ASSORBITORI ED IMPIANTI SOLARI

Transcript

1 dall industria tecnologia f di Paolo Colaiemma, Maya spa RAFFREDDARE CON L ACQUA CALDA ASSORBITORI ED IMPIANTI SOLARI SUL MERCATO DI UNA NUOVA SERIE DI MACCHINE FRIGORIFERE L INTRODUZIONE AD ASSORBIMENTO DI PICCOLA POTENZA, ALIMENTATE AD ACQUA CALDA A BASSA TEMPERATURA, APRE INTERESSANTI PROSPETTIVE PER IL LORO IMPIEGO IN ABBINAMENTO CON COLLETTORI SOLARI La serie delle nuove macchine comprende tre unità di potenza frigorifera nominale rispettivamente di 35, 70 e 105 kw. Essendo macchine modulari compatibili tra di loro possono essere installate in più unità combinate per coprire diversi livelli di potenza (figura 1). La temperatura dell acqua calda richiesta dal ciclo ad assorbimento utilizzato da queste macchine è compresa tra 75 e 95 C. L acqua refrigerata prodotta esce dall evaporatore a 7 C, temperatura particolarmente idonea quindi ai processi di condizionamento dell aria. La dissipazione del calore dal circuito è ottenuta con la circolazione di acqua negli scambiatori dell assorbitore e del condensatore. Rese e rendimenti Analizziamo i valori caratteristici del bilancio termico del ciclo riferiti al modello con resa di 35 kw frigoriferi nominali. La quantità di calore da smaltire in ambiente esterno risulta la somma di quella di alimentazione, pari a 50.2 kw, più quella assorbita dall ambiente da raffreddare, pari a 35.2 kw. In totale si hanno quindi 85.4 kw da smaltire. Il rapporto tra la potenza dissipata e quella frigorifera prodotta è pari a Ciò significa che per ogni kw frigorifero prodotto si dovranno smaltire nell ambiente 2.43 kw termici. Il COP (Coefficient Of Performance) della macchina, ovvero il rapporto tra la potenza frigorifera erogata dalla macchina e quella termica fornita alla stessa, quantifica le sue prestazioni in termini di efficienza del gruppo: nel caso in esame esso è pari a RCI riscaldamentoclimatizzazioneidronica APRILE 06

2 In altri termini per produrre 1 kw frigorifero saranno necessari 1.43 kw termici. Le potenze frigorifere per le tre unità proposte, rispettivamente di 35, 70 e 105 kw, fanno riferimento alla produzione di acqua refrigerata prodotta a 7 C. La potenza dissipata, rispettivamente di 85.4, 171 e 256 kw, si riferisce invece a temperature dell acqua di raffreddamento in ingresso alla macchina di 31 C ed uscita a 35 C. Infine i valori di potenza assorbita, nell ordine pari a 50.2, e kw, sono riferiti a temperature del fluido di lavoro di 88 C in entrata e di 83 C in uscita. L intervallo delle temperature dell acqua di alimentazione utilizzabile è compreso tra 75 e 95 C. Le prestazioni delle macchine risulteranno ovviamente influenzate dal livello di temperatura utilizzato, come appare evidente dall analisi delle curve di funzionamento riportate. È da notare la ridottissima potenza elettrica assorbita per l azionamento delle unità rispettivamente pari a 0.21, 0.26 e 0.31 kw. Questi valori, ovviamente, non tengono conto della potenza elettrica richiesta per il funzionamento delle apparecchiature di circolazione dei fluidi di lavoro (acqua di alimentazione ed acqua refrigerata) e per lo smaltimento del calore (acqua di raffreddamento). Il sistema di regolazione Vale la pena fare un accenno al sistema di controllo del funzionamento delle macchine. Nella modalità ON un termostato posizionato sulla mandata dell acqua refrigerata comanda, in funzione della temperatura di questa, la pompa dell acqua calda di alimentazione od in alternativa la valvola a tre vie inserita sul circuito dell acqua calda di alimentazione. La regolazione prevede l avvio della pompa dell acqua calda alla temperatura dell acqua refrigerata in uscita dalla macchina di 10,5 C e l arresto della stessa pompa alla temperatura dell acqua refrigerata in uscita di 6,5 C. Queste temperature possono essere modificate, senza peraltro alcuna possibilità di cambiamento del differenziale