Waste heat recovery for greenhouses literature review/it

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Modellazione energetica e analisi di fattibilità tecnico-economica delle serre per la coltivazione di pomodori utilizzando il calore di scarto dei minatori di criptovalute

1. Introduzione

Considerando la crescente tendenza al consumo di energia dovuta alla crescita della popolazione mondiale e alle conseguenze ambientali negative del consumo di combustibili fossili, i settori industriale e agricolo sono costretti a ridurre le loro emissioni di gas serra (GHG) migliorando al contempo l'efficienza dei loro siti. A questo proposito, oltre ai progressi tecnologici in atto nelle aree di produzione e ingegneria di processo, il recupero del calore di scarto dai processi di conversione dell'energia è una strategia promettente per raggiungere l'obiettivo sopra menzionato (Jouhara et al., 2018) ^{[ 1 ]} . Per mettere l'importanza di questa strategia in un quadro più vivido, la conclusione di numerosi studi indica che circa il 20-50% degli input energetici industriali viene perso sotto forma di calore di scarto (Johnson et al., 2008) ^{[ 2 ]} .

La fattibilità del recupero del calore di scarto (WHR) e la sua applicazione dipendono da diversi fattori, i più importanti dei quali includono (Johnson et al., 2008): ^{[ 2 ]}

• Quantità di perdita di calore
• La qualità/temperatura del calore di scarto
• La composizione chimica e fisica
• Temperatura minima ammissibile
• Limitazioni operative, disponibilità, ecc.

Le principali fonti di calore di scarto includono qualsiasi tipo di perdita di calore (radiazione, conduzione e convezione) da prodotti, apparecchiature e processi (Thekdi & Nimbalkar, 2015) ^{[ 3 ]} . La quantità di calore di scarto è il primo parametro che limita le applicazioni di WHR dal riscaldamento degli ambienti alla produzione di energia. Inoltre, il calore di scarto è anche classificato in base alla sua qualità in intervalli di alta temperatura (≥400 °C), media temperatura (100-400 °C) e bassa temperatura (≤100 °C) (Brückner et al., 2015) ^{[ 4 ]} . Inoltre, soprattutto nel recupero del calore di scarto dei gas di combustione, la temperatura minima consentita è fondamentale per ingegneri e progettisti di scambiatori di calore per considerare la temperatura di condensazione del vapore acqueo nella miscela di gas di combustione, in modo da prevenire la corrosione e il guasto degli scambiatori di calore causati da sostanze corrosive (CO ₂ , NO _x , e SO _x ) dell'umidità sulle superfici. Questi parametri non solo indicano l'efficacia del WHR, ma determinano anche la velocità di trasferimento del calore, la superficie dello scambiatore di calore e i materiali idonei da utilizzare.

La composizione chimica e la fase dei flussi con energia termica di scarto sono tra i parametri più efficaci nella progettazione, nella scelta dei materiali e nei costi di costruzione e manutenzione degli scambiatori di calore nel processo WHR.

L'applicazione per cui si considera il recupero del calore di scarto e si progetta uno scambiatore di calore adatto ha caratteristiche diverse che limitano la fattibilità della strategia WHR. L'accessibilità delle fonti di calore di scarto, la trasportabilità dei flussi di calore di scarto, la scala di applicazione, i programmi operativi (tempo di disponibilità delle fonti di calore di scarto), la necessità di apparecchiature aggiuntive come sistemi di accumulo di energia e sistemi di tubazioni extra e, infine, l'accessibilità economica e la fattibilità economica del recupero del calore di scarto sono fattori significativi che devono essere presi in considerazione dagli ingegneri.

1.1. Applicazioni di recupero del calore di scarto

Il recupero del calore di scarto è generalmente applicabile per i processi di preriscaldamento e recupero (ad esempio, preriscaldamento dell'aria di combustione, preriscaldamento dell'acqua di alimentazione della caldaia, preriscaldamento in batch nei forni per vetro e preriscaldamento dell'acqua calda sanitaria), generazione di energia meccanica e/o elettrica (ad esempio, generazione di energia dal calore di scarto di un ciclo di turbina a gas tramite ciclo Rankine a vapore), essendo coinvolto nei processi chimici (ad esempio, pretrattamento delle acque reflue per la produzione di biogas) e riscaldamento e raffreddamento degli ambienti (ad esempio, utilizzando la pompa di calore per applicazioni di riscaldamento/raffreddamento) (Johnson et al., 2008). ^{[ 2 ]}

1.2. Sfide del recupero del calore di scarto a bassa temperatura

^{Haddad et al. (Haddad et al., 2014) [ 5 ]} affermano che ci sono numerose opportunità di recuperare calore di scarto a bassa temperatura, poiché la maggior parte del calore di scarto industriale, agricolo e domestico è disponibile in questo intervallo. Tuttavia, ci sono anche più sfide che gli ingegneri devono affrontare nel WHR a bassa temperatura rispetto a quelli a media o alta temperatura:

Innanzitutto, poiché sostanzialmente la velocità di tutti i tipi di trasferimento di calore (conduzione, convezione e radiazione) è direttamente interconnessa alla differenza di temperatura tra due sostanze o due luoghi, sarà necessario costruire grandi scambiatori di calore con ampie superfici di trasferimento del calore per recuperare il calore di scarto a bassa temperatura.

Sebbene non sia necessario fornire materiali costosi come quelli necessari nelle applicazioni ad alta temperatura, i flussi a bassa temperatura fanno sì che i componenti delle miscele di gas si condensino, causando così corrosione nelle tubazioni e negli scambiatori di calore (Jouhara et al., 2018). ^{[ 1 ]}

Ultimo ma non meno importante, il calore di scarto a bassa temperatura può essere utilizzato solo in applicazioni limitate, come l'acqua sanitaria e il riscaldamento/raffreddamento degli ambienti, il che rende difficile per gli ingegneri trovare una tecnologia adatta e fornire la strumentazione adeguata per l'applicazione, l'aumento della temperatura e il trasferimento del calore di scarto a bassa temperatura.

