Simulazione dinamica di impianti di climatizzazione ad energia solare

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1 F. Calise, M. Dentice d Accadia, A. Palombo, L. Vanoli Simulazione dinamica di impianti di climatizzazione ad energia solare In questo lavoro viene presentata una simulazione dinamica di impianti di climatizzazione in funzionamento estivo ed invernale, alimentati con energia solare. In particolare, si analizzano due diverse soluzioni impiantistiche. Nel primo caso, l impianto è costituito da un circuito solare con collettori a tubi evacuati, pompe ad inverter e serbatoio di accumulo; il secondario del serbatoio è collegato prima ad una caldaia ausiliaria e quindi ad un refrigeratore d acqua H 2 O-LiBr ad assorbimento. Nel secondo caso, invece, il secondario del serbatoio del circuito solare viene collegato ad un refrigeratore d acqua ad azionamento elettrico con condensazione ad acqua di torre. In entrambi i casi, durante la stagione invernale, l energia termica viene fornita dalla combinazione collettore solare - caldaia di integrazione. In estate, invece, nel primo impianto l inte - grazione viene realizzata attraverso la caldaia di integrazione che alimenta l assorbitore; nel secondo impianto, tale integrazione è garantita dal gruppo frigorifero ad azionamento elettrico, disposto in serie all assorbitore. Le simulazioni dinamiche dei due impianti sono state realizzate mediante lo svilup po di appositi modelli in ambiente TRNSYS, utilizzando la vasta libreria di componenti disponibili, nonché i dati climatici disponibili nel software per numerose località climatiche mondiali. Inoltre, per entrambi gli impianti sono state sviluppate apposite strategie di controllo al fine di massimizzarne l efficienza globale. Per tutti i componenti dell impianto sono state anche introdotte funzioni di costo, al fine di determinare il costo di investimento e di esercizio dell im - pianto, nonché di valutarne la redditività in presenza o meno di incentivazioni pubbliche. idea di sviluppare impianti di climatizzazione alimentati con energia solare sta divenendo negli ultimi anni sempre più interessan- L te. Il principio di funzionamento degli impianti di climatizzazione ad energia solare è estremamente semplice: pannelli solari ad alta efficienza, tipicamente a tubi evacuati, producono, nella stagione estiva, un fluido termovettore ad alta temperatura ( C) in grado di alimentare un refrigeratore d acqua ad assorbimento, da utilizzare per il raffrescamento estivo degli ambienti; in inverno, invece, i pannelli possono essere utilizzati direttamente come sistema di integrazione del generatore di calore convenzionale, sia per il riscaldamento che per l eventuale produzione di acqua calda sanitaria [1]. Uno dei maggiori vantaggi degli impianti di raffrescamento ad energia solare risiede nel fatto che, a differenza di quanto accade negli impianti tradizionali, la loro resa cresce con la disponibilità di energia solare, ovvero, con la richiesta di energia frigorifera, che, tipicamente, è massima nelle ore di maggiore insolazione [2, 3]. L utilizzo di impianti di climatizzazione ad energia solare consentirebbe inoltre di ridurre il picco di richiesta di energia elettrica, tipico della stagione estiva e dovuto agli impianti di climatizzazione ad azionamento elettrico. Negli ultimi anni, numerose istituzioni si sono occupate di sviluppare progetti di ricerca e di installare impianti pilota dimostrativi in questo campo: ad esempio, nel 1998 l IEA (International Energy Agency) ha lanciato un programma che aveva come scopo lo sviluppo del mercato di impianti di climatizzazione ad energia solare. Questo programma promuoveva la riduzione del consumo di energia primaria ed il contemporaneo abbattimento del picco di prelievo di energia elettrica, tipico della stagione estiva. Pertanto, l obbiettivo conclusivo del programma IEA era quello di promuovere una tecnologia di climatizzazione degli ambienti ecocompatibile ed ecosostenibile. Tipicamente, gli impianti SHC (Solar Heating and Cooling) sono progettati principalmente per il loro funzionamento in regime estivo. Infatti, la gran parte dei sistemi SHC sono stati studiati e sperimentati solo per il funzionamento estivo in quanto, per quanto detto in precedenza, tali impianti massimizzano la propria efficienza proprio in estate. Tuttavia, non è comunque da trascurare l aliquota di energia solare captata durante l inverno e ceduta all impianto di riscaldamento dell edi - ficio, che contribuisce sia al risparmio di energia primaria dell impianto che alla massimizzazione della redditività dello stesso. Ovviamente, l utilizzo di un impianto SHC può garantire significativi risparmi sui costi di fornitura energetica (elettricità e gas) degli edifici, ma comporta anche un investimento decisamente oneroso, che, nelle attuali condizioni di mercato, non è adeguatamente ripagato dai risparmi conseguibili. Pertanto, attualmente i sistemi SHC risultano scarsamente competitivi rispetto ai sistemi tradizionali ad azionamento elettrico (EHP), Francesco Calise, Massimo Dentice d Accadia, Adolfo Palombo, DETEC, Università degli Studi di Napoli Federico II; Laura Vanoli, DiT-Università degli Studi di Napoli Parthenope. 1

