La Progettazione degli impianti solar cooling

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1 Introduzione al Corso di Formazione Specialistica per Tecnici Progettisti La Progettazione degli impianti solar cooling Ing. Salvatore Castaldo APEA Agenzia Provinciale Energia e Ambiente Agrigento salvatore.castaldo@ .it Circa un quinto della superficie emersa del pianeta e circa un terzo della popolazione mondiale vive in condizioni di clima caldosecco o caldo-umido Anche nelle aree continentali interne ad elevate latitudini (50 ) le condizioni climatiche estive presentano temperature superiori ai livelli limite di comfort L utilizzo di impianti di condizionamento nel mondo e i relativi costi energetici, in particolare in Europa, sono in continuo aumento Questa tendenza rischia di annullare gli sforzi delle politiche di risparmio ed uso razionale dell energia attuate dai Paesi UE e dagli altri Paesi industrializzati Il 60% dell energia globalmente consumata in Europa è utilizzata esclusivamente per il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici Andamento della produzione di biossido di carbonio, determinata dallo sfruttamento delle fonti classiche di energia Se non viene modificato radicalmente il modo di affrontare il problema della climatizzazione nei climi caldi il crescente consumo di energia elettrica, per la maggior parte di origine termica petrolifera, renderà presto ancora più evidente l insostenibilità dell attuale scenario Il riscaldamento globale dovuto alle emissioni di gas ad effetto serra produrrà, tra gli altri effetti, la rapida estensione della zona arida del pianeta Lo sviluppo economico crescente e senza controlli ambientali delle aree emergenti del continente asiatico amplificherà gli effetti del global warming già in atto 1

2 Una alternativa a tale tendenza è rappresentata indubbiamente da criteri progettali e tecnologie basate su climatizzazione passiva bio-architettura o bio-edilizia Ma con le tecniche di raffrescamento naturale si riesce a garantire il comfort termico anche in piena estate? Fino agli anni 70 si sarebbe potuto rispondere sì, tranne che nelle giornate eccezionalmente calde Oggi le tecniche di climatizzazione naturale possono garantire pieno comfort solo ed esclusivamente alle fasce più povere della popolazione mondiale La soglia di accettazione del discomfort termico varia infatti in funzione di parametri socio-economici e psicologici In passato, soffrire (entro certi limiti) il caldo in estate e il freddo in inverno era considerato normale, accettabile, specie nelle aree mediterranee Condizioni ambientali fino a qualche anno fa tranquillamente accettate come tollerabili oggi sono considerate inaccettabili Dati relativi al mercato in Italia In passato l architettura tradizionale era coerente con le attese di comfort di allora Oggi occorre tenere conto delle nuove aspettative di benessere e per garantirle occorre servirsi di moderne tecnologie di produzione del freddo che richiedono energia per funzionare La dimostrazione sta nell incredibile aumento del numero di condizionatori e degli impianti di riscaldamento 2

3 Per poter garantire la sostenibilità energetica e le condizioni di benessere occorre dunque accoppiare le migliori tecnologie edilizie bio-climatiche con l utilizzo di impianti poco energivori Applicare con intelligenza le regole dell architettura bio-climatica per catturare il sole in inverno e proteggersene in estate Estendere al massimo le mezze stagioni, quelle in cui non occorre né riscaldare né raffreddare Inevitabilmente però, sia pure per periodi ridotti al minimo possibile, è necessario riscaldare e raffreddare. Se vogliamo perseguire il criterio della sostenibilità, oltre che dei materiali e degli accorgimenti architettonici, dobbiamo occuparci della fonte energetica che alimenta gli impianti La fonte rinnovabile di più immediata disponibilità è certamente il sole specie se facciamo riferimento al Sud Europa e al Mediterraneo Distribuzione della radiazione solare giornaliera media annua sul piano orizzontale (kwh/mq/giorno) L energia solare captata dai pannelli solari termici può alimentare le macchine frigorifere Il progetto degli edifici dovrà considerare, tra le altre, la necessità di disporre della superficie captante necessaria ad installare i collettori solari termici SOLAR COOLING 3

4 Radiazione solare e condizionamento L edificio sostenibile del futuro dovrà essere concepito come la sintesi di regole antiche e tecnologie moderne. I progettisti devono essere sempre più: energeticamente consapevoli energy conscious Carichi di condizionamento e radiazione solare incidente sono in fase durante anno (e durante i giorni estivi) Utilizzo dell energia solare per il condizionamento dell aria Solar Cooling: schema generale Solar Cooling: componenti principali Produzione di freddo a partire da una sorgente di calore Possibilità di produzione di aria e/o acqua condizionata per applicazioni di condizionamento centralizzate Maggiore complessità rispetto a sistemi tradizionali di conseguenza si rende necessaria l adozione di strumenti progettuali adatti Pannelli solari termici Chiller Solar Cooling: vantaggi Solar Cooling: impianti realizzati in UE dimostra nel medio - lungo termine, di essere efficiente e affidabile fa uso di fluidi refrigeranti non nocivi (generalmente acqua) comporta consumi energetici minimi rispetto agli impianti tradizionali fonte: Task 25 IEA SHCP Final report (2005) 4

