Solar cooling seconda parte

19.06.2013 18:50

 

4. IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO AD ENERGIA SOLARE

All’approccio di progettazione passiva dell’edificio nei confronti del surriscaldamento estivo al fine di ridurre i carichi estivi, è possibile affiancare la progettazione di impianti di condizionamento. Come abbiamo constatato soprattutto negli ultimi anni, la domanda di elettricità nel periodo estivo raggiunge picchi estremi per l’uso eccessivo dei tradizionali condizionatori d’aria, fino a causare talvolta dei black out della rete elettrica.

L’uso dell’energia solare per produrre il freddo diventa quindi un’opportunità vantaggiosa, come dimostrato dai numerosi progetti pilota realizzati anche in Europa, soprattutto in Germania e Spagna.

4.1. Utilità di impiego di tali impianti

a) Massima disponibilità nel momento di massima richiesta

L’utilizzo dell’energia solare per il raffrescamento degli edifici risulta essere un’ipotesi non priva di attrattive, anche perché il periodo che fa registrare la maggiore richiesta di condizionamento coincide proprio con i mesi durante i quali la radiazione solare è al massimo e le giornate sono più lunghe.

b) Elevata sostenibilità ambientale

I sistemi di climatizzazione ad energia solare possiedono l’indubbio vantaggio di utilizzare fluidi di lavoro innocui, come l’acqua o le soluzioni saline. Sono rispettosi dell’ambiente e rispondono a criteri di efficienza energetica e possono essere usati, da soli o integrati ai sistemi di condizionamento tradizionali, per migliorare la qualità dell’aria all’interno di qualsiasi tipo di edificio. Il loro principale obiettivo è quello di utilizzare tecnologie ad “emissione zero” per ridurre i consumi di energia nonché le emissioni di CO2.

 

4.2. Principi generali di funzionamento

Il principio generale è la produzione di freddo a partire da una sorgente di calore. In sintesi i passaggi che descrivono la produzione sono:

- la sorgente di calore sole irraggia energia che viene assorbita dai collettori solari;

- la produzione di freddo avviene per mezzo delle macchine frigorifere;

- il fluido freddo termovettore, acqua o aria, a seconda del tipo di macchina viene impiegato ai fini del condizionamento degli ambienti.

 

Schema del ciclo di condizionamento

4.3. I collettori solari

Per alimentare gli impianti di condizionamento ad energia solare esistono diverse tipologie di collettori solari sul mercato che si dividono in funzione della tipologia di collettore e della temperatura alla quale sono in grado di operare. Il principio di funzionamento è molto semplice: una superficie esposta alla radiazione solare assorbe parte dell’energia incidente, riscaldandosi; la quantità di energia assorbita dipende dal coefficiente α che definisce il grado di nerezza di una superficie (α è circa uguale a 1 per le superfici nere).

La superficie colpita dalla radiazione solare a sua volta irraggia energia con una distribuzione spettrale che dipende dalla temperatura e cede il calore all’ambiente, che si trova ad una temperatura inferiore, per conduzione e convezione.

SAC = collettori ad aria; CPC = collettore parabolico fisso;

FPC = collettori piani con superficie selettiva;

EHP = tubi evacuati EDF = tubi evacuati con flusso diretto

SYC = concentratori stazionari;

 

Tipologia di collettori solari:

I collettori solari da impiegare per gli impianti di condizionamento devono operare a temperature elevate; le macchine frigorifere cui sono collegati, infatti, possono solo funzionare se servite da temperature molto alte.

In particolare, una macchina frigorifera ad energia termica richiede una temperatura di funzionamento al vettore termico mediamente superiore agli 80 °C (ad assorbimento e ad adsorbimento).

Per quanto riguarda i sistemi desiccant cooling, invece, la temperatura richiesta può essere meno elevata e precisamente compresa tra un valore minimo di 55 °C ed un valore massimo di 90 °C.