1.3. Applicazioni agricole e zootecniche del recupero del calore di scarto

Contrariamente all'utilizzo urbano e industriale del calore di scarto, la maggior parte delle operazioni agricole richiede energia termica a bassa temperatura (Yarosh et al., 1972) ^{[ 6 ]} . Di conseguenza, i campi agricoli e zootecnici che si trovano vicino ai centri industriali o hanno accesso a fonti di energia rinnovabile (solare, geotermica, eolica, biomassa, ecc.) possono essere potenzialmente considerati come utilizzatori del calore di scarto. La combinazione di vari centri industriali/agricoli con l'obiettivo di recuperare il calore di scarto è chiamata simbiosi industriale. I complessi agricoli e zootecnici possono anche fornire tutto o parte del proprio fabbisogno energetico utilizzando il calore di scarto di qualsiasi componente all'interno degli impianti (ad esempio, macchinari agricoli, motori fissi, riscaldatori convenzionali, aria calda di ventilazione, ecc.).

Nonostante i vantaggi del recupero del calore di scarto negli impianti agricoli e zootecnici, alcuni ostacoli impediscono la fornitura di energia per questi impianti. La questione di quanto calore di scarto dalle industrie nelle vicinanze sia disponibile, in particolare per le serre su larga scala, il pollame, ecc. è una delle preoccupazioni più difficili per i progettisti. Inoltre, in alcuni casi, gli ingegneri devono valutare gli aspetti pratici (fattibilità, accessibilità, beneficio economico) dello sfruttamento delle fonti di calore di scarto a bassa temperatura disponibili. In fasi successive, gli scienziati dovrebbero comporre un problema di ottimizzazione e/o una piattaforma di controllo per il sistema WHR fornito (Yarosh et al., 1972). ^{[ 6 ]}

Recupero di calore dall'acqua di scottatura della lavorazione del pollame (Shupe & Whitehead, 1979) ^{[ 7 ]}

Shupe, WL, & Whitehead, WK (1979). " Recupero di calore dall'acqua di scottatura della lavorazione del pollame ". Journal of Agricultural Engineering Research, 24(3), 325–330. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/0021-8634(79)90074-X

Il calore di scarto dell'acqua di scarico di un serbatoio di scottatura in un impianto di lavorazione del pollame è stato trasferito all'acqua fredda di sostituzione da WL Shupe e WK Whitehead. Sono riusciti a trasferire 102 kW di energia termica all'acqua fredda in ingresso in inverno (circa il 32%) e 54,6 kW in estate.

Estrazione di energia da una laguna di rifiuti agricoli aerobici (Hughes, 1984) ^{[ 8 ]}

Hughes, DF (1984). " Estrazione di energia da una laguna di rifiuti agricoli aerobici ". Journal of Agricultural Engineering Research, 29(2), 133–139. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/0021-8634(84)90067-2

DF Hughes ha valutato gli aspetti pratici energetici ed economici del recupero di calore da una laguna di rifiuti agricoli aerobici utilizzando una pompa di calore ad acqua. La temperatura della laguna (come fonte di calore) era costante a 35 °C in estate e in inverno e la temperatura dell'acqua calda all'uscita della pompa di calore era di 55 °C. L'intero processo è stato studiato per un anno.

• La pompa di calore potrebbe soddisfare il fabbisogno termico dell'allevamento di suini pari a 21,6 kW.
• Il funzionamento di questo sistema di recupero del calore richiedeva un impiego minimo di manodopera e risorse agricole.
• Considerando i costi di manutenzione e l'incremento del costo del carburante, per questo sistema è stato stimato un periodo di ammortamento di 3-4 anni.

Studio sul campo sugli effetti di uno scambiatore di calore sulle prestazioni dei polli da carne, sul consumo di energia e sulle emissioni di anidride carbonica calcolate negli allevamenti commerciali di polli da carne e sulle esperienze degli allevatori che utilizzano uno scambiatore di calore (Bokkers et al., 2010) ^{[ 9 ]}

Bokkers, EAM, van Zanten, HHE e van den Brand, H. (2010). " Studio sul campo sugli effetti di uno scambiatore di calore sulle prestazioni dei polli da carne, sull'uso di energia e sulle emissioni di anidride carbonica calcolate negli allevamenti commerciali di polli da carne e sulle esperienze degli allevatori che utilizzano uno scambiatore di calore ". Poultry Science, 89(12), 2743–2750. https://doi.org/https://doi.org/10.3382/ps.2010-00902

Sono state studiate, dal punto di vista energetico e ambientale, le influenze dell'uso in azienda di uno scambiatore di calore (HE) per trasferire l'energia termica del flusso di aria ventilata al flusso di aria fresca in ingresso in diversi allevamenti di polli da carne.

• Secondo le dichiarazioni degli allevatori, l'uso di HE ha determinato una distribuzione più uniforme della temperatura e della circolazione dell'aria, con conseguente miglioramento della qualità della lettiera e della distribuzione uniforme dei polli da carne.
• Ad eccezione di tre aziende agricole, il tasso di emissione di CO2 _è diminuito grazie all'uso di energia rinnovabile.

Recupero del calore di scarto applicato al motore di un trattore (Danel et al., 2015) ^{[ 10 ]}

Danel, Q., Périlhon, C., Lacour, S., Punov, P., & Danlos, A. (2015). " Recupero del calore di scarto applicato a un motore di trattore ". Energy Procedia, 74, 331–343. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.622

Danel et al. hanno implementato un modello termodinamico e di trasferimento di calore per il recupero del calore di scarto dei gas di scarico di un motore di trattore, impiegando il ciclo Rankine con tre diversi fluidi di lavoro (acqua, etanolo, R245fa). L'intervallo di temperatura dei gas di scarico era compreso tra 300 e 500 °C.