5 Perché vengono realizzati così pochi impianti di condizionamento solare? Soggetto coordinatore: La tecnologia non è matura Non è economicamente conveniente Mancanza di fiducia nella tecnologia Scarsa conoscenza della tecnologia Mancanza dei dati di input Disponibilità dei componenti Gestione degli impianti NO comune per le rinnovabili APEA Agenzia Provinciale Energia e Ambiente Agrigento Ideatore: Prof. Ing. Stefano Rugginenti POLITECNICO DI MILANO Partners: Dip. Ingegneria Ambientale Politecnico di Creta Istituto Tecnologico delle Canarie Rete delle Isole Europee per l Energia e l Ambiente (Bruxelles) ESCO Sardegna s.r.l. (Sassari) Progetto SOLCO Rimozione delle barriere non tecnologiche alla diffusione della tecnologia del raffrescamento solare nelle isole dell Europa meridionale (EIE/06/116/SI ) Cyprus Istitute of Energy (Min. Industria Cipro) Obiettivi del Progetto SOLCO: Stato dell arte e indagini di mercato sulla disponibilità di tecnologia Individuazione di eventuali barriere di tipo normativo/burocratico Formazione dei potenziali utilizzatori e degli attori tecnici Ricognizione schemi/bandi di finanziamento Proposte di superamento delle barriere non tecnologiche e normativo/burocratico Disseminazione e informazione Schema a blocchi della procedura di calcolo per la valutazione dei carichi termici estivi. 5

6 Corso La Progettazione degli impianti solar cooling 1 Giorno (18/06/2008) Docente: Ing. Salvatore CASTALDO APEA Agrigento IL PROGETTO SOLCO NOZIONI PRELIMINARI CLIMATOLOGIA COLLETTORI SOLARI 2 Giorno (24/06/2008) Docente: Ing. Antonio CAMMI Prolitecnico di Milano I CHILLERS 3 Giorno (30/06/2008) Docente: Ing. Stefano RUGGINENTI Prolitecnico di Milano IL COMPORTAMENTO TERMICO DELL EDIFICIO LA NORMATIVA IL PROGETTO DELL IMPIANTO 4 Giorno (*) VALUTAZIONI ECONOMICHE CASI-STUDIO 5 Giorno (*) ESERCITAZIONE PRATICA TEST FINALE DI VERIFICA (*) date da definirsi in funzione delle esigenze dei corsisti (luglio o settembre) Potenziali utenti Hotel Centri congressuali Cantine Uffici Ospedali Immobili industriali (es. cosmetici) Technical actors Produttori Rivenditori/Rappresentanti Progettisti Installatori Manutentori Per ulteriori informazioni La progettazione degli impianti solar cooling Corso di Formazione Specialistica per Tecnici Progettisti NOZIONI PRELIMINARI Climatologia Comfort termico Fabbisogno energetico per raffrescamento Ing. Salvatore Castaldo APEA Agenzia Provinciale Energia e Ambiente Agrigento salvatore.castaldo@ .it Il clima può essere definito come la caratterizzazione media dei parametri fisici dell atmosfera terrestre (temperatura, radiazione solare, velocità e direzione del vento, pressione, umidità relativa e piovosità) in un determinato spazio geografico e per un periodo di tempo relativamente lungo 6

7 In altre parole, il clima è la media delle condizioni meteorologiche di una località, di una regione o di un continente, effettuata in tempi sufficientemente lunghi a evidenziare condizioni di tendenza stabili Ci limiteremo ad accennare agli elementi di carattere generale che si ritengono importanti per porre in relazione il fattore clima al tema del raffrescamento solare L Atmosfera Terrestre È l involucro d aria e particelle sospese, costituito da diversi strati, che circonda la superficie terrestre ed è vincolato ad essa per effetto della forza di gravità. La massa totale dell atmosfera è stimata in 5,1 x tonnellate Metà della massa totale dell atmosfera è collocata sotto m di altitudine e tre quarti entro m Gli strati di interesse per la meteorologia sono essenzialmente la stratosfera e la troposfera La troposfera è di interesse precipuo per i progettisti operano con approccio climatologicamente consapevole 7

