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SOMMARIO
Il presente lavoro si occupa dello studio e dell’analisi di impianti solar cooling.
Il capitolo 1 è un’introduzione al solar cooling: viene illustrata la situazione attuale circa
la diffusione di questa tecnica e vengono presentati i vari elementi di questo impianto.
Nel capitolo 2 vengono analizzati e classificati gli accumuli a cambiamento di fase.
Nel capitolo 3 si introduce il modello con accumulo sensibile caldo, spiegando le varie
componenti e le type utilizzate con il programma Trnsys.
Nel capitolo 4, dopo un’introduzione sui carichi e sugli indici ricavati, si analizza il
comportamento dell’impianto al variare dell’area e dell’inclinazione dei collettori, del
volume dell’accumulo e del tipo di collettori.
Nel capitolo 5 viene illustrato un impianto solar cooling con accumulo freddo. Dopo
un’introduzione e la spiegazione del modello con accumulo freddo sensibile, viene
analizzato il comportamento di questo impianto al variare dei parametri principali.
Nel capitolo 6 si illustrata e si studia il comportamento del sistema solar cooling con
accumulo freddo, ma con un accumulo a cambiamento di fase al posto di un accumulo
sensibile.
Nel capitolo 7 si evidenziano le differenze energetiche ed economiche tra diversi tipi di
impianto e l’impianto solar cooling con accumulo freddo latente. Si analizza quando
tale sistema risulta conveniente.
Nel capitolo 8 si ripete l’analisi fatta in precedenza ma con i carichi tripli, cercando di
ottimizzare l’impianto e cercando di capire le differenze con il precedente studio.
Le considerazioni generali sullo studio illustrano i problemi e le criticità affrontate
durante il lavoro e le conclusioni riassumono le principali considerazioni fatte nei
capitoli precedenti.
Nell’appendice si illustra il modello entalpico alla base della type 860, utilizzata per
simulare l’accumulo a cambiamento di fase.
1
CAPITOLO 1
ELEMENTI DI UN IMPIANTO SOLAR COOLING
1.1 LA PRODUZIONE DEL FREDDO
La produzione di freddo è richiesta generalmente da due principali applicazioni: la
refrigerazione ed il condizionamento dell’aria.
Nei paesi sviluppati la refrigerazione delle derrate alimentari ed il condizionamento
vanno ad incidere in modo sempre più rilevante nel fabbisogno energetico
complessivo. La necessità di produrre freddo sarebbe inoltre ancor più sentita nei paesi
in via di sviluppo, poiché la mancanza di una refrigerazione adeguata implica ingenti
perdite nelle derrate alimentari e poiché l’elevato livello termico negli ambienti
lavorativi è causa di ridotti rendimenti nelle attività.
In questo progetto si focalizza l’attenzione su impianti solar cooling utilizzati non tanto
per la refrigerazione, che come appena accennato ha un ruolo di grande importanza
nella conservazione delle derrate alimentari, quanto per il condizionamento dell’aria. Il
condizionamento dell’aria ha lo scopo di fornire condizioni ambientali confortevoli,
identificabili in certi intervalli di temperatura ambientale, umidità relativa e purezza
dell’aria.
Il condizionamento tramite metodi tradizionali implica l’utilizzo di una grande quantità
di energia. In accordo con quanto affermato da R. Lazzarin
1
il condizionamento non
può tuttavia essere considerata un lusso, ma una vera e propria necessità, quantomeno
nelle attività industriali e commerciali o in certe tipologie di servizi come negli ospedali.
All’interno dell’Unione Europea nel 2003 l’energia consumata per il riscaldamento ed il
raffreddamento rappresentava il 25% dell’energia totalmente consumata. Nel 2003 solo
il 7% di tale percentuale rappresentava l’energia richiesta per il raffrescamento, tuttavia
1
Lazzarin R., 1983, “L'Energia solare e la produzione del freddo”, Editore: Elsevier
2
già da allora in Italia il picco di potenza elettrica richiesto nei periodi estivi era cresciuto
fino ad eguagliare il picco di potenza elettrica nei periodi invernali (vedere grafico
sottostante).