I collettori solari piani standard SAC possono trovare impiego limitatamente ai sistemi che operano secondo il ciclo del desiccant cooling.

Nelle configurazioni impiantistiche che utilizzano macchine frigorifere ad adsorbimento o ad assorbimento a singolo effetto, l’impiego di collettori solari piani con superficie captante selettiva è limitato alle aree caratterizzate da elevati valori della radiazione solare.

SAC Collettore solare ad aria

FPC Collettore solare piano

CPC

Collettore parabolico fisso

EHP SYC EDF Collettori a tubi sotto vuoto

 

 

Per le altre situazioni e per macchine frigorifere che richiedono un’elevata temperatura di funzionamento, devono essere previsti collettori solari ad alta efficienza (ad esempio, collettori sotto vuoto).

 

4.4. Tecnologie per sistemi di condizionamento ad energia solare

Gli impianti di condizionamento ad energia solare sfruttano l’energia termica che viene utilizzata per alimentare il processo di raffreddamento necessario al condizionamento degli ambienti oggetto di intervento.

I sistemi di “solar cooling” possono essere classificati in:

 

Sistemi a ciclo chiuso

I sistemi chiusi sono macchine frigorifere alimentate da acqua calda o vapore che producono acqua refrigerata.

Il fluido termovettore può essere impiegato direttamente nelle unità di trattamento degli impianti di condizionamento ad aria (raffreddamento, deumidificazione nelle batterie dell’impianto) o distribuita attraverso una rete di tubazioni ai terminali di condizionamento decentralizzati nei vari locali da climatizzare (ad esempio, fan coil).

Sul mercato vi sono due tipologie di macchine frigorifere:

1) ad assorbimento (circa l’80 % del mercato);

2) ad adsorbimento (poche centinaia di applicazioni nel mondo, ma con un crescente interesse per le applicazioni alimentate ad energia solare).

Il sistema dunque produce un fluido termovettore freddo che può essere distribuito con qualsiasi tecnologia distributiva e di emissione.

Questi sono controllati termicamente da chillers i quali forniscono acqua fredda, che viene immessa in aria per gestire condizionatori( umidificata o raffreddata) o distribuita come acqua fredda per reti verso alcune stanze predisposte per lo smistamento (fan coils);Nei processi a sistema chiuso, i chiller forniscono acqua fredda che può essere utilizzata in tutta una serie di modi per motivi di raffrescamento. Chiaramente, in accordo con le leggi termodinamiche, il COP dipende dalle temperature di lavoro.Quindi più bassa è la temperatura da fornire più basso è il COP.LA temperatura richiesta dipende dall’utilizzo che se ne deve fare. Nei sistemi di condizionamento centralizzati o nei fan-coils decentralizzati che sono utilizzati per il controllo della temperatura e l’umidità interna dell’aria, l’umidità è ridotta raffreddando l’aria al di sotto del punto di rugiada, dove come sappiamo il vapor d’acqua condensa e cala l’umidità assoluta.Per garantire una adeguata de-umidificazione è necessario mantenere un range di 6-9°C.

 

 

 

Sistemi a ciclo aperto

I sistemi aperti consentono un completo trattamento dell’aria, che viene raffreddata e deumidificata per garantire le esigenze di comfort ambientale.

Il refrigerante è sempre l’acqua, in diretto contatto con l’aria.

I sistemi più diffusi sfruttano il principio del desiccant cooling ed impiegano deumidificatori rotanti con sostanze assorbenti solide.

Tale sistema richiede in conclusione un trattamento diretto dell’aria e una rete di distribuzione basata su un sistema di ventilazione.

 

Il chiller

Il chiller è il cuore di ogni impianto di solar cooling; esse sono le macchine che , sfruttando come input energetico l’energia immagazzinata nell’acqua grazie ai collettori solari,produce il freddo.

