Heat Pumps in the Italian energy system

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1 Heat Pumps in the Italian energy system 4th November 2009 LE APPLICAZIONI DEL SOLARE TERMICO IN ITALIA RELATORE: Francesco Fontana

2 8. CENNI DI SOLAR COOLING Acqua calda sanitaria (ACS) Riscaldamento degli edifici + ACS Reti di teleriscaldamento Piscine Climatizzazione dell aria/refrigerazione Utenze industriali

3 Riscaldamento + ACS: domanda calore ed energia solare disponibile TURCO GROUP SRL 3000 [kwh/month] Radiazione in eccesso Domanda in eccesso 3000 Energia solare utilizzabile Irraggiamento 2500 Consumo di riferimento Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 0 Fonte: ITW - Graz

4 TURCO GROUP SRL Carichi di condizionamento estivi Apporti solari (temperatura) Guadagni interni (temperatura + umidita) aria esplusione Trasmissione per conduzione (temperatura) Trattamento aria esterna (temperatura + umidità) aria mandata Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

5 TURCO GROUP SRL Esempio profili giornalieri Carichi condizionamento estivo, Wh/m Esempio: 15 Esempio: 10 Edificio Edificio uffici uffici in in Madrid 5 Madrid giorno giorno di di luglio 0 luglio carichi di cond. estivo Ora del giorno radiazione sul collettore Radiazione sul collettore, Wh/m 2 Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

6 TURCO GROUP SRL Esempio profili annuali Esempio: Esempio: Edificio Edificio residenziale residenziale Napoli Napoli Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

7 TURCO GROUP SRL Esempio profili annuali Esempio: Esempio: Edificio Edificio uffici uffici Madrid Madrid Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

8 TURCO GROUP SRL Perchè usare l energia solare per il condizionamento... Carichi di condizionamento e guadagni solari sono in fase: su base stagionale - il fabbisogno di condizionmento e maggiore quando c è più sole!! Riduzione dei consumi finali: risparmi in termini di energia primaria e riduzione dei picchi di potenza di elettricita dovuti al condizionamento (refrigerazione, deumidificazione) Impianti solari termici: miglior utilizzo degli impianti, utilizzare l energia solare tutto l anno. Ammortamento più rapido grazie alla possibilità di coprire più ampia parte del fabbisogno.

9 TURCO GROUP SRL Solar Cooling: schema generale Acqua refrigerata Calore Processo alimentato termicamente Aria condizionata Volano termico? Rilascio calore? Volano termico? Carico e distribuzione? Solar cooling: Condizionamento e refrigerazione Tipologie di impianto possono essere molto diverse

10 TURCO GROUP SRL Tecnologie per sistemi solar cooling Sistemi a ciclo chiuso (macchine di refrigerazione alimentate ad energia termica) Macchine ad assorbimento (80% mercato) e ad adsorbimento Usati nella maggior parte dei casi per la produzione di acqua fredda Qualsiasi tecnologia di distribuzione del freddo (e.g. Sistemi di ventilazione, fan-coils, superfici radianti,...) Sistemi a ciclo aperto basati su combinazione raffreddamento evaporativo e deumidificazione (sistemi DEC) trattamento diretto dell aria Sempre necessario rete distribuzione del freddo basato su sistema di ventilazione Sistemi sul mercato usano scambiatori rotativi o materiale adsorbente in forma liquida

11 Tecnologie disponibili sul mercato TURCO GROUP SRL Cicli chiusi Produzione acqua refrigerata Cicli aperti Condizionamento aria diretto Tipo di sorbente solido liquido solido liquido Tipici materiali in uso Tecnologie disponibili sul mercato Potenza frigorifera [kw] Produttori Efficienza (COP) Tipiche temperature di alimentazione Acqua - Silicagel, 1) Ammoniaca Sali A. Macchine ad Adsorbimento Acqua - LiBr Ammoniaca - acqua Macchine ad Assorbimento Acqua - Silicagel, Acqua Cl di Litio Raff. Evaporativo con Ad-assorbimento kw 4.5 kw fino >5 MW 20 kw kw (pro Modul) 2 produttori giapponesi USA, Asia; solo poche piccola capacità (1-effetto) < 1.2 (2-effetto) C C (1-effetto) C (2-effetto) ca. 5 produttori di rotori; molti UTA 0.5 fino >1 fino > C C Tecnologie solari CTE, CP CTE, coll. a concent. CP, CA CP, CA Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano Acqua Cloruro di Calcio Acqua Cloruro di Li