di temperatura delle stesse. Questa caratteristica permette di impostare sulle unità una regolazione a step control, fissando differentemente in cascata i set point delle singole macchine, in installazioni con più unità combinate; l utilizzo dei gruppi può così essere modulato in funzione delle variazioni del carico. In apertura. Impianto di climatizzazione per uffici a Loulè (Portogallo), realizzato con un unità frigorifera ad assorbimento e collettori solari piani Fig. 1 (sopra) - Assorbitore ad acqua calda a bassa temperatura accoppiato con una torre di raffreddamento Per il funzionamento la macchina richiede l operatività delle pompe dell acqua refrigerata, dell acqua di raffreddamento e dell acqua calda di alimentazione. Nel normale funzionamento la pompa dell acqua calda di alimentazione e quella dell acqua di raffreddamento operano comandate dal termostato posizionato sull uscita dell acqua refrigerata. Di conseguenza se la temperatura dell acqua refrigerata si abbassa sino a valori di 6,5 C o meno, le pompe dell acqua di raffreddamento e dell acqua calda si fermano. La pompa dell acqua refrigerata, viceversa, rimane operativa e di conseguenza provvede alla domanda variabile del sistema di climatizzazione. Se la temperatura dell acqua refrigerata mossa sale a 10,5 C le pompe dell acqua di raffreddamento e dell acqua calda si riavviano immediatamente. L operatività della macchina verrà così pienamente ristabilita. L unità quindi non viene mai messa fuori servizio dal termostato; essa è semplicemente esclusa dall alimentazione, assecondando il carico di refrigerazione richiesto dal sistema. Con la macchina fuori servizio anche la pompa dell acqua refrigerata cessa di operare. APRILE 06 RCI riscaldamentoclimatizzazioneidronica 79

3 dall industria tecnologia ASSORBITORI ED IMPIANTI SOLARI 60 Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento Potenza frigorifera erogata kw C 31 C 29.5 C 27 C Standard point Uscita acqua refrigerata 7 C Temperatura di alimentazione acqua calda C Fig. 2 - Curve caratteristiche di prestazione riferite all unità da 35 kw frigoriferi nominali. Fissata in ascissa la temperatura dell acqua di alimentazione della macchina, si possono rilevare, in ordinata, le potenze frigorifere erogate per le diverse temperature di ingresso dell acqua di raffreddamento. Il valore di targa dell unità (standard point) è determinato dalla temperatura dell acqua di alimentazione pari a 88 C e dalla temperatura di acqua di raffreddamento in ingresso alla macchina di 31 C Le curve caratteristiche Le prestazioni di ogni singola macchina vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche. Nelle figure 2 e 3 vengono riportate quelle relative all unità da 35 kw frigoriferi. Tenendo fissa la temperatura dell acqua refrigerata prodotta, pari a 7 C, la potenza frigorifera erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell acqua di raffreddamento, o meglio di dissipazione, e dalla temperatura dell acqua di alimentazione. Si otterranno valori di potenza più elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell acqua di raffreddamento oppure aumentando quella di alimentazione. La temperatura dell acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere sotto il valore di 24 C per evitare fenomeni di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata, nel caso di utilizzo di torri evaporative, dalla temperatura a bulbo umido dell aria esterna, caratteristica della località d installazione. La temperatura dell acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 C, per motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto pari a 100 C. Essa, peraltro, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti penalizzazioni di potenza. Da ultimo è stato illustrato nella figura 4 l andamento del fattore di penalizzazione della potenza frigorifera dovuta alla riduzione della portata dell acqua