il calore viene distribuito all’edificio attraverso un circuito idraulico convenzionale.
Scaldasale a fonte d’aria come sistema ausiliario
Le pompe di calore a fonte d’aria forniscono un riscaldamento supplementare quando la raccolta di energia solare non è sufficiente: in condizioni di cielo coperto, nelle prime ore del mattino o durante periodi di freddo estremo. Queste pompe funzionano con un coefficiente di prestazione significativamente superiore a 1,0, il che significa che producono più energia termica di quanta ne consumino in termini di energia elettrica. Anche a una temperatura ambiente di -20°C, le moderne pompe di calore a fonte d’aria commerciali mantengono valori di COP utili (sebbene più bassi rispetto a temperature più miti).
Il vantaggio economico rispetto ai sistemi di riscaldamento elettrico tradizionali è notevole: le pompe di calore consumano infatti circa un quarto o un terzo dell’elettricità necessaria ai sistemi di riscaldamento a resistenza per ottenere lo stesso livello di calore.
Logica di commutazione tra i modi intelligenti
Modalità Cielo Sereno
I collettori solari fungono da principale fonte di calore. L’energia termica raccolta viene utilizzata direttamente o immagazzinata nel serbatoio di accumulo. Le pompe di calore rimangono in standby, riducendo al minimo il consumo di elettricità.
Cielo nuvoloso/parzialmente coperto
Entrambi i sistemi funzionano contemporaneamente: i collettori solari forniscono tutta l’energia disponibile, mentre le pompe di calore integrano la quantità mancante. Questo approccio permette di evitare un eccessivo dimensionamento di uno dei due sistemi.
Freddo estremo / Cielo coperto per lungo tempo
Le pompe di calore svolgono il ruolo principale nel processo di riscaldamento. Prima di tutto viene utilizzato il calore residuo presente nel sistema di accumulo, derivante dalle precedenti raccolte di energia solare; ciò permette di ridurre il tempo di funzionamento delle pompe di calore e di limitare la domanda di elettricità nei momenti di punta.
Motivazioni del progetto
Un sistema solare puro richiederebbe sistemi di stoccaggio poco pratici o impianti enormi. Un sistema basato esclusivamente su pompe di calore comporterebbe costi elettrici eccessivamente elevati nei giorni di cielo sereno. L’approccio combinato, invece, ottimizza le prestazioni in entrambi i casi.
Ingegneria del clima freddo: mantenere il livello di emissione di calore al di sotto dei -20°C
Per garantire prestazioni affidabili a temperature di -20°C sono necessarie scelte ingegneristiche specifiche, che vanno al di là delle pratiche standard nell’ambito della tecnologia termica solare.
Sistema di antifreddante
L’array di raccolta utilizza un fluido di trasferimento di calore a base di glicole e acqua, il cui punto di congelamento è ben al di sotto dei -30°C; questo evita danni ai tubi durante periodi di inattività notturna. Inoltre, la progettazione del sistema minimizza la formazione di zone in cui il fluido possa rimanere stazionario, riducendo così il rischio di congelamento.
Sistemi di pompaggio di calore a rendimento termico basso
Le pompe di calore selezionate per questo progetto sono progettate per funzionare anche a temperature ambientali pari a -25°C. I loro cicli di scongelamento sono studiati appositamente per garantire un funzionamento continuo a temperature inferiori allo zero, senza che ciò influisca negativamente sull’efficienza del sistema.
Isolamento delle tubature
Progettato per affrontare differenze di temperatura estreme tra il fluido caldo (60°C+) e l’aria circostante (-20°C). Le tubazioni con isolamento insufficiente causano perdite di calore significative, il che influisce negativamente sui calcoli relativi alla quota di energia ottenuta dal sistema solare.
Dimensionamento dello spazio di archiviazione buffer
Le dimensioni di questo sistema sono state progettate per compensare la quantità di energia solare raccolta durante il giorno e la domanda di calore che si verifica alla sera. Se le dimensioni sono troppo ridotte, è necessario un’intensa attività della pompa di calore per soddisfare le esigenze di riscaldamento; se invece sono troppo grandi, i costi di investimento aumentano senza che ci sia un beneficio proporzionale.