12 Classificazione delle tecnologie TURCO GROUP SRL Tecnologie per il Condizionamento dell'aria Mezzo Termovettore Aria Acqua refrigerata Aria-acqua Refrigerante Soluzione Tecnologica Centralizzato o Sistemi di ventilazione centralizzati; i; canalizzazioni in edificio Centralizzato macchina di refrigerazione; rete distribuzione acqua refrigerata in edificio Centralizzato macchina di refrigerazione e ventilazione; rete acuqa e aria in edificio Distribuiti sistemi ad uso singole zone (room air conditioners) ioners) oggi non sono disponibili soluzioni tecnologiche che consentano di sostituire i sistemi distribuiti con sistemi alimentati ad energia solare termica solo sistemi centralizzati possono essere oggetto di applicazioni basate sullo sfruttamento di energia termica (solare)

13 TURCO GROUP SRL Componenti sistema Solar cooling heat prod. storage heat heat distr. cold production storage cold cold distr. building, load solar collector Sistema a ciclo chiuso chilled water other heat sources air handling unit hot water conditioned air Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

14 TURCO GROUP SRL Schema ciclo di condizionamento Energia termica alimentazione alta temperatura, T H Freddo utile bassa temperatura, T C Energia termica rilasciata media temperatura, T M collettore solare ambiente esterno, es. Torre evaporativa ambiente condizionato Coefficient Performance (COP termico = freddo utile calore alim. of )

15 Efficienza globale del solar cooling TURCO GROUP SRL * COP ideale 2 Esempio Collettori piani con superfice selettiva Radiazione 1000 W/m 2 COP = 0.5 *COP ideal eta, COP solar Massimo COP sol COP COP sol = COP termico * η collettore 0.20 Collettore COPsol COP Temperatura di funzionamento [ C] Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

16 Efficienza globale del solar cooling TURCO GROUP SRL COPsolar Radiazione solare W/m ==> temperatura di ottimo a cui fornire energia termica dipende dalla radiazione incidente Temperatura di funzionamento [ C] Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

17 TURCO GROUP SRL COP di gruppi refrigeranti ad acqua ideale * effetto assorbimento COP effetto assorbimento temperatura acqua refrigerata: 8 C temperatura acqua di raffreddamento: 28 C adsorbimento Temperatura di alimentazione [ C]

18 WFC-SC 10 TURCO GROUP SRL Assorbitore ad Acqua Calda Potenza frigorifera 35 kw CHILLED WATER Inlet = 12.5 C Outlet = 7.0 C COOLING WATER Inlet = 31 C Outlet = 35.5 C HEAT MEDIUM WATER Inlet = 88 C Outlet = 83 C Fonte: Maya SPA ELECTRICAL 400Volt AC 3Phase 50 Hertz -210 W

19 Efficienza globale del solar cooling TURCO GROUP SRL η 0,8 0,7 YAZAKI W FC-SC10 (***) 0,6 SKY CPC 58 KLOBEN (*) 0,5 COLLETTORE PIANO SELETTIVO (**) 0, T acqua calda alimentazione [ C] (*) Test report 07COL623_1 - ITW Stuttgart (**) Test report 03/06 D und 03/06 Q ISFH Emmerthal (***) Maya - Specifiche tecniche WFC-SC 10, 20 & 30 Tamb.= 30 C G= 1000 W/m 2

20 Punto di ottimo del solar cooling TURCO GROUP SRL η globale 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 PUNTO OTTIMO COLLETTORE PIANO SELETTIVO PUNTO DI OTTIMO SKY CPC 58 KLOBEN +20% RENDIMENTO GLOBALE SKY CPC 58 KLOBEN RENDIMENTO GLOBALE COLLETTORE PIANO SELETTIVO T acqua calda alimentazione [ C] Tamb.= 30 C G= 1000 W/m 2

21 TURCO GROUP SRL Collettori Solari e refrigerazione alimentata ad energia termica SAC SAC = = collettori collettori aria aria CPC CPC = = stationary stationary CPC CPC FPC FPC = = collettori collettori piani piani sup. sup. selettiva selettiva EHP EHP = = Tubi Tubi evacuati evacuati heat-pipe heat-pipe EDF EDF = = Tubi Tubi evacuati evacuati flusso flusso diretto diretto SYC SYC = = Concentratori Concentratori stazionari, stazionari, Sydney-type Sydney-type η coll CPC desiccant SAC adsorption FPC 1-effect absorption EHP EDF SYC 2-effect absorption ΔT/G [Km 2 /W] Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

