Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare Sezione 2.1 Impianto frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy

2 2 Agenda Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio Generalità sul solar cooling P&I impianto solar cooling Dimensionamento elementi di impianto

3 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Qualsiasi impianto frigorifero deve trasferire determinate quantità di calore da locali, derrate, fluidi, a temperatura più bassa, all aria o all acqua dell ambiente esterno a temperatura più elevata. Questi trasferimenti di calore contro natura richiedono che venga compiuto del lavoro. Negli impianti muniti di compressore si fornisce energia nella forma meccanica (ottenuta in genere tramite motori che richiedono energia elettrica). Negli impianti frigoriferi ad assorbimento si fornisce energia nella forma termica. Se l energia termica è di alta qualità (ad esempio resa disponibile dalla combustione diretta di combustibile pregiato) gli impianti frigoriferi ad assorbimento non risultano energeticamente convenienti nei confronti di quelli a compressione. L impianto ad assorbimento risulta invece interessante se viene alimentato con calore destinato ad essere disperso nell ambiente esterno. L impiego di una macchina operatrice, e quindi di energia elettrica, per riportare il fluido alla pressione di condensazione è comunque necessaria ma, assorbendo il fluido frigorifero in una soluzione liquida, si affida questo compito ad una pompa e non ad un compressore, con notevoli vantaggi dal punto di vista energetico, del costo, degli ingombri e della manutenzione.

4 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Esistono due tipologie di soluzioni liquide: alcune sono costituite da componenti che rimangono separati tra loro, come avviene ad esempio per acqua e olio; altre sono costituite da componenti in grado di miscelarsi intimamente, come avviene per acqua e ammoniaca. Esiste comunque un limite alla solubilità di un componente nell altro, che dipende dalla pressione e dalla temperatura della miscela. In particolare, al crescere della temperatura, la soluzione si impoverisce del componente più bassobollente. (Esistono anche sostanze che se aggiunti a soluzioni immiscibili le rendono miscibili: si pensi alla funzione della bile secreta dal fegato) Gli impianti ad assorbimento che presentano le applicazioni di maggior interesse impiegano prevalentemente la soluzione acqua e ammoniaca (H 2 0 NH 3 ) o la soluzione acqua e bromuro di litio (H 2 0 LiBr). Nel primo caso il fluido frigorifero è l ammoniaca e pertanto può coprire l intero campo di applicazione dei normali impianti a compressione. Nel secondo caso il fluido frigorifero è l acqua e di conseguenza le applicazioni sono limitate al campo della semplice refrigerazione, con temperature nettamente al di sopra di 0 C.

5 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr L impianto frigorifero ad assorbimento è costituito fondamentalmente da due parti. Nella prima di queste, presente anche negli impianti a compressione, il fluido frigorifero passa dall ambiente ad alta pressione (condensatore C ed eventuale ricevitore di liquido RL) a quello di bassa pressione (separatore S e circuiti di evaporazione) attraverso la laminazione L. Nella seconda, che si sostituisce al compressore degli impianti a compressione, il vapore frigorifero ottenuto dal separatore viene assorbito in una soluzione liquida, dopo di che può essere riportato alla pressione più elevata con una pompa P. Viene infine separato dalla soluzione liquida per essere avviato al condensatore. L assorbimento avviene nell assorbitore A ed è favorito dalla sottrazione di calore. Minore è la temperatura che si riesce a raggiungere e minore è la quantità di soluzione necessaria per assorbire 1 kg di vapore frigorifero. La separazione della soluzione liquida avviene nel generatore G introducendo calore. I vapori che si liberano non sono necessariamente composti esclusivamente da vapori di fluido frigorifero: tra il generatore e il condensatore può risultare necessario introdurre una colonna di rettifica per garantire una certa purezza del fluido frigorifero. Generatore G: fornisco calore Separatore/Evaporatore: sottraggo calore Assorbitore A e Condensatore C: vanno raffreddati!

6 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Due sono i diagrammi fondamentali impiegati nello studio delle soluzioni binarie: il diagramma temperatura-concentrazione (T-c) e il diagramma entalpia-concentrazione (H-c). Sul diagramma T-c, per un determinato valore di pressione p, si hanno 4 curve fondamentali che individuano le fasi del solido, del liquido e del vapore e che si appoggiano ai valori delle temperature di vaporizzazione T v e di solidificazione T s dei 2 componenti A e B della soluzione. Le 4 curve fondamentali sono la curva di condensazione, di vaporizzazione, di solidificazione e di fusione. Ad una generica concentrazione c della soluzione, a temperatura più bassa di T f troviamo la fase solida, tra T s e T v troviamo la fase liquida, oltre T c troviamo la fase vapore. Tra T s e T f si ha la miscela eterogenea di liquido e solido, tra T c e T v la miscela eterogenea di liquido e vapore. È da notare che, contrariamente a quanto avviene per i componenti puri, per la soluzione a una generica concentrazione c, la temperatura varia durante le fasi di vaporizzazione e di solidificazione.

7 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Consideriamo sul diagramma T-c una soluzione binaria con una curva del vapore che corre molto vicino all asse A. Partendo da una soluzione liquida (1) con concentrazione rispetto a B anche abbastanza elevata, introducendo calore e separando le fasi si può ottenere vapore (V) piuttosto concentrato nei confronti di A. Nel caso della soluzione H 2 0-LiBr, il soluto B è un sale (LiBr) con tensione di vapore del tutto trascurabile fino a 140 C. Nel campo di applicazione della refrigerazione, la curva del vapore coincide praticamente con l asse delle ordinate A e si può ottenere un vapore di acqua praticamente puro e surriscaldato da una soluzione liquida con una certa concentrazione di LiBr. Si realizzano pertanto impianti frigoriferi ad assorbimento nei quali il fluido frigorifero è l acqua e il vapore ottenuto dal generatore passa direttamente al condensatore senza bisogno della colonna di rettifica. È da tenere presente che: negli impianti frigoriferi ad assorbimento ad ammoniaca i termini concentrazione povera e concentrazione ricca sono riferiti al tenore di fluido frigorifero (NH 3 ) in soluzione; negli impianti a bromuro di litio, ci si riferisce al LiBr e non al fluido frigorifero (acqua).