2 FIGURA 1 - Schema di impianto, configurazione N. 1 (SCH1) ed il loro utilizzo può diventare economicamente vantaggioso solo in presenza di opportune e consistenti incentivazioni. Tuttavia, tale circostanza è comune a quasi tutte le tecnologie basate su fonti rinnovabili. Inoltre, per favorire la penetrazione commerciale di questi sistemi sono ancora necessari notevoli sforzi di ricerca, al fine di individuarne gli schemi di impianto e le relative strategie di controllo che massimizzino l efficienza del sistema e la redditività dell investimento, riducendo anche i costi di impianto. In questo contesto, negli ultimi anni, numerosi ricercatori si sono occupati dello studio teorico e sperimentale di impianti SHC, sviluppando codici di simulazione per la progettazione e la successiva ottimizzazione di tali sistemi e tecnologie innovative per la realizzazione dei componenti, quali, ad esempio: pannelli solari ad alta efficienza, minidischi a fibra ottica, cicli termodinamici in cascata, eiettori ecc. [4-9]. Tuttavia, nella maggior parte dei lavori disponibili in letteratura viene esaminato esclusivamente il funzionamento estivo degli impianti, e sono omesse le analisi di tipo economico o termoeconomico. In questo lavoro viene invece presentato, con l ausilio di un case-study, un modello per la simulazione dinamica di impianti SHC che consente di effettuare in modo dettagliato, e con riferimento sia alla configurazione estiva che a quella invernale, l analisi e l ottimizzazione termodinamica e termoeconomica dell intero sistema e dei suoi principali componenti. In particolare, nel seguito della memoria si farà riferimento ad una specifica configurazione impiantistica, per la quale è stato anche sviluppato il citato case-study, ma il modello è estremamente flessibile, e può essere ovviamente utilizzato per valutare anche possibili configurazioni alternative. Schema di impianto Allo stato attuale, non esiste ancora uno standard consolidato e definito di schema di impianto SHC. In molti casi, infatti, la progettazione e la scelta delle apparecchiature di impianto è basata sull esperienza del progettista piuttosto che su un attenta analisi costi - benefici. In generale, fra i prototipi attualmente installati, è comunque diffuso il criterio di utilizzare schemi di impianto quanto più possibile semplici, nel caso di impianti di taglia ridotta, e di utilizzare dispositivi e soluzioni più complesse ed efficienti, nel caso di sistemi di grosse dimensioni. La definizione dello schema di funzionamento di un impianto SHC richiede, indispensabilmente, di individuare: i) la tipologia di collettori solari e di macchina frigorifera ad azionamento termico; ii) la tipologia di sistema di integrazione; iii) le strategie di regolazione e controllo. Allo stato attuale, la configurazione impiantistica più promettente appare quella basata sull accoppiamento di collettori solari a tubi evacuati e macchine frigorifere ad assorbimento ad acqua/bromuro di litio, a singolo effetto. Solo i collettori a tubi evacuati riescono infatti a garantire temperature di esercizio sufficientemente elevate, con efficienze soddisfacenti e costi di investimento relativamente contenuti. Per raggiungere temperature superiori, idonee, ad esempio, all alimen - tazione di macchine ad assorbimento a doppio effetto, sarebbe necessario ricorrere a tecnologie di collettori innovative e/o a concentrazione, incompatibili con l esigenza di riduzione dei costi di impianto che è stata considerata prioritaria in questo lavoro. Molto vasta è invece la gamma delle possibili strategie di controllo, e, naturalmente, quella del sistema di integrazione. Nel caso di impianti di modeste dimensioni si preferisce realizzare l integrazione mediante una caldaia a gas, che interviene nel caso di insufficienza della sorgente solare, sia in estate che in inverno. Questo sistema, pur garantendo una notevole semplicità impiantistica e ridotti costi di impianto, comporta necessariamente un efficienza modesta, in quanto il sistema caldaia a gas/gruppo ad assorbimento monostadio risulta essere complessivamente molto meno efficiente rispetto ai sistemi tradizionali ad azionamento elettrico. D altro canto, in sistemi di maggiori dimensioni, proprio per i summenzionati motivi di carattere energetico, si preferisce utilizzare gruppi a compressione di vapore ad azionamento elettrico per sopperire alle richieste frigorifere non coperte dalla fonte solare. Ovviamente, la selezione del layout di progetto è un tipico problema di termo-economia, in quanto il primo sistema garantisce