22 TURCO GROUP SRL Solar cooling system components heat prod. storage heat heat distr. cold production storage cold cold distr. building, load other heat sources solar collector chilled water Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano air handling unit Sistemi a ciclo aperto hot water conditioned air

23 Sistemi DEC (Desiccant and evaporative cooling systems) TURCO GROUP SRL Sistemi DEC sono utilizzati per il trattamento diretto dell aria Processo consiste in una combinazione di raffreddamento evaporativo e deumidificazione attraverso materiali igroscopici Il potenziale del raffreddamento evaporativo è aumentato dal processo di deumidificazione dell aria Un sistema DEC sostituisce una convenzionale unità di trattamento aria senza utilizzare sistemi convenzionali a compressione

24 Sistemi DEC (Desiccant and evaporative cooling systems) TURCO GROUP SRL Due gruppi di tecnologie Sistemi a deumidificatore rotativo: rotori disponibili in vasta gamma di dimensioni prodotti da diverse industrie nel mondo; materiale adsorbente gel di silicato o cloruro di litio; cycle adattabile a diverse condizionio climatiche. Sistemi a letto fisso: pochissime realizzazioni, impianti pilota Sistemi a desiccante liquido: pochi impianti pilota; in quasi tutti i casi LiCl e il materiale desiccante

25 TURCO GROUP SRL Schema di sistema DEC (es. Europa Centrale) C backup caldaia Esplusione Aria ambiente esterno Ruota desiccante Scambiatore rotativo umidificatori ritorno Carichi di condizionamento mandata Fonte: Fhg ISE, Politecnico di Milano

26 Esempi: rotori deumidificanti TURCO GROUP SRL Fonte: Fhg ISE

27 IMPIANTI DI SOLAR COOLING REALIZZATI

28 IMPIANTI DI SOLAR COOLING CLIENTE: LOCALITA : TIPOLOGIA: CURIA DI VALLO DELLA LUCANIA: (CONDIZIONAMENTO DELLA SALA RISTORANTE DEL SEMINARIO) VALLO DELLA LUCANIA (SA) IMPIANTO COMBINATO DI SOLAR COOLING SUPERFICIE SOLARE: 145,2 m 2 (91,76 kw P ) = 44 SP 21 ACCORGIMENTI : MACCHINA AD ASSORBIMENTO YAZAKI WFC 10 DA 35 kw, INTEGRAZIONE RISCALDAMENTO ANNO INSTALLAZIONE: 2005

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30 Impianto Originale Integrazione impianto solare (riscaldamento) Integrazione modulo ad assorbimento (raffrescamento) Disposizione collettori solari

31 Impianto originale Impianto originale

32 Impianto Originale Integrazione impianto solare (riscaldamento) Impianto con integrazione modulo ad assorbimento per raffrescamento Disposizione collettori solari

33 Integrazione impianto solare

34 Impianto Originale Integrazione impianto solare (riscaldamento) Integrazione modulo ad assorbimento (raffrescamento) Disposizione collettori solari

35 Impianto con integrazione modulo ad assorbimento per raffrescamento Impianto con integrazione modulo ad assorbimento per raffrescamento

36 Impianto Originale Integrazione impianto solare (riscaldamento) Impianto con integrazione modulo ad assorbimento per raffrescamento Disposizione collettori solari

37 Disposizione collettori solari

38 Disposizione collettori solari

39 Disposizione collettori solari

40 IMPIANTI DI SOLAR COOLING CLIENTE: LOCALITA : TIPOLOGIA: POLISTUDIO AES RICCIONE (RN) IMPIANTO COMBINATO DI SOLAR COOLING SUPERFICIE SOLARE: 108,9 m 2 (68,82 kw P ) = 33 SP 21 ACCORGIMENTI : MACCHINA AD ASSORBIMENTO YAZAKI WFC 10 DA 35 kw, INTEGRAZIONE RISCALDAMENTO ANNO INSTALLAZIONE: 2007