• Si è concluso che l'R245fa non è adatto per WHR in questo intervallo di temperatura.
• Considerando gli effetti della superficie dello scambiatore di calore e del carico del motore, si è scoperto che l'etanolo è preferibile per carichi bassi, mentre l'acqua è adatta per operazioni con carichi elevati.
• Nel complesso, l'acqua ha mostrato prestazioni migliori per l'intero intervallo operativo.

Riutilizzo dell'energia termica sprecata nelle centrali elettriche per le colture agricole mediante un approccio multi-agente (González-Briones et al., 2018) ^{[ 11 ]}

González-Briones, A., Chamoso, P., Prieto, J., Corchado, JM, & Yoe, H. (2018). " Riutilizzo dell'energia termica sprecata nelle centrali elettriche per colture agricole mediante un approccio multi-agente ". Conferenza internazionale del 2018 sui sistemi e le tecnologie energetiche intelligenti (SEST), 1–6. https://doi.org/10.1109/SEST.2018.8495867

In questo articolo, la distribuzione della temperatura di quattro serre da 300 m2 ^sotto l'influenza di un sistema di riscaldamento e produzione di energia elettrica (CHP) assistito dall'energia solare è stata modellata utilizzando tecniche di intelligenza artificiale.

• MAS ha fornito un modo semplice per conoscere le esigenze di ogni serra (temperatura, umidità, radiazione solare, ecc.) utilizzando una rete di sensori wireless che raccoglie dati utili dalle serre e dal sistema CHP.
• Grazie all'ausilio del MAS è stato possibile fornire in modo pratico la quantità di energia necessaria per la crescita ottimale delle colture.
• Utilizzando il sistema CHP, potrebbero ridurre il consumo energetico medio di quattro serre del 30,68%.

Analisi CFD del riscaldamento delle serre utilizzando reti di tubazioni di dissipatori di calore per gas di scarico e acqua calda (Dhiman et al., 2019) ^{[ 12 ]}

Dhiman, M., Sethi, VP, Singh, B., & Sharma, A. (2019). " Analisi CFD del riscaldamento delle serre utilizzando reti di tubazioni di dissipatori di calore per gas di scarico e acqua calda ". Computer ed elettronica in agricoltura, 163, 104853. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.compag.2019.104853

Il calore di scarto di una camera di combustione è stato convogliato in una serra di 100 m2 ⁱⁿ India e il processo è stato modellato e convalidato sulla base dei risultati sperimentali.

• È stato modellato il calore rilasciato attraverso la radiazione e la convezione, senza considerare l'effetto della radiazione solare incidente.
• L'analisi CFD ha rivelato che l'utilizzo sia di una rete di tubazioni del dissipatore di calore dei gas di combustione (FGHSPN) che recupera il calore di scarto dei gas di combustione a 350 °C sia di una rete di tubazioni del dissipatore di calore dell'acqua calda (HWHSPN) che riceve acqua calda a 65 °C potrebbe fornire 13,38 kW di energia termica per aumentare la temperatura della serra fino a 10,35 °C al di sopra della temperatura ambiente.
• L'analisi CFD ha un RMSE dell'1% con le indagini sperimentali e un RMSE dell'1,5% rispetto ai risultati della modellazione del trasferimento di calore.

Caratterizzazione di uno scambiatore di calore aria-aria per la ventilazione di essiccazione del nastro trasportatore del letame in un pollaio per galline ovaiole (Goselink & Ramirez, 2019) ^{[ 13 ]}

Goselink, YSM e Ramirez, BC (2019). " Caratterizzazione di uno scambiatore di calore aria-aria per la ventilazione di essiccazione del nastro del letame in un pollaio per galline ovaiole ". Journal of Applied Poultry Research, 28(4), 1359–1369. https://doi.org/https://doi.org/10.3382/japr/pfz075

Temperatura, umidità relativa, ammoniaca e contenuto di sostanza secca del letame di un pollaio ovaiolo sono stati valutati sotto l'effetto dell'impiego di uno scambiatore di calore aria-aria per recuperare il calore di scarto dell'aria in uscita e trasferirlo all'aria fresca in ingresso. Questa indagine è stata condotta per quattro settimane e i risultati del 1 ^° scenario (con ventilazione con recupero di calore (HRV)) e del 2 ^° scenario (senza HRV) sono stati confrontati tra loro.

• La temperatura media complessiva interna con HRV è diventata più calda (23,1 °C ± 0,5 °C) rispetto a quella senza HRV (22,2 °C ± 1,2 °C).
• L'intervallo di temperatura media giornaliera con HRV era inferiore (1,8 °C ± 0,7 °C) rispetto a quello senza HRV (3,1 °C ± 1,1 °C).
• In tutte le circostanze, la sostanza secca media del letame era maggiore con HRV rispetto al caso senza HRV.
• In tutte le condizioni, le emissioni di NH3 _con HRV erano inferiori a quelle senza HRV.

Applicazione di SOFC per l'alimentazione di aziende agricole remote (Sosnina et al., 2020) ^{[ 14 ]}

Sosnina, EN, Shalukho, A. V, e Veselov, LE (2020). " Applicazione di SOFC per l'alimentazione di aziende agricole remote ". Conferenza internazionale 2020 sui complessi e sistemi elettrotecnici (ICOECS), 1–6. https://doi.org/10.1109/ICOECS50468.2020.9278478

Questo lavoro mirava a implementare la cella a combustibile a ossidi solidi (SOFC) alimentata da biogas proveniente da rifiuti agricoli (residui di colture e allevamento di animali) per fornire elettricità in eccesso alla rete elettrica centralizzata, coprendo al contempo le richieste elettriche e di riscaldamento di un complesso zootecnico. L'analisi dei costi e l'ottimizzazione sono state condotte anche su questa proposta.