GRAFICO 1.1: Evoluzione storica della potenza di picco invernale ed estiva in Italia
2
Il condizionamento estivo risulta essere sempre più richiesto sia per quanto riguarda
edifici privati, sia per quanto riguarda edifici industriali, specialmente nei Paesi del Sud
Europa (Italia, Spagna, Grecia e Portogallo), tuttavia l’utilizzo del raffrescamento è in
crescita anche nei paesi nordici a causa non solo del riscaldamento globale, ma
soprattutto a causa dell’aumento del peso dei guadagni interni in edifici sempre più
isolati e, nel caso del terziario, a causa dell’utilizzo di ampie superfici vetrate che
contribuiscono al riscaldamento degli ambienti.
E’ facile quindi capire come l’utilizzo dell’energia solare nel campo del raffrescamento
possa contribuire in modo significativo a prevenire un drastico aumento del consumo
di energie convenzionali nonché a ridurre le emissioni di anidride carbonica.
Quest’ultimo aspetto assume una particolare importanza se messo in relazione ad
alcuni accordi internazionali come il “Protocollo di Kyoto” o l'impegno UE di portare
l'impiego delle energie rinnovabili al 20% e di ridurre del 20% le emissioni di gas a
effetto serra entro il 2020. Oltre che da un punto di vista energetico l’utilizzo
dell’energia solare per il condizionamento potrebbe divenire via via interessante anche
da un punto vista economico poiché il continuo aumento dei prezzi dell'energia
2
Lazzarin R.,2010, “Appunti per il corso di gestione dell’energia”.
3
proveniente da fonti fossili, come il petrolio, impone la ricerca di fonte energetiche
alternative.
1.2 IMPIANTI SOLAR COOLING IN EUROPA
In questo progetto si focalizza l’attenzione su impianti di tipo solar cooling, adatti, come
suggerisce il nome stesso, alla produzione di freddo a partire dall’utilizzo di energia
solare.
Anche se la tecnologia del solar cooling viene studiata ormai da diversi anni si può dire,
in accordo con quanto affermato da T. Mateus e C. Oliveira
3
, che la sua applicazione è
ancora in fase embrionale, o quasi. Basti pensare che una ricerca della “European
Thermal Solar Industry Federation” dimostrò che nel 2006 gli impianti solar cooling
installati in Europa erano meno di un centinaio e un anno prima erano solo 67,
concentrati in gran parte in Germania. Di questo centinaio il 60% erano impianti solar
cooling adibiti alla climatizzazione di uffici, il 10% alla climatizzazione di stabilimenti
produttivi, il 6% alla climatizzazione di alberghi e la rimanente percentuale al
raffrescamento di altri stabilimenti come centri sportivi, scuole o ospedali.
4
Il grafico 1.2 mostra come gli impianti solar cooling installati nel 2007 fossero distribuiti
in Europa e nel Mondo. Va evidenziato come in Italia, nonostante le esigenze di
raffrescamento siano elevate, il numero di impianti solar cooling installati fosse meno
della metà di quello in Germania. E’ inoltre interessante notare come la maggioranza
degli impianti installati in Italia siano stati classificati come impianti di grande scala.
Come evidenziato nel grafico 1.3, dal 2004 si è assisto in Europa ad una crescita
nell’installazione degli impianti solar cooling, e questo anche grazie all’ingresso sul
mercato di nuovi produttori. Al giorno d’oggi è possibile trovare impianti delle più
diverse dimensioni, dai più piccoli adatti all’utilizzo familiare ad impianti con potenze
3
Mateus T. e Oliveira C., 2008, “Energy and economic analysis of an integrated solar absorption cooling
and heating system in different building types and climates”
4
IEA, 2007, “Overview on world wide installed solar cooling system”
4
via via crescenti fino a quelli adatti al raffrescamento di centri commerciali. La maggior
parte degli impianti copre potenze di raffrescamento che vanno dai 10 kW ai 30 kW.
GRAFICO 1.2: Numero di impianti solar cooling installati in Europa e nel Mondo nel 2007
5
Si precisa che, a rendere interessanti questi impianti anche da un punto di vista
economico oltre che da un punto di vista energetico, sia la possibilità di estendere il
loro utilizzo a tutto l’arco dell’anno grazie al fatto che i collettori solari possono
contribuire non solo alle esigenze di raffrescamento estivo, ma anche a quelle di
riscaldamento invernale.
