Solar cooling ad accumulo freddo con PCM: analisi di funzionamento e ottimizzazione

Lo scopo dell’accumulo di freddo è quello di introdurre uno scarto in termini di tempo tra la produzione di freddo tramite la macchina frigorifera e la sua utilizzazione per la climatizzazione. Questa differenza temporale può essere di alcune ore, ma può essere anche di alcune settimane o addirittura mesi a seconda del caso che si tratti di un accumulo giornaliero o di un accumulo stagionale.
La diffusione degli accumuli di freddo iniziò negli Stati Uniti per limitare i forti picchi estivi nella domanda di energia elettrica legati alla capillare diffusione del condizionamento degli edifici. Anche in Italia l'evoluzione dei consumi ha spostato, negli ultimi anni, nella stagione calda le criticità del sistema elettrico e le ore di punta delle fasce orarie. Il disaccoppiamento della produzione del freddo dal suo consumo è un tema oggi di grande interesse per moltissime utenze a causa del passaggio a tariffazione multi-oraria non solo della maggioranza dei contratti in media tensione, ma anche di parte di quelli in bassa tensione.
L’utilizzo dell’accumulo freddo, per l’impianto di solar cooling, è utilizzato non solo per ottenere vantaggi da un sistema tariffario multi-orario, ma anche per risolvere i problemi di discontinuità della macchina ad assorbimento (anche durante i periodi di manutenzione), in quanto il regime intermittente può essere molto penalizzante. Influendo positivamente sulle prestazioni della macchina, l’accumulo freddo permette di installare impianti con minori potenze frigorifere installate. E’ interessante inoltre sottolineare come in realtà le inefficienze insite negli accumuli giornalieri non implichino necessariamente uno spreco energetico in quanto, ad esempio, si possono ottenere COP più elevati derivanti da un funzionamento delle macchine frigorifere più regolare grazie a minor esigenze di modulazione.
Di particolare interesse risulta essere uno studio di Bo He e F. Setterwall nel quale si conclude che i principali vantaggi di un accumulo freddo sono:
- la riduzione del costo operativo dell’impianto;
- un funzionamento meno intermittente della macchina ad assorbimento;
- la riduzione della taglia dell'equipaggiamento per il raffreddamento;
- l’aumento della flessibilità operativa.

In accordo con R. Lazzarin nel prevedere un accumulo freddo bisogna per prima cosa studiarne il dimensionamento, il quale dipende sia dal profilo di carico richiesto sia da quello che è il ruolo che si vuole l’accumulo svolga. Conoscere il carico massimo richiesto non è sufficiente per un buon dimensionamento, è infatti necessario conoscere il profilo del carico durante le 24 ore. Spesso è proprio la variabilità di quest’ultimo a rendere conveniente l’utilizzo di un sistema di accumulo freddo.
Una prima possibilità è quella di dimensionare l’accumulo in modo tale da soddisfare la domanda con la minima capacità frigorifera installata. In questo modo la macchina frigorifera viene fatta funzionare 24 ore al giorno con una capacità frigorifera tale da soddisfare esattamente la domanda totale. Il vantaggio di questo tipo di configurazione consiste nel fatto che è possibile l’installazione di macchine frigorifere di potenze inferiore. Non si trae tuttavia vantaggio da una tariffazione di tipo multi-oraria e per questo non viene quasi mai utilizzata.
Ciò che si cerca di fare è minimizzare o addirittura annullare il consumo di energia elettrica (nel caso del solar cooling quella utilizzata come fonte ausiliaria) nelle fasce orarie in cui risulta essere più costosa.
In questo caso è evidente che la macchina frigorifera installata dovrà avere una capacità installata maggiore rispetto al caso precedente.
Nel caso reale ciò che viene fatto è un compromesso tra queste due scelte cercando per esempio di non spegnere completamente la macchina frigorifera durante certe ore della giornata, ma operando in parzializzazione.
Queste considerazioni vanno fatte sulla base di quello che è il profilo teorico di carico richiesto durante l’arco della giornata. Nel momento in cui si passa a considerare il caso reale accade che strategie di accumulo parziale possano trasformarsi in totale e viceversa.