8 La troposfera è la regione atmosferica termica Lo spessore della troposfera varia da circa 7-8 km nelle regioni polari a più di 13 km nelle regioni equatoriali la troposfera è lo strato più basso dell atmosfera ed è caratterizzato in generale da decremento della temperatura e pressione all aumentare dell altitudine, movimento verticale significativo dell aria, contenuto apprezzabile di vapore acqueo, presenza della quasi totalità delle nubi, delle perturbazioni e inquinanti Il decremento di temperatura procede con un gradiente pressoché costante all aumentare dell altitudine fino alla cosiddetta tropopausa la zona di confine con la stratosfera da questo punto in poi, nella stratosfera, il gradiente di temperatura cambia segno e la temperatura aumenta con l altitudine La maggior parte dei fenomeni meteorologici avvengono nella troposfera e sono governati dal sistema di circolazione atmosferica generale stimolato dal differenziale termico tra zone polari e zone equatoriali Classificazioni del clima Sottosistemi climatici delimitati da fattori di scala Il clima può essere classificato in funzione: della SCALA ovvero dell estensione, verticale e orizzontale, entro cui si sviluppano determinate condizioni meteo della DISTRIBUZIONE GEOGRAFICA entro cui i fenomeni meteo assumono caratteristiche omogenee MACROCLIMA MESOCLIMA TOPOCLIMA MICROCLIMA (continentale) (sub-continentale) (locale) (intorno edilizio) 8

9 Classificazione geografica dei climi Metodi a carattere zonale (generali e qualitativi) Metodi quantitativi Scala di Olgyay (1969) a carattere zonale Clima freddo Clima temperato Clima caldo-umido Clima caldo-secco Classificazione basata su valori medi annui della temperatura dell aria radiazione solare al suolo Classificazioni climatica quantitativa di Köppen-Geiger (1961) Si basa su valori della temperatura e della piovosità tenendo presenti le esigenze della vegetazione nella scelta dei limiti tra i limiti climatici Il cambiamento climatico globale in atto sta causando lo spostamento delle fasce climatiche che caratterizzano le zone di crescita di determinate specie vegetali Climi in Europa secondo Köppen Climi polari Climi subartici Clima continentale umido Clima continentale a varietà calda Clima temperato oceanico Clima oceanico di transizione Clima mediterraneo Clima semiarido a inverno freddo 9

10 Clima Mediterraneo Inverni miti Alta insolazione Ridotte precipitazioni concentrate nei mesi freddi Estati calde quasi aride Determinato dall incontro tra alte pressioni tropicali e correnti fredde polari IL MICROCLIMA È il clima alla scala più piccola Caratteristico dell intorno costruito Può essere influenzato entro una certa misura dall intervento umano al fine di creare condizioni di benessere termoigrometrico all interno o all esterno di un edificio Il microclima in particolare è determinato dalle interazioni di scambio termico tra la radiazione solare, la crosta terrestre e l atmosfera Scambi termici terreno-atmosfera Conduzione (collisione molecolare) Convezione (trasporto di massa) Calore latente (senza cambiamento di temperatura, per evaporazione o condensazione) Irraggiamento (onde elettromagnetiche) IL COMFORT TERMICO Sensazione di benessere fisico e mentale che l individuo prova in un certo ambiente Il benessere è legato a due tipi di variabili: SOGGETTIVE (dipendenti dalle caratteristiche fisiche, biologiche ed emozionali) OGGETTIVE (connesse al microclima dell ambiente considerato) Neutralità termica del corpo La sensazione di comfort dipende dalla capacità del corpo di mantenere l equilibrio termico In condizioni di neutralità termica l individuo non necessita né di apporti né di dispersioni di calore La neutralità termica è condizione necessaria ma non sufficiente per ottenere il comfort 10

11 COMFORT TERMICO E RISPARMIO ENERGETICO Il raggiungimento del benessere ottimale e la minimizzazione dei consumi energetici si ottengono con: la regolazione dei sistemi di climatizzazione sulle variabili climatiche interne il controllo delle temperature superficiali alle pareti il dimensionamento del sistema di climatizzazione in base alla valutazione del livello di comfort termico desiderato I parametri ambientali che influenzano il comfort termico delle persone che occupano un dato ambiente sono: Parametri fisici (temperatura dell aria, la temperatra media radiante delle superfici che delimitano l ambiente, umidità relativa e velocità dell aria, pressione atmosferica) Parametri organici (età, sesso, caratteristiche degli occupanti) Parametri esterni (tipo di attività svolta, abbigliamento, condizioni sociali) IL CARICO DI RAFFRESCAMENTO È la quantità di calore che deve essere rimosso dall edificio per mantenere condizioni confortevoli di temperatura e umidità dell aria negli ambienti interni, si distingue in: Carico di raffrescamento sensibile cioè calore da rimuovere per mantenere costante la temperatura dell aria Carico di raffrescamento latente cioè calore da rimuovere per ridurre il contenuto di vapor d acqua in eccesso e mantenere il livello di umidità sotto la soglia di sopportabilità Fattori che determinano l entità del CARICO DI RAFFRESCAMENTO Apporti solari attraverso superfici opache e trasparenti Apporti termici (calore sensibile) e umidità (calore latente) entranti per infiltrazione e ventilazione Apporti termici interni dovuti alla presenza di persone, impianti, apparecchiature, corpi illuminanti Fabbisogno energetico per il raffrescamento in edificio con impianto d aria condizionata Schema a blocchi della procedura di calcolo per la valutazione dei carichi termici estivi. 11