GRAFICO 1.3: Evoluzione del numero di impianti installati in Europa e nel Mondo
6
5
IEA, 2009, “State of the Art on Existing Solar Heating and Cooling Systems”
6
IEA, 2009, “State of the Art on Existing Solar Heating and Cooling Systems”
5
1.3 IMPIANTO SOLAR COOLING E SUE COMPONENTI
Esistono due grandi famiglie di impianti solar cooling: gli impianti a ciclo chiuso e gli
impianti a ciclo aperto.
I primi hanno come componente principale macchine ad adsorbimento solido o ad
assorbimento liquido, le quali, alimentate da energia termica, producono acqua
refrigerata da inviare ai terminali di distribuzione. I secondi invece operano un
trattamento diretto dell’aria ambiente mediante l’impiego di ruote essiccanti o sistemi
ad essiccamento liquido, rigenerati mediante l’energia termica proveniente dai
collettori solari.
In questo studio verranno considerati i soli impianti solar cooling a ciclo chiuso. Essi
vengono realizzati, come già anticipato, con macchine frigorifere ad assorbimento e in
misura minore con macchine frigorifere ad adsorbimento. Queste macchine possono
produrre acqua refrigerata alla temperatura di circa 7 °C partendo da acqua calda
proveniente dai collettori solari alla temperatura di 80-100 °C. L’acqua refrigerata,
attraverso un sistema di tubazioni, viene distribuita ai terminali di raffrescamento (ad
esempio ventilconvettori) dislocati nei locali da climatizzare. Il vantaggio dei sistemi a
ciclo chiuso consiste nella possibilità di realizzare l’impianto con qualsiasi tipo di rete di
distribuzione, sia ad aria che ad acqua.
Su 66 impianti analizzati in Europa dall’IEA, 56 funzionano con macchina ad
assorbimento e 10 con macchina ad adsorbimento. A tal riguardo si specifica che,
mentre in Gemania le macchine maggiormente utilizzate risultano essere le macchine
ad adsorbimento, in Italia e in Spagna la quasi totalità delle macchine installate sono
macchine ad assorbimento.
Viene in seguito rappresentato uno schema semplificato di un impianto solar cooling a
ciclo chiuso con macchina ad assorbimento. L’obiettivo di questa rappresentazione è
solamente quello di evidenziare i principali elementi presenti:
i collettori solari;
l’accumulo termico (caldo e/o freddo);
6
la macchina frigorifera (con eventuale torre evaporativa).
Nei paragrafi successivi ciascuno di questi elementi verrà spiegato in maggior dettaglio.
FIGURA 1.1: Schema semplificato di un impianto Solar Cooling
7
1.3.1 LA MACCHINA FRIGORIFERA
I sistemi più diffusi per la produzione del freddo sono quelli funzionanti secondo un
ciclo a vapore nei quali il freddo viene prodotto grazie all’evaporazione di un fluido.
Esistono due grandi famiglie di cicli a vapore, i cicli a compressione, che necessitano di
energia meccanica per la compressione, ed i cicli ad assorbimento. La maggioranza
degli impianti solar cooling appartiene alla seconda famiglia quindi in seguito si
riassumeranno brevemente le principali caratteristiche di questa tipologia.
Gli impianti solar cooling con macchine ad assorbimento si differenziano in base al tipo
di ciclo della macchina ad assorbimento utilizzata. In accordo con ENEA
8
le macchine ad
assorbimento attualmente in commercio sono:
7
Panos Coroyannikis “Solar cooling-Condizionamento Solare”,2008
8
ENEA, 2010, “Studio preliminare e realizzazione di un prototipo reversibile di macchina ad
assorbimento da 18 kw con alimentazione ad acqua calda da adibire al solar cooling and heating”
7
- macchine ad Acqua-Bromuro di Litio a singolo effetto. Queste macchine
necessitano tipicamente di acqua calda a 80-100°C per il loro azionamento. Le
prestazioni frigorifere (COP) di queste macchine sono pari a 0.7 rispetto al
calore di alimentazione. Lo smaltimento del calore prodotto dal ciclo
termodinamico avviene a temperature di 30-40 °C e pertanto per il loro
funzionamento è indispensabile una torre evaporativa, che comporta ingombri
e consumi aggiuntivi e potenziali pericoli per colture batteriche.
