di Andrea Rossetti e Silvano Viani | RSE
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Con il termine solar cooling viene indicata la tecnologia che permette di ottenere freddo dall’energia solare. Questa tecnologia è impiegata soprattutto per il condizionamento estivo degli edifici, poiché ha la caratteristica di produrre maggiori quantitativi di freddo quando servono (giornate estive più calde). Infatti, come deducibile dalle curve riportate nella Figura 1, i carichi termici estivi di un edificio (blu) sono tendenzialmente maggiori quando la radiazione solare è più elevata (linea gialla) e quindi è maggiore il freddo che un impianto di solar cooling può produrre, essendo tale produzione direttamente legata al quantitativo di radiazione solare.
Di norma un impianto di solar cooling è dimensionato anche per produrre l’acqua calda sanitaria necessaria per gli impianti sanitari, e contribuisce in maniera seppure ridotta, al riscaldamento invernale. Per supplire ai periodi di assenza della radiazione solare, negli impianti di solar cooling vengono inseriti capienti serbatoi di accumulo e sistemi integrativi di tipo tradizionale. I sistemi integrativi, alimentati solitamente con energia elettrica, funzionano però per ridotti periodi e consentono quindi evidenti risparmi di energia elettrica rispetto ad un impianto di condizionamento tradizionale.
Per produrre il freddo è utilizzato un fluido che, in funzione del sistema adottato, viene fatto riscaldare dal sole a differenti temperature. Nei sistemi a temperature medio basse, fino a circa 110 °C, è utilizzata di solito acqua glicolata riscaldata tramite collettori solari, di tipo più tradizionale, piani o a tubi sottovuoto. Nei sistemi a temperature più elevate, di norma comprese tra i 160 e i 250 °C, è impiegata acqua glicolata o olio diatermico, riscaldati mediante collettori solari a concentrazione.
Come schematizzato nella Figura 2, con acqua calda a temperatura mediobassa può essere prodotta acqua fredda tramite un impianto a ciclo chiuso con un assorbitore a semplice effetto, o aria fredda e deumidificata mediante un sistema a ciclo aperto tipo DEC (Desiccant Evaporative Cooling), che tratta direttamente te aria prelevata dall’esterno. Con acqua calda a temperatura alta viene invece di solito prodotta acqua fredda tramite un impianto a ciclo chiuso con un assorbitore a doppio effetto, più performante di quello a semplice effetto.
I sistemi per produrre il freddo sono in fase di sviluppo e affinamento, anche se presentano già numerose applicazioni, e i loro costi sono al momento non ancora completamente competitivi poiché utilizzano alcuni componenti ancora poco diffusi e non industrializzati, e gli impianti sono spesso realizzati con schemi poco ripetitivi e non standardizzati. In generale gli impianti ad alta temperatura presentano maggiori efficienze energetiche, a scapito però di una maggiore complessità poiché necessitano di sistemi in movimento per inseguire il sole.
L’acqua refrigerata prodotta dagli impianti di solar cooling, oltre al condizionamento degli ambienti (Tmandata fino a 5 °C), può essere utilizzata per la refrigerazione industriale (Tmandata fino a 3 °C) o per applicazioni criogeniche (Tmandata fino a -10 °C). L’energia solare può essere utilizzata anche per produrre energia elettrica con pannelli fotovoltaici, energia che a sua volta può contribuire ad alimentare tradizionali impianti di produzione del freddo a compressione di vapore.
Esistono sul mercato pannelli contemporaneamente fotovoltaici e termici che producono energia elettrica e calore. Questo, essendo a temperatura ridotta, non è di norma utilizzabile per alimentare un impianto di solar cooling, ma può essere convenientemente impiegato per produrre acqua calda sanitaria e, in alcuni casi, anche per integrare l’impianto di riscaldamento invernale. Gli impianti di solar cooling sono particolarmente interessanti nell’ambito del condizionamento degli edifici poiché consentono di:
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► utilizzare una fonte energetica rinnovabile e gratuita, quale è quella solare;
►impiegare efficientemente tale fonte rinnovabile, in quanto permette di produrre più freddo in corrispondenza delle maggiori richieste di energia frigorifera;
► ridurre le punte di carico elettriche estive prodotte dagli impianti di condizionamento tradizionali, che generano un più elevato impegno della rete elettrica (e conseguenti minori efficienze energetiche), più ridotte riserve di sicurezza per far fronte a eventi improvvisi, e quindi maggiori rischi di black-out;
► utilizzare energia termica gratuita anche per la produzione di acqua calda sanitaria e come integrazione per il riscaldamento invernale degli edifici.
Schemi di impianti di solar cooling
Nella Figura 3 sono rappresentati un impianto di solar cooling a ciclo chiuso ad acqua e un impianto a ciclo aperto ad aria. È anche possibile realizzare un impianto di solar cooling in parte a ciclo chiuso ad acqua e in parte a ciclo aperto ad aria.