8 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Lo schema di processo riportato in figura fa riferimento ad una realizzazione particolarmente compatta di un impianto a bromuro di litio per refrigerazione d acqua. Nel generatore di vapore G e nel condensatore C la pressione assoluta p c è dell ordine di un decimo di atmosfera. Nel vaporizzatore V e nell assorbitore A la pressione assoluta p v e dell ordine del centesimo di atmosfera. Riunire i componenti alla stessa pressione in un unico contenitore risulta una soluzione vantaggiosa dal punto di vista della tenuta, dei collegamenti e della compattezza. Nel generatore la soluzione povera (di LiBr) viene riscaldata a circa T 1 =70 90 C (grazie ad acqua a C) e si concentra liberando vapore d acqua praticamente puro. Questo vapore passa poi nel condensatore (a circa T C =45 C) cedendo calore all acqua di raffreddamento che lascia lo scambiatore ad una temperatura di T u <40 C. L acqua di raffreddamento può venire, a sua volta, raffreddata in circuito chiuso, tramite una torre di raffreddamento.

9 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H 2 O - LiBr Limite alle temperature raggiungibili con gruppo frigorifero ad assorbimento H 2 O - LiBr

10 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr La condensa (2) viene laminata e scende al vaporizzatore (3). La vaporizzazione avviene alla temperatura T V =4 5 C, mentre il fluido da raffreddare (di solito acqua) viene portata dalla temperatura T a =12 13 C a quella T b =7 8 C. Poiché sono necessari piccoli ΔT tra acqua frigorifera e acqua da refrigerare, è necessario favorire lo scambio termico utilizzando atomizzatori e facendo ricircolare la condensa del fluido frigorifero con una pompa P v. Il vapore che si produce al vaporizzatore passa all assorbitore dove giunge anche la soluzione ricca (in LiBr) proveniente dal generatore (10). Il vapore d acqua viene assorbito dalla soluzione, con sottrazione di calore, e la diluisce. Per rendere possibile l assorbimento occorre sottrarre calore all assorbitore con acqua di raffreddamento; questa entra alla temperatura T e =30 C, esce a T i =35 36 C e viene poi mandata generalmente a raffreddare il condensatore. Per migliorare le condizioni alle quali avviene l assorbimento, una pompa P a mette la soluzione che sta assorbendo il vapore in ricircolo. La soluzione povera (5), con temperatura di T 5 =35 40 C e concentrazione c p =0,55 0,60 abbandona l assorbitore per essere mandata con una pompa P al generatore dopo aver attraversato lo scambiatore di recupero S (7). La soluzione ricca (c r =0,63 0,67) che scende dal generatore (8), cede calore alla soluzione povera nello scambiatore di recupero S, subisce una riduzione di pressione (da 9 a 10) e arriva all assorbitore.

11 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Per le nostre valutazioni si farà riferimento a: diagramma H-c della soluzione H 2 0-LiBr, con curva del vapore coincidente con l ordinata c=0; diagramma H-s dell acqua; da questo è possibile ricavare il valore dell entalpia del vapore surriscaldato di acqua in equilibrio con una data soluzione satura, in funzione della pressione e della temperatura della soluzione stessa. Ipotesi semplificative: si trascurano le cadute di pressione al passaggio dal generatore al condensatore e dal vaporizzatore all assorbitore; si assume che la soluzione povera all uscita dall assorbitore, la soluzione ricca all uscita del generatore e la condensa allo scarico del condensatore, siano sature; si assume che il vapore d acqua all uscita del vaporizzatore sia saturo secco; si trascurano le variazioni di temperatura e di entalpia della soluzione povera attraverso la pompa.

12 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Schema di processo Diagrammi H-s e H-c

13 Diagramma H-s (di Mollier) per l acqua Formazione di condensa T [ C] 0, p sat [kpa] 0,6113 0,8721 1, ,339 3,169 4,246 T [ C] p sat [kpa] 5,628 7,384 9,593 12,349 15,758 19,940 25,03 T [ C] p sat [kpa] 31,19 38,58 47,39 57,83 70,14 84,55 101,3

14 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Dati di progetto 1) Per ottener acqua refrigerata a 7 8 C, occorre del vapore a 4 5 C. Essendo il fluido frigorifero acqua, è nota anche la pressione di evaporazione p v 8mbar. 2) La massima temperatura raggiungibile nel generatore, T1, nota la p c, determina la concentrazione ricca c r. 3) Con acqua a 35 C disponibile al condensatore, si riesce a condensare il vapore frigorifero a circa 45 C. La pressione di condensazione del vapore è p c 100mbar. 4) La minima temperatura realizzabile nell assorbitore, T5, nota la p v, determina la concentrazione povera c p. t max p c c r t min p v c p

15 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Consideriamo la portata unitaria di vapore (1) che lascia il generatore e arriva al vaporizzatore e a questa riferiamo la portata g di soluzione ricca (8) che dal generatore si porta all assorbitore. A regime la portata di soluto che entra in uno dei due apparati deve essere uguale a quella che ne esce. oppure c G + c G = c G c G + c G = c G c g = c 1 + g =

16 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Nel generatore, grazie all apporto di calore dall esterno, viene superata la temperatura di saturazione corrispondente ai valori della pressione p c e della concentrazione c p e si ottiene del vapore surriscaldato alla T 1. Infatti la soluzione salata bolle ad una temperatura superiore rispetto al componente puro acqua; il vapore d acqua che si libera si trova quindi alla temperatura di saturazione della soluzione salata, maggiore rispetto alla temperatura di saturazione del solo componente acqua. Il vapore che si libera è pertanto surriscaldato. I valori p c e T 1 individuano lo stato (1) del vapore (sul diagramma H-s) e lo stato (8) della soluzione ricca satura corrispondente (sul diagramma H-c). 1 2) desurriscaldamento e condensazione del vapor d acqua all interno del condensatore; 2 3) laminazione del vapore dalla pressione p c alla pressione p v (H 3 =H 2 ); 3 4) vaporizzazione del vapor d acqua.

17 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Lo stato della miscela povera (concentrazione c p ) all uscita dell assorbitore è individuato dai valori di pressione p v e della temperatura T 5 e, per le ipotesi fatte, il liquido è saturo. La soluzione povera viene portata dalla pompa alla pressione p c per essere inviata al generatore. Per ipotesi si trascura l apporto energetico fornito dalla pompa e pertanto H 5 = H 6.

18 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Prima di raggiungere il generatore, lo scambiatore di recupero scalda la soluzione povera (6) fino a raggiungere lo stato (7), solitamente di liquido sottoraffreddato. Lo stato (7) verrà in seguito determinato. La soluzione ricca (8), che scende dal generatore con temperatura T 1, viene raffreddata nello scambiatore di recupero fino a raggiungere la temperatura T 9, superiore di un certo ΔT s alla temperatura T 5 (= T 6 ) di entrata della soluzione povera.

