Capitolo 5 SISTEMI PER LA CLIMATIZZAZIONE SOLARE IN COMMERCIO

Capitolo 5

SISTEMI PER LA CLIMATIZZAZIONE SOLARE IN

COMMERCIO

In passato sono stati studiati numerosi e svariati metodi per il miglior utilizzo dei sistemi di riscaldamento e la riduzione delle temperature negli ambienti durante la stagione estiva. Questi ultimi basati su tecnologie di raffrescamento passivo e a basso consumo di energia, che, nella progettazione e nei componenti, sono finalizzati al contenimento dei guadagni termici o solari o comunque all’abbattimento del calore. Misure che contribuiscono a ridurre i picchi estivi di richiesta di energia elettrica per il condizionamento. Infatti in estate la richiesta di elettricità cresce a fronte dell’utilizzo intensivo degli impianti di climatizzazione e ciò non fa che accrescere i problemi legati alla fornitura di energia, per questo l’utilizzo dell’energia solare per il raffrescamento degli edifici risulta essere un’ipotesi non priva di attrattive.

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.

Nonostante ciò e nonostante il fatto che il mercato degli impianti di climatizzazione ad energia solare abbia ottime potenzialità di sviluppo, gli attuali sistemi non sono sufficientemente competitivi rispetto agli impianti tradizionali ad energia elettrica o a gas. Questa disparità dipende soprattutto dall’alto costo di investimento iniziale e dai bassi prezzi dei combustibili convenzionali. Una auspicabile inversione di tendenza può essere favorita da un’azione di contenimento dei costi delle differenti componenti, dai collettori solari ai generatori, e dal miglioramento delle loro prestazioni.

5.1 Impianti di raffrescamento

sistema più idoneo da applicare al caso in questione, anche perché parecchie soluzioni non sono disponibili in commercio: quindi la scelta ricade giocoforza sui sistemi ad assorbimento oppure ad adsorbimento.

Le macchine ad assorbimento sono le macchine frigorifere alimentate da vettori termici più diffuse a livello mondiale. Attraverso la combinazione di una soluzione liquido refrigerante /assorbente e di una fonte di calore è possibile sostituire il compressore elettromeccanico. Per gli utilizzi tipici del settore del condizionamento, con acqua refrigerata ad una temperatura al di sopra degli 0°C, come refrigerante viene utilizzata una soluzione liquida H2O – LiBr. Diverse macchine utilizzano una

pompa interna, che consuma una limitata quantità di energia elettrica. Le potenze frigorifere tipiche delle macchine ad assorbimento sono dell’ordine di parecchie centinaia di kW, anche se in commercio si trovano macchine con potenza intorno al centinaio di kW. Queste macchine vengono alimentate con calore proveniente da i una rete di teleriscaldamento, da energia solare, da calore di recupero o da calore cogenerativo. La temperatura richiesta per la sorgente calda è normalmente intorno agli 80 °C per macchine a singolo effetto ed il 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.

In commercio tuttavia si trovano soluzioni elio- assistite che presentano un sistema di integrazione alimentato a gas metano. (Fig. 5.1)

In alternativa alle soluzioni liquide, vengono impiegati materiali sorbenti solidi: quelli disponibili sul mercato impiegano acqua come refrigerante e silica gel come adsorbente. Queste macchine sono costituite da due compartimenti adsorbenti, un evaporatore e un condensatore. Quando l’adsorbente nel primo compartimento è rigenerato utilizzando acqua calda da una fonte di calore esterna, ad esempio collettori solari, l’adsorbente nel compartimento B (adsorbitore) adsorbe il vapore d’acqua proveniente dall’evaporatore (questo compartimento deve essere raffreddato allo scopo di garantire un adsorbimento continuo). Attualmente solo poche aziende asiatiche sono in grado di produrre macchine frigorifere ad adsorbimento. Le tipiche 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. Il range delle potenze frigorifere di queste macchine è compreso tra i 50 e i 500 kW. La semplicità costruttiva delle macchine frigorifere ad adsorbimento e la loro robustezza rappresentano indubbi vantaggi.

All’interno della macchina non è prevista una pompa per la soluzione e il consumo elettrico è limitato. Gli svantaggi sono costituiti dalle dimensioni tutt’altro che trascurabili, e dal 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.

Nel caso particolare della macchina trovata in commercio (Fig. 5.2) viene utilizzato come adsorbente il LiCl, che è un sale altamente igroscopico, infatti a temperatura ambiente, cioè circa 300 K, è monoidrato e basta arrivare a 370 K per avere il sale anidro.

5.2 Collettori solari

In commercio esistono varie tipologie di pannelli solari termici, in funzione della loro curva di rendimento.

La relazione che indica il rendimento per un collettore piano è mostrata nell’Equazione (5.22): − ⋅ ⋅ − ⋅ = T a in l R opt R col _I T T U F F

η

η

(5.1) dove: R

F = fattore di efficienza di rimozione del calore del collettore

opt

η

= efficienza ottica (rapporto tra l’energia proveniente dalla frazione di radiazione visibile, cioè a breve lunghezza d’onda e l’energia della relativa sorgente) [9]

l

U = coefficiente globale di perdita del calore

in

T = temperatura del fluido che entra nel collettore

a

T = temperatura ambiente

T

I = potenza incidente totale per unità di superficie

In Tab. 5.1 sono indicati i valori dei fattori presenti nell’Eq. (5.1) per diversi tipi di collettore, in funzione del fluido vettore, della copertura e della superficie.