Nella scelta del tipo di chiller da utilizzare è necessario prendere in considerazione i seguenti fattori:

·      Temperatura di funzionamento della macchina frigorifera( questa influenza la scelta della tipologia di collettori solari)

·      Valori del coefficiente di performance (COP) del chiller, essi allo stesso modo variano al variare della temperatura di funzionamento sia a seconda del sistema di distribuzione del calore utilizzato.

Vediamo più in dettaglio le tipologie di chillers:

·      Chillers governati termicamente: Caratterizzati da tre livelli di temperatura:

1.    Un livello di temperatura molto elevato al quale la temperatura di conduzione è fornita;

2.    Un livello di temperatura basso al quale si opera il processo di raffreddamento;

3.    Un livello medio di temperatura al quale sia il calore rimosso dal ciclo dall’acqua refrigerata, sia il calore apportato devono essere rimossi. Per questo motivo, nella maggior parte dei casi viene usata una torre di raffreddamento.

Un elemento chiave per descrivere questa tipologia di chillers è il COP( coefficiente di performance),definito come la frazione di calore rimosso dall’acqua refrigerata su il calore di funzionamento richiesto, anche detto.

Questa definizione non include alcun altro consumo di energia elettrica addizionale.

Più basso è il valore del COP maggior calore in entrata è richiesto e maggiore è il calore che la torre di raffreddamento andrà a rimuovere(maggiori costi).

Viceversa un alto valore del COP riduce , sia il calore da immettere sia l’energia elettrica per pompe ne ciclo di calore e di re-cooling.

 

La temperatura di raffreddamento dell’acqua dipende dalla tipologia di sistema installato nelle stanze.

L’apice Pe in basso sta per “energia primaria”,tale valore è utile  per comparare nel migliore dei modi i chiller convenzionali con quelli a conduzione termica. L’efficienza dell’energia primaria influenza strettamente la performance globale del sistema. Ci sono alcuni casi in cui i chiller convenzionali sono molto più efficienti di quelli a conduzione termica. È comunque necessario, prendere in esame come il calore viene generato. Che sia calore da aria esausta o solare, esso richiede un consumo di energia primaria e il  diventa parecchio alto.

 

4.5. Raffrescamento estivo ad energia solare ad assorbimento

Le macchine ad assorbimento sono le macchine frigorifere maggiormente diffuse a livello mondiale.

Le soluzioni liquido refrigerante – liquido assorbente e una fonte di calore elevate sostituiscono il compressore elettromeccanico con tre conseguenze dirette per quanto riguarda il tipo di impianto:

1) elevata vita utile (assenza delle parti in movimento dei compressori);

2) bassa rumorosità dell’impianto e assenza di vibrazioni;

3) ridotti valori di energia elettrica richiesti.

La soluzione liquida impiegata è HO/LiBr (acqua e bromuro di litio). Tale soluzione è impiegata per gli utilizzi tipici del settore del condizionamento, con acqua refrigerata ad una temperatura al di sopra degli 0 °C. Generalmente un consumo elettrico è comunque presente e dovuto alla pompa interna, che comunque consuma una limitata quantità di energia elettrica.

Durante il funzionamento di una macchina con ciclo ad assorbimento HO/LiBr, deve essere evitata la cristallizzazione della soluzione, utilizzando un sistema di controllo della temperatura interna in corrispondenza del circuito di raffreddamento.

 

Lo schema illustra i principali componenti di una macchina frigorifera ad assorbimento.

 

Schema qualitativo del funzionamento di una macchina ad assorbimento

L’effetto frigorifero si basa sull’evaporazione del refrigerante (acqua) all’interno dell’evaporatore ad una pressione molto bassa. Il refrigerante evaporato viene assorbito nell’assorbitore, diluendo la soluzione HO/LiBr.