19 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr La soluzione ricca (9) subisce quindi una riduzione di pressione che la porta dalla pressione p c alla pressione p v. La soluzione ricca (10) può risultare sottoraffreddata o satura a seconda che la T 9 sia inferiore o uguale alla temperatura di saturazione corrispondente ai valori assegnati di p v e c p. Sul diagramma si è supposto che la soluzione sia satura.

20 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Allo stesso risultato si perviene utilizzando il diagramma H-c. Ipotizzando di rimescolare il vapore (1) e la soluzione ricca (8) uscenti dal generatore, si ricaverebbe una miscela (A) a concentrazione c p. Mescolando il vapore (4) e la soluzione ricca (10) entranti nell assorbitore, si ricaverebbe una miscela (B) a concentrazione c p. 1 g = A 8 A 1 = c c c 1 g = B 10 B 4 = c c c g = ; 1+g=

21 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Valutiamo ora le quantità di calore che interessano i vari scambiatori, riferite alla portata unitaria di vapore frigorifero. 1) Condensatore: q = H H ; 2) Vaporizzatore: q = H H ; 3) Assorbitore: q = H H 1 + g = H H = H H ; avendo indicato (R) l intersezione di 59 con l asse delle ordinate e avendo considerato i triangoli simili 59B e R94

22 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr 4) Scambiatore di recupero: Da cui: H H 1 + g = H H g H H = H H g 1 + g = H H c c Il che significa che (7) è allineato con (8) e con (R). Indicando con (T) l intersezione di 79 con l asse delle ordinate e considerando i triangoli simili 978 e R7T, si trova: c q = H H g = H H c c = H H 7

23 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr 5) Generatore: q = H H 1 + g = H H c c c = H H Avendo considerato i triangoli simili 78A e R81

24 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Avendo trascurato l apporto energetico della pompa, il bilancio finale di energia vale: + = + Il coefficiente di effetto utile o E.E.R. (Energy Efficiency Ratio) dell impianto vale: ε =

25 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Diagramma H-c 90 C Acqua T [ C] p sat [kpa] 0,01 0,6113 Condensatore + generatore: T c = 37 C p c = 67 mbar con T max generatore = 90 C c r = 0,63 T c = 45 C p c = 96 mbar ( 75 mm Hg) con T max generatore = 90 C c r = 0,59 T c = 37 C p c = 67 mbar con T max generatore = 80 C c r = 0,58 T c = 45 C p c = 96 mbar con T max generatore = 80 C c r = 0,54 Evaporatore + assorbitore: T v = 4 C p v = 8 mbar T min assorbitore = 30 C c p = 0,53 T v = 4 C p v = 8 mbar con T min assorbitore = 40 C c p = 0,58 È bene evidenziare la presenza della curva di solidificazione: il deposito di cristalli di bromuro di litio è assolutamente da evitare. 5 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,55

26 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Modello commerciale (fornitura) [dato aggiornato al 2013] E.E.R. = 17,6/25,1 = 0,70

27 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr

28 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr

29 No Componente Descrizione 1 Generatore 2 Condensatore 3 4 Recipiente di raccolta del liquido refrigerante (RST) Valvola di scarico liquido refrigerante (RBV) 5 Evaporatore (EVA) Porta all ebollizione la soluzione diluita di BrLi producendo vapore refrigerante Condensa il vapore refrigerante producendo liquido refrigerante Accumula il liquido refrigerante per garantire la migliore concentrazione della soluzione di BrLi Scarica il refrigerante accumulato nel recipiente di raccolta: a) alla disattivazione della macchina; b) allorché la temperatura rilevata da LT è a 3 C o inferiore; c) allorché la temperatura dell acqua di raffreddamento in ingresso è a 20 C o inferiore Il calore di evaporazione del refrigerante è estratto dall acqua da refrigerare che fluisce nella serpentina dell EVA INLET COND EXTRACTION INLET GENER CTI HWT CB 19 OUTLET COND OUTLET GENER 6 Assorbitore (ABS) 7 8 Valvola di by-pass della soluzione (SV9) Valvola solenoide di protezione antigelo (SV1) Il vapore refrigerante sviluppatosi nel EVA è assorbito dalla soluzione concentrata di BrLi. Il calore prodotto nel processo di assorbimento è trasferito dall acqua di raffreddamento che circola all interno della serpentina dell ABS Qualora le temperature dell EVA o dell acqua di raffreddamento scendano sotto determinati valori la valvola SV9 si apre per ridurre la portata do soluzione all ABS Qualora le temperature dell EVA o dell acqua di raffreddamento scendano sotto determinati valori, la valvola SV9 si apre per ridurre la portata di soluzione all ABS INLET FREDDO 25 TIT INLET ASSORB R LT FFSL R WTO 21 OUTLET FREDDO OUTLET ASSORB 9 Scambiatore (HE) 10 Pompa di soluzione diluita (SO) Permette lo scambio termico dalla soluzione concentrata calda alla soluzione diluita fredda 11 Assorbitore ausiliario Interviene in aiuto ad ABS Spinge la soluzione diluita dall assorbitore (ABS) al generatore (GE) SP Separatore gas incondensabili I gas raccolti nell assorbitore ausiliario vengono separati dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta gas (GT)

30 No Componente Descrizione Separatore gas incondensabili Recipiente gas incondensabili (GT) Valvola di servizio gas incondensabili (A) Valvola di servizio per gas incondensabili (B) I gas raccolti nell assorbitore ausiliario vengono separati dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta gas (GT) Trattiene i gas incondensabili Valvola per la rimozione dei gas incondensabili dal recipiente GT Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell area ABS/EVA INLET COND EXTRACTION CTI 22 2 CB 19 OUTLET COND Valvola di prelievo soluzione diluita Valvola di prelievo soluzione concentrata Valvola di accesso al circuito della soluzione diluita Valvola di accesso al circuito della soluzione concentrata INLET GENER HWT 24 1 OUTLET GENER 18 Filtro 19 Centralina si controllo (CB) La soluzione proveniente dall assorbitore viene filtrata prima di entrare nella pompa Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia con i controlli esterni 12 8 R WTO Flussostato (FFSL) Sonda di rilevazione temperatura (WTO) Sonda di rilevazione temperatura (CTI) Sonda di rilevazione temperatura (LT) Sonda di rilevazione temperatura (HWT) Arresta l operatività dell unità se la portata dell acqua refrigerata scende al di sotto dell 80% di quella nominale Controlla la temperatura di uscita dell acqua di raffreddamento Monitorizza la temperatura dell acqua di raffreddamento Agisce sull operatività dell unità controllando la temperatura dell evaporatore Monitorizza la temperatura di ingresso dell acqua calda di alimentazione INLET FREDDO 25 TIT INLET ASSORB R LT FFSL SP OUTLET FREDDO OUTLET ASSORB 25 Sonda di rilevazione temperatura (TIT) Controlla la temperatura in ingresso all assorbitore Pompa di ricircolo Pompa di ricircolo all evaporatore