minori costi d impianto e maggiori costi di investimento, mentre per il secondo avviene esattamente il contrario. In questo lavoro, sono stati esaminati due possibili schemi di impianto, il primo con integrazione mediante caldaia a gas naturale (SHC1, Figura 1) il secondo con integrazione mediante gruppo frigorifero/pompa di calore elettrica (SHC2, Figura 2). Per entrambi gli schemi, è stato sviluppato in ambiente TRNSYS [10] un modello di simulazione dinamica, al fine di confrontarne le prestazioni dal punto di vista energetico, economico e termo-economico. Il principio di funzionamento dei due impianti può essere riassunto come di seguito specificato. SHC1 - L impianto è costituito dai seguenti componenti: collettori solari a tubi evacuati (SC), pompa di circolazione del circuito solare a portata variabile (P2), sistema di controllo solare, serbatoio di accumulo circuito solare (TK1), caldaia di integrazione a gas (AH), refrigeratore d acqua ad assorbimento monostadio H 2 O-LiBr (ACH), torre evaporativa a circuito chiuso (CT), pompa di circolazione acqua di torre (P3), pompa di circolazione acqua refrigerata (P4), pompa di circolazione acqua calda (P1), serbatoio inerziale (TK2), edificio (B), controllore ad isteresi estivo, controllore ad isteresi invernale, miscelatori a monte del TK2 e del TK1 (MTK2 e MTK1, rispettivamente), deviatori a valle del B ed AH (DB e DAH, rispettivamente). Nell impianto possono essere individuati quattro circuiti: i) circuito solare (SCW); ii) circui- 2

3 to acqua calda (HW); iii) circuito acqua di torre (CW); iv) circuito acqua refrigerata (CHW). Durante la stagione estiva, il sistema di controllo agisce sulle valvole miscelatrici e deviatrici in modo tale che l uscita di AH sia collegata con l ingresso di ACH e l uscita di B sia collegata con l ingresso (lato freddo) di ACH. In questo modo, la radiazione solare incidente su SC determina un incremento della temperatura del fluido (acqua in pressione con punto di ebollizione superiore a 120 C). Il sistema di collettori solari SC è collegato al serbatoio TK1, in maniera tale che l aspirazione della pompa P2 avvenga dalla parte bassa del serbatoio e la mandata verso il serbatoio avvenga nella parte alta dello stesso. La pompa P2 è dotata di inverter e regola la portata d acqua in modo da ottenere il valore di temperatura fissato all uscita dal collettore solare. Il sistema di regolazione, inoltre, è programmato per bloccare la P2 nel momento in cui la temperatura dell acqua in uscita dal collettore risulti inferiore rispetto alla corrispondente temperatura in ingresso. Tale strategia consente di evitare di raffreddare l acqua del serbatoio TK1 e di limitarne al massimo le perdite, in quanto il serbatoio opera sempre alla temperatura minima richiesta dalle apparecchiature a valle, impedendo di fatto anche il surriscaldamento che si verifica nei periodi di scarsa utilizzazione dell impianto solare. L acqua calda viene prelevata dalla pompa P1 dalla parte alta del serbatoio TK1, ovvero alla temperatura maggiore, per essere quindi indirizzata verso la caldaia ausiliaria AH la quale interverrà esclusivamente nel momento in cui la temperatura del fluido termovettore risulti inferiore al set-point fissato dalla regolazione. L acqua calda, in uscita dalla AH va ad alimentare il primario dell assorbitore per quindi ritornare nella parte bassa del TK1. Dall assorbitore, infine, la pompa P4 manda acqua refrigerata verso i ventilconvettori dell edificio. In inverno, invece, la regolazione inverte l apertura delle valvole miscelatrice e deviatrici, in modo che l acqua in uscita dalla caldaia vada ad alimentare direttamente i ventilconvettori dell edificio, by-passando il gruppo ad assorbimento. Essendo previsto l impiego di un assorbitore ad acqua/bromuro di litio, non è possibile utilizzarlo, in inverno, come pompa di calore per la produzione dell energia termica, opzione che sarebbe invece attivabile, e decisamente interessante, nel caso di assorbitori ad ammoniaca/acqua: questi ultimi richiedono però temperature di alimentazione più elevate (oltre C), praticamente incompatibili con la tipologia di pannelli solari considerata. SHC2 - Il secondo schema di impianto analizzato in questo lavoro differisce dal primo sostanzialmente per la tipologia di sistema di integrazione estivo. Il circuito solare e la relativa logica di regolazione e controllo risultano essere gli stessi dello schema precedente. Inoltre, analogamente al caso precedente, durante la stagione estiva, il sistema di regolazione agisce sulle valvole miscelatrici e deviatrici in maniera tale che l uscita della pompa P1 sia collegata direttamente con l ingresso dell ACH e il fluido in uscita dall edificio sia inviato verso il circuito secondario (CHW) dell ACH. Si noti che in serie al refrigeratore d acqua ad assorbimento è installato un refrigeratore d acqua ad azionamento elettrico