- macchine ad Acqua-Bromuro di Litio a doppio effetto. Molto simili alle
precedenti, di cui sono la versione ad alta efficienza, presentano COP frigoriferi
molto elevati, pari a circa 1.1, necessitano di acqua calda o vapore a circa 160
°C, producibili soltanto con più costosi pannelli solari a medio - alta
concentrazione.
- macchine ad Acqua-Ammoniaca. Da poco prese in considerazione per il Solar
Cooling, hanno un COP frigorifero 0.6 - 0.7 e richiedono temperature di
funzionamento di circa 190 °C. I vantaggi aggiuntivi di queste macchine
consistono nel poter funzionare senza bisogno di torri evaporative, e
soprattutto nella reversibilità del funzionamento. La stessa macchina può
funzionare anche per il riscaldamento invernale permettendo comunque un
risparmio di combustibile pari a circa il 50% rispetto alle caldaie tradizionali ad
alta efficienza, in assenza di sole. Macchine di nuova concezione (come quella
che verrà considerata nei capitoli successivi) possono richiedere temperature di
azionamento minori a vantaggio del costo e dell’ efficienza dei pannelli solari.
Come già accennato nei cicli ad assorbimento l’effetto frigorifero si ottiene grazie
all’evaporazione a ridotta temperatura di un fluido. A differenza del ciclo a
compressione il vapore viene assorbito da una sostanza avente un’elevata affinità con
la sostanza refrigerante. A quel punto la miscela viene pompata ad una pressione
superiore e, grazie al calore fornito da una sorgente esterna, avviene la separazione del
vapore dalla soluzione. Il vapore viene quindi fatto condensare alla temperatura
ambiente e il liquido può tornare all’evaporatore.
8
Le coppie assorbente-refrigerante che hanno trovato maggior utilizzo sono, come già
accennato, acqua-ammoniaca e bromuro di litio-acqua. In particolare la coppia che
attualmente risulta essere più utilizzata negli impianti di tipo solar cooling è la seconda.
Il LiBr è un sale caratterizzato da una elevata affinità con l’acqua e di conseguenza è in
grado di assorbire facilmente il vapore.
FIGURA 1.2: Schema di una macchina ad assorbimento
9
Gli elementi principali che consentono di ottenere un ciclo di vapore ad assorbimento
sono l’assorbitore, l’evaporatore, il condensatore e il generatore.
Il recipiente dell’evaporatore contiene acqua mentre il recipiente dell’assorbitore
contiene una miscela di acqua e LiBr (o ammoniaca). Questi due contenitori si trovano
a pressione ridotta e quindi l’evaporazione dell’acqua può avvenire a basse
temperature (anche a 5 °C). Nel momento in cui si forma vapore l’evaporatore si trova a
pressione e temperatura superiore rispetto all’assorbitore e quindi il vapore viene
assorbito dalla soluzione e del nuovo vapore si può formare. Com’ è facilmente
intuibile questo tipo di processo non può essere continuo per due motivi:
In primo luogo risulta essere un processo esotermico dove il calore generato
dalla condensazione del vapore d’acqua viene assorbito dalla soluzione che
quindi aumenta di temperatura rendendo meno efficace l’assorbimento;
9
http://www.fullsolar.it
9
In secondo luogo il vapore d’acqua va a diluire la soluzione inibendo sempre di
più il processo.
Per queste due ragioni la soluzione diluita viene quindi pompata ad un generatore a
pressione superiore dove, grazie alla fornitura di calore, avviene la separazione del
vapore d’acqua dal concentrato di LiBr. A tal punto il concentrato, dopo essere stato
raffreddato grazie ad uno scambio termico con la soluzione in uscita dall’assorbitore,
può tornare all’assorbitore.
Il vapore d’acqua separato dalla soluzione viene invece inviato al condensatore che
deve essere adeguatamente raffreddato per consentire la condensazione. L’acqua viene
infine inviata all’evaporatore chiudendo così il ciclo.
