Il Solar Cooling nel condizionamento civile: caso di studio lorenzo patroncini

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DELL’ AQUILA

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

Dipartimento di Meccanica, Energetica e Gestionale

Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica

IL SOLAR COOLING NEL CONDIZIONAMENTO CIVILE

Dimensionamento di un impianto a collettori solari piani abbinato ad una macchina ad assorbimento

Laureando:

Lorenzo Patroncini

Relatore:

Chiar.mo Prof. Antonio Ponticiello

Anno Accademico 2009-2010


DL 211 ALLEGATO 3 Nel caso di edifici nuovi o edifici

sottoposti a ristrutturazioni rilevanti, gli impianti di produzione di energia termica devono essere progettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto della copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei consumi previsti per l’acqua calda sanitaria e delle seguenti percentuali della somma dei consumi previsti per l’acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento:

c) il 50 per cento … dal 1° gennaio 2017.


INTRODUZIONE

L’edilizia rappresenta uno dei settori di consumo energetico dominanti nelle società industrializzate. In Europa circa il 40% del consumo di energia primaria è dovuta agli impianti installati negli edifici, privati e commerciali, per applicazioni quali riscaldamento e condizionamento, illuminazione …

Negli ultimi decenni il consumo di energia per il condizionamento è cresciuto notevolmente, a causa della maggior richiesta di confort termico e dei trend architettonici (superfici vetrate)


INTRODUZIONE

Esistono molte tecnologie di risparmio energetico e/o di produzione di energia da fonti rinnovabili, (cogenerazione, pompe di calore, solare termico, fotovoltaico…), per altro tutte incentivate in varia misura

Il fabbisogno termico di un edificio (riscaldamento e acqua calda sanitaria), è però in controtendenza rispetto alla radiazione solare disponibile


INTRODUZIONE


IL SOLAR COOLING

Il solar cooling, letteralmente “raffrescamento solare”, è un’applicazione impiantistica che permette tramite macchine tipicamente ad assorbimento l’utilizzo del calore captato dai collettori solari per produrre acqua o aria refrigerata per la climatizzazione degli edifici


IL SOLAR COOLING

Il solar cooling consente così di avvicinare le due curve garantendo, oltre ad un migliore sfruttamento della radiazione solare, una maggiore efficienza energetica dell’edificio, e permetterebbe , se ampiamente diffuso, di ridurre notevolmente il picco di energia richiesta nel periodo estivo dai sistemi di condizionamento dell’aria.


INTEGRAZIONE


IL SOLAR COOLING

Il solar cooling, letteralmente “raffrescamento solare”, è un’applicazione impiantistica che permette tramite macchine ad assorbimento l’utilizzo del calore captato dai collettori solari per produrre acqua o aria refrigerata per la climatizzazione degli edifici


CASO DI STUDIO

Call center Posizione : Pescara 14 m x 20 m = 280 m2

Esigenze particolari per il condizionamento


CASO DI STUDIO

Affollamento elevato : fino a 60p/100m2

Alta densità di pc e attrezzature elettroniche

Possibilità di 3 turni giornalieri, 24h/24, 7g/7

350000 kWh frigoriferi / anno


LA MACCHINA FRIGORIFERA

Il carico termico può essere soddisfatto da una macchina frigorifera di circa 40kW di potenza

Yazaki WFC – SC 10

Sarà necessario anche un sistema di back up


MACCHINE AD ASSORBIMENTO H2O -

BrLi


IL SOLAR COOLINGH20 + BrLi

H2O

H20 + BrLiH20 + BrLi


COP

Bilancio

Cop Tg → ∞, cop

ciclo di Carnot inverso


EXERGIA

E = Q * ( 1 – TA / TQ )

Qualità di energia diversa rispetto ad un ciclo a compressione di vapore (exergia pura)

COP / E simile per macchine a funzionamento diverso


COP

Il solar cooling consente così di avvicinare le due curve garantendo, oltre ad un migliore sfruttamento della radiazione solare, una maggiore efficienza energetica dell’edificio, e permetterebbe , se ampiamente diffuso, di ridurre notevolmente il picco di energia richiesta nel periodo estivo dai sistemi di condizionamento dell’aria.