31 Gruppo frigorifero ad assorbimento 31

32 Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento qualità dell acqua 32

33 Gruppo frigorifero ad assorbimento P&I gruppo frigorifero ad assorbimento fonte di calore TT: trasduttore temperatura VD: valvola deviatrice on-off VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno Sul ramo di alimentazione dell acqua calda del gruppo frigorifero ad assorbimento è presente una valvola deviatrice a tre vie VD. Questa valvola è comandata direttamente dalla centralina del gruppo frigo che, qualora la temperatura in ingresso superi un valore di soglia (95 C), viene azionata in maniera tale da chiudere il ramo di ingresso e ricircolare l intera portata verso la fonte calda. L azionamento della valvola deviatrice è a protezione del gruppo frigorifero ad assorbimento. 33

34 Gruppo frigorifero ad assorbimento P&I gruppo frigorifero ad assorbimento acqua refrigerata TT: trasduttore temperatura VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno Nel caso in cui la temperatura di uscita dell acqua refrigerata risultasse troppo bassa (inferiore a 4 C), la centralina del gruppo frigorifero ad assorbimento aziona la valvola deviatrice VD (impedendo l ingresso di ulteriore acqua calda) e, contemporaneamente, spegne la pompa di circolazione dell acqua refrigerata. 34

35 Gruppo frigorifero ad assorbimento P&I gruppo frigorifero ad assorbimento acqua di raffreddamento I rami in ingresso ed in uscita dell acqua di raffreddamento sono due perché il calore viene asportato da due diverse sezioni del gruppo frigorifero ad assorbimento: condensatore e assorbitore. I rami devono risultare perfettamente bilanciati dal punto di vista idraulico. TT: trasduttore temperatura VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno 35

36 Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento prestazioni (portata design) 36

37 Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento prestazioni (portata design) 37

38 Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento prestazioni (variazione di portata) 85% 50% Valore della portata acqua calda rispetto al valore nominale (%) 38

39 Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento prestazioni (caso limite) N.B. I valori riportati sono indicativi. 30% del valore nominale! COP=7/9,7=0,72 rimane costante! 39

40 Gruppo frigorifero ad assorbimento Solitamente il gruppo frigorifero ad assorbimento viene abbinato ad una torre di raffreddamento che ha il compito di smaltire il calore sottratto all assorbitore ed al condensatore (Riferimento: Capitolo IX de «Impianti Meccanici», di S. Fabbri, Edizioni Patron) 40

41 Gruppo frigorifero ad assorbimento Solitamente il gruppo frigorifero ad assorbimento viene abbinato ad una torre di raffreddamento che ha il compito di smaltire il calore sottratto al gruppo frigorifero. 41

42 Gruppo frigorifero ad assorbimento Solitamente il gruppo frigorifero ad assorbimento viene abbinato ad una torre di raffreddamento che ha il compito di smaltire il calore sottratto al gruppo frigorifero. 42

43 Gruppo frigorifero ad assorbimento La torre di raffreddamento (fornitura) 43

44 Gruppo frigorifero ad assorbimento P&I gruppo frigorifero ad assorbimento torre di raffreddamento PI: manometro RE: resistenza elettrica TS: termostato TT: trasduttore temperatura VD: valvola deviatrice on-off VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno V3V: valvola 3 vie Il funzionamento della ventola di raffreddamento può essere gestito in maniera più o meno efficiente (e costosa). La soluzione più semplice è quella di installare un termostato TS sulla tubazione di mandata delle torre di raffreddamento, che aziona il ventilatore qualora venga superato un valore di soglia. Una soluzione più sofisticata prevede l impianto di un termostato a due livelli, abbinato ad un ventilatore dotato di un motore elettrico a due velocità: il superamento della prima soglia di temperatura aziona il ventilatore al numero di giri inferiore, il superamento della seconda e più elevata soglia porta il motore elettrico del ventilatore alla massima velocità di rotazione. Esiste poi la soluzione energeticamente ottimale (ma più costosa) che prevede l installazione di un trasduttore di temperatura che regola con logica proporzionale il numero di giri del motore del ventilatore tramite inverter. 44

45 Gruppo frigorifero ad assorbimento P&I gruppo frigorifero ad assorbimento torre di raffreddamento PI: manometro RE: resistenza elettrica TS: termostato TT: trasduttore temperatura VD: valvola deviatrice on-off VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno V3V: valvola 3 vie Nel caso in cui la torre di raffreddamento venga ad essere impiegata nel periodo invernale, occorre riporre particolare attenzione a pericolo di ghiacciamento dell acqua che staziona nella camera di accumulo della torre di raffreddamento che, ricordiamo, è a contatto con l aria ambiente. A tale scopo sono possibili due soluzioni, integrabili tra loro. L elemento che identifica la condizione di pericolo è il termostato ambiente TS. Quando la temperatura ambiente scende al di sotto di un certo livello, il sistema interviene nel seguente modo: - Azionamento della resistenza elettrica RE installata nel serbatoio di accumulo; - Azionamento della valvola a tre vie V3V a due posizioni, che devia l acqua «calda» (circa C) verso il serbatoio. 45

46 Gruppo frigorifero ad assorbimento P&I gruppo frigorifero ad assorbimento La pompa di ritorno dalla torre di raffreddamento deve essere opportunamente adescata. Per evitare fenomeni di cavitazione, la pompa va installata sotto battente rispetto al serbatoio di accumulo della torre di raffreddamento. In alcuni casi, quindi, è necessario sopraelevare la torre di raffreddamento rispetto al terreno per garantire un battente minimo H (solitamente 0,5-1 m) tra uscita dell accumulo e aspirazione della pompa. Inoltre, la quota H consente anche di scongiurare lo svuotamento dell impianto a pompa ferma. PI: manometro RE: resistenza elettrica TS: termostato TT: trasduttore temperatura VD: valvola deviatrice on-off VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno V3V: valvola 3 vie H 46

47 Gruppo frigorifero ad adsorbimento: cenni L adsorbimento è un fenomeno chimico-fisico per cui molecole di due specie chimiche in fasi differenti instaurano una interazione di tipo superficiale sulla superficie di interfase, che è la superficie di separazione tra le due fasi. Tale processo si differenzia dall assorbimento che è, invece, quel processo chimico-fisico in cui si ha il trasferimento di una specie chimica attraverso l interfaccia di separazione tra due fasi. ASSORBIMENTO ADSORBIMENTO 47