Il coefficiente di effetto utile (COP) è un coefficiente che consente di valutare le
prestazioni di una macchina frigorifera identificando il rapporto tra l’effetto frigorifero
prodotto e l’input energetico necessario. In particolare, in una macchina frigorifera ad
assorbimento, come input energetico si considera la quantità di calore fornita ad una
temperatura maggiore rispetto all’ambiente esterno.
FORMULA 1.1
Figura 1.3: Schema di funzionamento della macchina ad ad
assorbimento
10
Dove:
Q
0
= effetto frigorifero prodotto;
Q
g
= calore fornito al generatore della macchina ad assorbimento;
E’ interessante sottolineare come, considerando ideali tutte le trasformazioni, il COP
dipenda esclusivamente dalle temperature caratteristiche del ciclo, ovvero la
temperatura dell’evaporatore, quella del condensatore e quella del generatore
(considerando per semplicità la temperatura dell’assorbitore uguale alla temperatura
del condensatore).
FORMULA 1.2
Dove:
- T
g
= temperatura di alimentazione del generatore.
- T
0
= temperatura di alimentazione dell’evaporatore;
- T
1
= temperatura di alimentazione del condensatore.
1.3.2 I COLLETTORI SOLARI
Altro elemento fondamentale dell'impianto è il collettore solare che serve a captare
energia solare sotto forma di energia termica da trasferire poi al generatore della
macchina ad assorbimento.
Esistono varie tipologie di collettori solari ma i collettori in assoluto più utilizzati
risultano essere i collettori piani ed i collettori a tubi evacuati.
I collettori piani possono essere realizzati utilizzando geometrie particolari come la
geometria a nido d'ape, nella quale la presenza di celle di materiale trasparente al
11
visibile ma non all'infrarosso riduce sia le perdite per radiazione sia quelle per
dispersione. Un collettore piano nella disposizione più semplice è composto da:
- una piastra metallica assorbente avente lo scopo di raccogliere l'energia solare e
trasferirla ad un fluido termovettore (acqua o una miscela di acqua o antigelo).
Essa è costituita da una sottile piastra di metallo termicamente conduttivo
(normalmente di rame o in lega rame-alluminio oppure in acciaio al nickel-
cromo), verniciata o trattata con uno strato di materiale selettivo per avere un
elevato grado di assorbimento della radiazione solare e per ridurre le perdite di
calore verso l’esterno;
- uno strato di materiale isolante per limitare le dispersioni termiche nella parte
inferiore del collettore;
- una o più coperture trasparenti con il compito di trasmettere bene la radiazione
solare e di essere opache per la radiazione emessa dalla piastra riscaldante.
FIGURA 1.7: Collettore solare piano
La caratteristica distintiva dei collettori a tubi evacuati è che all’interno viene realizzato
un livello di vuoto elevato che consente di eliminare le dispersioni per convenzione. Le
dispersioni per radiazione vengono invece ridotte ricorrendo a superfici selettive (cioè
trasparenti alla radiazione solare e opache alla radiazione infrarossa). La geometria
tubolare serve a risolvere la questione dell'elevata pressione dovuta al vuoto. I vantaggi
di questa tecnologia rispetto ai più tradizionali collettori piani sono:
- le limitate perdite termiche;
12
- l'elevata temperatura di esercizio durante gran parte dell'anno;
- l'elevato rendimento con minore necessità di superficie;
- l'elevato assorbimento anche con luce diagonale grazie alla forma circolare.
FIGURA 1.6: Collettore solare a tubi evacuati
Un particolare tipo di collettore a tubi evacuati è il CPC (Compound Parabolic
Concentrator) che presenta dei riflettori a forma di parabola appositamente studiati
per concentrare i raggi solari sulla parte del tubo direttamente esposta al sole. In
questo modo i CPC sono in grado di assorbire una elevata radiazione sia quando il sole
irradia perpendicolarmente sia quando si trova con elevate inclinazioni (come al
mattino e alla sera).
La tipologia di collettori installati negli impianti solar cooling variano da impianto ad
impianto e da paese a paese. Il grafico a seguire evidenzia quali sono i tipi di collettori
solari maggiormente utilizzati negli impianti solar cooling presenti in Europa e nel
Mondo. Da notare come in Italia il 50% dei collettori installati siano piani e il 48% siano
a tubi evacuati.
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