Quindi, per quanto riguarda temperatura giornaliera si fa riferimento alla NORMA UNI EN ISO 13791, si ipotizza che la Tinsia circa 35 – 40°C, la radiazione incidente

Simbolo Fluido Copertura Superficie FR opt FRUl (W/m2°C)

1 Acqua 0 Nero dipinto 0,68 34,0

2 Acqua 1 Nero dipinto 0,74 8,2

3 Aria 1 Nero cromato 0,52 4,8

4 Acqua 1 Nero cromato 0,70 4,7

5 Acqua 2 Nero cromato 0,61 3,2

6 Acqua Evacuati 0,54 1,4

Tabella 5.1Tipiche prestazioni di collettori solari piani in commercio [9]

In funzione del fatto che la T_in è bassa e che quindi

(

T_in −T_a

)

tende a valori prossimi a zero, si evince che, per ottenere delle buone prestazioni è necessario scegliere una tipologia di collettore la cui retta di rendimento abbia il coefficiente angolare (FRUl) e

soprattutto il termine noto (FR opt) alto. In particolare il pannello che rispecchia

maggiormente tali richieste è il tipo n° 2 (Tab. 5.1, Fig. 5.3).

Figura 5.3 Tipiche prestazioni di collettori solari piani in commercio [9]

A questo punto è possibile calcolare il rendimento del collettore ora per ora in funzione della temperatura (UNI EN ISO 13791 [6]) e della radiazione incidente. A titolo di esempio si riporta il caso del giorno 21 giugno, in cui

η

col medio giornaliero,

rilevato durante l’arco di tempo durante il quale il pannello funziona, vale 0,642 se

in

Andamento del rendimento del collettore di tipo n°2 al variare dell'ora del giorno 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 tempo [ore] re nd im en to c ol le tt or e Tin = 35°C Tin = 40°C

Figura 5.4 Andamento del rendimento del collettore di tipo n°2 al variare dell’ora del giorno

Per completare il dimensionamento dell’impianto di raccolta dell’energia, mancano la temperatura di uscita del collettore Tout e la portata del fluido vettore m [kg/s].

Per quanto riguarda la T_out, essa è stabilita dall’impianto di refrigerazione. In particolare dato che si sono scelti sistemi ad assorbimento o ad assorbimento, le temperature necessarie affinché si giunga in una zona della curva di rendimento dove questo sia abbastanza stabile, si aggirano intorno agli 80°C (Fig. 5.5). [4]

Figura 5.5 Andamento del COP del ciclo di refrigerazione al variare della temperatura di alimentazione Valore dei COP degli impianti di refrigerazione

0 0.2 0.4 0.6 0.8 45 55 65 75 85 95 ₁₀5 ₁₁5 ₁₂5 Temperatura di alimentazione [°C] C O P Assorbimento Adsorbimento

Tramite l’equazione di bilancio energetico (Eq. 5.2) rispetto al collettore è possibile individuare la portata del fluido vettore m , in questo caso acqua, che risulterà variabile in funzione della potenza raccolta e del rendimento

η

_col.

(

out in

)

p T T C m I = ⋅ ⋅ − ⋅

η

(5.2)

Avvalendosi dei dati riguardanti l’esempio precedente, fissato un

(

T_out −T_in

)

, si trova che la portata non è costante, ma ha un massimo alle ore 12. Il dato è determinabile una volta nota la superficie disponibile dei collettori solari.

5.3 Impianti alimentati da energia solare

Molte delle realizzazioni odierne conservano un carattere di progetti sperimentali o dimostrativi. Gli sforzi tecnici ancora necessari nella implementazione degli impianti di condizionamento ad energia solare sono elevati, soprattutto se confrontati con quelli degli impianti tradizionali.

La soluzione di sfruttare l’energia solare comunque non è da sottovalutare, di seguito sono mostrate alcune installazioni attualmente funzionanti.

1. Ospedale universitario di Friburgo (Germania)

Destinazione d’uso: laboratori Capacità di raffrescamento: 70 kW Tecnologia: refrigeratori ad adsorbimento COP riscontrato: ~ 0,6

Tipologia di collettore: collettori con tubi sottovuoto

2. Gr. Sarantis S.A., Viotia (Grecia)

Destinazione d’uso: magazzino prodotti cosmetici

Capacità di raffrescamento: 700 kW Tecnologia: refrigeratori ad adsorbimento COP riscontrato: 0,6

Tipologia di collettore: collettori solari piani con superficie selettiva

Superficie lorda di collettori: 2700 m2

3. “Rethimno Village” Hotel, Creta (Grecia)

Destinazione d’uso: struttura alberghiera Capacità di raffrescamento: 105 kW Tecnologia refrigeratore ad assorbimento COP riscontrato:0,6

Tipologia di collettore: collettori solari piani con superficie selettiva Superficie lorda di collettori: 448 m2

4. Agenzie per lo sviluppo Pergine Valsugana (TR), Italia

Destinazione d’uso: centro per l’innovazione Capacità di raffrescamento: 108 kW

Tecnologia: refrigeratore ad assorbimento (LiBr – H2O) a singolo effetto

COP riscontrato: 0,6

Tipologia di collettore: collettori solari piani con superficie selettiva Superficie lorda di collettori: 256 m2

5. GICB (cantina vinicola) Banyuls/Mer

Destinazione d’uso: cantina per l’invecchiamento dei vini Capacità di raffrescamento: 52 kW

Tecnologia: refrigeratore ad assorbimento COP riscontrato: 0,57

Tipologia di collettore: collettori con tubi sottovuoto Superficie lorda di collettori: 215 m2