di alimentazione, fermi restando i rimanenti valori caratteristici di funzionamento. L abbinamento con un impianto solare Nella figura 5 è illustrato uno schema di impianto di climatizzazione che preveda l abbinamento di un assorbitore con un sistema a collettori solari, caratterizzati da piastre captanti selettive in acciaio inossidabile. Il circuito solare risulta di tipo aperto allo scopo di permettere lo svuotamento dei collettori ogniqualvolta la pompa P4 del relativo circuito si arresta. Ciò è essenziale per evitare danni per innalzamento di pressione o congelamento del fluido termovettore nelle piastre captanti. Le valvole rompivuoto e di sfiato sono essenziali per un efficiente operatività dei collettori. Esse infatti devono provvedere rapidamente e consistentemente all ingresso ed alla fuoriuscita dell aria durante le operazioni di svuotamento e di riempimento dei collettori. Un funzionamento improprio di tali componenti può causare, in molte circostanze, l ebollizione del liquido termovettore nelle piastre captanti. Non vanno dimenticati gli inibitori di corrosione obbligatori nel circuito di captazione. Nello scambiatore di calore il circuito associato ai collettori risulta a bassa pressione, data la particolare conformazione strutturale delle piastre captanti. L altro circuito, quello connesso al serbatoio d accumulo, è viceversa a pressione di rete. I controlli addizionali suggeriti nello schema prevedono che la pompa P4 operi allorché la temperatura T3 risulti di circa 3 C superiore a quella T2, rendendo in tal modo proficua l operatività del sistema. Allorché la temperatura T2 supera la temperatura T1, viene azionata la pompa P5 e l energia solare captata viene così trasferita al serbatoio d accumulo. La pompa P3 provvede all alimentazione dell assorbitore (in figura contrassegnato con la sigla WFC SC). Nel caso la temperatura T1 risulti insufficiente a fornire l energia termica richiesta dall assorbitore, o a provvedere compiutamente al riscaldamento, la valvola a tre vie 3V devierà il flusso del fluido termovettore alla caldaia ausiliaria, con il conseguente azionamento della stessa. Se è richiesto solamente riscaldamento la valvola 2V circuiterà ovviamente l assorbitore. Da ultimo va notato che lo schema non riporta alcun dettaglio relativo alle apparecchiature di controllo e di regolazione del sistema. 80 RCI riscaldamentoclimatizzazioneidronica APRILE 06

4 Potenza termica assorbita kw C Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 C 29.5 C 27 C Standard point Uscita acqua refrigerata 7 C Fattore di penalizzazione della potenza erogata Standard point. Uscita acqua refrigerata 7 C Temperatura di alimentazione acqua calda C Fig. 3 - Curve caratteristiche di prestazione riferite all unità da 35 kw frigoriferi nominali. Procedendo analogamente a quanto indicato per la figura 2, le curve permettono di ricavare le potenze termiche assorbite dalla macchina per le diverse modalità di alimentazione. La potenza termica richiesta per le prestazioni di targa è pari a 50 kw Variazione portata acqua calda % Fig. 4 - Fattore di penalizzazione della potenza per riduzione della portata dell acqua calda di alimentazione. Il grafico permette di determinare la variazione della potenza frigorifera erogata in funzione della riduzione della portata dell acqua calda fornita, fermi restando ogni altro valore di portata e di temperatura dei circuiti di raffreddamento e di erogazione dell acqua refrigerata Pro e contro La proposta di impiego dei gruppi refrigeranti ad assorbimento utilizzando acqua calda a bassa temperatura prodotta da impianti solari presenta una serie di vantaggi: l azionamento delle macchine mediante l energia termica contenuta nell acqua calda si traduce ovviamente in una drastica riduzione dei costi energetici. I gruppi utilizzati possono essere assimilati a veri e propri recuperatori di energia e pertanto