MACCHINE AD ASSORBIMENTO H2O -

BrLi Riduzione dei costi energetici Ridottissimi consumi di en elettrica Installazione all’aperto Elevata affidabilità e ridotta

manutenzione Limitato impatto ambientale Parzializzazione e controllo modulare Contro: costo elevato, torre

evaporativa onerosa


SCELTA DEI COLLETTORI

Sia i collettori solari termici sottovuoto che quelli piani riescono a soddisfare la richiesta di calore della macchina ad assorbimento

Piani: più economici; T più bassa; minore resa invernale

Sottovuoto: più costosi; più delicati; T più alte; maggiore resa invernale L’analisi economica dà la

scelta ottimale


PREDIMENSIONAMENTO

In letteratura viene proposta la “regola di prima approssimazione”(Rule of Thumb). Essa calcola l'area specifica Aspec dei collettori in m2 per kW della macchina frigorifera, data la radiazione solare totale normale Gn, il cop e l'efficienza del collettore ηcoll

Si prescinde quindi dall’analisi economica e dal carico termico

Aspec= 1000 / (Gn * ηcoll * cop )


f - CHART

Il metodo è fondato sulla determinazione dell’aliquota f del fabbisogno mensile coperto dall’impianto solare. La parte eccedente dovrà essere invece integrata da un sistema ausiliario

Sviluppato nell’ambito del solare termico tradizionale (acs e riscaldamento) ne esiste una versione modificata per il solar cooling

Pregi: accuratezza, facilità di utilizzo


f - CHART

Q frig, out, m = f * Q frig , m

Q frig , m è il carico frigorifero

mensile (kWh)

f = f ( a0 , a1 , … , an , X , Y )


f - CHART

1000Q

h )T - (T

m frig,

marefLrUFACOPX

1000Q

I h )(

m frig,

mmrFACOPY


EQUAZIONE DI BLISS

q u =Fr·[(τα)·Iβ -UL·(ti –ta)] , potenza

termica utile trasferita al fluido termovettore

Fr = fattore di rimozione termica, definito come il rapporto fra la qu effettiva (con tp>ta ) e quella che si avrebbe se fosse possibile trasferire il calore della piastra al fluido senza differenze finite di temperatura

Iβ , potenza termica complessiva incidente sulla superficie inclinata del pannello solare (Im media mensile (W/m2 )


EQ BLISS

UL , ( W/m3°C) coeff complessivo di dispersione termica

(τα) , prodotto coefficienti trasmissione e assorbimento, rappresenta l’aliquota di energia termica proveniente dal sole che viene assorbita dalla piastra nera. Esso dipende dalle caratteristiche di assorbimento, di riflessione e di trasmissione del sistema vetro-piastra


η PANNELLO

η = q u / Iβ =Fr·(τα) - Fr· UL·(ti-ta) / Iβ

Sottovuoto, Koblen sky 21cpc 58 , Fr·(τα) = 0.51

Fr· UL = 1.09 Piani, Solarbayer premium plus ,

Fr·(τα) = 0.69

Fr· UL = 3.8


X - Y

X

Y


f - CHART

X Y f Qfrig,out,m0,95 0,50 27,2% 80950,95 0,56 31,0% 83240,92 0,71 41,7% 124000,88 0,79 48,2% 138890,83 0,98 62,0% 184490,79 0,93 59,0% 169840,77 0,93 59,0% 175580,77 1,02 65,7% 195640,81 1,03 66,3% 190940,85 0,76 46,4% 138190,90 0,60 34,2% 98500,94 0,52 28,6% 8509

47,4% 166535


f - CHART


ANALISI ECONOMICA:

IPOTESI Cop costante nel tempo Lavoro su 2 – 3 turni Durata dell’investimento 10 anni Incentivi statali del 55% in 10 anni Costo dell’assorbitore 27000 € Costo dell’impianto: 700€/m2


ANALISI ECONOMICA

Variando il numero dei pannelli si cerca il massimo Tir

Al crescere di N crescono il risparmio annuo, gli incentivi e il costo d’investimento

Successivamente si ottimizza la scelta

Il foglio elettronico fornisce quindi questi indici economici: PbP semplice, Van, Tir, Ip


ANALISI ECONOMICA: CONFIGURAZIONE

SCELTA N = 48 Costo d’investimento: 127000 € Frazione solare annua f : 47% Risparmio annuo (su bolletta) :

13300 € Tir : 24 % PbP : ≈ 7 anni Van 10° anno: 58000 € calcolo sc solarbayer 48 moduli.xlsm


ANALISI ECONOMICA


ANALISI ECONOMICA

Conviene sfruttare il più possibile l’impianto, 24h/24 con un accumulo adeguato (100 l/m2, 3 accumuli da 5000 l )

I collettori sottovuoto, seppur più efficienti (N più basso a parità di f) non permettono di far rientrare l’investimento in 10 anni a causa dell’alto costo


AN SENSIBILITA’:COSTO ENERGIA


CONSIDERAZIONI

Il solar cooling è una tecnologia sempre più diffusa

Il costo d’investimento è facilmente recuperabile se l’impianto è di una certa dimensione

E’ prevedibile una sensibile riduzione dei costi per le economie di scala

Gli incentivi sono ancora indispensabili per il ritorno economico dell’investimento


IL SOLAR COOLINGNEL

CONDIZIONAMENTOCIVILE

grazie per l’attenzione

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