Per rendere efficiente il processo di assorbimento, la soluzione diluita deve essere raffreddata. La soluzione viene continuamente pompata nel generatore, all’interno del quale viene rigenerata attraverso la fornitura di calore (ad esempio, con acqua calda). Il refrigerante che esce dal generatore viene condensato nel condensatore attraverso acqua di raffreddamento e da qui ritorna all’evaporatore passando attraverso una valvola di espansione.

Le potenze frigorifere tipiche delle macchine ad assorbimento sono dell’ordine di parecchie centinaia di kW. Queste macchine vengono alimentate con calore proveniente da una rete di teleriscaldamento, da calore di recupero o da calore cogenerativo. La temperatura richiesta per la sorgente calda è normalmente superiore agli 80 °C per macchine a singolo effetto ed il Coefficiente di Performance (COP) si mantiene in un range compreso tra 0,6 e 0,8. Le macchine a doppio effetto con due stadi di generazione richiedono temperature di funzionamento al di sopra dei 140 °C, ma il COP, in questi casi, può raggiungere valori prossimi a 1,2. Non sono molte le macchine ad assorbimento con capacità inferiore ai 50 kW. E’ un limite importante negli impianti di condizionamento ad energia solare, infatti, spesso sono proprio richieste macchine di taglie piccole. Gli svantaggi delle macchine ad assorbimento possono essere quindi riassunti con:

- una potenza richiesta molto elevata;

- Coefficienti di Performance non particolarmente elevati.

 

4.6. Raffrescamento estivo ad energia solare ad adsorbimento

Nelle macchine ad adsorbimento, in alternativa alle soluzioni liquide, vengono impiegati materiali assorbenti solidi: in generale acqua come refrigerante e silica gel come assorbente.

Le macchine sono realizzate con due compartimenti assorbenti, un evaporatore e un condensatore. Quando l’assorbente nel primo compartimento è rigenerato utilizzando acqua calda da una fonte di calore esterna (i collettori solari), l’assorbente nel secondo compartimento (adsorbitore) adsorbe il vapore d’acqua proveniente dall’evaporatore.

Per rendere il fenomeno dell’adsorbimento continuo, quest’ ultimo compartimento deve essere raffreddato.

Schema qualitativo del funzionamento di una macchina ad adsorbimento

A questo punto l’acqua presente nell’evaporatore, recuperando calore dal circuito di acqua esterna, si trasforma nella fase gassosa e avviene la produzione di freddo. Se la capacità refrigerante si riduce oltre ad un certo limite a causa della saturazione dell’assorbente, il funzionamento delle due camere si inverte.

Ad oggi la produzione di macchine frigorifere ad adsorbimento riguarda solo poche aziende asiatiche.

Le condizioni operative con una temperatura di alimentazione della sorgente calda di circa 80 °C consentono di raggiungere un COP pari a circa 0,6, pur se il funzionamento delle macchine è comunque garantito anche a temperature pari a 60 °C.

Le potenze frigorifere di queste macchine variano tra i 50 e i 500 kW.

 

I principali vantaggi sono costituiti da:

- la semplicità costruttiva;

- la loro robustezza;

- il limitato consumo elettrico (non è prevista una pompa all’interno).

Non sussiste alcun pericolo per la cristallizzazione e, di conseguenza, non esistono limiti per la temperatura dell’acqua di raffreddamento.

Gli svantaggi invece sono costituiti da:

- le dimensioni che non sono trascurabili;

- l’ingombro in termini di peso.

Inoltre, a causa del numero limitato di produttori, il prezzo delle macchine frigorifere ad adsorbimento è relativamente elevato. Per le future generazioni di queste macchine è auspicabile un miglioramento delle prestazioni degli scambiatori di calore all’interno dei due compartimenti e una conseguente riduzione del loro peso e del loro volume.

4.7. Raffrescamento estivo ad energia solare desiccant cooling

Il desiccant cooling (raffreddamento con sostanze essiccanti) è, come precedentemente indicato, un sistema basato su ciclo aperto, che impiegando come refrigerante acqua ha come risultato la produzione di aria condizionata.