• Sono stati studiati cinque sistemi SOFC con una gamma di capacità di potenza da 100 a 500 kW.
• Nessuna delle SOFC introdotte è riuscita a soddisfare tutte le richieste di riscaldamento del complesso zootecnico. Tuttavia, la quinta ^è riuscita a compensare più della metà del carico termico che in precedenza era fornito da una caldaia a carbone.
• La funzione di dipendenza dei costi complessivi alla capacità nominale della SOFC era non lineare.
• Il valore minimo dei costi complessivi è stato ottenibile impiegando sia la ^prima (con la capacità più bassa) sia la quinta ⁽ con la capacità più alta) alternativa SOFC.

Analisi parametrica sul recupero del calore di scarto dell'aria umida a bassa temperatura attraverso un ciclo Rankine organico (Yue et al., 2020) ^{[ 15 ]}

Yue, C., Tong, L., & Zhang, S. (2020). " Analisi parametrica sul recupero del calore di scarto dell'aria umida a bassa temperatura tramite un ciclo Rankine organico ". Heat and Mass Transfer, 56(8), 2333–2343. https://doi.org/10.1007/s00231-020-02862-5

Chen Yue et al. hanno condotto una modellazione termodinamica e di trasferimento di calore e massa sull'applicazione dell'ORC nel recupero del calore di scarto dell'aria utilizzata per l'essiccazione di prodotti agricoli umidi. In questa proposta, il ciclo Rankine organico di fondo ha assorbito l'energia termica a bassa temperatura dell'aria umida, passando attraverso la camera di essiccazione, e ha prodotto energia elettrica. Gli impatti della variazione di diversi parametri sono stati studiati in questo articolo.

• Sia l'efficienza del risparmio energetico che il rapporto di estrazione dell'umidità hanno raggiunto i loro valori massimi alle pressioni di evaporazione più basse.
• La temperatura del punto di rugiada dell'aria umida in uscita dalla camera di essiccazione è risultato il parametro più efficace rispetto alla differenza minima di temperatura di trasferimento del calore e alla temperatura di uscita dalla camera di essiccazione.
• L'aumento della temperatura del punto di rugiada dell'aria umida in uscita dalla camera di essiccazione si è rivelato il metodo più promettente per migliorare sia l'efficienza del risparmio energetico sia il rapporto di estrazione dell'umidità.

Considerando i risultati degli studi precedenti, è ovvio che si sono verificati progressi significativi nelle indagini degli scienziati. I primi studi riguardavano semplicemente l'analisi di fattibilità delle applicazioni di recupero del calore di scarto nei campi agricoli e nei complessi zootecnici. Sebbene avessero condotto indagini sperimentali sulle loro proposte, l'assenza di modelli matematici convalidati in base ai risultati sperimentali era indiscutibile. Studi recenti, tuttavia, hanno raccomandato nuove strategie/sistemi WHR con l'implementazione di ottimizzazione, simulazione CFD e piattaforme AI. Tuttavia, è altamente necessario compiere ulteriori passi in questa revisione della letteratura e di conseguenza suggerire nuove idee per gli usi agricoli del WHR (con un'attenzione particolare alle applicazioni in serra) con l'obiettivo di affrontare le suddette sfide del recupero del calore di scarto a bassa temperatura.

1.4. Applicazioni di recupero del calore di scarto nelle serre

In generale, l'energia svolge un ruolo cruciale nel soddisfare le richieste delle serre e i costi energetici sono al 2 ^° posto di tutti i costi relativi alla progettazione e all'installazione delle serre. Va anche notato che circa l'85% dell'uso di energia in una serra è attribuito al riscaldamento. Pertanto, il calore di scarto rappresenta un'importante opportunità per la fornitura di energia termica delle serre, soprattutto nelle regioni fredde (Denzer et al., nd) ^{[ 16 ]} .

I requisiti principali per un edificio a serra sono un appezzamento di terreno situato in un luogo adatto rispetto ai mercati, materiali da costruzione e da costruzione, materiali isolanti, materiali per tubazioni, servizi (acqua ed elettricità) e apparecchiature di fornitura di riscaldamento. È chiaro che la progettazione di una serra è un esercizio complicato che coinvolge esperti economici, insieme a ingegneri agricoli, meccanici, elettrici, architettonici e informatici. Pertanto, per progettare e sviluppare un efficiente sistema di recupero del calore per le serre, devono essere condotti studi approfonditi da scienziati e ingegneri tecnici.

I benefici economici dell'utilizzo del calore di scarto in una serra sono stati elaborati da Helgeson et al. (Helgeson et al., 1986) ^{[ 17 ]} . Hanno rivelato che l'acqua calda di scarto industriale potrebbe far risparmiare da 29.670$ a 95.800$ ai prezzi del 1981 rispetto al sistema di riscaldamento convenzionale.

Prestazioni termiche di una pompa di calore azionata da motore a olio per il riscaldamento delle serre (Kozai, 1986) ^{[ 18 ]}

Kozai, T. (1986). " Prestazioni termiche di una pompa di calore azionata da motore a olio per il riscaldamento delle serre ". Journal of Agricultural Engineering Research, 35(1), 25–37. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/0021-8634(86)90027-2

Le richieste di riscaldamento di una serra sono state fornite indirettamente da una pompa di calore (75 percento), e dall'acqua di raffreddamento del motore e dai gas di scarico (25 percento). Il motore funzionava a 1200-1800 giri/min.

Riscaldamento delle serre basato sulla conversione dei rifiuti in energia: esplorazione delle condizioni di fattibilità attraverso modelli di ottimizzazione (Chinese et al., 2005) ^{[ 19 ]}

Chinese, D., Meneghetti, A., & Nardin, G. (2005). " Riscaldamento delle serre basato sulla conversione dei rifiuti in energia: esplorazione delle condizioni di fattibilità attraverso modelli di ottimizzazione ". Renewable Energy, 30(10), 1573–1586. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.renene.2004.11.008

Una serra di 6000 m ² è stata riscaldata con il calore di scarto di un termovalorizzatore (WTE) nel Nord-Est Italia. È stato inoltre ottimizzato il sistema di riscaldamento a pavimento della serra.