Risultato misurato:Durante l’intera stagione invernale, le temperature interne sono rimaste comprese nell’intervallo target di 18–22°C, anche nei periodi in cui le temperature esterne scendevano fino a -20°C.
Risultati del progetto misurati dopo l’attuazione
Economia di energia e risparmi sui costi
Il sistema permette di risparmiare 300.000 kWh di elettricità all’anno rispetto alla precedente installazione di riscaldamento completamente elettrica. A prezzi di elettricità commerciali locali, ciò equivale a un risparmio annuo sui costi di funzionamento di circa 250.000 CNY (circa 35.000 USD). Inoltre, il consumo di carbone equivalente diminuisce di circa 100 tonnellate all’anno.
Il risparmio cumulativo sui costi energetici, stimato nel corso dei 15 anni di vita utile del sistema, ammonta a circa 3,75 milioni di CNY (equivalenti a circa 520.000 dollari USA). Il periodo di ammortamento dell’investimento, calcolato in base ai risparmi ottenuti nel primo anno rispetto al costo totale del sistema, è stato di soli quattro anni.
Un periodo di recupero degli investimenti di soli quattro anni è considerato notevole per un sistema di riscaldamento commerciale. A titolo di confronto, molte installazioni solari fotovoltaiche commerciali in mercati favorevoli riescono a recuperare i costi nell’arco di 5–8 anni. La combinazione di un elevato risparmio energetico, di abbondanti risorse solari e dell’effetto di maggiore efficienza fornito dalle pompe di calore ha contribuito a rendere il periodo di recupero degli investimenti relativamente breve nel progetto di Yulin.
Impatto della riduzione delle emissioni di carbonio
Riduzione annuale delle emissioni di anidride carbonica: 644 tonnellate. Questo valore viene calcolato in base al fattore di emissione specifico della rete elettrica dello Shaanxi, e riflette l’intensità effettiva di carbonio generata dall’energia prodotta. A differenza delle caldaie a carbone, questo sistema non produce alcun inquinante atmosferico sul posto: né anidride solforosa, né particolati, né ossidi di azoto. Per le strutture sottoposte a verifiche sul rispetto delle normative ambientali, l’eliminazione di tali emissioni riduce anche i rischi legati alle normative vigenti.
Si sta progettando un sistema di riscaldamento solare per un edificio commerciale o industriale di superficie superiore a 5.000 m²? Richiedete una consulenza preliminare su come dimensionarlo da parte del team tecnico di Soletks.
Richiedi una ConsultazioneCosa possono imparare dagli acquirenti B2B da questo progetto
Questo caso studio fornisce spunti utili per i compratori che valutano sistemi combinati che integrano pompe di calore solare, indipendentemente dal fatto che tali sistemi vengano utilizzati in miniere di carbone, complessi industriali, centri logistici o insediamenti commerciali.
Criteri di selezione dei sistemi per il riscaldamento commerciale su larga scala
L’area edificabile in sé non determina la progettazione del sistema. I fattori decisivi sono: la richiesta di riscaldamento per metro quadrato (che dipende dalla qualità dell’isolamento, dall’orientamento dell’edificio e dagli apporti termici interni), la gravità del clima locale (espressa in gradi-giorno di riscaldamento), la disponibilità delle risorse solari (espressa in kWh/m²/anno sul piano dei collettori), il costo dell’elettricità e il periodo di ammortamento accettabile.
Per i compratori che stanno valutando questa architettura:Per gli edifici con una superficie compresa tra i 10.000 e i 50.000 m², per i quali la stagione di riscaldamento dura da 3 a 5 mesi e le temperature ambientali sono regolarmente inferiori a -10°C, l’architettura basata su collettori solari e pompe di calore tende a risultare più vantaggiosa, in termini di costi complessivi nel corso del ciclo di vita, rispetto alle soluzioni basate esclusivamente su energia elettrica o energia solare – a condizione che le risorse solari siano sufficienti e che sia disponibile un’area adeguata per l’installazione dei collettori.