con condensazione con acqua di torre (WCH). La logica di intervento di tale componente si basa sul controllo della temperatura in ingresso (HW) all assorbitore. Nel caso in cui tale temperatura sia superiore al valore di set-point fissato, la regolazione disattiva il WCH ed attiva la ACH: in questo caso quindi tutta l energia frigorifera è prodotta esclusivamente dalla fonte solare. Nel caso in cui, invece, l energia solare dovesse risultare insufficiente, il continuo funzionamento dell ACH determinerebbe una riduzione della temperatura nel TK1. Quando questa temperatura scende al di sotto del set-point fissato, il sistema di regolazione disabilita completamente la ACH ed abilita la WCH; contemporaneamente agisce sulle valvole DCT e MCT in maniera tale che la torre sia collegata al WCH. In questo modo, nel transitorio di funzionamento del WCH, si consente di accumulare l energia solare nel TK1 e quindi di ripristinare il valore di temperatura necessario alla riattivazione dell ACH. Questa strategia di controllo, a differenza del sistema precedente, garantisce che tutte le integrazioni vengano realizzate con un sistema ad altissima efficienza, incrementando di fatto il rendimento complessivo del sistema. FIGURA 2 - Schema di Impianto, configurazione N. 2 (SCH2) Modello di Simulazione I modelli di simulazione dei due schemi di impianto, sviluppati in ambiente TRNSYS, si basano sull utilizzo della vasta libreria di componenti disponibili all interno del software di simulazione [10]. In particolare, per ciascuno dei componenti degli impianti considerati è disponibile un dettagliato modello di simulazione del tipo zero dimensionale, è in grado di calcolarne le uscite, una volta che ne siano stati assegnati i parametri ed i dati di ingresso. Il modello di simulazione, sviluppato in TRNSYS, richiede inoltre ulteriori componenti non fisici, quali: controllori, dati climatici su base oraria, profili di occupazione ed illuminazione dell edificio, calcolatori psicrometrici, sistemi per la lettura e l archiviazione dei dati della simulazione, integratori giornalieri ed annuali. Per tali componenti è stata utilizzata la vasta libreria disponibile in TRNSYS: in particolare, per quanto concerne i controllori, nei modelli di simulazione sono stati utilizzati perlopiù quelli del tipo on/off con isteresi; solo nel caso di sistema di controllo del circuito solare che agisce sulla pompa ad inverter P2, e che quindi richiede la generazione di un segnale di controllo continuo, è stato utilizzato un controllore di tipo feedback. Per quanto riguarda i componenti strettamente termodinamici, i modelli di simulazione e le scelte progettuali possono essere riassunti come segue: Collettori solari - I pannelli a tubi evacuati, con inclinazione di 30 ed esposizione SUD, sono modellati mediante le classiche equazioni di 3

4 FIGURA 3 - Energie termiche ed elettriche giornaliere, mese estivo, SCH1 Hottel-Whiller-Bliss [2]; il modello di simulazione considera anche le correzioni dovute alla variazione della portata, la connessione in serie dei pannelli, l asimmetria ottica dei collettori nei confronti della radiazione diretta e diffusa e la non perpendicolarità della radiazione solare [11,12]. La strategia di controllo del circuito solare agisce sulla pompa di circolazione modulandone la portata al fine di raggiungere la temperatura di set-point richiesta. Pompe di circolazione - Le pompe P1, P3 e P4 sono del tipo a portata costante mentre la pompa P2 è dotata di un inverter che ne consente la modulazione continua della portata. Il modello di simulazione delle pompe determina la temperatura in uscita, considerando il rendimento di pompaggio ed il rendimento del motore, unitamente all energia termica che il fluido riceve dal motore e che cede all ambiente circostante. FIGURA 4 - Efficienze e costi, mese estivo, SCH1 Serbatoi - Sia il serbatoio TK1 a servizio del circuito solare che il TK2, che svolge il ruolo di volano termico per il circuito acqua calda/refrigerata, sono modellati sulla base dell ipotesi che essi consistano di n segmenti fisici con fluido perfettamente miscelato. Caldaia ausiliaria - Tale componente è dimensionato per consentire il funzionamento del - l impianto anche in assenza di radiazione solare, ovvero per far fronte completamente al carico termico invernale (sia per lo schema SHC 1 che SHC 2) e per alimentare autonomamente la ACH in estate (solo SHC 2). Il modello di simulazione considera la variabilità dell efficienza con il carico, con la temperatura ambiente e con la temperatura del fluido termovettore secondo equazioni semi-empiriche [10]. Gruppo di refrigerazione ad assorbimento - Il sistema, come detto, è del tipo a singolo effetto, ad acqua-bromuro di litio, e viene simulato attraverso mappe di funzionamento sperimentali di assorbitori reali [10]. Gruppo di refrigerazione ad azionamento elettrico (solo SHC 2) - È del