• Dai risultati dell'ottimizzazione è stato possibile estrarre gli elementi di progettazione e gestione dell'unità di riscaldamento a pavimento.
• Per il prezzo del calore dell'impianto WTE pari a 0,020 €/kWh, è stato detratto il valore massimo di 140000 € per le temperature ambiente di 25 °C e 20 °C, rispettivamente di giorno e di notte.
• Inutile dire che l'aumento delle dimensioni delle serre ha comportato un risparmio nel consumo di olio combustibile, con conseguente riduzione delle emissioni di gas serra rispetto alle serre tradizionali.

Valutazione ambientale ed economica di uno scambio di calore di scarto di una serra (Andrews & Pearce, 2011) ^{[ 20 ]}

Andrews, R., & Pearce, JM (2011). " Valutazione ambientale ed economica di uno scambio di calore di scarto di una serra ". Journal of Cleaner Production, 19(13), 1446–1454. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2011.04.016

Gli autori hanno valutato la fattibilità economica di far funzionare una serra con il calore di scarto di un impianto di produzione di vetro piano e le prestazioni di questa serra sono state confrontate con quelle di una serra convenzionale riscaldata a gas naturale. Si è ritenuto che i loro costi di base fossero uguali.

• Una serra di 3,9 acri con una resa annuale di 735 tonnellate di pomodori potrebbe essere alimentata dal calore di scarto dell'impianto di produzione.
• Nella maggior parte dei casi, il valore attuale netto (VAN) del calore di scarto prodotto dall'effetto serra era inferiore a quello del gas naturale prodotto dall'effetto serra.

Metodi alternativi di smaltimento del calore per le centrali elettriche (Leffler et al., 2012) ^{[ 21 ]}

Leffler, RA, Bradshaw, CR, Groll, EA, & Garimella, SV (2012). " Metodi alternativi di rigetto del calore per centrali elettriche ". Applied Energy, 92, 17–25. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.10.023

Sono state presentate e applicate anche cinque alternative WHR (canali di raffreddamento, bioreattori di alghe in acque libere, riscaldamento invernale delle serre, bacini di nebulizzazione e torri di corrente solare modificate) per un settore di produzione di energia a carbone nel Midwest degli Stati Uniti.

• La torre di aspirazione solare modificata, il canale di raffreddamento, il bacino del bioreattore di alghe e la serra richiedono una vasta area di terreno.
• Le torri di energia solare modificate, i bioreattori di alghe e la serra potrebbero fornire un utile prodotto secondario.
• Il riscaldamento delle serre è fattibile solo in inverno o nei climi nordici più estremi.
• Ad eccezione del canale di raffreddamento, il consumo d'acqua delle altre quattro alternative è stato inferiore alla capacità di base della torre di raffreddamento della centrale elettrica.

Analisi energetica del sistema di celle a combustibile per applicazioni in serre commerciali – Uno studio di fattibilità (Vadiee et al., 2015) ^{[ 22 ]}

Vadiee, A., Yaghoubi, M., Sardella, M., & Farjam, P. (2015). " Analisi energetica del sistema di celle a combustibile per applicazioni commerciali in serre – Uno studio di fattibilità ". Energy Conversion and Management, 89, 925–932. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.09.073

Una cella a combustibile a scambio protonico alimentata a idrogeno (PEMFC) è stata progettata e valutata termodinamicamente per calcolare la quantità di energia elettrica e termica che può fornire a una serra commerciale di 1000 m2 ⁱⁿ Svezia con un fabbisogno di riscaldamento annuo di 117 kWh/ ^m2 .

• La PEMFC da 3 kW potrebbe soddisfare rispettivamente il 10% e il 26% del fabbisogno termico ed elettrico della serra.
• La PEMFC da 11,6 kW è stata in grado di soddisfare rispettivamente il 40% e il 100% del fabbisogno termico ed elettrico della serra.
• È stato raccomandato l'uso di un sistema di accumulo di energia termica PCM.

La serra a bolle: un approccio olistico sostenibile alla desalinizzazione dell'acqua su piccola scala nelle regioni remote (Schmack et al., 2015) ^{[ 23 ]}

Schmack, M., Ho, G., & Anda, M. (2015). " The Bubble-Greenhouse: un approccio olistico sostenibile alla desalinizzazione dell'acqua su piccola scala nelle regioni remote ". Desalinizzazione, 365, 250–260. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.desal.2015.03.021

È stato dimostrato e discusso il concetto di serra a bolle, in cui un sistema di desalinizzazione umidificante-deumidificante (HDH) viene impiegato per la fornitura di acqua ed energia termica. In questo concetto, il flusso di olio (riscaldato dall'energia solare) evapora l'acqua salina nelle aree remote, che umidifica il flusso d'aria. D'altra parte, l'aria umida viene raffreddata (a 35 °C) da un flusso di olio freddo, condensando così il suo vapore. L'aria calda e umida viene quindi diretta alla serra.

• Bisogna considerare il tasso di consumo di elettricità dei soffiatori d'aria rigenerativi. Si raccomandava di usare i soffiatori paralleli (ciascuno per un modulo a bolle).
• L'eliminazione del gradiente termico grazie all'eliminazione del sistema di iniezione di vapore nella serra potrebbe rendere superfluo l'uso della ventilazione, con conseguente significativa riduzione della traspirazione e del consumo di acqua da parte delle piante.
• Per compensare il livello di CO2 _in una serra non ventilata, sarebbe necessario un inceneritore di riserva per i rifiuti della serra. In un altro caso, i flussi di gas di scarico di altri settori industriali potrebbero fornire la fornitura di _CO2 .
• Il sistema di dissalazione termica sarebbe un'opzione più economica rispetto ai processi a membrana che utilizzano l'elettricità.