48 Gruppo frigorifero ad adsorbimento: cenni Q 2 Q 1 Q F ε = Q F / Q C Q C Nei gruppi frigoriferi ad adsorbimento sono presenti due scambiatori di calore perfettamente identici in cui, ad intervalli alterni, si realizzano i processi di adsorbimento e di desorbimento. Nell evaporatore (evaporator) l acqua proveniente dal condensatore (condenser) viene fatta vaporizzare sottraendo la potenza termica Q F al fluido (chilled water) da inviare all ambiente da refrigerare. Il vapore così prodotto entra nell assorbitore A (adsorber A): il processo di adsorbimento genera il calore Q 1, sottratto dall acqua di raffreddamento (cooling water). Nell assorbitore B (adsorber B), in contemporanea, vi è l apporto di calore Q C che determina la vaporizzazione dell acqua precedentemente adsorbita. Il vapore così prodotto arriva al condensatore, dove il vapore viene ricondensato tramite la sottrazione della potenza termica Q 2. 48

49 Agenda Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio Generalità sul solar cooling P&I impianto solar cooling Dimensionamento elementi di impianto 49

50 Generalità sul solar cooling L utilizzo del calore proveniente dal Sole (pannelli solari termici o raffreddamento di pannelli fotovoltaici) in tecnologie di raffreddamento è detto solar cooling ed ha visto, negli ultimi anni, un notevole sviluppo, ma limitatamente a potenze medio-alte, cioè superiori ai 100 kw. La vera sfida del solar cooling si ha però alle basse potenze (cioè inferiori a 50 kw), dove il mercato potenziale è enorme: basti pensare, infatti, al semplice condizionamento domestico e al potenziale risparmio generato dalla produzione di energia elettrica e di caldo/freddo da una fonte rinnovabile come quella solare. Come dato di riferimento, la JRAIA, associazione giapponese delle industrie del campo del condizionamento dell aria, pronosticava per il 2006, nel campo dell edilizia commerciale e residenziale, 68,65 milioni di apparecchi a livello mondiale, di cui 6,12 milioni in Europa; nonostante la potenzialità del mercato ed una tecnologia ormai consolidata, sono però ancora pochi i solar cooling per basse potenze disponibili sul mercato. 50

51 Generalità sul solar cooling Un impianto a concentrazione solare (sia esso solo termico, fotovoltaico oppure integrato termico-fotovoltaico) è composto da: - Un elemento ottico in grado di concentrare la radiazione solare diretta: esso è usualmente in grado di inseguire la radiazione solare; - Un elemento ricevitore in grado di assorbire la radiazione solare concentrata; - Un elemento in grado di recuperare/dissipare la potenza termica generata dalla concentrazione solare sul ricevitore. Elemento recupero/dissipazione termica Radiazione solare diretta Elemento ottico (+ inseguitore) Elemento ricevitore 51

52 Generalità sul solar cooling L elemento ottico utilizzato per concentrare la radiazione solare risulta determinante ai fini della determinazione delle caratteristiche dell impianto. Si possono individuare due gruppi principali: - Ottiche di tipo difrattivo, in cui la luce solare viene deviata e indirizzata sul ricevitore attraversando un mezzo diverso dall aria e può essere scomposta anche nelle sue componenti spettrali; Lente di Fresnel 52

53 Generalità sul solar cooling - Ottiche di tipo riflessivo, in cui la luce solare viene deviata dalla sua direzione di incidenza e riflessa verso il ricevitore senza essere scomposta nelle sue componenti spettrali. Solar Dish Parabolic Trough Solar Tower 53

54 Generalità sul solar cooling Per valutare le proprietà di un elemento ottico a concentrazione ci si riferisce alle seguenti grandezze: - Rendimento ottico η O : rapporto tra la potenza luminosa al ricevitore e la potenza luminosa in ingresso all elemento ottico concentratore; - Fattore di concentrazione geometrico C: rapporto tra la superficie A C dell elemento ottico concentratore e la superficie A R dell elemento ricevitore. C<10: concentrazione bassa 10<C<100: concentrazione media C>100: concentrazione alta Il fattore di concentrazione C influenza notevolmente la scelta della tipologia di inseguitore solare. 54

55 Generalità sul solar cooling C<10: concentrazione bassa inseguitore ad un asse 10<C<100: concentrazione media inseguitore a due assi C>100: concentrazione alta inseguitore a due assi ad elevata precisione Gli inseguitori monoassiali sono dispositivi che "inseguono" il Sole ruotando attorno a un solo asse. A seconda dell'orientazione di tale asse, possiamo distinguere quattro grandi tipi di inseguitori monoassiali: - inseguitori di tilt: ruotano attorno all'asse Est-Ovest, aumentando o diminuendo l'inclinazione del pannello rispetto al terreno di un piccolo angolo; - inseguitori di rollio: inseguono il Sole lungo il suo percorso quotidiano nel cielo, a prescindere dalla stagione, lungo un asse Nord-Sud parallelo al suolo; - inseguitori di azimut: ruotano intorno a un asse verticale perpendicolare al suolo; - inseguitori ad asse polare: ruotano, con l'ausilio di un servomeccanismo, intorno a un asse parallelo all'asse Nord-Sud di rotazione terrestre (asse polare), e dunque inclinato rispetto al suolo. 55

56 Generalità sul solar cooling Inseguitore di tilt Inseguitore di rollio Inseguitore di azimut Inseguitore ad asse polare 56

57 Generalità sul solar cooling C<10: concentrazione bassa inseguitore ad un asse 10<C<100: concentrazione media inseguitore a due assi C>100: concentrazione alta inseguitore a due assi ad elevata precisione Gli inseguitori biassiali hanno invece due assi di rotazione, solitamente perpendicolari fra loro. Grazie ad essi, e con l'ausilio di una strumentazione elettronica più o meno sofisticata, è possibile puntare perfettamente e in tempo reale i pannelli verso il Sole via via che si sposta sulla volta celeste, massimizzando l'efficienza dei pannelli solari. Esistono due tipi di inseguitori biassiali molto comuni, i quali si differenziano per la diversa orientazione degli assi di rotazione: quelli azimut-elevazione e quelli tilt-rollio. Classificazione Tipo di inseguitore Incremento rispetto al dispositivo fisso Monoassiale Inseguitore di tilt <10% Monoassiale Inseguitore di rollio 15% Monoassiale Inseguitore di azimut 25% Monoassiale Inseguitore ad asse polare 30% Biassiale Inseguitore azimut-elevazione 40% Biassiale Inseguitore tilt-rollio 40% 57

