solar cooling: analisi tecnica dello stato dell`arte e prime applicazioni

SOLAR COOLING:
ANALISI TECNICA DELLO STATO DELL’ARTE E PRIME APPLICAZIONI
F. Asdrubali, G. Baldinelli, A. Presciutti, M. Caporali
Università degli Studi di Perugia - Dipartimento di Ingegneria Industriale, Via G. Duranti 67 - Perugia
SOMMARIO
Il mercato internazionale della climatizzazione ha evidenziato negli ultimi anni un crescente interesse per i
sistemi di raffreddamento alimentati ad energia solare termica. Tale interesse è stato incentivato dalla
realizzazione di gruppi ad assorbimento di piccola taglia che hanno costituito i presupposti per applicazioni nel
settore residenziale. Lo scopo del lavoro è una valutazione comparativa di tali sistemi per comprenderne le
rispettive potenzialità. Tale confronto, oggetto della presente memoria, ha permesso di evidenziare pregi e limit di
ciascun sistema e di fornire un orientamento per chi vuole immettersi nel mercato del raffrescamento ad energia
solare termica.
Infine, anche se recenti pubblicazioni hanno presentato alcuni di questi sistemi in forma accoppiata (gruppo ad
assorbimento – solare termico) come già operativi, nella memoria viene evidenziato come importanti aspetti
tecnici siano ancora rimasti irrisolti. A tale proposito, infatti, presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria
Industriale dell’Università degli Studi di Perugia è stato avviato un progetto di ricerca mirato ad affrontare tali
problematiche mediante l’istallazione di un gruppo ad assorbimento alimentato con energia solare termica.
INTRODUZIONE
Negli ultimi tempi la domanda di condizionamento
estivo è andata crescendo, sia perché vengono
richieste condizioni di comfort sempre più elevate, sia
perché nell’ultimo decennio l’aumento delle
temperature si è manifestato in modo più evidente.
L’uso crescente di impianti di condizionamento con
macchine frigorifere a compressione alimentate ad
energia elettrica è altresì causa dell’aumento del picco
di domanda della potenza elettrica in estate (figura 1),
che, in alcuni casi, raggiunge la capacità limite delle
reti. L’emissione di gas ad effetto serra, che cresce con
la produzione di energia o con la perdita di fluidi
refrigeranti, aggrava ulteriormente il circuito vizioso
legato al cambiamento climatico.
Fig.1 - Evoluzione storica della domanda di picco
invernale ed estiva della rete elettrica italiana.
In questo panorama si inserisce la possibilità di
sfruttare l’energia solare per la climatizzazione nel
settore del residenziale (solar cooling), anche alla luce
della massima contemporaneità esistente tra
disponibilità di radiazione solare e richiesta di
raffrescamento. Oggi, i sistemi ad assorbimento
risultano, infatti, una delle più promettenti tecnologie
per il risparmio energetico nel settore della
climatizzazione. Tuttavia, l’esigenza di dover sfruttare
vani
tecnici
di
limitata
cubatura
e
contemporaneamente, esigue superfici di captazione
solare, rende ancora necessari, ulteriori sforzi della
ricerca al fine di migliorare la fattibilità tecnicoeconomica di tali sistemi.
Obiettivo, pertanto, del presente articolo, è quello di
illustrare, sia fornendo un quadro dello stato dell’arte
del settore, sia riportando alcuni dati di un simile
impianto realizzato presso i Laboratori di Fisica
Tecnica dell’Università degli Studi di Perugia, come la
ricerca sia ad uno stato di sviluppo precompetitivo, e,
quindi, prossimo alla sua evoluzione commerciale.
STATO DELL’ARTE DELLE MACCHINE AD
ASSORBIMENTO
Grazie agli interessanti aspetti applicativi
evidenziati, l’industria del settore ha cominciato a
proporre sul mercato internazionale impianti
frigoriferi ad assorbimento di piccola taglia (6 – 17
kW frigoriferi), espressamente progettati per essere
alimentati
ad
energia
solare.
Attraverso
un’approfondita ricerca di mercato si sono individuati
i principali gruppi frigoriferi ad assorbimento in grado,
allo stato attuale, di rispondere meglio alle esigenze
del settore e di potersi affermare, quindi, nel mercato
nei prossimi anni.
