Il Solar Cooling nel condizionamento civile: caso di studio lorenzo patroncini

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DELL’ AQUILA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Dipartimento di Meccanica, Energetica e Gestionale
Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica

IL SOLAR COOLING NEL
CONDIZIONAMENTO CIVILE
Dimensionamento di un impianto a collettori solari
piani abbinato ad una macchina ad assorbimento

Laureando: Relatore:
Lorenzo Patroncini Chiar.mo Prof. Antonio Ponticiello

Anno Accademico 2009-2010

DL 211 ALLEGATO 3
 Nel caso di edifici nuovi o edifici sottoposti a
ristrutturazioni rilevanti, gli impianti di produzione di
energia termica devono essere progettati e realizzati in
modo da garantire il contemporaneo rispetto della
copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da
impianti alimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei
consumi previsti per l’acqua calda sanitaria e delle
seguenti percentuali della somma dei consumi previsti
per l’acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il
raffrescamento:
 c) il 50 per cento … dal 1 gennaio 2017.

INTRODUZIONE

 L’edilizia rappresenta uno dei settori di consumo
energetico dominanti nelle società industrializzate. In
Europa circa il 40% del consumo di energia primaria è
dovuta agli impianti installati negli edifici, privati e
commerciali, per applicazioni quali riscaldamento e
condizionamento, illuminazione …
 Negli ultimi decenni il consumo di energia per il
condizionamento è cresciuto notevolmente, a causa
della maggior richiesta di confort termico e dei trend
architettonici (superfici vetrate)

INTRODUZIONE
 Esistono molte tecnologie di risparmio energetico
e/o di produzione di energia da fonti rinnovabili,
(cogenerazione, pompe di calore, solare termico,
fotovoltaico…), per altro tutte incentivate in varia
misura
 Il fabbisogno termico di un edificio
(riscaldamento e acqua calda sanitaria), è però in
controtendenza rispetto alla radiazione solare
disponibile

INTRODUZIONE


IL SOLAR COOLING

 Il solar cooling, letteralmente “raffrescamento
solare”, è un’applicazione impiantistica che
permette tramite macchine tipicamente ad
assorbimento l’utilizzo del calore captato dai
collettori solari per produrre acqua o aria
refrigerata per la climatizzazione degli edifici


IL SOLAR COOLING

 Il solar cooling consente così di avvicinare le due
curve garantendo, oltre ad un migliore
sfruttamento della radiazione solare, una
maggiore efficienza energetica dell’edificio, e
permetterebbe , se ampiamente diffuso, di
ridurre notevolmente il picco di energia richiesta
nel periodo estivo dai sistemi di
condizionamento dell’aria.

INTEGRAZIONE


IL SOLAR COOLING

 Il solar cooling, letteralmente “raffrescamento
solare”, è un’applicazione impiantistica che
permette tramite macchine ad assorbimento
l’utilizzo del calore captato dai collettori solari
per produrre acqua o aria refrigerata per la
climatizzazione degli edifici


CASO DI STUDIO

 Call center
 Posizione : Pescara
 14 m x 20 m = 280 m2
 Esigenze particolari per il condizionamento


CASO DI STUDIO

 Affollamento elevato : fino a 60p/100m2
 Alta densità di pc e attrezzature elettroniche
 Possibilità di 3 turni giornalieri, 24h/24, 7g/7

 350000 kWh frigoriferi / anno


LA MACCHINA
FRIGORIFERA

 Il carico termico può essere soddisfatto da una
macchina frigorifera di circa 40kW di potenza

 Yazaki WFC – SC 10

 Sarà necessario anche un sistema di back up


MACCHINE AD
ASSORBIMENTO H2O - BrLi


H2O
IL 0 + BrLi
2H SOLAR COOLING

H20 + BrLi
H20 + BrLi


COP

 Bilancio

 Cop
 Tg → ∞, cop ciclo di
Carnot inverso


EXERGIA

 E = Q * ( 1 – TA / TQ )

 Qualità di energia diversa rispetto ad un ciclo a
compressione di vapore (exergia pura)

 COP / E simile per macchine a funzionamento
diverso


COP

 Il solar cooling consente così di avvicinare le due
curve garantendo, oltre ad un migliore
sfruttamento della radiazione solare, una
maggiore efficienza energetica dell’edificio, e
permetterebbe , se ampiamente diffuso, di
ridurre notevolmente il picco di energia richiesta
nel periodo estivo dai sistemi di
condizionamento dell’aria.

