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

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

3 Gruppo frigorifero ad assorbimento In un impianto con gruppo frigorifero ad assorbimento la sorgente di calore è solitamente costituita da una sorgente proveniente da calore di recupero (ad esempio, mediante olio diatermico, acqua o vapore, fumi di combustione a bassa entalpia) o rinnovabile: in questo caso è possibile l accoppiamento tra il gruppo frigorifero ed un impianto cogenerativo, per ottenere così un impianto trigenerativo.

Gruppo frigorifero ad assorbimento La tecnologia più diffusa e consolidata a questo livello è sicuramente quella della refrigerazione ad assorbimento con bromuro di litio. p=0,1 bar p=0,008 bar Q C Q 2 Q 1 Q F ε = Q F / Q C Nell evaporatore l acqua proveniente dal condensatore allo stato liquido vaporizza a circa 4,5 C (pressione di vaporizzazione a 0,008 bar di pressione) sottraendo la potenza termica Q F al fluido da inviare all ambiente da refrigerare. Il vapore entra successivamente nell assorbitore, dove viene assorbito da una soluzione ricca di BrLi (proveniente dal generatore) e rilascia il calore Q 1, dissipato all ambiente esterno. La soluzione al bromuro di litio così diluita viene inviata al generatore in cui, fornendo il calore Q C, si ottiene nuovamente la vaporizzazione dell acqua, mentre sul fondo del corpo cilindrico si raccoglie la soluzione concentrata. Il vapor d acqua così prodotto viene poi fatto condensare alla medesima pressione del generatore, cioè circa 0,1 bar, cedendo ancora una volta calore all esterno (Q 2 ). L acqua impiegata per dissipare la potenza termica Q 1 +Q 2 viene solitamente raffreddata in apposite torri di raffreddamento. 4

Gruppo frigorifero ad assorbimento (Riferimento: Capitolo VIII de «Impianti Meccanici», di S. Fabbri, Edizioni Patron) 5

Gruppo frigorifero ad assorbimento (Riferimento: Capitolo VIII de «Impianti Meccanici», di S. Fabbri, Edizioni Patron) 6

Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento COP (Coefficient of performance) = 17,6/25,1 = 0,70 m 2 K/kW 22.000 (fornitura) [dato aggiornato al 2013] 7

8 Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento

9 Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento laminazione strozzamento

Gruppo frigorifero ad assorbimento No Componente Descrizione 1 Generatore Porta all ebollizione la soluzione diluita di BrLi producendo vapore refrigerante 2 Condensatore 3 4 Recipiente di raccolta del liquido refrigerante (RST) Valvola di scarico liquido refrigerante (RBV) 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 INLET COND EXTRACTION 14 13 CTI 22 2 CB 19 OUTLET COND 5 Evaporatore (EVA) Il calore di evaporazione del refrigerante è estratto dall acqua da refrigerare che fluisce nella serpentina dell EVA INLET GENER HWT 24 1 OUTLET GENER 6 Assorbitore (ABS) 7 Valvola di by-pass della soluzione (SV9) 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 INLET FREDDO TIT 25 11 15 R 4 3 5 LT 23 FFSL 20 26 8 R WTO 21 OUTLET FREDDO 8 Valvola solenoide di protezione antigelo (SV1) 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 ASSORB 12 6 SP 7 17 OUTLET ASSORB 9 Scambiatore (HE) Permette lo scambio termico dalla soluzione concentrata calda alla soluzione diluita fredda 18 10 16 9 10 Pompa di soluzione diluita (SO) Spinge la soluzione diluita dall assorbitore (ABS) al generatore (GE) 11 Assorbitore ausiliario Interviene in aiuto ad ABS 12 Separatore gas incondensabili I gas raccolti nell assorbitore ausiliario vengono separati dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta gas (GT) 10

Gruppo frigorifero ad assorbimento No Componente Descrizione 12 13 14 Separatore gas incondensabili Recipiente gas incondensabili (GT) Valvola di servizio gas incondensabili (A) 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 INLET COND CTI 22 2 CB 19 OUTLET COND 15 Valvola di servizio per gas incondensabili (B) Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell area ABS/EVA EXTRACTION 14 13 16 17 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) 20 Flussostato (FFSL) 21 22 23 Sonda di rilevazione temperatura (WTO) Sonda di rilevazione temperatura (CTI) Sonda di rilevazione temperatura (LT) La soluzione proveniente dall assorbitore viene filtrata prima di entrare nella pompa Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia con i controlli esterni 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 INLET FREDDO INLET ASSORB TIT 25 12 11 15 R 4 3 5 LT FFSL 23 20 6 SP 18 10 26 16 7 8 17 9 R 21 WTO OUTLET FREDDO OUTLET ASSORB 24 25 Sonda di rilevazione temperatura (HWT) Sonda di rilevazione temperatura (TIT) Monitorizza la temperatura di ingresso dell acqua calda di alimentazione Controlla la temperatura in ingresso all assorbitore 26 Pompa di ricircolo Pompa di ricircolo all evaporatore 11