In particolare, tra i sistemi frigoriferi ad
assorbimento di piccola taglia, funzionanti a bassa
temperatura, la ricerca offre poca scelta. Infatti,
sistemi di limitata potenza e dimensione, in fase di
studio, sono al momento in numero esiguo e privi di
elementi informativi relativi alla loro effettive
prestazioni in fase di esercizio per lunghi periodi in
applicazioni reali. In tale ambito, si è scelto, pertanto,
di confrontare solo i sistemi già in fase di sviluppo
precompetitivo e quindi pronti ad una prossima
commercializzazione.
Gruppo I
Tale gruppo, prodotto in Svezia (figura 2), ha un
processo operativo che si basa su un ciclo di carico e
scarico di due analoghi serbatoi, costituiti ciascuno da
due scambiatori (reattore – condensatore; evaporatoreassorbitore) che, alternativamente, sono in grado di
fornire o immagazzinare energia. Il fluido di lavoro è
una soluzione H2O-LiCl..
Nella fase di carico l’acqua evapora nel reattore e
condensa nello scambiatore superiore che funge da
condensatore. Nella fase di scarico l’acqua evapora
nello scambiatore superiore, che ora funge da
evaporatore (fase utile), e ricondensa nel reattore che
ora assorbitore. La macchina può essere utilizzata
anche in inverno per il riscaldamento operando il ciclo
inverso. Tale processo di tipo alternativo, tuttavia,
sembra comportare delle complicazioni significative
da un punto di vista impiantistico e di manutenzione.
Modalità
Estiva
Invernale
Capacità di
immagazzinamento
56 kWh
76 kWh
Potenza
massima
10/20 kW
12,5/25 kW
COP
68%
85%
Tab.1 – Dati di targa della macchina svedese.
Gruppo II
Un secondo sistema, in sperimentazione presso la
Technische Universität di Berlino [1] e attualmente in
fase di produzione, è un classico gruppo frigorifero ad
assorbimento il cui fluido di lavoro è H2O-LiBr. I
relativi dati tecnici operativi sono riportati in tabella 2
Capacità nominale di
refrigerazione
Temperature
(in-out)
Sistema
Portata
acqua
refrigerata Perdite di
carico
Sistema
acqua
calda
Sistema di
raffred
damento
Fabbisogn
o elettrico
Temperature
(in-out)
Portata
Perdite di
carico
Temperature
(in-out)
Portata
Perdite di
carico
Rete elettrica
Pompa
assorbitore
Pompa
refrigerante
kW
8,8
10
°C
12-6
18-15
m3/s
3,61*10-4
8,05*10-4
mbar
350
°C
85-75
72-62
m3/s
3,33*10-4
3,33*10-4
mbar
200
°C
35-27
35-27
m3/s
7,22*10-4
7,22*10-4
mbar
320
V
230 V ~ 1 ph 50 Hz
W
70
W
50
Tab.2 – Dati di targa del gruppo realizzato presso la
Technische Universität di Berlino
Fig.2 – Immagine della macchina svedese.
Chiaramente, come emerge dalla figura 3, la potenza
di caricamento aumenta al crescere della temperatura
del fluido caldo di alimentazione e al diminuire della
temperatura di ingresso dell’acqua di raffreddamento.
Fig.3 – Potenza di caricamento in funzione della
temperatura del fluido caldo di alimentazione e
dell’acqua di reffreddamento (Ths).
I dati di targa di tale gruppo frigorifero sono riportati
in tabella 1.
Tale gruppo, attualmente, sembra quello dalle
prospettive applicative più interessanti per la
semplicità dei sistemi idraulici e la possibilità di
integrazione con un impianto di alimentazione solare.
Anche dal punto di vista economico si riscontra, da
una preliminare analisi economica, il miglior rapporto
qualità – prezzo come costo di investimento iniziale
per kW frigorifero prodotto. Tuttavia, tale sistema, se
alimentato con energia solare, necessita di un
collaudato sistema di controllo della concentrazione
della soluzione di lavoro in quanto il LiBr può
diventare causa di incrostazioni che possono
compromettere il funzionamento duraturo del la
macchina.