41 Foto impianto SOLAR COOLING A VALLO DELLA LUCANIA (SA)

42 Simulazione software TRNSYS Definizione Layout impianto Risultati ottenuti

43 Impianto originale Modello originale

44 Impianto originale Risultati del modello 16 MAGGIO 16 GIUGNO kj/h kj/h ORE ORE POT_FRIG (15/05-15/09) RAD.TOT.SUPERFICIE COLL POT_FRIG (15/05-15/09) RAD.TOT.SUPERFICIE COLL 16 LUGLIO 16 AGOSTO kj/h kj/h ORE ORE POT_FRIG (15/05-15/09) RAD.TOT.SUPERFICIE COLL POT_FRIG (15/05-15/09) RAD.TOT.SUPERFICIE COLL

45 Impianto Originale Definizione del Layout impianto Risultati ottenuti

46 Integrazione impianto solare

47 Impianto Originale Integrazione impianto solare (riscaldamento) Risultati ottenuti

48 Impianto con integrazione modulo ad assorbimento per raffrescamento Risultati ottenuti ORE 1000 ORE DI FUNZIONAMENTO DELL'ASSORBITORE ( 20/05-30/06, 20/07-31/08 ) MISURAZIONE SIMULAZIONE kwh kwh FRIGORIFERI PRODOTTI ( 20/05-30/06, 20/07-31/08 ) Fonte misurazioni: POLISTUDIO AES 0 MISURAZIONE SIMULAZIONE

49 Impianto con integrazione modulo ad assorbimento per raffrescamento Sistema di supervisione

50 Impianto con integrazione modulo ad assorbimento per raffrescamento

51 Impianto con integrazione modulo ad assorbimento per raffrescamento

52 IMPIANTI DI SOLAR COOLING CLIENTE: LOCALITA : TIPOLOGIA: STUDIO A&K CONCOREZZO (MI) IMPIANTO COMBINATO DI SOLAR COOLING SUPERFICIE SOLARE: 79,2 m 2 (56,86 kw P ) = 24 SKY 21 CPC 58 ACCORGIMENTI : MACCHINA AD ASSORBIMENTO YAZAKI WFC kw, INTEGRAZIONE RISCALDAMENTO ANNO INSTALLAZIONE: 2008

53 Foto impianto SOLAR COOLING A VALLO DELLA LUCANIA (SA)

54 Integrazione impianto solare

55 TURCO GROUP SRL Influenza della temperatura di raffredamento Fonte: Maya SPA

56 IMPIANTI DI SOLAR COOLING CLIENTE: LOCALITA : TIPOLOGIA: STUDIO LUCA GUARESI DONGO (CO) IMPIANTO COMBINATO DI SOLAR COOLING SUPERFICIE SOLARE: 90,88 m 2 (65,25 kw P ) = 32 SKY 21 CPC 58 ACCORGIMENTI : MACCHINA AD ASSORBIMENTO YAZAKI WFC kw, INTEGRAZIONE RISCALDAMENTO ANNO INSTALLAZIONE: 2008

57 Impianto con integrazione impianto solare

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59 SCHEDA IMPIANTO: IMPIANTI SOLARI CLIENTE: EMERGENCY, CENTRO SALAM DI CARDIOCHIRURGIA LOCALITA : KHARTOUM (SUDAN) LOCALITA SOBA TIPOLOGIA: IMPIANTO DI SOLAR COOLING SUPERFICIE SOLARE: 665,28 kw (950,4 m 2 =288 SP 21) ACCORGIMENTI SPECIALI: MACCHINE AD ASSORBIMENTO 2X650 kw ANNO INSTALLAZIONE: 2006 SECONDO IMPIANTO DI SOLAR COOLING PIÙ GRANDE AL MONDO PRIMO AL MONDO CON TUBI EVACUATI Fonte: EMERGENCY

60 SCHEDA IMPIANTO: IMPIANTI SOLARI IDEA DI BASE: Il Sudan è una delle aree più calde del pianeta. > 10 ore di sole al giorno Media di 363 gg di sole all anno Un irraggiamento tra i più importanti del pianeta. Fonte: EMERGENCY

61 SCHEDA IMPIANTO: IMPIANTI SOLARI Fonte: EMERGENCY

62 Schema impianto EMERGENCY KHARTOUM

63 Carta del sole e planimetria strutturale EMERGENCY KHARTOUM

64 Fonte: EMERGENCY EMERGENCY KHARTOUM

65 EMERGENCY KHARTOUM

66 Fonte: EMERGENCY EMERGENCY KHARTOUM

67 GRAZIE DELL ATTENZIONE Arrivederci