Tecniche di Solar Cooling

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1 Tecniche di Solar Cooling Motivazioni, principi di funzionamento, sistemi Marco Citterio ENEA

2 Evoluzione dei consumi energetici nel settore Civile: ~29 MTep ~15 MTep Consumi di Energia Primaria: dati storici e previsioni (Fonte: MSE)

3 Residenziale: dati storici e previsioni della ripartizione dei consumi per fonte energetica

4 Non residenziale: dati storici e previsioni della ripartizione dei consumi per fonte energetica

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6 Totale climatizzatori split e multisplit venduti in Italia 2003: : : Fonte:

7 Fabbisogno energetico per il riscaldamento e raffreddamento di un edificio in relazione alla disponibilità di radiazione solare

8 Principio generale di funzionamento di un sistema di solar cooling Acqua Refrigerata Calore Processo alimentato termicamente Aria condizionata

9 Applicazioni dell energia solare Radiazione solare Pannelli fotovoltaici Collettori solari termici Processo di Trasformazione del calore Processo termodinamico Cicli aperti Cicli chiusi Liquido Solido Liquido Solido H 2 0 / LiBr Adsorbimento (acqua/silica gel) Assorbitore in controcorrente Ruota deumidificante H20 / NH 3 Assorbimento (ammoniaca/sale)

10 Sistemi a ciclo aperto: Desiccant cooling La tecnologia a ciclo aperto utilizza l effetto di refrigerazione dell aria associato al calore latente di vaporizzazione dell acqua Produzione di aria condizionata (non è possibile refrigerare) Il potenziale di applicazione cresce all aumentare della deumidificazione dell aria di rinnovo È richiesta energia termica per la rigenerazione del materiale adsorbente (desiccant) Separazione delle fasi di raffrescamento e deumidificazione dell aria

11 Dessiccant: ciclo standard

12 Sistemi a ciclo chiuso: chiller ad assorbimento Trasformazioni di stato del fluido refrigerante in combinazione con la sostanza assorbente Coppie di sostanze utilizzate: NH 3 H 2 O o LiBr H 2 O I sistemi a LiBr necessitano di torre evaporativa

13 Macchine a compressione e macchine ad assorbimento

14 Schema di funzionamento di un sistema di refrigerazione ad assorbimento p Q C Q G vapore P 1 Condensatore Generatore Refrigerant e fluido Soluzion e povera Soluzione ricca P 0 Evaporatore vapore Assorbitore Q E Q A T E T C T A T G T

15 Quali collettori usare? Collettori piani 1 Collettori a tubi evacuati Collettori ad aria 0,8 0,6 Cicli ad assorbimento 0,4 Cicli desiccant cooling 0, Temperatura media del fluido [ C]

16 Collettori piani e a tubi evacuati

17 Collettori ad aria: il Solar Wall

18 Collettori parabolici a concentrazione

19 Efficienza dei SOLEL CPC (W/m^2) efficiency Ta 15 C; Dt 20 C Tout C

20 Solar Cooling: Sistemi realizzati in Europa Fonte: Task 25 SC IEA

21 Simulazione di un impianto ad alta temperatura (PdC Acqua- Ammoniaca) Heater 240 C 190 C Min 50 m C Tank 2 m 3 GAHP

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23 Scopo dell indagine Lo scopo di questo studio è quello di valutare la convenienza tecnico economica di adottare questo tipo di configurazione in diverse regioni italiane, laddove condizioni climatiche ed economiche (livello dei prezzi energetici) possono considerevolmente influenzare le motivazioni di una scelta.