Gruppo III
Sempre di fabbricazione tedesca, si sta per
affacciare sul mercato internazionale un gruppo ad
assorbimento da 15 kW frigoriferi. Un sistema,
pertanto, dalle prestazioni collaudate, che, comunque,
richiede una potenza solare termica di alimentazione
(21 kW) poco compatibile con il mercato del settore
residenziale.
Tale gruppo è costituito da due unità separate in cui
alloggiano rispettivamente evaporatore-assorbitore e
generatore-condensatore; all’interno della macchina si
realizza il ciclo frigorifero ad assorbimento che
utilizza come fluido di lavoro sempre acqua e bromuro
di litio.
I dati di targa sono riportati in tabella 3.
Potenza frigorifera (kW)
15
COP
0,71
T ingresso (°C)
17,5
T uscita (°C)
11
Acqua refrigerata Portata (m3/h)
1,9
Perdita di carico (mbar) 350
Pressione nom. (bar)
6
Potenza assorbita (kW) 21
T ingresso (°C)
90
Acqua calda
T uscita (°C)
80
Portata (m3/h)
2,0
Perdita di carico (mbar) 250
Pressione nominale bar 6
Pot. raffreddante (kW) 35
T ingresso (°C)
30
Acqua
di T uscita (°C)
36
raffreddamento
Portata (m3/h)
5
Perdita di carico (mbar) 900
Pressione nom. (bar)
6
Lunghezza (mm ca.)
1500
Dimensioni
Larghezza (mm ca.)
7500
Altezza
(mm ca.)
1600
Tab.3 – Dati di targa della macchina tedesca.
Gruppo IV
Un’unità frigorifera ad H2O-LiBr di potenza
nominale inferiore a quelle elencate (tabella 4) è in
fase di produzione dall’industria spagnola. È una
macchina molto compatta e disponibile anche con
sistema di dissipazione incorporato che elimina la
necessità di sistemi di raffreddamento aggiuntivi.
Circuito
Temperatura
Refriger.az
Raffredd.
11 °C
42 °C
9 °C
47 °C
ingresso macchina
acqua
Temperatura uscita
macchina
Portata (m3/s)
3,33*10-4 5,55*10-4
Perdite di carico
0,3 bar
Circuito
Apporto di calore al
fonte
generatore a 90°C
6,7 kW
termica
Temperatura in
90
0,4 bar
ingresso (°C)
Portata (m3/s)
3,33*10-4
Perdite di carico
0,2
(bar)
CORRENTE MEDIA
1,2
CONSUMATA (A)
POTENZA ELETTRICA
286
MEDIA (W)
Tab.4 – Dati di targa della macchina spagnola.
Fig. 4 – Macchina spagnola, accoppiamento motoremacchina.
La particolarità di questa macchina risiede nel
generatore dotato di un motore elettrico che, durante il
ciclo di funzionamento, gira ad una velocità costante
di 260 giri/min (figura 4). L’effetto indotto da tale
rotazione determina il miglioramento del processo di
trasferimento di massa e di calore; pertanto, crescendo
l’efficienza del sistema, si riducono peso ed ingombro.
Gruppo V
Si tratta di un modello giapponese i cui dati di targa
sono riportati in tabella 5. Particolarità del sistema è la
completa assenza di organi meccanici in movimento al
suo interno che determinano la totale indipendenza del
processo frigorifero da un’alimentazione elettrica
esterna, compromettendo, tuttavia, la resa del sistema
stesso.
Potenza Frigorifera
ACQUA REFRIGERATA
Temperatura di uscita
Temperatura di entrata
Portata
Pressione Max all’Evaporatore
ACQUA CALDA
Temperatura di uscita
Temperatura di entrata
Portata
Pressione Max al Generatore
Fabbisogno termico
ACQUA DI RAFFREDDAMENTO
Temperatura di uscita
Temperatura di entrata
Portata
Pressione Max circuito
COP
17,4 [kW]
9
14
0,83
98
[°C]
[°C]
[l/s]
[kPa]
82
[°C]
88
[°C]
1,157 [l/s]
295 [kPa]
29,1 [kW]
34,5
29,5
2,22
295
0,6
[°C]
[°C]
[l/s]
[Pa]
Tab. 5 – Dati di targa della macchina giapponese.