Chiedete a qualsiasi potenziale fornitore di sistemi di fornire: una simulazione termica che indichi la percentuale di energia solare prevista per ciascun mese, il consumo di elettricità stimato delle pompe di calore in condizioni di utilizzo tipiche, nonché un calcolo dettagliato dei tempi di ammortamento, basato su assunzioni chiaramente specificate.
Valutazione delle capacità tecniche dei fornitori
Il valore di un fornitore in questo tipo di progetto va oltre la semplice vendita dei pannelli solari. Un fornitore affidabile per i sistemi di riscaldamento basati su pompe di calore solare deve essere in grado di fornire:
| Capacità | Cosa chiedere |
|---|---|
| Supporto per la progettazione di sistemi | Dimensionamento dell’array di raccolta, specifiche del serbatoio di accumulo, selezione della pompa di calore, progettazione idraulica |
| Ingegneria adatta alle caratteristiche specifiche del clima | Requisiti legati agli antifreddanti, considerazioni riguardanti la carica eolica, implicazioni del ciclo di scongelamento in base alla vostra ubicazione. |
| Progetti di riferimento | Progetti di dimensioni paragonabili (>10.000 m²) in climi simili |
| Supporto per la messa in funzione | Regolazione iniziale della logica di passaggio tra i diversi modi di funzionamento e della strategia di controllo dello stoccaggio dei dati. |
| Dati relativi alle prestazioni | I risultati ottenuti nel primo anno di utilizzo delle installazioni precedenti vengono utilizzati come riferimento, e non solo le proiezioni basate su modelli matematici. |
Se un fornitore può fornire soltanto informazioni sui prezzi dei pannelli, ma non è in grado di discutere dell’architettura del sistema, la sua offerta risulta incompleta per questa categoria di applicazioni. È quindi consigliabile cercare produttori che comprendano appieno l’intero processo, dalla selezione dei componenti alla messa in funzione del sistema. Per un quadro dettagliato di valutazione delle opportunità di acquisto, consultate la nostra guida.Come scegliere un produttore di sistemi di raccolta per progetti commerciali.
Le capacità ingegneristiche di Soletks per i progetti di riscaldamento solare commerciale
Shandong Soletks Solar Technology Co., Ltd. ha fornito i servizi di progettazione necessari.Collettori a piattaforma pianaUtilizzati in questo progetto della miniera di carbone di Yulin, i raccoglitori di grandi dimensioni della serie EFPC sono stati scelti per il loro design che favorisce il flusso del gas, per la loro idoneità strutturale ad ambienti caratterizzati da forti venti e per le loro elevate caratteristiche di efficienza termica.
Collettori piani per impianti di riscaldamento della serie EFPC
Progettato per sistemi di riscaldamento centralizzato su larga scala, sistemi di distribuzione dell’energia e impianti per la produzione di acqua calda a uso commerciale, in cui la velocità di installazione e l’area coperta per unità influenzano direttamente la redditività del progetto.
Soletks ha implementato sistemi simili in diversi progetti su larga scala in Cina, tra cui un impianto di riscaldamento solare centralizzato con una superficie di 107.000 m² a Shigatse, nel Tibet – uno dei progetti di riscaldamento solare situati a maggior altitudine al mondo – e un progetto di riscaldamento scolastico a Tianjin che utilizza la configurazione TPV Pro + pompa di calore di Soletks.
Per i clienti internazionali operanti nel settore B2B, Soletks opera come produttore diretto con sede a Dezhou, nella provincia dello Shandong. Disponde di capacità ingegneristiche e produttive sufficienti a soddisfare le esigenze dei clienti che richiedono prodotti su misura o soluzioni personalizzate, nonché di servizi di consulenza specifica per ciascun progetto. L’azienda possiede le certificazioni Solar Keymark, nonché le certificazioni dei sistemi di gestione ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001. Scoprite tutte le informazioni disponibili su Soletks.Collettore solare termico per uso commercialeIntervallo di valori per i dati specifici di ogni modello.