La configurazione di un impianto di solar cooling deve essere definita con particolare attenzione, abbinando opportunamente il tipo di collettore solare e il sistema di produzione del freddo in modo da utilizzarli con le migliori prestazioni, soprattutto per quanto riguarda le loro temperature di funzionamento. Nella Figura 4 sono indicati abbinamenti consigliati in letteratura.
Valutazione delle prestazioni di impianti di solar cooling
La corretta valutazione delle prestazioni di un impianto di solar cooling costituisce un aspetto importante per lo sviluppo di questa tecnologia, consentendo di ricavare dati che permettono di orientarla verso i sistemi e i componenti più interessanti. Nell’ambito di diversi progetti europei e IEA sono state definite alcune linee guida e procedure per il monitoraggio degli impianti di solar cooling. Di seguito si riportano alcuni indici che permettono di valutare le prestazioni di un intero impianto e/o dei suoi componenti.
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► COP (Coefficient Of Performance): esprime il rapporto tra l’energia utile ottenuta e l’energia termica o elettrica consumate; in particolare il COPtermico è il rapporto tra l’energia utile e quella termica consumata, il COPelettrico è il rapporto tra l’energia utile e quella elettrica consumata, e il COPglobale è il rapporto tra l’energia utile prodotta e la somma delle energie termica ed elettrica consumate;
► PER (Primary Energy Ratio): è il rapporto tra l’energia utile ottenuta e l’energia primaria consumata;
► Fsav (Fractional solar cooling savings): indica il risparmio di energia primaria rispetto a quella richiesta da un analogo impianto tradizionale di riferimento - che non utilizza energia solare - con gli stessi fabbisogni frigoriferi e identico sistema di distribuzione.
Dal 2009 RSE svolge attività di ricerca nel settore del solar cooling. Questa attività ha condotto alla emissione di alcuni rapporti tecnici, liberamente scaricabili dal sito internet http://www.rseweb. it, che riportano dettagliate informazioni sugli impianti di solar cooling, le prestazioni sperimentali di alcuni impianti appositamente monitorati per gentile concessione dei loro proprietari, analisi economiche ed energetiche di sistemi di solar cooling. Globalmente sono stati esaminati due impianti a ciclo chiuso ad acqua con assorbitore a singolo effetto e due impianti a ciclo aperto con tecnologia DEC.
I dati ottenuti hanno permesso di ritenere la tecnologia DEC particolarmente interessante. Nella Figura 5 si riportano i dati ricavati dal monitoraggio di un impianto tipo DEC (con sorbente liquido) con potenza frigorifera di 89 kW, che è abbinato a collettori termici a tubi evacuati e ad un sistema di integrazione con pompa di calore geotermica.
Per valutare le prestazioni dell’impianto è stato considerato come sistema convenzionale di riferimento un tradizionale sistema frigorifero ad acqua dotato di un gruppo frigo con COPelettrico medio di 2,8. Il COPelettrico dell’intero impianto (solar cooling + integrazione con pompa di calore), che indica quanti kWh di freddo vengono prodotti con un kWh elettrico, è risultato con valore medio di 3,98 nel periodo esaminato, con valore minimo a luglio (3,56) e valore massimo ad agosto (4,59). Questi numeri sono particolarmente interessanti e significativamente superiori a quelli degli impianti con gruppi frigoriferi tradizionali.
L’indice PER, che indica quanta energia frigorifera viene prodotta con un kWh di energia primaria, varia tra 1,42 (luglio) e 1,83 (agosto) e presenta valore medio nel periodo esaminato di 1,59. Confrontando le prestazioni dell’impianto in oggetto con quelle di un analogo impianto tradizionale, è stato valutato un risparmio di energia primaria (Fsav) nell’intero periodo esaminato (da luglio a settembre) del 29,6 per cento, che a luglio diviene 21,4 per cento e in agosto risulta 38,9 per cento.
Gli impianti esaminati sono delle “prime serie” e presentano delle prestazioni che potrebbero essere ulteriormente incrementate con affinamenti nella loro progettazione e gestione. In particolare solitamente non vengono commercializzanti impianti di solar cooling “chiavi in mano”, ma tipicamente è presente un progettista “termotecnico” che interagisce con i fornitori dell’impianto frigorifero e dei collettori solari, e che commissiona ad una azienda informatica la realizzazione del sistema di acquisizione e controllo. Quindi, di fatto può accadere che risulti ottimizzato il funzionamento dell’impianto frigorifero o dei collettori solari, ma non il funzionamento ottimale dell’intero impianto.
In conclusione si ritiene che la tecnologia del solar cooling possa essere assai promettente in Italia, soprattutto nelle regioni centrali e meridionali, dove è presente una notevole radiazione solare estiva e conseguenti elevati carichi termici da smaltire con gli impianti di condizionamento.
Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell’ambito dell’Accordo di Programma tra RSE e il Ministero dello Sviluppo Economico – D.G. Nucleare, Energie rinnovabili ed efficienza energetica – stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM 19 marzo 2009
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