tipo ad alta efficienza con condensazione ad acqua, dimensionato per far fronte autonomamente al carico frigorifero in assenza di radiazione solare. Torre di raffreddamento - È stata considerata una torre a circuito chiuso, dimensionata per raffreddare sia il condensatore che l as - sorbitore dell ACH. La torre di raffreddamento viene modellata secondo gli algoritmi di Zweifel [13]. Il software di simulazione include anche modelli per il calcolo dei costi di esercizio e di investimento dell impianto; i costi di investimento di ciascun componente sono stati determinati implementando ap - posite funzioni interpolanti, ricavate, mediante analisi statistica, sulla base dei prezzi di listino di numerose aziende presenti del mercato nazionale. Il software di simulazione consente anche la determinazione dei consumi di energia primaria e dei relativi confronti rispetto ai corrispondenti sistemi tradizionali. Nel caso dello schema 1 (SHC 1), l energia primaria consumata dal sistema è imputata al consumo di gas naturale per l ali - mentazione della caldaia sia di estate che di inverno nonché ai consumi di energia elettrica delle pompe di circolazione, degli ausiliari dell ACH e soprattutto della torre di raffreddamento. Nel caso dello schema 2 (SHC 2), l energia primaria consumata è 4

5 imputabile a: i) consumo di gas naturale della AH nel solo funzionamento invernale; ii) consumo di energia elettrica della WCH, degli ausiliari della ACH e della CT nel solo funzionamento estivo; iii) consumo di energia elettrica di pompe di circolazione sia in estate che in inverno. Case-study I modelli di simulazione descritti sono stati utilizzati per sviluppare un analisi termodinamica e termoeconomica di una possibile applicazione dei due impianti di climatizzazione ad energia solare in esame (SHC1 e SHC2), al servizio di un edificio adibito ad uffici. Gli impianti sono stati simulati su base annua, utilizzando i dati climatici disponibili per la località di Napoli nel pacchetto TRNSYS. Tuttavia, l ampio database di dati climatici del software offre l opportunità di estendere tali simulazioni a tutte le maggiori città italiane, europee e mondiali. Si è ipotizzato che l edificio sia occupato in maniera continua tutti i giorni dell anno, compreso i festivi, dalle ore 8:00 alle 18:00. I dati relativi all occupazione, illuminazione e carichi interni sono stati invece desunti dai valori tipici di letteratura per la destinazione d uso considerata. In inverno, conformemente al DPR 412/93, la temperatura di set-point è fissata a 20 C; in estate, invece, il sistema di regolazione ha un set-point di 26 C. Lo stesso sistema di regolazione, in maniera automatica, attiva l impianto alle ore 8:00 e lo spegne alle ore 18:00, per tutti i giorni dell anno. La commutazione estate/inverno è regolata dal sistema di controllo generale dell impianto. Il periodo di funzionamento invernale è stato ricavato in base alle prescrizioni del DPR 412/03; il funzionamento estivo, non essendo regolato dalla Legge, è stato desunto dai tipici dati di funzionamento di edifici analoghi. In entrambi i casi esaminati (SHC1 e SHC2), per valutare l eventuale risparmio conseguibile in termini di energia primaria e/o di costi di esercizio, è stato considerato come sistema tradizionale di riferimento una centrale termo-frigorifera basata su una pompa di calore ad azionamento elettrico, con COP medi stagionali estivi ed invernali rispettivamente pari a 2,5 e 3,0. Nelle figure seguenti sono sintetizzati alcuni risultati relativi alle integrazioni giornaliere delle energie e dei costi, per ciascuno dei due impianti studiati, FIGURA 5 - Energie termiche ed elettriche giornaliere, mese estivo, SCH2 FIGURA 6 - Efficienze e costi, mese estivo, SCH2 valutati in due tipici periodi, uno invernale e l altro estivo. In Figura 3 sono rappresentati i flussi energetici su base giornaliera, relativi ad un tipico periodo estivo, dello schema di impianto SHC1. In questa figura è evidente che, nello stesso periodo di funzionamento, l energia radiativa incidente (Icoll) sul sistema dei collettori risulta estremamente variabile a causa delle variazioni climatiche. Ne consegue che il carico frigorifero sull edificio (Qcool,s) e quindi l energia frigorifera prodotta dalla ACH (Qc,ACH), segue proporzionalmente l andamento della radiazione incidente. È anche chiaro che la potenza termica necessaria al funzionamento dell assorbitore (Qt,ACH), viene fornita prevalentemente dal sistema solare (Qucoll) ed in parte minore dalla caldaia di integrazione (QAH). Si noti, inoltre, che nei giorni in cui la radiazione incidente risulta elevata, si registra contemporaneamente un 5