In particolare, l’ indipendenza dall’alimentazione
elettrica, ha reso interessante un’analisi approfondita
dei propri processi interni in relazione a un sistema di
alimentazione ad energia solare termica dove, il
Coefficiente di prestazione (COP) del gruppo è
dipendente unicamente dal rapporto della potenza
frigorifera prodotta e la potenza termica di
alimentazione impiegata.
Pertanto, tale gruppo ad assorbimento è stato
oggetto di studio presso i Laboratori di Fisica Tecnica
dell’Università degli Studi di Perugia mediante la
realizzazione di un apposito impianto sperimentale per
l’alimentazione
termica
ad
energia
solare
opportunamente
monitorato
con
sistemi
di
acquisizione real-time.
2.
3.
alimentazione
diretta della
macchina
frigorifera senza accumulo;
alimentazione dei ventilconvettori per il
funzionamento invernale.
Di seguito vengono descritte le diversa modalità di
funzionamento dell’impianto.
L’IMPIANTO SOLAR COOLING DELL’
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PERUGIA
L’impianto ad assorbimento alimentato ad energia
solare, realizzato presso i laboratori di Fisica Tecnica
dell’Università degli Studi di Perugia [2][3], ha
permesso in questi ultimi anni di poter valutare le
prestazioni del gruppo frigorifero, di fabbricazione
giapponese, al variare delle condizioni climatiche
quali l’energia solare incidente e la temperatura media
dell’aria esterna.
Nel dettaglio, il sistema di captazione dell’energia
solare è costituito da 15 collettori a tubi evacuati
aventi una superficie effettiva di 30 m2. I collettori
sono orientati verso Sud con una inclinazione di 20°
rispetto all’orizzontale e disposti su tre stringhe da 5
moduli. Tale disposizione si è rivelata essere, in fase
di progetto, caratterizzata dalle maggiori prestazioni e
dalle minime perdite di carico del circuito.
La circolazione d’acqua nel circuito solare è
garantita da una coppia di pompe gemellari installate
nel laboratorio nel tratto di tubazione subito a valle
dello scambiatore. Lo schema del circuito solare è
mostrato in figura 5.
Fig. 6 – Impianto solare ad assorbimento
dell’Università di Perugia; schema impianto.
Fig.7 – Impianto solare ad assorbimento
dell’Università di Perugia; foto del serbatoio di
accumulo.
Fig. 5 – Impianto solare ad assorbimento
dell’Università di Perugia; schema del circuito solare.
La miscela di acqua-glicole del circuito solare non può
essere direttamente utilizzata per l’alimentazione della
machina frigorifera; è presente quindi uno scambiatore
di calore che permette lo scambio termico tra la
miscela calda del circuito solare e l’acqua che verrà
poi inviata alle differenti utenze:
Come schematizzato in figura 6, Il calore ceduto
dallo scambiatore viene accumulato in un primo
serbatoio (S) di capacità pari a 600 litri. Tale
serbatoio, a sua volta è collegato tramite un ulteriore
circuito indipendente, a un secondo serbatoio (boiler
B) di capacità superiore (1500 litri) in quanto dotato di
un gruppo di resistenze elettriche da 30 kW per la
fornitura di energia termica ausiliaria.
Il sistema di accumulo descritto può lavorare in
diverse modalità:
1.
accumulo nel serbatoio e miscelamento con il
boiler;
Modalità 1.
Accumulo
nel
serbatoio
e
miscelamento con il boiler
In tale configurazione l’energia solare viene
convogliata nel serbatoio di accumulo attraverso lo
scambio termico nello scambiatore a piastre descritto.
Due pompe gemellari (gruppo 1, pompe SC-S in
figura 6) collegate in parallelo, permettono la
circolazione di acqua tra il serbatoio di accumulo e lo
scambiatore di calore.
Un’ulteriore coppia di pompe gemellari (gruppo 2,
pompa S-B in figura 6) consente il miscelamento tra
serbatoio e boiler. L’accensione dei due gruppi è
simultanea ed è regolata da una centralina in modo
automatico quando nel serbatoio di accumulo si
raggiunge una temperatura prefissata preimpostata
manualmente.