24 Metodologia Lo studio è stato realizzato mediante simulazioni dinamiche condotte con il codice TRNSYS. Un edificio di circa 1000 m3 è stato simulato a Roma, MIlano e Palermo. Le caratteristiche dell involucro dell edificio sono state opportunamente modificate in ottemperanza alle normative vigenti in tema di risparmio energetico. Il modello è sufficientemente dettagliato da poter consentire la simulazione di profili di utilizzo: presenza di persone accensione di luci ed altri apparecchi elettrici chiusura dell edificio nei weekend e durante le vacanze estive

25 Metodologia La pompa di calore impiegata per questo studio è stata una ROBUR GAHP reversibile, il sistema è stato quindi valutato sia in condizioni invernali che estive, con e senza sebatoio di accumulo solare. La convenienza economica del sistema è stata valutata confrontandolo: Un impianto con la sola ROBUR GAHP, senza collettori solari Un sistema tradizionale, basato su caldaia a gas e chiller a compressione elettricio. Le simulazioni sono state condotte sia in condizioni estive (1 Giugno 15 Settembre) che invernali (15 Ottobre 15 Aprile).

26 La ROBUR GAHP The Robur GAHPs are ammonia-water, gas driven absorption reversible machines. They can satisfy strong requirements of winter energy saving in heating function (140% of efficiency, over the gas consumption) and supply a summer cooling service. The GAHP series corresponds to the concept of Modular Integrated Installations (17 kw in cooling and 35 kw in heating, each module). The main advantages of the model GAHP-AR (Air Sourced Reversible Gas Fired Absorption Heat Pump) are: Extremely high efficiency in heating and good efficiency in cooling Heat pump / Refrigerator driven by natural gas, with an electric energy saving around 90% compared with the traditional electric machines Heat rejection exchanged only by air Only natural fluids inside Heating and cooling with reversible machine In the present study, due to coupling with solar collector plants, the machine adopted is a particular and modified unit fed by circulation of diathermic oil.

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28 Campo solare È costituito da 50 m 2 di pannelli parabolici Solel SP Industrial. Questo tipo di pannelli può operare nel range di C con buone efficienze.

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35 Commenti ai risultati di PayBack Il sistema in esame è economicamente più conveniente a Roma che a Milano o Palermo, nonostante a Milano presenti notevoli livelli di richiesta di energia sia per riscaldamento che per condizionamento e Palermo presenti ottimi livelli di insolazione e alti carichi di condizionamento. I motivi per I quali si ottengono questi risultati possono essere così riassunti: La qualità della radiazione solare a Roma è decisamente migliore che a Milano, laddove il rapporto diffusa/totale è generalmente piuttosto elevato. Il sistema solarizzato lavora quindi per un tempo maggiore e la frazione solare a Roma è più alta di circa il 50% rispetto a Milano. I carichi termici invernali a Palermo sono molto bassi, e una domanda ridotta di energia durante l inverno non consente di sfruttare al meglioil sisteme e di ottenere tempi di ritorno.

36 Sistema ibrido Pompa di Calore ad Assorbimento (H 2 O NH 3 ) / Desiccant

37 System layout Building Heating/Cooling plant concept: Radiant floor Primary air Solar field: 40 m 2 SOLEL IND- 300.

38 System layout Absorption waterammonia heat pump (ROBUR GAHP) supplied by diathermic oil heated by solar parabolic collectors and by auxiliary heater (GB) HP feeds the radiant floor system. DEC was coupled with absorption heat pump exploiting thermal energy provided by condenser to regenerate the rotary desiccant dehumidifier. DEC works as AHU

39 Caratteristiche del sistema analizzato Building volume 2700 m 3 Parabolic solar panel area 40 m 2 Oil storage Tank 3 m 3 Nominal Cooling Power Absorption heat pump 17 kw Gas Burner Nominal Power 25 kw Cooling Water Flow rate at exchanger water- air 4500 kg/h Global thermal conductivity of air-water heat exchanger 3500 kj/(h* K) Air mass flow rate inlet at Desiccant Unit 3000 kg/h Night ventilation 5 V/h

40 Risultati della simulazione

41 Risultati (Funzionamento estivo) Heat Pump working time (h) E HP (kwh) E GB (kwh) Solar fraction % E d [kwh/( yr m 2 )]

42 per maggiori informazioni Collettori Solari Macchine ad assorbimento Desiccant Solar Cooling

43 Grazie per l attenzione Marco Citterio citterio@casaccia.enea.it