6 FIGURA 7 - Energie termiche ed elettriche giornaliere, mese invernale, SCH1 FIGURA 8 - Efficienze e costi, mese invernale, SCH1 incremento dell energia prodotta dal collettore ma anche delle richiesta di energia frigorifera dell edificio. Nel caso in cui, come accade frequentemente, la prima aliquota risulti dominante sulla seconda, l impianto è in grado di funzionare senza alcuna integrazione da caldaia, come evidenziato dalla Figura 5. In Figura 6, invece, sono riportate le efficienze ed i costi di esercizio del sistema. In particolare, si nota che l efficienza del collettore solare ( SC) è ben al di sotto del valore nominale auspicato, oscillando fra il 20% e il 40%, con punte di minimo prossime al 10 %, in funzione della radiazione solare incidente e della temperatura esterna. D altro canto, il gruppo ad assorbimento sempre in grado di funzionare con valori del COP ACH prossimi a quelli nominali, in virtù dell effetto della caldaia di integrazione che garantisce il valore di temperatura in ingresso all assorbitore, qualsiasi sia la condizione at - mosferica. Analogamente a quanto detto in precedenza, si nota che l aliquota di energia frigorifera prodotta dalla fonte solare (Fsol) si avvicina al 100% nei giorni in cui la radiazione solare risulta molto elevata, per scendere a valori pressoché nulli in caso di assenza di radiazione solare diretta. Infine, nella stessa figura sono anche sintetizzati i flussi economici: si nota che l impianto SHC1, in regime estivo, comporta significativi costi (CTE) per l acquisto del gas naturale necessario ad azionare la AH, il costo dell energia elettrica (CEE) necessaria alle pompe, alla torre ed agli ausiliari risulta invece molto inferiore. In ogni caso, il costo di esercizio (Cop) dell impianto SHC1 in regime estivo risulta generalmente inferiore al corrispondente costo del sistema tradizionale (Cop,RS) descritto in precedenza. In alcuni rari giorni, in cui l irraggiamento incidente risulta particolarmente scarso e quindi con Fsol quasi nulle, il risparmio economico ( C) risulta addirittura negativo. Infatti, in questi giorni, l ener - gia termica necessaria all assorbitore risulta provenire per la quasi totalità dalla caldaia di integrazione e quindi il sistema SCH1 si comporta come un assorbitore monostadio a fiamma diretta che, come noto, risulta sia energeticamente che economicamente molto meno efficiente di una pompa di calore raffreddata ad aria. Proprio per limitare questa inefficienza è stato proposto lo schema 2, SHC2, i cui risultati, relativamente al periodo estivo, sono rappresentati nella Figura 5 e nella Figura 6. In particolare, rispetto al diagramma di Figura 6 bisogna osservare che le integrazioni di energia frigorifera vengono garantite dalla WCH, senza in alcun mo do utilizzare la caldaia du rante tutto il periodo estivo. In questo modo, grazie all elevato valore del COP del WCH, è possibile garantire che anche le integrazioni vengano prodotte con sistemi ad elevatissima efficienza. Quindi, l utilizzo della WCH da un lato annulla i consumi di gas durante l estate, dall altro determina un deciso incremento del consumo di energia elettrica. Dalla Figura 6 è comunque evidente che il primo effetto prevale sul secondo: il costo di eserci- 6

7 zio dell impianto SHC2 risulta essere sempre inferiore rispetto al corrispondente costo di esercizio del sistema tradizionale, rendendo di fatto conveniente l utilizzo dell impianto ad energia solare anche in caso di valori bassissimi della frazione solare diretta. Infine, è da notare il valore particolarmente elevato del COP della WCH, in virtù della condensazione ad acqua e dell alta tecnologia dei compressori e circuiti frigoriferi. Nella Figura 7 sono invece ri - portati i flussi energetici dell im - pianto SHC1, relativamente ad un periodo di funzionamento mensile in inverno. In tale figura, risulta evidente che il sistema di collettori solari, pur essendo ben dimensionato per il carico estivo, risulta insufficiente per il soddisfacimento delle richieste in - vernali. Infatti, è assai frequente l eventualità in cui l energia radiativa incidente risulta addirittura inferiore rispetto al fabbisogno di energia termica del l edificio. Inoltre, l energia termica necessaria al mantenimento della temperatura di 20 C negli ambienti, risulta essere fornita prevalentemente dalla caldaia. Anche le perdite dei collettori sono più significative in virtù della minore temperatura esterna. Nella Figura 8, è inoltre evidente come il funzionamento invernale dell impianto sia molto più sensibile alle condizioni atmosferiche. Infatti, la frazione solare può oscillare da valori prossimi all unità in giornate con molto irraggiamento, fino a toccare valori prossimi allo zero quando il clima risulta poco favorevole. Nel complesso, si osservano valori della frazione solare e del rendimento del collettore mediamente più bassi rispetto ai corrispondenti valori estivi. Dal punto di vista economico, si vede che i consumi sono dovuti principalmente all acquisto di gas naturale e che il sistema SHC1 risulta generalmente meno oneroso, in termini di costi di esercizio, rispetto al