godere delle agevolazioni previste dalle leggi vigenti; ridottissimi consumi di energia elettrica: l energia primaria utilizzata è quella termica, mentre l energia elettrica viene impiegata esclusivamente per il funzionamento delle apparecchiature di circolazione dei fluidi di lavoro; impianto semplice e compatto: i gruppi sono caratterizzati da dimensioni contenute. La loro concezione modulare facilita le operazioni di trasposto e d installazione. Tutte le unità, precaricate della soluzione di bromuro di litio sono collaudate in fabbrica. Le operazioni di primo avviamento risultano quindi molto spedite ed evitano eventuali dispersioni nell ambiente della soluzione contenuta; installazione all aperto: le unità proposte sono state studiate per essere installate anche in località con atmosfere particolarmente aggressive, come quelle marine ed industriali. I locali tecnici prima destinati ad accogliere la centrale frigorifera non sono più necessari. Nel caso di collocazione al coperto, le dimensioni assai ridotte della macchine richiedono minimi ingombri; elevata affidabilità dei gruppi ad assorbimento, riconducibile al limitato numero di parti meccaniche in movimento. La stessa semplicità di concezione di tali apparecchiature costituisce di per sé garanzia di affidabilità; silenziosità: i gruppi, perfettamente insonorizzati, sono estremamente silenziosi e privi di vibrazioni. Sono quindi adatti per installazioni nei centri cittadini su lastrici solari, terrazzi, sottotetti, giardini e cortili di costruzioni destinate ad attività commerciali, industriali e del terziario; ridotta manutenzione: il limitato numero di parti meccaniche in movimento riduce i componenti soggetti ad usura e, quindi, a controllo e sostituzione; limitato impatto ambientale: i gruppi non impiegano fluidi sintetici dannosi per l ambiente. L energia di alimentazione utilizzata limita inoltre l emissione di combustioni nocive. A fronte delle indiscutibili opportunità offerte dagli assorbitori, non vanno sottaciuti gli aspetti di natura economica che ancora ostacolano il loro impiego. In primo luogo l elevato costo degli assorbitori: questo aspetto è legato principalmente alle ridotte economie di scala non consentite da un mercato assai poco svi- APRILE 06 RCI riscaldamentoclimatizzazioneidronica 81

5 dall industria tecnologia ASSORBITORI ED IMPIANTI SOLARI Fig. 5 - Schema di impianto di climatizzazione a collettori solari ed assorbitore. Il sistema utilizza collettori piani con piastre captanti in acciaio inossidabile selettive. Il circuito solare risulta di tipo aperto allo scopo di permettere lo svuotamento dei collettori all arresto della pompa del relativo circuito ed evitare in tal modo danni per innalzamento di pressione o il congelamento del fluido termovettore nelle piastre captanti metri quadrati per kw frigorifero. Infine bisogna considerare la necessità di utilizzare per lo smaltimento del calore una torre evaporativa, con i costi aggiuntivi richiesti per la sua operatività e per il trattamento dell acqua di raffreddamento utilizzata. luppato. Un incremento del loro impiego potrebbe portare ad importanti riduzioni di costo. È inoltre da considerare l elevato costo dell impianto solare, dovuto all assai consistente numero di collettori utilizzato, che può variare ovviamente in funzione delle caratteristiche dei collettori stessi. Una valutazione di massima, considerando la necessità di disporre per ogni kw frigorifero prodotto di circa 1,5 kw termici, ad un livello di temperatura di 90 C, porta ad una superficie di collettori installati di almeno 3 Gli impianti realizzati Non mancano gli esempio di impianti già realizzati e funzionanti che prevedono l abbinamento tra assorbitori ed impianti solari. A Calenzano (Firenze) è stata realizzata all inizio degli anni 80 una palazzina uffici con una copertura di 150 metri quadrati a collettori solari piani. L