Un modello tecnico-economico per il riscaldamento di un sito di serra utilizzando il calore di scarto (Başak & Sevilgen, 2016) ^{[ 24 ]}

Başak, MZ, & Sevilgen, SH (2016). " Un modello tecnico-economico per il riscaldamento di un sito di serra utilizzando il calore di scarto ". Arabian Journal for Science and Engineering, 41(5), 1895–1905. https://doi.org/10.1007/s13369-015-2009-y

Il vapore acqueo estratto da una centrale elettrica in Turchia è stato trasferito al sito della serra tramite una linea di distribuzione composta da tubi preisolati. È stato sviluppato un modello tecnico-economico per la serra menzionata.

• L'88% dei costi annuali della serra è stato attribuito ai costi di riscaldamento.
• Il parametro più critico che incideva sui costi della serra era la temperatura interna, soprattutto durante la notte.

Valutazione di fattibilità dell'utilizzo del calore di scarto delle centrali elettriche nei sistemi di fornitura di energia degli impianti di orticoltura su larga scala (Yu & Nam, 2016) ^{[ 25 ]}

Yu, MG e Nam, Y. (2016). " Valutazione di fattibilità dell'utilizzo del calore di scarto delle centrali elettriche nei sistemi di fornitura di energia degli impianti di orticoltura su larga scala ". Energies, 9(2). https://doi.org/10.3390/en9020112

È stata studiata la fattibilità dell'utilizzo del calore di scarto delle centrali elettriche in tre diversi impianti orticoli su larga scala.

• Si è concluso che circa il 7,4-20% dell'energia di scarto delle centrali elettriche può soddisfare il fabbisogno di riscaldamento di queste aree.
• Sostituendo la caldaia a gasolio con il sistema WHR, si ridurrebbero circa l'83% dei costi operativi annuali.
• Si stima che i periodi di ammortamento di questi sistemi siano di 2-3 anni.

STUDIO DELLA FATTIBILITÀ ENERGETICA ED ECONOMICA DI UNA SERRA AGRICOLA RISCALDANTE UTILIZZANDO IL CALORE DI SCARTO INDUSTRIALE A BASSE TEMPERATURE (Fguiri et al., 2017) ^{[ 26 ]}

Fguiri, A., Fatnassi, H., Jeday, M.-R., & Marvillet, C. (2017). " STUDIO DELLA FATTIBILITÀ ENERGETICA ED ECONOMICA DI UNA SERRA AGRICOLA RISCALDANTE UTILIZZANDO IL CALORE DI SCARTO INDUSTRIALE A BASSE TEMPERATURE ". 25(4).

Si trattava di un progetto condotto da Fguiri et al. per realizzare una serra di 1 ettaro per pomodori e cetrioli, riscaldata dal calore di scarto dell'unità industriale di produzione di fosfato di diammonio.

• Il valore attuale netto (VAN) per la serra dei pomodori è stato calcolato in 1127327 $, mentre per la serra dei cetrioli è stato calcolato in 1293427 $.
• Questa proposta potrebbe far risparmiare 746 teqCO2 ₍ pari al consumo di 1800 barili di petrolio greggio) rispetto al caso base.

Produzione di biogas da colture energetiche nella Grecia settentrionale: economia della generazione di elettricità associata al recupero di calore in una serra (Markou et al., 2017) ^{[ 27 ]}

Markou, G., Brulé, M., Balafoutis, A., Kornaros, M., Georgakakis, D., & Papadakis, G. (2017). " Produzione di biogas da colture energetiche nella Grecia settentrionale: economia della generazione di elettricità associata al recupero di calore in una serra ". Clean Technologies and Environmental Policy, 19(4), 1147–1167. https://doi.org/10.1007/s10098-016-1314-9

È stata valutata la fattibilità economica della coltivazione di colture energetiche (triticale, mais, erba medica, girasole, trifoglio, orzo e grano) per la digestione anaerobica (AD) in Grecia. È stato anche preso in considerazione un concetto di CHP per utilizzare il biogas prodotto dalla DA e soddisfare la domanda di riscaldamento di una serra di ortaggi (pomodori) vendendo al contempo l'elettricità alla rete. È stata sviluppata una simulazione economica dettagliata per ciascuna sezione (impianto di coltivazione, AD e serra).

• È stato rivelato che le rese di metano del mais e del triticale erano più elevate rispetto alle altre colture. Avevano anche i costi di produzione energetica più bassi.
• Considerando i ricavi da elettricità e vendita di ortaggi, il reddito totale dalla DA del mais è stato di 1.875.000 €/anno, seguito dal triticale con un reddito totale di 1.660.000 €/anno. Circa il 17-18% di questi redditi proveniva dal contributo delle serre al sistema.
• Per questa proposta è necessaria una superficie agricola maggiore di 500 ha o un impianto di produzione di biogas di dimensioni superiori a 1000 m ^{2 .}
• Il tasso medio annuo di recupero dell'energia termica del sistema CHP è stato del 40%.

Possibilità di utilizzare il calore di scarto industriale per il riscaldamento delle serre nella Grecia settentrionale (Vourdoubas, 2018) ^{[ 28 ]}

Vourdoubas, J. (2018). " Possibilità di utilizzare il calore di scarto industriale per il riscaldamento delle serre " in. 10(4), 116–123. https://doi.org/10.5539/jas.v10n4p116

La fattibilità tecnico-economica dell'utilizzo del calore di scarto delle centrali elettriche a lignite è stata studiata per scopi di simbiosi industriale-agricola. In precedenza, il calore scartato dalle centrali elettriche a lignite veniva utilizzato per il teleriscaldamento. La temperatura di ingresso dell'acqua calda nella serra era di circa 50-55 °C, che veniva fornita tramite tubi di plastica ben isolati posizionati sul terreno per riscaldare il terreno e l'aria.