Nel caso in cui la temperatura del serbatoio scenda
al di sotto di quella impostata tramite il termostato, le
pompe (gruppo 1 e 2) si spengono automaticamente.
L’acqua dal boiler, infine, può essere inviata alla
macchina frigorifera grazie ad una terza pompa.
Modalità 2.
Alimentazione
diretta
della
macchina
frigorifera
senza
accumulo
Nel caso in cui la temperatura dei collettori
raggiunga un valore prestabilito, imposto nella
centralina, un sistema di elettrovalvole permette di
inviare il fluido uscente dagli scambiatori a piastre,
direttamente al gruppo frigorifero, bypassando, quindi,
il sistema di accumulo serbatoio – boiler (schema di
figura 8).
ANALISI DELLE PRESTAZIONI DELL’
IMPIANTO
Si riportano in tabella 6 i risultati di una serie di
prove compiute sull’impianto in diverse condizioni sia
climatiche che di modalità di funzionamento.
In ogni misura effettuata si è evidenziata una
variabilità del tempo di accensione della macchina
frigorifera
dipendente
dalla
temperatura
di
alimentazione termica; occorre, infatti, un tempo di
avvio superiore ai 30 minuti quando tale temperatura è
al di sotto gli 88°C nominali. Lo stesso periodo di
messa in esercizio si riscontra anche quando il periodo
di inattività della macchina è superiore ai 3-4 giorni.
Le prove effettuate hanno permesso di verificare la
funzionalità dell’impianto e del sistema di
acquisizione. Le varie modalità di funzionamento,
infatti, sono oggetto di una continua analisi al fine di
evidenziare la migliore configurazione operativa e,
quindi, al fine di ottenere un ottimale sfruttamento
della sorgente solare abbinata ad un minimo utilizzo
delle resistenze elettriche e ad una maggiore resa
frigorifera del gruppo ad assorbimento.
Le prove future andranno, quindi, eseguite con varie
impostazioni delle temperature dei termostati e diversi
valori della temperatura dell’acqua refrigerante, ma
soprattutto, cercando di mantenere quanto più
possibile nei limiti delle condizioni atmosferiche e
quindi della radiazione solare, condizioni operative
delle varie prove reciprocamente confrontabili.
Tuttavia, le analisi preliminari effettuate vedono un
valore di prestazione energetica dell’impianto con
valori medi giornalieri di COP compresi tra i 0,35 e i
0,46 (vedi tabella 6), valori questi inferiori allo 0,6
nominale ma comunque apprezzabili tenendo conto
che sono ottenuti da un sistema di alimentazione
solare che non garantisce potenze termiche costanti.
Fig. 8 – Impianto solare ad assorbimento
dell’Università di Perugia; schema di funzionamento
in modalità 2.
Alimentazione dei ventilconvettori
per il funzionamento invernale
Tale configurazione viene adottata per il
riscaldamento
invernale
alimentando
tre
ventilconvettori di cui due da 3,5 kW ed uno da 9 kW
(figura 9).
Modalità 3.
-
.
Fig. 9 – Impianto solare ad assorbimento
dell’Università di Perugia; schema di funzionamento
in modalità 3.
Tipologia
Mod. I
Unico
ambiente
serbatoioboiler
Mod. I
Serbatoio
e boiler
termicamente
separati
Mod. II
Solare diretto
rad rad rad
kWh totali
Frazione
T min T max
Resistenze Solare
min med max
effettivamente
solare totale
°C
°C
kWh
kWh
W/mq W/mq W/mq
%
forniti all'impianto
Orario
COP
11.00-17.00
28
35
444
870
1109
40.2
58.9
85.2
69.2
0,45
11.00-17.00
27
37
232
910
1118
80.0
67.6
142.4
47.5
0,43
11.00-17.00
25
37
357
864
1126
38.0
68.9
106.9
64.5
0,43
15.00-18.00
27
38
289
640
837
nc
27.6
13.00-17.00
25
36
456
557
1073
-
14.3
14.3
100.0
0,41
11.00-17.00
25
33
289
965
1150
93.8
78.8
145.4
47.4
0,42
11.00-17.00
25
32
208
915
1269
43.1
64.5
107.6
59.9
0.40
11.00-17.00
28
30
464
906
1135
66.7
73.0
122.0
55.2
0,41
11.00-17.00
21
35
411
875
1186
79.4
65.2
144.6
45.1
0,42
-
73.4
73.4
100.0
0,38
100.0
0,37
11.45-17.00
11.50-14.30
27
35
167
695
1135
-
33.8
0,42
33.8
Tab. 6 - Dati energetici e climatici delle singole misurazioni effettuate.
