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POSTE ITALIANE SPA – POSTA TArgET mAgAzINE - LO/CONV/020/2010.

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ambiente#16ISSN:2038-2723

IMPIANTI DI RISCALDAMENTORECUPERO DI CALORE

ANNO 3 - OTTObre 2012

EUrO15

POMPE DI CALORE, COME DIMENSIONARLEACCUMULO AD IDROGENO, QUALI VANTAGGI?CLIMATIZZAZIONE SATELLITARE E PRESTAZIONI ENERGETICHERADIANTE NEI CAPANNONICASE STUDY RISCALDAMENTO CON RECUPERO DEL CALORE DI CONDENSAZIONEBARRIERE D’ARIA, QUANDO NON FUNZIONANO?

#16

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Solar heating and coolingAt the F-92 building of the ENEA Casaccia’s Research Centre (in Rome) there’s a solar heating and cooling system dedicated to meet the energy needs of the entire building for the periods of winter heating and summer cooling. The monitoring of the system was conducted from 9 February 2012 to 15 April 2012. The results showed that the system has always ensured the maintenance of comfortable thermohygrometric conditions. During winter opera-tion the sun has covered the 56% of the energy consumption for space heating; while, in terms of fuel, were saved 574 Nm3 of natural gas.

Keywords: solar heating, winter operation

incrementi nell’efficienza di tutti i processi energetici, rappresenta sicuramente una prima ottima ri-sposta all’emergenza ambientale

più frequenti durante il periodo estivo, con pos-sibilità non remota di blackout elettrico.

L’utilizzo dell’energia solare, unitamente ai provvedimenti di risparmio energetico ed agli

I sistemi di solar heating and cooling utilizzano l’e-nergia solare, quindi una fonte rinnovabile e gratuita, per soddisfare le esigenze di riscal-

damento e raffrescamento degli edifici contri-buendo alla diminuzione dei consumi di energia di natura fossile, ovvero alla riduzione delle emis-sioni di gas serra, ed incrementando la percen-tuale di utilizzo delle fonti rinnovabili come sta-bilito dall’attuale legislazione (D. Lgs. 28/11) per la copertura del 50% del fabbisogno termico to-tale annuo. Con questa tecnologia si riducono inoltre i fabbisogni di energia elettrica evitando problemi di stabilità nella domanda di elettricità, che a sua volta richiede costosi adattamenti del-la rete per sopportare i picchi di potenza sempre

Il sistema è al servizio dell’edificio F-92 del C.R. ENEA – Casaccia (Roma)

L’utilizzo dell’impianto ha permesso di risparmiare, in termini di combustibile, 574 Nm³ di gas metano e il sole ha coperto il 56% dei consumi per il riscaldamento

di Nicolandrea Calabrese1, Michel Bruni2, Alessandro Veronesi3 e Paola Rovella4

Solar heating and cooling abbinato a pannelli radianti e fan coil, prestazioni invernali

Sistemi di generazione

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caratteriStiche principali delle apparecchiature nel funzionamento invernale

CAMPO SOLARE: COLLETTORI SOLARI TERMICI A TUBI EVACUATISuperficie singolo pannello solare = 3,75[m²];Superficie Totale campo solare = 56[m²];Potenza di picco singolo collettore = 2.377 [W];(G*=1000 W/m², EN 12975)

CALDAIA DI INTEGRAZIONEPotenza termica utile = 43,9 [kW];P max esercizio = 4 [bar];Rendimento min. al 100% = 87,3;Rendimento min. al 30% = 85,0;

DISSIPATOREP estate dissipata = 36 [kW];P elettrica = 0,2 [kW];Q aria = 3.200 [m³/h];Volume = 30 [dm³];(Temperatura aria: 35°C/78,3°C;Fluido: acqua al 30% di glicole;temperatura in/out 100°C/90°C;portata 3,52 m³/h)

FAN COILP frig = 3,95 [kWf ];P term = 4,95 [kWth];P el = 55 [W];Q aria max = 700 [m³/h];Q acqua = 679 [l/h];(alla max velocità aria)Ventilconvettori con motore Brushless Inverter

PANNELLI RADIANTI A PAVIMENTOPortata collettore = 785 [l/h];Perdita di carico max. = 200 [mbar];T superficiale max = 29 [°C];Tmedia (andata/ritorno) max = 50 [°C];ΔT (mandata/ritorno) collettore = 10 [°C].

Figura 3 – Dry Cooler Standard vs Blowing Dry Cooler. Il dry cooler installato è di tipo innovativo (denominato reverse) in quanto, a differenza del tipo tradizionale (immagine a sinistra), i ventilatori non sono attraversati dal flusso d’aria ad alta temperatura in uscita dalla batteria ma è il ventilatore che spinge l’aria attraverso la batteria stessa. In questo modo è possibile raggiungere temperature elevate senza che i motori elettrici installati all’interno dei ventilatori subiscano danni permanenti.