• Per il calo di temperatura di 20 °C per il riscaldamento dell'acqua, il carico di riscaldamento della serra sarebbe di 1700 kWh per ettaro e la portata di acqua di riscaldamento sarebbe di 73,18 m ³ /h per ettaro. Questo mentre, per la strategia di teleriscaldamento, i valori di questi indicatori erano rispettivamente di 140 MWh e 2300 m ³ /h.
• L'uso di acqua calda nella serra si è rivelato più economico sia rispetto al riscaldamento centralizzato sia rispetto ai sistemi di riscaldamento convenzionali a combustibili fossili.

GreenVMAS: piattaforma basata su un'organizzazione virtuale per il riscaldamento delle serre utilizzando l'energia di scarto delle centrali elettriche (González-Briones, Chamoso, Yoe, et al., 2018) ^{[ 29 ]}

González-Briones, A., Chamoso, P., Yoe, H., & Corchado, JM (2018). " GreenVMAS: piattaforma basata su organizzazione virtuale per il riscaldamento di serre utilizzando l'energia di scarto delle centrali elettriche ". Sensori, 18(3). https://doi.org/10.3390/s18030861

Il MAS virtuale basato sulla rete neurale artificiale (ANN) è stato sviluppato per sei serre simili da 300 m ² per mantenere le loro prestazioni bilanciate e anche ottimali mentre sfruttano il calore di scarto di una centrale nucleare. Potrebbero monitorare e controllare la temperatura interna, lo stato delle colture e l'apertura e la chiusura delle valvole.

• Gli autori hanno concluso che il VMAS è essenziale per risparmiare energia e denaro e ridurre le emissioni di _CO2 .
• Il consumo energetico è diminuito rispettivamente del 23,79%, del 39,40% e del 41,46% in estate, autunno e inverno.

Energia netta zero e potenziale di condivisione dell'energia del commercio al dettaglio - Complesso di serre (Syed & Hachem, 2019) ^{[ 30 ]}

Syed, AM, & Hachem, C. (2019). " Progettazione a energia netta zero e potenziale di condivisione dell'energia del complesso Retail-Greenhouse ". Journal of Building Engineering, 24, 100736. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.100736

Per raggiungere gli obiettivi di energia netta zero, è stato progettato un sistema di scambio di calore di scarto tra due edifici del complesso commerciale-serra ed è stato preso in considerazione un impianto solare fotovoltaico per migliorare l'efficienza energetica del sistema.

• Il tasso di consumo energetico totale del commercio al dettaglio e della serra è stato rispettivamente di 730 MWh e 120 MWh. Dell'energia complessiva consumata dal complesso, il 35% è stato attribuito al riscaldamento e il 32% alla refrigerazione.
• Dopo l'ottimizzazione, è stata osservata una significativa riduzione del tasso di consumo energetico (specialmente nei carichi di spina e refrigerazione). Quindi, è stato possibile risparmiare il 27% di energia.
• L'energia prodotta in eccesso in primavera e in estate veniva venduta alla rete. Tuttavia, nel tardo autunno e nei mesi invernali, dovevano acquistare elettricità dalla rete.
• Circa 130 MWh di calore di scarto del condensatore del frigorifero sono stati recuperati per riscaldare gli ambienti e l'acqua nella serra.

Sethi e Sharma (Sethi & Sharma, 2008) ^{[ 31 ]} hanno presentato alcune utili tecnologie di accumulo termico per l'accumulo e il rilascio del calore di scarto nelle/nelle serre. I sistemi di accumulo di energia termica includono l'accumulo di acqua (sacchetti di plastica, tubi interrati e serbatoi d'acqua), l'accumulo termico in letto di roccia e l'accumulo di PCM.

Sistemi combinati di raffreddamento, riscaldamento e alimentazione nelle serre. Progettazione grassroots e retrofit (Tataraki et al., 2019)

Tataraki, KG, Kavvadias, KC, e Maroulis, ZB (2019). " Sistemi combinati di raffreddamento, riscaldamento e alimentazione nelle serre. Progettazione grassroots e retrofit ". Energy, 189, 116283. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116283

Sono stati studiati i vantaggi economici dell'impiego di sistemi CHP e CCHP (Combined Cooling, Heating, Power) per la fornitura dei requisiti termici delle serre. I risultati sono stati convalidati in base alle caratteristiche operative di tre serre situate nella Grecia settentrionale. I principali prodotti coltivati ​​erano pomodoro e cetriolo.

• La progettazione CHP era più economica della caldaia a gas naturale convenzionale.
• Le condizioni meteorologiche di ogni località hanno avuto un effetto significativo sulle prestazioni termiche delle serre.
• Il risparmio energetico è risultato più elevato nelle coltivazioni di pomodori e nelle zone settentrionali.
• Il sistema di raffreddamento attivo del frigorifero ad assorbimento è una soluzione economica, nonostante gli elevati rischi di investimento e la complessità di progettazione.

Ottimizzazione dell'efficienza energetica del sistema di recupero del calore di scarto con materiali a cambiamento di fase incorporati nelle serre: uno studio termo-economico-ambientale (S.-R. Yan et al., 2020) ^{[ 32 ]}

Yan, S.-R., Fazilati, MA, Samani, N., Ghasemi, HR, Toghraie, D., Nguyen, Q., & Karimipour, A. (2020). " Ottimizzazione dell'efficienza energetica del sistema di recupero del calore di scarto con materiali a cambiamento di fase incorporati nelle serre: uno studio termo-economico-ambientale ". Journal of Energy Storage, 30, 101445. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101445

L'effetto dell'integrazione del sistema di recupero del calore di scarto (HRS) e del materiale a cambiamento di fase incorporato (PCM) nel riscaldatore a combustibile fossile convenzionale in una serra in Iran è stato studiato sperimentalmente dal punto di vista termodinamico ed economico. L'HRS è una scatola attraverso la quale passa il gas di scarico del riscaldatore per riscaldare l'aria di ventilazione fresca che entra nella serra. Il PCM è stato anche incorporato in questa scatola per studiare gli effetti della sua presenza.