58 Generalità sul solar cooling Nondimeno, le caratteristiche del ricevitore sono determinanti ai fini della valutazione dell efficienza globale del sistema. Possiamo individuare diverse architetture relativamente alla modalità di ricezione della potenza radiante solare concentrata: - bollitore: elemento attraversato da un fluido che viene portato in ebollizione a seguito dell incremento di temperatura derivante dalla potenza termica ricevuta dal Sole; - scambiatore di calore: elemento attraversato da un fluido che subisce un incremento di temperatura derivante dalla potenza termica ricevuta dal Sole; - pannello fotovoltaico: in questo caso, la radiazione solare concentrata viene inviata ad un dispositivo fotovoltaico che converte la radiazione solare in energia elettrica in corrente continua; il pannello fotovoltaico può essere provvisto di un sistema di raffreddamento attivo (con circolazione di liquido) oppure passivo; nel primo caso, si parla di impianto di cogenerazione solare. 58

59 Generalità sul solar cooling Bollitore Scambiatore di calore Pannello fotovoltaico 59

60 Generalità sul solar cooling Nel caso in cui il ricevitore funga da elemento di scambio termico, occorre tenere in debita considerazione le perdite a cui esso è soggetto in termini di potenza termica non ceduta al fluido termovettore. Esiste pertanto un rendimento di scambio del ricevitore η R che dipende dal materiale e dalla geometria del ricevitore stesso. Fattore di concentrazione C e rendimento di scambio del ricevitore η R influiscono in maniera decisiva sulla massima temperatura raggiungibile sul ricevitore. Tale parametro è spesso fondamentale per la scelta della tipologia di solare a concentazione da abbinare a diversi processi industriali (ad esempio, steam reforming del metano). 60

61 Agenda Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio Generalità sul solar cooling P&I impianto solar cooling Dimensionamento elementi di impianto 61

62 P&I impianto solar cooling HENERGIA Laboratorio Fossil Fuel Free Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaici Solar cooling Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell Caldaia a biomassa 62

63 P&I impianto solar cooling Il raffrescamento del laboratorio viene assicurato da un impianto di solar cooling: il calore prodotto da dispositivi solari termici a concentrazione viene utilizzato da un gruppo frigorifero ad assorbimento per la produzione di potenza frigorifera. L impianto è integrato con una pompa di calore che sostituisce il gruppo frigorifero ad assorbimento quando non vi è disponibilità di una fonte termica adeguata. - Gruppo frigorifero ad assorbimento: 17 kw fr (25 kw th richiesti) - Pompa di calore: 32,65 kw fr + 34,34 kw th (10,72 kw el richiesti) (*) - Fonte termica (solare) a disposizione: 11,5 kw th (di picco) - Torre evaporativa: 42,7 kw th resi (*) Raffreddamento estivo: Testerna = 35 C; Riscaldamento invernale: Tbulbo secco = 7 C, Tbulbo umido = 6 C. 63

64 P&I impianto solar cooling P&I impianto solar cooling accumulo caldo FL: misuratore di portata PI: manometro TI: termometro TS: termostato TT: trasduttore temperatura VD: valvola deviatrice on-off VESP: vaso di espansione VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno VS: valvola di sicurezza Funge da accumulo in grado di alimentare il gruppo frigorifero ad assorbimento anche quando la fonte diretta di calore non è presente. Inoltre, l accumulo consente di incrementare l inerzia del sistema. In questo modo vengono attenuati gli effetti negativi sulla regolazione dell impianto frigorifero derivanti dalle diverse condizioni di funzionamento (avviamento, spegnimento, transitorio, steady-state) dell impianto che fornisce il calore al gruppo frigorifero ad assorbimento. 64

65 P&I impianto solar cooling P&I impianto solar cooling accumulo caldo FL: misuratore di portata PI: manometro TI: termometro TS: termostato TT: trasduttore temperatura VD: valvola deviatrice on-off VESP: vaso di espansione VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno VS: valvola di sicurezza Un termostato attiva il funzionamento della pompa di circolazione, che a sua volta alimenta con acqua calda il gruppo frigorifero ad assorbimento. Vengono settati due livelli di temperatura: quando la temperatura dell accumulo supera una certa soglia (ad esempio, 80 C), la pompa si mette in funzione. Alimentando così il gruppo frigorifero ad assorbimento. Quando la temperatura scende al di sotto di una seconda soglia (ad esempio, 70 C), la pompa di circolazione va in stand-by, e quindi il gruppo frigorifero ad assorbimento risulta non più alimentato. 65

66 P&I impianto solar cooling P&I solar cooling circuito secondario solare PI: manometro TI: termometro TT: trasduttore temperatura VESP: vaso di espansione VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno VS: valvola di sicurezza L accumulo non è direttamente collegato all impianto che produce energia termica, ma scambia calore tramite uno scambiatore di calore ed un circuito secondario. L installazione di uno scambiatore di calore consente di disaccoppiare il circuito secondario, connesso all accumulo caldo, dal circuito primario, collegato all impianto produttore di energia. Il disaccoppiamento fa si che le condizioni di lavoro dei due circuiti (primario e secondario) possano essere differenti: in particolare, si possono regolare differentemente le portate. D altro canto, l inserimento dello scambiatore di calore diminuisce, a parità di energia prodotta, la temperatura massima raggiungibile nell accumulo caldo. 66

67 P&I impianto solar cooling P&I solar cooling circuito primario solare Circuito primario Circuito secondario Poiché sono presenti più dispositivi solari (in figura, per semplicità, ne è rappresentato soltanto uno), andata e ritorno dei sistemi di raffreddamento convergono, rispettivamente, in un collettore ciascuno. FL: misuratore di portata M: motore PI: manometro TI: termometro TT: trasduttore temperatura VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno VS: valvola di sicurezza 67

68 P&I impianto solar cooling P&I solar cooling circuito acqua calda completo 68

69 P&I solar cooling accumulo freddo P&I impianto solar cooling FL: misuratore di portata TT: trasduttore temperatura VESP: vaso di espansione VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno VS: valvola di sicurezza L accumulo freddo ha la stessa funzione vista in precedenza per l accumulo caldo. 69

70 P&I impianto solar cooling P&I solar cooling integrazione con condizionatore FL: misuratore di portata TT: trasduttore temperatura TS: termostato VESP: vaso di espansione VM: valvola manuale VNR: valvola di non ritorno VS: valvola di sicurezza Il condizionatore integra in parallelo il gruppo frigorifero ad assorbimento: quando la temperatura nell accumulo freddo sale al di sopra di una certa temperatura (termostato), entra in funzione in parallelo il condizionatore, il cui funzionamento cessa quando la temperatura nell accumulo torna al di sotto di un valore di soglia (termostato). Inoltre, quando il gruppo frigorifero ad assorbimento non è in funzione, il condizionatore ne sostituisce completamente il funzionamento. Pertanto, il condizionatore funge da unità di integrazione e soccorso. 70