Pr oduzione te rmica impianto solare
anni 2005 - 2006
Energia solare impiegata
fabbisogno per gruppo ass
SFI %
kWh
%
6000
100
5000
90
80
4000
70
60
3000
50
40
2000
30
20
1000
10
0
0
Novembre
Ottobre
Settembre
Agosto
Luglio
Giugno
Maggio
Aprile
Marzo
Febbraio
Gennaio
Dicembre
Novembre
Ottobre
Settembre
Agosto
Fig. 10 – Impianto solare ad assorbimento dell’Università di Perugia; efficienza dell’impianto in termine di Frazione
solare SFI (%).
In figura 10 viene riportata l’efficienza
dell’impianto solare in valori percentuale di
copertura (SFI) del fabbisogno energetico del
gruppo frigorifero ad assorbimento. Dal grafico si
evidenza, in particolare, come il gruppo abbia
funzionato principalmente nei mesi di Giugno e
Luglio, quando la domanda di climatizzazione dei
Laboratori era maggiore (in Agosto i laboratori
sono quasi per tutto il mese non operativi) e in tali
periodi di massimo funzionamento si riscontrano i
più elevati valori di frazione solare di copertura
(superiori al 35%) sottolineando come le
potenzialità maggiori del binomio tecnologico del
solar cooling sono proprio di avere maggiori
prestazioni quando si richiede maggiore potenza
frigorifera.
Infine,dalle analisi effettuate si è riscontrato
come il gruppo ad assorbimento riesca a funzionare
alimentato esclusivamente dall’energia solare
durante le ore più calde della giornata (da 12:00 alle
16:00) con una potenza di circa 15 - 18 kW a circa
70°C con COP soddisfacenti (0,35).
In particolare, nelle condizioni nominali di
funzionamento del gruppo (in termini di potenze
scambiate), i collettori riescono a fornire
mediamente valori uguali e addirittura superiori a
quelli preventivati coprendo frazioni solari anche
superiori al 60%.
I primi risultati si sono dimostrati incoraggianti
per il proseguimento della ricerca visti i valori di
COP e di SFI riscontrati.
Conclusioni
Nel presente lavoro si è effettuata un’analisi dello
stato di avanzamento della ricerca verso sistemi
frigoriferi ad assorbimento, alimentati ad energia solare
termica, di piccola taglia, destinati al settore residenziale
sottolineando come l’introduzione di tali sistemi nel
mercato del condizionamento estivo siano ancora in una
fase di sviluppo precompetitivo.
Tuttavia, si prevede come tale fase sia prossima al
termine e come le analisi condotte su tali sistemi, come
quanto effettuato dall’Università degli Studi di Perugia,
dimostrino che la tecnologia del Solar Cooling sia
matura per diventare una valida risposta agli elevati
consumi di energia elettrica per il condizionamento
estivo e ai contestuali problemi di riduzione delle
emissione di anidride carbonica.
Riferimenti Bibliografici
[1] F. Asdrubali, F. Ziegler, J. Albers, G. Baldinelli, A.
Presciutti, S. Petersen; “Comparison with two similar
solar driven absorption chillers for different values of
solar radiations” 61° Congresso ATI, Solar Cooling,
Perugia 15 Settembre 2006.
[2] Albers J., Ziegler F., Asdrubali F., Investigation into
the influence of the cooling water temperature on the
operating conditions of the thermosyphon generators;
Proc. of International Sorption Heat Pump
Conference, Denver, USA, 20-22 June 2005.
[3] Asdrubali F., An experimental plant to evaluate the
performances of an absorption refrigerator, Proc. of
International Congress on Refrigeration, Washington,
D.C, 17-22 August 2003.