Gruppo frigorifero ad assorbimento 12

Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento qualità dell acqua 13

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. 14

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. 15

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 16

Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento prestazioni (portata design) 17

Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento prestazioni (portata design) 18

Gruppo frigorifero ad assorbimento Gruppo frigorifero ad assorbimento prestazioni (variazione di portata) 85% 50% Valore della portata acqua calda rispetto al valore nominale (%) 19

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! 20

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) 21

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. 22

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. 23

Gruppo frigorifero ad assorbimento La torre di raffreddamento 3.100 (fornitura) 24

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. 25

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 26-28 C) verso il serbatoio. 26

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 27

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 28

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. 29

Agenda Gruppo frigorifero ad assorbimento Generalità sul solar cooling P&I impianto solar cooling Dimensionamento elementi di impianto 30

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. 31

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 32

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 33

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 34

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. 35

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. 36

Generalità sul solar cooling Inseguitore di tilt Inseguitore di rollio Inseguitore di azimut Inseguitore ad asse polare 37

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% 38

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. 39

Generalità sul solar cooling Bollitore Scambiatore di calore Pannello fotovoltaico 40

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). 41

Agenda Gruppo frigorifero ad assorbimento Generalità sul solar cooling P&I impianto solar cooling Dimensionamento elementi di impianto 42

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 43

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. 44

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. 45

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. 46

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. 47

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 48

P&I impianto solar cooling P&I solar cooling circuito acqua calda completo 49

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. 50

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. 51

P&I impianto solar cooling Condizionatore/Pompa di calore 152H Q 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 13.000 (fornitura, posa in opera e allacci) 52

P&I impianto solar cooling P&I impianto solar cooling completo 53

P&I impianto solar cooling 54

Agenda Gruppo frigorifero ad assorbimento Generalità sul solar cooling P&I impianto solar cooling Dimensionamento elementi di impianto 55

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo caldo 56

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo caldo Capacità: 800 litri Superficie scambio: 2,7 m 2 Resistenza elettrica: 6 kw 2.200 (fornitura, posa in opera e allacci) [dato aggiornato al 2013] 57

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: 10-16 kwfr (media 13 kw fr) COP= 0,7 Potenza termica assorbita: circa 18 kwth 58

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 1.600 lt (il doppio di quello dimensionato per HENERGIA). Nelle medesime condizioni sopra descritte, l accumulo da 1.600 lt garantirebbe un funzionamento di un ora circa con il solo accumulo come fonte di alimentazione del gruppo frigorifero ad assorbimento. 59

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). 60

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola sicurezza 61

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola sicurezza 62

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola sicurezza 273 (fornitura e posa in opera) [dato aggiornato al 2013] 63

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola deviatrice 64

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola deviatrice 65

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola deviatrice 66

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola deviatrice 325 (fornitura e posa in opera) [dato aggiornato al 2013] 67

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 T quella in ingresso. In questo caso, la pompa si ferma e, dopo che è trascorso altro tempo, riparte. 68

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 69

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Parabola a concentrazione solare 70

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 * T m: portata in massa di fluido = 17/60 = 0,28 kg/s Q=11,5kW CL: calore specifico fluido = 4,186 kj/kgk T=11,5/(0,28*4,1869)=9,8 C Temperatura massima ammessa per il fludo: 93 C 71

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. 72

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). 73

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. 0 1 2 2 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 VMF2.0 370 Sonnenkraft GK5-HP 407 Kloben-Sky Pro CPC 58 675 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 74

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) 75

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Parabola a concentrazione solare 32.500 (fornitura, posa in opera e allacci) [dato aggiornato al 2013] Tipologia Costo [ /m 2 ] Ferroli VMF2.0 370 Sonnenkraft GK5-HP 407 Kloben-Sky Pro CPC 58 675 Solar Beam 2,044 76

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 77

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,latemperaturaambienteèparia 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) 78

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling Pannello fotovoltaico cogenerativo 79

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] 80 9.000 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 80

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo freddo 81

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo freddo 82

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling accumulo freddo Capacità: 500 litri 1.385 (fornitura, posa in opera e allacci) [dato aggiornato al 2013] 83

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling condizionatore/pompa di calore 84

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) 85

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 86

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola a tre vie 87

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola a tre vie 88

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola a tre vie 89

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling valvola a tre vie 380 (fornitura e posa in opera) [dato aggiornato al 2013] 90

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling termostato ambiente 91

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling termostato ambiente Termostato ambiente con contatto in commutazione 10 (2,5) A - 230 V - 50 Hz. 20 (fornitura) [dato aggiornato al 2013] 92

Dimensionamento elementi di impianto Impianto solar cooling termostato 93

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. 1. 12. 1975). Grado di protezione: IP 40. 35 (fornitura) [dato aggiornato al 2013] 94