impianto, il primo nel suo genere realizzato in Italia, utilizza l energia solare per il condizionamento, il riscaldamento e la produzione di acqua sanitaria dell intero edificio. Il gruppo frigorifero impiegato ha una potenzialità nominale di 27 kw. A Banyuls in Francia una cantina per l invecchiamento dei vini è dotata di un impianto di realizzato nel 1991 mediante l uti- Il principio di funzionamento Generatore Vapore refrigerante Condensatore L acqua di alimentazione riscalda, portandola all ebollizione, la soluzione diluita di acqua e bromuro di litio contenuta nel generatore. L ebollizione libera vapore acqueo (refrigerante) e concentra la soluzione di bromuro di litio. Questa viene raccolta e preraffreddata, passando attraverso lo scambiatore di calore, prima di venire immessa nell assorbitore. Il vapore refrigerante perviene al condensatore dove condensa sulla superficie delle serpentine del circuito di raffreddamento. Il calore di condensazione è rimosso dall acqua di raffreddamento ed espulso attraverso la torre evaporativa. Il liquido refrigerante, raccolto nel condensatore, passa quindi nell evaporatore attraverso un apposita apertura. La pressione esistente nell evaporatore è assai più bassa di quella del generatore e del condensatore per l influenza esercitata dall assorbitore. Per questo motivo il liquido refrigerante, una volta entrato nell evaporatore, bolle ed assorbe calore evaporando sulla superficie della serpentina del circuito dell acqua da refrigerare. Il vapore refrigerante ottenuto fluisce quindi nell assorbitore. La bassa pressione nell assorbitore è dovuta all affinità chimica fra la soluzione concentrata di bromuro di litio proveniente dal generatore ed il vapore acqueo che si forma nell evaporatore. Il vapore refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio, mentre quest ultima lambisce la superficie della serpentina dell assorbitore. Il calore di condensazione e di diluizione è rimosso dall acqua di raffreddamento. La soluzione diluita di bromuro di litio è poi pre-riscaldata nello scambiatore di calore prima di ritornare nel generatore. alimentazione Acqua refrigerata Liquido refrigerante Condensatore Apertura Evaporatore Scambiatore di calore Soluzione concentrata raffreddamento Acqua refrigerata raffreddamento Assorbitore Soluzione diluita alimentazione Ciclo termodinamico adottato dalla serie di assorbitori alimentati ad acqua calda a bassa temperatura, compresa fra i 75 e 95 C 82 RCI riscaldamentoclimatizzazioneidronica APRILE 06

6 lizzo di due assorbitori uguali di potenza complessiva pari a 52 kw abbinati a collettori solari a tubi evacuati con superficie totale utile di 130 m 2. Sempre in Francia, per i laboratori farmaceutici di Sophia Antipolis (figura 6) è stato realizzato nel 2004 un impianto che prevede l utilizzo di 570 m 2 di collettori sottovuoto e di due assorbitori di potenza nominale complessiva pari a 210 kw. L impianto consente di ottenere un risparmio energetico annuo valutato in kwh con una conseguente riduzione di emissioni di CO 2 in atmosfera di kg. A Loulè in Algarve (Portogallo) l impianto di climatizzazione per un edificio per uffici realizzato nel 2005 è dotato di un unità da 35 kw frigoriferi e collettori piani di superficie lorda pari a 140 m 2. Fig. 6 Impianto di climatizzazione di una cantina vinicola, realizzato a Banyuls (Francia) nel 1991 Conclusioni Si può affermare che la tecnologia dell assorbimento in abbinamento ad impianti solari può considerarsi ormai matura ed affidabile. Il più grande ostacolo ad una maggiore diffusione è costituito dagli elevati costi di impianto richiesti. Una maggiore conoscenza delle opportunità tecniche offerte e, soprattutto, dei provvedimenti di incentivazione sugli investimenti necessari potrebbe accelerare notevolmente lo sviluppo di questa particolare tecnologia. APRILE 06 RCI riscaldamentoclimatizzazioneidronica 83