• L'efficienza energetica del sistema di riscaldamento con HRS e con HRS+PCM è stata migliorata rispettivamente del 33% e del 140% rispetto a quella del bruciatore a gas convenzionale.
• L'efficienza esergetica del sistema di riscaldamento con HRS e con HRS+PCM è stata migliorata rispettivamente del 127% e del 263% rispetto a quella del bruciatore a gas convenzionale.
• La temperatura interna della serra è stata aumentata rispettivamente di 0,7 °C e 3 °C, considerando HRS e HRS+PCM.
• Il consumo di gas naturale è stato ridotto rispettivamente del 19% e del 48% per i sistemi integrati con HRS e HRS+PCM.
• Il periodo di ammortamento è stato stimato per i sistemi integrati con HRS e HRS+PCM, rispettivamente, in 3 e 4 mesi.

Analisi dei costi energetici e dell'efficienza del potenziamento del sistema di riscaldamento delle serre mediante materiale a cambiamento di fase: uno studio sperimentale (S. Yan et al., 2021) ^{[ 33 ]}

Yan, S., Fazilati, MA, Toghraie, D., Khalili, M., & Karimipour, A. (2021). " Analisi dei costi energetici e dell'efficienza del potenziamento del sistema di riscaldamento delle serre mediante materiale a cambiamento di fase: uno studio sperimentale ". Renewable Energy, 170, 133–140. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.01.081

In un articolo simile al precedente del 2020, Shurong Yan et al. hanno confrontato le conseguenze energetiche ed economiche di due diverse strategie nell'applicazione dell'aria calda fornita dal sistema di recupero del calore di scarto HRS+PCM: 1) Per il riscaldamento diretto degli spazi della serra 2) Per il preriscaldamento dell'aria di ingresso del bruciatore a gas. Hanno scoperto che la seconda strategia ha risultati migliori in termini di efficienza energetica.

Serre riscaldate nei data center, una questione per una maggiore autosufficienza alimentare nelle regioni subartiche (Ljungqvist et al., 2021) ^{[ 34 ]}

Ljungqvist, HM, Mattsson, L., Risberg, M., & Vesterlund, M. (2021). " Serre riscaldate nei data center, una questione per una maggiore autosufficienza alimentare nelle regioni subartiche ". Energy, 215, 119169. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119169

Sono state simulate le prestazioni di due serre da 2000 e 10000 m2 ⁱⁿ due scenari (produzione parziale dell'anno senza luci di coltivazione e produzione a pieno carico con luci di coltivazione) allo scopo di migliorare l'autosufficienza alimentare utilizzando il calore di scarto di un centro dati da 1 MW nella Svezia settentrionale.

• Si trattava di una strategia conveniente per l'autosufficienza alimentare nella Svezia settentrionale.
• La serra più grande era un'alternativa migliore di quella più piccola poiché poteva beneficiare di un maggiore recupero di calore e produrre pomodori più economici (il suo costo per la produzione annuale parziale e annuale era rispettivamente di 2,02 e 1,80 €/kg per la piccola scala e di 1,88 e 1,49 €/kg per la serra su larga scala).
• Dal punto di vista della sostenibilità, la serra su piccola scala è stata una scelta migliore, poiché solo il 10,3% e il 2,1% (negli scenari annuali e parziali) del fabbisogno di riscaldamento deve essere soddisfatto da una fonte di calore aggiuntiva.
• La produzione annuale aveva un costo inferiore.

Le serre integrate negli edifici aumentano i benefici energetici attraverso sistemi di ventilazione attivi (Muñoz-Liesa et al., 2022) ^{[ 35 ]}

Muñoz-Liesa, J., Royapoor, M., Cuerva, E., Gassó-Domingo, S., Gabarrell, X., & Josa, A. (2022). " Le serre integrate negli edifici aumentano i co-benefici energetici attraverso sistemi di ventilazione attivi ". Building and Environment, 208, 108585. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.108585

L'influenza sinergica dello scambio di flusso d'aria di una serra sul tetto (iRTG) e del sistema HVAC di un edificio per uffici in un clima mediterraneo è stata studiata in tre scenari energetici: 1) recupero di energia dall'aria di scarico dell'edificio da parte di una serra. 2) utilizzo dell'aria in eccesso della serra da parte dell'edificio. 3) combinazione degli scenari 1 e 2.

• La domanda termica della serra potrebbe essere soddisfatta mediante l'edificio in questione in 143,3 kWh/m2 ^all'anno in inverno e in 54,8 kWh/m2 ^all'anno in estate.
• Nello scenario 2, 205,2 kWh/m2 ^all'anno e 335,3 kWh/m2 ^all'anno (rispettivamente per 1,59 e 3,16 ac/h di tasso di ricambio dell'aria) di energia termica negli uffici e nei laboratori potrebbero essere forniti dalla serra.
• Per il tasso massimo di ricambio dell'aria (3,16 ac/h), il guadagno di calore sensibile è stato di 658,8 kWh/m ² all'anno, il cui valore di elettricità equivalente è stato di 198,2 kWh/m ² all'anno.

Dati della pagina

Autori	Nima Asgari
Licenza	Concessione di licenza CC-BY-SA-4.0
Lingua	Italiano (en)
Traduzioni	cinese
Imparentato	1 sottopagine , 3 pagine linkate qui
Impatto	197 visualizzazioni di pagina ( altro )
Creato	5 maggio 2022 di Joshua M. Pearce
Ultima modifica	3 gennaio 2024 di Joshua M. Pearce
Citare come	Nima Asgari (2022–2024). "Revisione della letteratura sul recupero del calore di scarto per le serre" . Appropedia . Recuperato il 17 febbraio 2025 .
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