MACCHINE AD
ASSORBIMENTO H2O - BrLi

 Riduzione dei costi energetici
 Ridottissimi consumi di en elettrica
 Installazione all’aperto
 Elevata affidabilità e ridotta manutenzione
 Limitato impatto ambientale
 Parzializzazione e controllo modulare
 Contro: costo elevato, torre evaporativa onerosa


SCELTA DEI
COLLETTORI
 Sia i collettori solari termici sottovuoto che
quelli piani riescono a soddisfare la richiesta di
calore della macchina ad assorbimento
 Piani: più economici; T più bassa; minore resa
invernale
 Sottovuoto: più costosi; più delicati; T più alte;
maggiore resa invernale
 L’analisi economica dà la scelta ottimale


PREDIMENSIONAMENTO
 In letteratura viene proposta la “regola di prima
approssimazione”(Rule of Thumb). Essa calcola
l'area specifica Aspec dei collettori in m2 per kW
della macchina frigorifera, data la radiazione
solare totale normale Gn, il cop e l'efficienza del
collettore ηcoll
 Si prescinde quindi dall’analisi economica e dal
carico termico
 Aspec= 1000 / (Gn * ηcoll * cop )

f - CHART

 Il metodo è fondato sulla determinazione
dell’aliquota f del fabbisogno mensile coperto
dall’impianto solare. La parte eccedente dovrà
essere invece integrata da un sistema ausiliario
 Sviluppato nell’ambito del solare termico
tradizionale (acs e riscaldamento) ne esiste una
versione modificata per il solar cooling
 Pregi: accuratezza, facilità di utilizzo


f - CHART

 Q frig, out, m = f * Q frig , m

 Q frig , m è il carico frigorifero mensile (kWh)

f = f ( a0 , a1 , … , an , X , Y )


f - CHART

COP A FrU L (Tref - Ta ) h m
X
Qfrig, m 1000

COP A Fr ( ) h m Im
Y
Qfrig, m 1000


EQUAZIONE DI BLISS
 q u =Fr·[(τα)·Iβ -UL·(ti –ta)] , potenza termica
utile trasferita al fluido termovettore
 Fr = fattore di rimozione termica, definito come il
rapporto fra la qu effettiva (con tp>ta ) e quella che si
avrebbe se fosse possibile trasferire il calore della
piastra al fluido senza differenze finite di temperatura
 Iβ , potenza termica complessiva incidente sulla
superficie inclinata del pannello solare (Im media
mensile (W/m2 )

EQ BLISS

 UL , ( W/m3 C) coeff complessivo di
dispersione termica
 (τα) , prodotto coefficienti trasmissione e
assorbimento, rappresenta l’aliquota di energia
termica proveniente dal sole che viene assorbita
dalla piastra nera. Esso dipende dalle
caratteristiche di assorbimento, di riflessione e di
trasmissione del sistema vetro-piastra

η PANNELLO
 η = q u / Iβ =Fr·(τα) - Fr· UL·(ti-ta) / Iβ

 Sottovuoto, Koblen sky 21cpc 58 ,
Fr·(τα) = 0.51
Fr· UL = 1.09
 Piani, Solarbayer premium plus ,
Fr·(τα) = 0.69
Fr· UL = 3.8

X-Y
Y

X

f - CHART
X Y f Qfrig,out,m
0,95 0,50 27,2% 8095
0,95 0,56 31,0% 8324
0,92 0,71 41,7% 12400
0,88 0,79 48,2% 13889
0,83 0,98 62,0% 18449
0,79 0,93 59,0% 16984
0,77 0,93 59,0% 17558
0,77 1,02 65,7% 19564
0,81 1,03 66,3% 19094
0,85 0,76 46,4% 13819
0,90 0,60 34,2% 9850
0,94 0,52 28,6% 8509
47,4%
166535

f - CHART


ANALISI ECONOMICA:
IPOTESI
 Cop costante nel tempo
 Lavoro su 2 – 3 turni
 Durata dell’investimento 10 anni
 Incentivi statali del 55% in 10 anni
 Costo dell’assorbitore 27000 €
 Costo dell’impianto: 700€/m2


ANALISI ECONOMICA

 Variando il numero dei pannelli si cerca il
massimo Tir
 Al crescere di N crescono il risparmio annuo, gli
incentivi e il costo d’investimento
 Successivamente si ottimizza la scelta
 Il foglio elettronico fornisce quindi questi indici
economici: PbP semplice, Van, Tir, Ip


ANALISI ECONOMICA:
CONFIGURAZIONE SCELTA

 N = 48
 Costo d’investimento: 127000 €
 Frazione solare annua f : 47%
 Risparmio annuo (su bolletta) : 13300 €
 Tir : 24 %
 PbP : ≈ 7 anni
 Van 10 anno: 58000 €
 calcolo sc solarbayer 48 moduli.xlsm

ANALISI ECONOMICA


ANALISI ECONOMICA

 Conviene sfruttare il più possibile l’impianto,
24h/24 con un accumulo adeguato (100 l/m2,
3 accumuli da 5000 l )

 I collettori sottovuoto, seppur più efficienti (N
più basso a parità di f) non permettono di far
rientrare l’investimento in 10 anni a causa
dell’alto costo

AN SENSIBILITA’:
COSTO ENERGIA


CONSIDERAZIONI
 Il solar cooling è una tecnologia sempre più
diffusa
 Il costo d’investimento è facilmente recuperabile
se l’impianto è di una certa dimensione
 E’ prevedibile una sensibile riduzione dei costi
per le economie di scala
 Gli incentivi sono ancora indispensabili per il
ritorno economico dell’investimento


IL SOLAR COOLING
NEL
CONDIZIONAMENTO
CIVILE
grazie per l’attenzione


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