sistema tradizionale. Il margine di risparmio appare però decisamente meno significativo rispetto al corrispondente valore estivo. Durante il funzionamento invernale, l impianto SCH2 si comporta in maniera analoga rispetto allo SCH1. Infatti la Figura 9 e la Figura 10 confermano gli stessi andamenti delle corrispondenti figure relative all impianto SCH1. Infine, nella Tabella 1 vengono riassunti i risultati relativi all integrazione su base annua dei due impianti, al fine di facilitarne il confronto. FIGURA 9 - Energie termiche ed elettriche giornaliere, mese invernale, SCH2 FIGURA 10 - Efficienze e costi, mese invernale, SCH2 Ovviamente, l energia solare incidente sui collettori risulta essere la stessa in quanto non varia la tecnologia, l inclinazio ne e la superficie dei collettori. Viceversa, l impianto SHC2 mo stra un maggior valore dell energia termica utile prodotta dai collettori, evidentemente grazie ad una migliore efficienza nel funzionamento. Tuttavia, tale incremento risulta poco significativo (inferiore al 4%). Come ovvio, l energia termica prodotta dalla caldaia ausiliaria dello SHC2 risulta essere inferiore rispetto al corrispondente valore dell impianto SHC1, in quanto le integrazioni estive sono garantite dalla pompa di calore ad azionamento elettrico. In generale, il sistema SHC2 implica un minor valore della temperatura operante, all interno 7

8 dei collettori, durante la stagione estiva. Tale circostanza è anche confermata dal minor valore delle perdite all involucro che lo SHC2 è in grado di ottenere. Anche l energia smaltita dalla torre di raffreddamento risulta minore. Infatti, nello schema SHC1 l energia frigorifera viene prodotta esclusivamente dalla ACH; nello schema 2, la stessa energia frigorifera è prodotta in parte dalla ACH ed in parte dalla WCH. Ma la ACH, avendo un COP decisamente più basso rispetto alla WCH, richiede di smaltire in torre potenze termiche molto più elevate, determinando il maggior utilizzo della CT evidenziato in Tabella 1. Infatti, il maggior consumo di energia elettrica dello SHC2 non è dovuto ai ventilatori della torre ma all utilizzo della WCH durante il funzionamento estivo. Anche dal punto dell energia primaria lo schema SHC2 presenta migliori prestazioni, riuscendo a garantire un risparmio di energia primaria (PES) estivo ed invernale del 51% e 27 % contro i valori di 49 % e 17 % dello SCH1. Il maggior risparmio energetico invernale è imputabile alla miglior tecnologia di caldaia (a condensazione) installata nel sistema SCH2. Nel sistema SCH1 si è scelto di utilizzare una caldaia standard in quanto, almeno durante l estate, avrebbe dovuto funzionare a temperature superiori a 80 C, vanificando di fatto i benefici della condensazione. La migliore prestazione energetica dello SHC2 si traduce anche in maggiori valori della frazione solare e dell efficienza dei collettori. Anche dal punto di vista economico il secondo impianto garantisce minori costi di esercizio sia dello SHC1 che del sistema tradizionale (RS). I costi energetici dell impianto SHC 1 risultano prevalentemente dovuti all acquisto del gas naturale; viceversa, le forniture elettriche dello SHC2 sono preponderanti rispetto a quelle di gas naturale. In definitiva, l impianto SHC2 garantisce migliori prestazioni energetiche e minori costi di esercizio rispetto allo schema SHC1 Tale circostanza non è comunque sufficiente per affermare che lo schema SHC2 debba essere preferito allo SHC1. Infatti il costo di investimento dello SCH2 risulta decisamente superiore rispetto al corrispondente costo dello SCH1. Pertanto, al fine di comparare la redditività dei due impianti sono stati definiti due criteri: i) SPB, tempo di ritorno dell investimento; ii) OF, costo annuo dell impianto dato dalla somma dei costi di esercizio (Cop) e dei costi di ammortamento (Camm, calcolato ipotizzando una vita utile dell impianto di 20 anni ed un tasso di attualizzazione del 5%). Secondo il primo criterio, l impianto SHC2 sarebbe da preferire allo SHC1; viceversa secondo il criterio del costo an nuo, l im - pianto SHC1 presenta un minore valore di OF rispetto a SHC2 (Tabella 1). Tuttavia, in assenza di incentivi pubblici, entrambi gli impianti risultano abbondantemente non redditivi, con tempi di ritorno di gran lunga superiori rispetto alla vita utile dell investimento. I calcoli hanno evidenziato che l inve stimento diventa redditivo quando ci sia un finanziamento pubblico pari almeno all 80% del costo dell impianto. In questo caso i due indici, indicati con SPB e OF, confermano che l impianto SHC2 è da preferire rispetto allo SHC1, presentando minori valori del tempo di ritorno dell in vestimento e del costo annuo (Tabella 1). Conclusioni Parametro SHC1 SHC2 ISC (kj) 1.87E E+09 Qucoll (kj) 3.67E E+08 QAH (kj) 3.16E E+08 QAH,w (kj) 2.39E E+08 QAH,s (kj) 7.67E+07 0 Ql,TK1 (kj/h) 4.29E E+07 Ql,TK2 (kj) 1.70E E+06 Qt,ACH (kj) 