Figura 2 – Schema impianto in modalità solar heating. Durante il funzionamento invernale il campo solare produce l’acqua calda successivamente stoccata in un serbatoio di accumulo (capacità puffer 1500 litri) che, attraverso il termodotto, viene inviata ai circuiti dei pannelli radianti a pavimento o dei fan coil. I pannelli radianti a pavimento sono installati a servizio dei soli piano terra e piano primo mentre l’interrato è provvisto esclusivamente di vetilconvettori del tipo a pavimento. Quando l’energia fornita dal campo solare è insufficiente, o quando la logica di regolazione lo preveda, viene azionata una caldaia integrativa ad alta temperatura alimentata a gas metano. Un apposito circolatore elettronico a portata variabile (P01) assicura il passaggio dell’acqua all’interno del campo solare mentre il gruppo di circolazione P02 realizza lo scambio termico tra l’acqua prodotta dai pannelli solari e quella contenuta nel serbatoio di accumulo caldo. Quando la temperatura dell’acqua stoccata all’interno del serbatoio di accumulo supera il valore di set point prefissato, l’energia termica fornita in eccesso dal campo solare viene dissipata attraverso un dissipatore o dry cooler (DC01). In particolare, attraverso l’elettrovalvola V01 l’acqua viene deviata e fatta passare all’interno del dry cooler dove subisce un abbassamento di temperatura per mezzo dell’aria esterna. Sul lato caldaia è presente il gruppo di pompaggio P04 che permette lo scambio termico tra il circuito caldaia e il circuito del termodotto. Infine, attraverso il gruppo di pompaggio P07 si realizza la mandata ed il ritorno dell’acqua alla sottocentrale di edificio. Tutti i gruppi di pompaggio precedentemente citati sono costituiti da due elettropompe collegate in parallelo, di cui una di riserva all’altra.

Figura 1 – Viste dell’impianto e dell’edificio F-92. L’impianto può essere suddiviso in centrale di produzione, campo solare, termodotto di collegamento tra la centrale di produzione ed edificio, sottocentrale di edificio che smista ai vari circuiti il fluido termovettore, terminali d’impianto, rappresentati da pannelli radianti a pavimento e da fan coil a cassetta installati a soffitto.

la facility di provaL’impianto e l’edificio sono controllati da un sistema di supervisione e gestione BMS (Building Management System) che acquisisce e memorizza tutti i parametri di funzionamento neces-sari al monitoraggio e alla determinazione delle prestazioni dell’impianto stesso. L’edificio F-92 si sviluppa su tre livelli (superficie totale pari a circa 230 m²) di cui ognuno servito da un circuito idraulico indipendente in modo tale da realizzarne l’esclusione, attraverso l’impian-to di regolazione, quando le condizioni termo igrometriche dello stesso sono soddisfatte.

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globale; le fonti di energia rinnovabili sono, inol-tre, quelle che maggiormente soddisfano il con-cetto di sostenibilità.

L’impiego diretto dell’energia solare è ancora più conveniente quando un medesimo impian-to viene utilizzato per il riscaldamento degli am-bienti, per la produzione di acqua calda sanitaria e per il raffrescamento degli stessi. Un sistema di solar heating and cooling sfrutta l’energia solare nel corso di tutto l’anno, riducendo così i tempi di ammortamento dell’impianto. In estate inol-tre la disponibilità della radiazione solare è mag-giore rispetto alle altre stagioni e tale tecnologia sfrutta proprio la coincidenza tra la necessità di condizionamento degli ambienti e la disponibi-lità dell’energia solare, utilizzata per produrre il freddo tramite gruppi frigo ad assorbimento.

Presso l’edificio F-92 del Centro Ricerche ENEA di Casaccia (Roma), nell’area Capanna, è presente un impianto di solar heating and coo-ling dedicato al soddisfacimento del fabbisogno energetico dell’intero edificio relativo ai perio-di di riscaldamento invernale e raffrescamento estivo. I risultati di tale attività di ricerca si riferi-scono a parte della campagna invernale in quan-to l’impianto è stato completato il 01 Dicembre 2011 e successivamente è stato necessario effet-tuare le prove di verifica e messa a punto delle apparecchiature installate in campo dedicate al monitoraggio in continuo delle prestazioni dello stesso (contatermie, sonde di temperatura, son-de di umidità, sonda lux esterni, etc.). Il monito-raggio è stato quindi di fatto avviato il 9 febbraio 2012 per concludersi il 15 aprile 2012, termine del periodo di riscaldamento per la zona climatica D (D.P.R. 26 agosto 1993 n.412).