71 Condizionatore/Pompa di calore 152H Q P&I impianto solar cooling Modello : solo freddo Modello H: pompa di calore + condizionatore Versione : standard Versione P: con pompa Versione N: con pompa maggiorata Versione A: con accumulo e pompa Versione Q: con accumulo e pompa maggiorata (fornitura, posa in opera e allacci) RAFFREDDAMENTO T acqua uscita eva 7 C T acqua ingresso eva 12 C T aria esterna 35 C RISCALDAMENTO T acqua ingresso cond 40 C T acqua uscita cond 45 C T aria esterna 7 C b.s/6 C b.u. 71

72 P&I impianto solar cooling P&I impianto solar cooling completo 72

73 P&I impianto solar cooling 73

74 Agenda Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio Generalità sul solar cooling P&I impianto solar cooling Dimensionamento elementi di impianto 74

75 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo caldo 75

76 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo caldo Capacità: 800 litri Superficie scambio: 2,7 m 2 Resistenza elettrica: 6 kw (fornitura, posa in opera e allacci) [dato aggiornato al 2013] 76

77 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo caldo Portata nominale acqua calda in ingresso all assorbitore: 1,2 lt/s Volume accumulo caldo: 800 lt Tempo di funzionamento con accumulo? Ipotizzo inizio funzionamento a 80 C e spegnimento a 70 C E=800*4,186*10=33,5 MJ= =9,30 kwh La macchina lavora tra: kwfr (media 13 kw fr) COP= 0,7 Potenza termica assorbita: circa 18 kwth 77

78 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo caldo Energia accumulata: 9,30 kwh (800 litri da 80 C a 70 C) Potenza media assorbita: 18 kwth Durata funzionamento con solo accumulo: circa mezz ora L accumulo caldo non è in realtà un vero e proprio accumulo ma, piuttosto, un polmone di compensazione del circuito caldo. Nei normali impianti solari termici un parametro di riferimento impiegato per il dimensionamento dell accumulo termico è 100 lt di accumulo per ogni m 2 di superficie di collettore solare. Nel nostro caso, come vedremo, la superficie del dispositivo solare ammonta a circa 16 m 2, da cui un accumulo da lt (il doppio di quello dimensionato per HENERGIA). Nelle medesime condizioni sopra descritte, l accumulo da lt garantirebbe un funzionamento di un ora circa con il solo accumulo come fonte di alimentazione del gruppo frigorifero ad assorbimento. 78

79 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo caldo D altro canto, nel caso di impianto solar cooling, la produzione di calore è contestuale alla presenza di una radiazione solare diretta rilevante. Pertanto, è ragionevole supporre che in corrispondenza dei picchi di produzione di acqua calda vi siano anche i picchi di richiesta da parte dell utenza «fredda». Per questo motivo, più che la presenza di un accumulo caldo (o freddo) voluminoso, è importante integrare o la fonte di calore solare (caldaia metano, caldaia biomassa, ) o la produzione di potenza frigorifera (pompa di calore, gruppi frigoriferi a compressione). 79

80 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola sicurezza 80

81 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola sicurezza 81

82 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola sicurezza 273 (fornitura e posa in opera) [dato aggiornato al 2013] 82

83 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola deviatrice 83

84 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola deviatrice 84

85 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola deviatrice 85

86 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola deviatrice 325 (fornitura e posa in opera) [dato aggiornato al 2013] 86

87 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling solare termico e raffreddamento fotovoltaico La pompa di circolazione sul circuito primario del solare si attiva quando la radiazione solare luminosa supera i 120 W/m 2. Una volta attivata, la pompa si spegne se dopo un certo lasso di tempo la tempratura in uscita dal dispositivo solare non supera di un certo ΔT quella in ingresso. In questo caso, la pompa si ferma e, dopo che è trascorso altro tempo, riparte. 87

88 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Parabola a concentrazione solare Caratteristica Grandezza Potenza di picco [kw] 11,5 Potenza media [kw] 10,5 Efficienza globale 73% Efficienza sistema ottico 86% Superficie collettore [m 2 ] 15,9 Fattore di concentrazione solare 254 Diametro collettore [m] 4,5 Altezza palo [m] 2,4 Dimensioni assorbitore [cm x cm] 25,4x25,4 Volume fluido nell assorbitore [lt] 0,550 Massima pressione di esercizio [bar] 1,72 Peso totale [kg] 463 Inseguitore Biassiale Potenza motori inseguitori [W] 36 88

89 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Parabola a concentrazione solare 89

90 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Parabola a concentrazione solare Fluido: soluzione acqua/glicole 60%/40% (fino a -18 C) Portata fluido: 15-18,9 lt/min Potenza asportata: 11,5 kw Q=m*c L *ΔT m: portata in massa di fluido = 17/60 = 0,28 kg/s Q = 11,5 kw CL: calore specifico fluido = 4,186 kj/kgk ΔT=11,5/(0,28*4,1869)=9,8 C Temperatura massima ammessa per il fludo: 93 C 90

91 Dimensionamento elementi di impianto Il solare termico tradizionale: pannelli piani vetrati I pannelli piani vetrati sono costituiti da una piastra metallica posta all interno di un involucro isolato termicamente, ricoperto anteriormente da una superficie vetrata. La radiazione solare attraversa la superficie vetrata ed è assorbita dalla piastra metallica che si riscalda. Il vetro è utilizzato perché impedisce alla radiazione riflessa dalla piastra di essere dispersa nell ambiente, realizzando quello che viene definito effetto serra. Sul retro della piastra metallica sono saldati i tubi in cui circola il liquido che trasferisce il calore dal pannello al serbatoio di accumulo. Questi pannelli hanno un buon rapporto costi/benefici e un buon rendimento termico in applicazioni in cui le temperature richieste non sono molto elevate, ad esempio per la produzione di acqua calda sanitaria, per il riscaldamento degli ambienti con elementi radianti a pavimento o per il riscaldamento delle piscine. 91