Domande frequenti
Un sistema costituito da un collettore solare e una pompa di calore è davvero in grado di riscaldare un edificio di 24.000 m² per tutta la durata dell’inverno?
Sì – ma il sistema deve essere progettato correttamente in base alle caratteristiche climatiche specifiche e alle esigenze dell’edificio. Il progetto di Yulin dimostra che, con un’adeguata superficie dei collettori solari, un sistema di accumulo termico delle dimensioni giuste e delle pompe di calore di qualità commerciale adatte al funzionamento in condizioni di temperatura inferiore allo zero, il sistema è in grado di mantenere temperature interne comprese tra 18 e 22°C anche quando all’esterno regna una temperatura di -20°C. La chiave del successo risiede nell’architettura a doppia fonte di riscaldamento: i collettori solari coprono una parte significativa delle esigenze di riscaldamento nei giorni soleggiati, mentre le pompe di calore garantiscono continuità nel funzionamento durante i periodi nuvolosi e in condizioni di freddo estremo.
Qual è il periodo di ammortamento realistico per questo tipo di sistema di riscaldamento solare commerciale?
Il progetto Yulin ha raggiunto il punto di pareggio finanziario in soli quattro anni: un tempo considerevolmente rapido per i progetti legati all’utilizzo della tecnologia solare termica a scopo commerciale. Il periodo necessario per ottenere il pareggio finanziario dipende dal prezzo dell’elettricità locale, dalla qualità delle risorse solari, dal livello di isolamento termico degli edifici e dalla durata della stagione invernale. Nei climi freddi, dove i costi dell’elettricità superano i 0,6 CNY/kWh e l’irradiazione solare invernale è elevata, un periodo di recupero finanziario di 4–6 anni è considerato realistico. Nelle regioni con costi dell’elettricità più bassi o stagioni invernali più brevi, questo periodo può estendersi fino a 6–8 anni.
Perché sono stati scelti i collettori a piattaforma piuttosto che quelli a tubi evacuati?
I collettori a piattaforma presentano vantaggi in ambienti caratterizzati da forti venti: minore resistenza al vento, ridotto rischio di danni meccanici e manutenzione più semplice. Il loro design permette un bilanciamento idraulico semplice anche in grandi impianti. I collettori a tubi evacuati consentono di raggiungere temperature più elevate per unità di superficie, ma sono più soggetti a deterioramento delle guarnizioni nel corso di un ciclo di vita di oltre 15 anni e richiedono un’installazione più attenta in zone ventose. Per maggiori dettagli, consultare il nostro documento…Confronto tra la piastra piatta e il tubo evacuato.
Quanto lavoro di manutenzione richiede un sistema che combina una pompa a calore solare?
La manutenzione di routine prevede controlli annuali della concentrazione di glicole, ispezioni visive dei vetri dei collettori e dell’isolamento dei tubi, pulizia dei filtri delle pompe di calore e verifica del sistema di controllo. Il design modulare consente di isolare e riparare singole unità dei collettori senza dover interrompere l’intero sistema, il che rappresenta un notevole vantaggio rispetto alle caldaie a carbone, che richiedono interruzioni più lunghe per le manutenzioni.
Questo design di sistema è applicabile anche al di fuori della Cina?
I principi ingegneristici sono completamente trasferibili. I sistemi che combinano pompe di calore solari sono già in uso nel nord Europa, in Canada e in altre regioni a clima freddo. I modelli specifici di collettori, le specifiche delle pompe di calore e la logica di controllo vengono adattati ai dati climatici locali e ai codici edilizi. Soletks fornisce attrezzature a livello internazionale e offre consulenza ingegneristica per progetti in Europa, Medio Oriente e altri mercati B2B.
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