Il ciclo di raffreddamento è generato termicamente da una combinazione dello sfruttamento del principio di raffreddamento evaporativo e dalla deumidificazione dell’aria per mezzo di un materiale igroscopico, ovvero da un assorbente.

Per questa applicazione possono essere utilizzati materiali liquidi o solidi. Il termine “aperto” indica che il refrigerante, trasferito all’ambiente dopo aver subito il trattamento di raffreddamento, viene integrato da un altro refrigerante in un ciclo continuo. Per questo motivo l’unico mezzo refrigerante a poter essere utilizzato è l’acqua, dal momento che il refrigerante entra direttamente in contatto con l’aria atmosferica.

In sintesi le caratteristiche degli impianti di dessicant cooling sono le seguenti:

- lo scopo è il trattamento dell’aria (con i conseguenti limiti di applicazione edilizia);

- il trattamento riguarda il calore sensibile ma anche latente con un miglioramento dovuto al

controllo e al trattamento dell’aria per il raggiungimento delle condizioni di comfort

igrotermico ambientale;

- non sono presenti in tale macchina i sistemi convenzionali di compressione con ovvie

ricadute sulla riduzione dei consumi elettrici e della rumorosità.

Ad oggi si impiegano le ruote ad essiccanti, che utilizzano silica gel oppure cloruro di litio come materiale assorbente. Diverse industrie in tutto il mondo producono tali prodotti e i rotori sono disponibili in una vasta gamma di dimensioni.

Per quanto riguarda altre possibilità si segnalano:

- sistemi a letto fisso (poche realizzazioni, solo alcuni impianti pilota);

- sistemi ad essiccante liquido (pochi impianti pilota).

 

 

 

4.7.1 Sistemi essiccanti con sostanze solide

L’aria calda e umida, ovvero con un elevato calore latente e sensibile proveniente dall’ambiente condizionato, attraversa una ruota essiccante che gira lentamente. L’assorbitore recupera parte dell’acqua contenuta nell’aria deumidificandola. L’aria riscaldata dal processo di assorbimento attraversa uno scambiatore di calore rotante, cedendo il suo calore e quindi pre-raffreddandosi. Successivamente l’aria viene umidificata e quindi raffreddata da un sistema di umidificazione, in funzione della temperatura e dell’umidità richieste. L’aria di ripresa proveniente dagli ambienti

viene umidificata fino a raggiungere il punto di saturazione, in modo da recuperare il massimo potenziale di raffreddamento e garantire così un funzionamento efficiente del recuperatore di calore. La ruota assorbente deve essere rigenerata utilizzando calore a temperatura relativamente bassa (50- 75 °C), per garantire continuità al processo di deumidificazione.

Nell’impianto solare che fornisce l’energia termica al sistema possono essere utilizzati collettori solari piani. L’impianto può essere costituito da collettori solari ad acqua e da un accumulo termico utile per estendere il periodo di utilizzo dell’impianto stesso. Questa configurazione richiede l’impiego aggiuntivo di scambiatori di calore acqua/aria che devono essere collegati al sistema ad aria. Una soluzione alternativa, certamente più economica, consiste nella fornitura del calore necessario per la rigenerazione attraverso collettori solari ad aria.

 

4.7.2 Sistemi essiccanti con sostanze liquide

Un recente sviluppo, prossimo alla commercializzazione, è quello dei sistemi di desiccant cooling che utilizzano come sostanza assorbente una soluzione liquida acqua/cloruro di litio. Questi sistemi offrono diversi vantaggi come, ad esempio, un più elevato livello di deumidificazione a parità di temperatura di alimentazione del vettore termico, rispetto ai sistemi che utilizzano sostanze solide e inoltre la possibilità di immagazzinare molta energia attraverso sistemi di stoccaggio della soluzione concentrata.