92 Dimensionamento elementi di impianto Il solare termico tradizionale: pannelli sottovuoto I pannelli sottovuoto sono caratterizzati da condotti di vetro posti sottovuoto, al cui interno sono posizionate le tubazioni che, assorbendo la radiazione solare, riscaldano il liquido in circolazione. I pannelli sottovuoto sono di più complessa e costosa realizzazione rispetto ai pannelli piani. Allo stesso tempo però hanno un elevato rendimento grazie alle basse dispersioni di energia ottenute con l impiego dei condotti sottovuoto. Il loro impiego si presta particolarmente per località a bassa insolazione oppure per applicazioni in cui si richiedono elevate temperature (come, per esempio, il riscaldamento attraverso radiatori o la produzione di vapore). 92

93 Dimensionamento elementi di impianto L impianto solare termico tradizionale: confronto tra tecnologie - l efficienza ottica (η 0 ) rappresenta il massimo rendimento di un collettore (nella situazione ideale, cioè, di perdite termiche pari a zero); - i due parametri di perdita termica (a 1 e a 2 ) misurano quanto l efficienza del collettore sia sensibile alle condizioni operative (ad esempio, più questi coefficienti sono bassi e meno diminuisce l'efficienza quando aumenta la differenza di temperatura tra il fluido caldo nel collettore e l'ambiente esterno); - kθ: fattore che tiene conto dell angolo di incidenza reale della radiazione solare. = ( ) T m *=(T m -T a )/G T m : temperatura media fluido (ingresso-uscita) T a : temperatura ambiente G: radiazione solare Tipologia Costo [ /m 2 ] Ferroli VMF Sonnenkraft GK5-HP 407 Kloben-Sky Pro CPC Pannello Efficienza ottica η 0 Perdita termica a 1 Perdita termica a 2 Ferroli VMF2.0 76,8% 3,570 W/m 2 K 0,016 W/m 2 K 2 Sonnenkraft GK5-HP 81,0% 2,860 W/m 2 K 0,020 W/m 2 K 2 Kloben-Sky Pro CPC 58 71,9% 1,063 W/m 2 K 0,005 W/m 2 K 2 93

94 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Parabola a concentrazione solare Viessmann Vitisol 300-T (tubi sottovuoto) La curva di prestazione esprime l efficienza istantanea del dispositivo solare termico in funzione della differenza di temperatura media del dispositivo e temperatura ambiente. Il SolarBeam, così come i pannelli a tubi sottovuoto, conserva elevate efficienze all interno dell intero range di temperature, mentre i pannelli piani danno basse efficienze quando sono richieste alte temperature rispetto alla T ambiente. D altro canto, a parità di delta T, il SolarBeam presenta comunque efficienze maggiori. Heliodyne GOBI 406 (pannelli piano) 94

95 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Parabola a concentrazione solare (fornitura, posa in opera e allacci) [dato aggiornato al 2013] Tipologia Costo [ /m 2 ] Ferroli VMF Sonnenkraft GK5-HP 407 Kloben-Sky Pro CPC Solar Beam 2,044 95

96 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Parabola a concentrazione solare Sviluppo futuro: integrazione con tecnologia fotovoltaica Cella a tripla giunzione con efficienza di conversione elettrica del 31%; la produzione di energia elettrica riduce di circa il 30% la produzione di energia termica. Potenza elettrica (stimata): 3,5 kw el Potenza termica (stimata): 7 kw th 96

97 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Pannello fotovoltaico cogenerativo (*) (**) (*) Riferita a condizioni standard, ovvero 1.000W/m 2 di irraggiamento, 25 C temperatura della cella e 1,5 m/s velocità del vento. (**) Temperatura che raggiunge il modulo quando l irraggiamento vale 800 W/m 2, la temperatura ambiente è pari a 20 C e la velocità del vento è pari a 1 m/s. Nomenclatura: MPP (Maximum Power Point) NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) TPT (film Tedlar Poliestere Tedlar) TPE (Thermo Plastic Elastomer) H-NRG (sigla commerciale del prodotto) 97

98 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Pannello fotovoltaico cogenerativo 98

99 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Pannello fotovoltaico cogenerativo Caratteristica per 4 pannelli Grandezza Potenza di picco elettrica [kw] 0,920 Potenza di picco termica [kw] (*) 3,200 Efficienza globale max (elettrico+termico) 62% Portata fluido [lt/min] 4,8 Massima temperatura ammissibile [ C] per 4 pannelli (fornitura, posa in opera e allacci) [dato aggiornato al 2013] (*) non necessariamente coincidente con la condizione di picco di produzione del fotovoltaico 99

100 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo freddo 100

101 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo freddo 101

102 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo freddo Capacità: 500 litri (fornitura, posa in opera e allacci) [dato aggiornato al 2013] 102

103 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling condizionatore/pompa di calore 103

104 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling condizionatore Raffrescamento Potenza resa totale kw 32,00 Potenza assorbita kw 10,20 E.E.R. W/W 3,14 E.S.E.E.R. W/W 4,11 Potenza assorbita dalla pompa kw 1,30 Potenza assorbita totale kw 11,50 Temperatura dell'aria in ingresso a bulbo secco C 35,00 Temperatura dell'acqua in ingresso C 12,00 Salto termico dell'acqua C 5,00 Temperatura dell'acqua in uscita C 7,00 Glicole etilenico % 0 Portata acqua l/s 1,5289 Prevalenza utile kpa 187,56 EER (Energy Efficiency Ratio) =COP ESEER (European Seasonal EER) 104

105 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling pompa di calore Riscaldamento Potenza termica resa kw 22,35 Potenza assorbita kw 11,26 C.O.P. W/W 1,98 Potenza assorbita dalla pompa kw 1,30 Potenza assorbita totale kw 12,56 Temperatura dell'aria esterna a bulbo secco C -5,00 Temperatura dell'acqua in ingresso C 45,00 Salto termico dell'acqua C 5,00 Temperatura dell'acqua in uscita C 50,00 La pompa di calore risulta sovradimensionata per la fase di raffrescamento, mentre è ben dimensionata per la fase di riscaldamento (verificata in condizioni critiche, ovvero T ambiente pari a -5 C!). Glicole etilenico % 0 Portata acqua l/s 1,0678 Prevalenza utile kpa 215,01 105

106 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola a tre vie 106

107 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola a tre vie 107

108 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola a tre vie 108

109 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola a tre vie 380 (fornitura e posa in opera) [dato aggiornato al 2013] 109

110 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling termostato ambiente 110

111 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling termostato ambiente Termostato ambiente con contatto in commutazione 10 (2,5) A V - 50 Hz. 20 (fornitura) [dato aggiornato al 2013] 111

112 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling termostato 112

113 Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling termostato Termostato ad immersione, regolabile. Campo di lavoro: 0 90 C. Con guaina attacco 1/2". Omologato INAIL (D.M ). Grado di protezione: IP (fornitura) [dato aggiornato al 2013] 113

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