2.52E E+08 Qc,ACH (kj) 2.07E E+08 QCT (kj/h) 4.61E E+08 Qheat,w (kj) 3.45E E+08 Qcool,s (kj/h) 2.06E E+08 Eel (kj) 1.84E E+07 Ep,s (kj) 1.09E E+07 Ep,s,RS (kj) 2.11E E+08 Ep,w (kj) 2.89E E+08 Ep,w,RS (kj) 2.94E E+08 Ep (kj) 3.98E E+08 EpRS(kJ) 5.05E E+08 PES,s (%) 4.85E E-01 PES,w (%) 1.69E E-01 PES (%) 2.12E E-01 Fsol 54% // Fsol,w 31% 3.74E-01 Fsol,s 70% 7.28E-01 SC 1.96E E-01 CEE (euro/anno) 6.63E E+02 CTE (euro/anno) 3.56E E+03 Cop (euro/anno) 4.22E E+03 Camm(euro/anno) 3.67E E+04 OF (euro/anno) 4.09E E+04 Ccap (euro) 4.59E E+05 CTE,RS (euro/anno) 4.15E E+03 CEE,RS (euro/anno) 2.98E E+03 Cop,RS (euro/anno) 7.13E E+03 cop (euro/anno) 2.91E E+03 SPB (anni) 1.41E E+02 SPB (anni) 1.44E E+01 OF (euro/anno) 1.16E E+04 TABELLA 1 - Confronto risultati SHC1 e SHC2 Le simulazioni presentate confermano i pregi comunemente riconosciuti ai sistemi di climatizzazione ad energia solare, ovvero, essenzialmente, l ottimo accoppiamento fra la disponibilità della radiazione solare e la richiesta di energia frigorifera, durante la stagione estiva, il ridotto fabbisogno di energia elettrica, anche in termini di potenza installata e picchi di prelievo, e le elevate potenzialità di risparmio energetico. Dal punto di vista economico, viceversa, entrambi gli schemi di impianto analizzati, pur comportando notevoli risparmi in termini di costi di esercizio, si sono dimostrati scarsamente competitivi, soprattutto a causa degli elevati costi di investimento. I risultati dell analisi economica hanno quindi evidenziato come la diffusione di sistemi di climatizzazione estiva alimentati ad energia solare necessiti di cospicui finanziamenti pubblici, come d altra parte accade per la maggior parte delle tecnologie basate sull uso di fonti energetiche rinnovabili. Bibliografia [1] Duffie, J.A., Backman, W.A, Solar engineering of thermal processes, ed. J.W.a. sons [2] ASHRAE, Handbook of Fundamentals, ed. R.a.A.-C.E. American Society of Heating. 2001, Atlanta. [3] Assilzadeh, F., Kaligirou, S.A., Ali, Y., Sopian, K., Simulation and optimization of a LiBr solar absorption cooling system with evacuated tube collectors. Renewable Energy, : p [4] Ardehali, M.M., Shaharestani, M., Adams C.C., Energy simulation of solar assisted absorption system and examination of clearness index effects on auxiliary heating. Energy Conversion and Management, : p [5] Atamaca, I., Abdulvahap, Y., Simulation of solar-powered absorption cooling system. Renewable Energy, : p [6] Folrides, G.A., Kalogirou, S.A., Tassou, S.A., Wrobel, L.C., Modelling and simulation of an absorption solar cooling system for Cyprus. Solar Energy, (1): p [7] Folrides, G.A., Kalogirou, S.A., Tas- 8

9 sou, S.A., Wrobel, L.C., Modelling, simulation and warming impact assessment of a domestic-size absorption solar cooling system. Applied Thermal Engineering, : p [8] Ghaddar, N.K., Shihab, M., Bdeir, F., Modeling and simulation of solar absorption system performance in Beirut. Renewable Energy, (4): p [9] Gordon, J.M., Choon Ng, K., Highe Efficiency Solar Cooling. Solar Energy, (1): p [10] Solar Energy Laboratory, U.o.W., Madison, TRNSYS. A transient system simulation program. [11] Theunissen, P.H., Beckman, W.A., Solar transmittance characteristics of evacuated tubular collectors with diffuse back reflectors. Solar Energy, (4): p [12] W.R., M., Factored approximations for biaxial incidence angle modifier. Solar Energy, (4): p [13] Zweifel, G., Dorer, V., Koshenz, M., Weber, A., Building energy and system simulation programs: model development, coupling and integration, ed. EMPA. SIMBOLOGIA CEE Costo energia elettrica (euro) CTE Costo energia termica (euro) COPACH Coefficiente di Prestazione ACH COPWCH Coefficiente di Prestazione WCH Ccap Costo di Investimento (euro) Camm Quota annua di ammortamento dell investimento (euro/anno) Cop,RS Costo di esercizio sistema di riferimento (euro/anno) Cop Costo di esercizio (euro/anno) Eelect Energia elettrica assorbita (kj) Ep Energia Primaria (kj) Icoll Energia termica incidente sui collettori (kj) OF Costo totale annuo (euro/anno) OF Costo totale annuo con incentivo (euro/anno) Qucoll Energia Termica prodotta dai collettori (kj) Qt,ACH Energia Termica in ingresso a ACHi (kj) QlTK1 Energia Termica dispersa dal TK1 (kj) Qheat,w Fabbisogno termico invernale edificio (kj) QCT Energia Termica smaltita da CT (kj) QlTK2 Energia Termica dispersa dal TK2 (kj) Qcool,s Fabbisogno frigorifero estivo edificio (kj) Qc,ACH Energia frigorifera prodotta dalla ACH (kj) QWCH Energia frigorifera prodotta dalla WCH (kj) QAH Energia termica prodotta da AH (kj) PES Risparmio energetico (%) SPB Tempo di ritorno dell investimento (anni) SPB Tempo di ritorno dell investimento con incentivi (anni) C Risparmio annuo (euro/anno) Fsol Frazione solare Efficienza collettore solare SC PEDICI w s RS Invernale Estivo Sistema di Riferimento 9

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