Questa tecnologia è un’opzione interessante, nell’immediato futuro, per il settore degli impianti di condizionamento ad energia solare.

 

5. CENNI SUI CRITERI DI PROGETTAZIONE

Sono possibili diverse tipologie di impianto per il condizionamento dell’aria, che differiscono per il tipo di fluido refrigerante e per il tipo di distribuzione delle reti:

Mezzo termovettore aria:

La soluzione tecnologica è la costruzione di un impianto centralizzato con sistema di ventilazione realizzato per mezzo di canalizzazioni nell’intero edificio.

Mezzo termovettore acqua refrigerata:

In questo caso, la soluzione tecnologica è la realizzazione di un impianto centralizzato con una macchina refrigerante; il liquido acqua refrigerato viene distribuito con adeguata rete di distribuzione per tutto l’edificio.

Mezzo termovettore aria e acqua:

E’ necessario un impianto centralizzato con macchina di refrigerazione e di ventilazione; all’interno dell’intero edificio vi sono le reti distributive per aria e acqua.

 

6. CONCLUSIONI

 

6.1 Prospettive di mercato

In Italia è presente il più vasto mercato di condizionatori d’ aria d’Europa. Tale mercato è addirittura in crescita e quindi apre consistenti prospettive nell’ambito del solar cooling. In parallelo, sia il mercato europeo che quello italiano del solare termico sono in espansione (26% di crescita nel 2006) e ciò potrebbe quindi rappresentare un’ulteriore possibilità di sviluppo.

Una delle problematiche principali che frenano lo sviluppo del solar cooling è la posizione attendista degli operatori del mercato del condizionamento, posizione dettata dall’esiguità del numero dei sistemi realizzati finora.

In tal senso non risultano presenti sul nostro territorio attività e investimenti a lungo termine da parte del comparto produttivo.

Vi è inoltre una mancanza di politiche di sviluppo industriale e di ricerca, a differenza di altri paesi come la Germania e la Spagna.

Infine, la tecnologia non è ancora conosciuta appieno dal mondo professionale e il costo complessivo è ancora elevato data la marginale diffusione di tali impianti.

Concludendo, le potenziali prospettive di crescita sono ampie, ma frenate dall’attuale comparto industriale nazionale e dall’assenza di politiche nazionali adeguate. L’iniziativa è lasciata ai singoli produttori e le realizzazioni si sintetizzano in pochi impianti sul territorio.

E’ quindi auspicabile la definizione di incentivi e la realizzazione di campagne di informazione per poter sviluppare questa tecnologia.

 

6.2 Ricerca e sviluppo

Per quanto riguarda il campo dell’edilizia, gli attuali sforzi di ricerca e sviluppo sono indirizzati in due direzioni:

1) miglioramento delle prestazioni energetiche delle macchine e quindi aumento dell’efficienza;

2) sviluppo di macchine che servano potenze ridotte (< 20kW) per ampliare l’attuale segmento di mercato e quindi una conseguente riduzione dei prezzi.

Per quanto riguarda il secondo punto, attualmente le macchine presenti sul mercato partono generalmente da potenze superiori a 35 kW; tale elevata potenza si scontra con la necessità di servire invece l’edilizia residenziale comprendente ville monofamiliari, villette a schiera e palazzine di media grandezza. Ad oggi, le applicazioni tipiche rimangono il piccolo commerciale e l’edilizia del terziario.

Per quanto riguarda la ricerca, in particolare, i temi da sviluppare sono la realizzazione di macchine di piccola taglia, ma anche la messa a punto di adeguati strumenti di progettazione per ottimizzarne l’efficienza (come segnalato dal punto 1): software dedicati, chiarezza dei risultati e limiti di applicazione.

In Italia, i soggetti coinvolti attualmente nella ricerca sono le ditte produttrici e le università, in particolare il Politecnico di Milano e l’Università degli Studi di Palermo.