Campo solareIl campo solare è stato realizzato in prossimi-

tà della centrale a quota piano di campagna ed è costituito da 15 pannelli solari termici a tubi eva-cuati della Kloben, modello SKY 21 CPC 58. I col-lettori solari sono costituiti ciascuno da 21 tubi in vetro borosilicato a doppia intercapedine, salda-ti all’estremità, al cui interno è praticato il vuoto. L’intercapedine interna è resa selettiva per l’as-sorbimento della radiazione elettromagnetica solare per mezzo di una metallizzazione multi-strato creata utilizzando prodotti completamen-te riciclabili. L’unità di assorbimento è formata da un circuito in rame curvato a forma di “U”, posi-zionato a contatto con appositi assorbitori di ca-lore in alluminio, che ne aumentano la superficie di scambio termico (Figura 4). Ogni unità è rac-chiusa in un tubo di vetro, e viene poi connessa in parallelo ad un collettore situato sulla testata del pannello che raccoglie il fluido vettore che scorre in ogni circuito.

Nei collettori è presente un particolare sistema di captazione costituito da captatori di luce diretta e diffusa a geometria CPC (Compound Parabolic

del vuoto assicura la protezione da infiltrazioni di umidità e da agenti atmosferici garantendo una dura-ta illimitata e il mantenimento del-le prestazioni di captazione.

Il sistema CPC e l’uso di un ve-tro particolare e del “Cermet” se-lettivo, permettono al collettore di avere ottime performance an-che in situazione di scarso irrag-giamento o di basse temperature esterne (Figura 6).

Concentrator) realizzati utilizzando materiali in grado di fornire ottime rese in riflessione totale (>90%) ed in riflessione di luce diffusa (Figura 5). Il vantaggio di aumentare l’efficienza ottica del col-lettore, si traduce in una maggior quantità di ener-gia fornita dal collettore solare sottovuoto, rispet-to agli altri collettori solari termici.

La superficie interna dell’intercapedine sot-tovuoto è resa selettiva all’assorbimento della ra-diazione solare tramite la deposizione per sput-tering di molteplici strati metallici di spessore micrometrico (Cermet), atti a coprire l’assorbi-mento di tutto lo spettro della radiazione elet-tromagnetica del sole. Lo strato selettivo è stu-diato appositamente per resistere nel tempo alle alte temperature che si generano. La presenza

Figura 6 – Specifiche tecniche, energetiche ed idrauliche dei collettori solari

Figura 5 – Sistema di captazione adottato nei pannelli

Figura 4 – Collettore solare e spaccato del tubo in evidenza

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La facility di prova è provvista di un sistema di monitoraggio in-tegrato BMS che permette il con-trollo e la verifica costante di tutti gli aspetti legati al funzionamento degli impianti. La soluzione adotta-ta per l’impianto sperimentale for-nisce, mediante l’ausilio di pagine

a bordo del quadro di potenza e controllo, memo-rizza tutti i dati di funzionamento dell’impianto a bordo di una CPU interna. Da un qualsiasi calcola-tore, interfacciato in rete con il controllore, è pos-sibile interrogare il sistema e quindi importare in fogli di calcolo tutti i parametri acquisiti dal BMS in modo da estrapolare serie temporali, analizza-re i dati e verificare le performance energetiche dell’impianto (vedi Figure 7-8-9).

La logica di regolazione dell’impianto di solar heating

La convenienza di un impianto di solar hea-ting and cooling è espressa attraverso il raggiun-gimento di obiettivi quali il risparmio energetico e monetario ottenuto rispetto all’utilizzo di una tecnologia tradizionale e attraverso il recupe-ro dell’investimento inizialmente sostenuto per la realizzazione dell’impianto stesso in tempi ra-gionevoli (6-7 anni). È possibile raggiungere tali obiettivi non solo utilizzando componentisti-ca altamente efficiente (primi fra tutti i colletto-ri solari termici ed il gruppo frigo ad assorbimen-to) ma anche sviluppando un’opportuna logica di regolazione che sceglie i diversi profili di fun-zionamento dell’impianto in funzione delle nu-merose variabili in ingresso al BMS, acquisite in tempo reale e legate anche alla variabilità delle condizioni termo igrometriche esterne. La defi-nizione di una logica di regolazione intelligente e definitiva parte da un’attenta analisi del compor-tamento dell’impianto in fase progettuale e viene perfezionata in seguito all’individuazione di sco-stamenti tra le performance attese e quelle real-mente fornite dall’impianto, evidenziati durante il monitoraggio dei primi risultati sperimentali.

La logica di regolazione invernale, differente da quella estiva, gestisce la produzione di acqua calda da campo solare, il funzionamento della caldaia integrativa, l’inversione tra il funziona-mento con caldaia e quello con puffer e, infine i terminali installati a servizio dei vari ambienti.

L’energia termica immagazzinata nel serbato-io e fornita dal campo solare è considerata “pre-giata” ed è per questo motivo che si preferisce far intervenire la caldaia integrativa all’avviamento dell’impianto, per scopi quali il riscaldamento del termodotto e del contenuto d’acqua d’impianto presente all’interno dell’edificio: il mantenimento in temperatura dei vari ambienti è invece garanti-to utilizzando l’energia termica immagazzinata e prodotta gratuitamente con il sole.

Il meccanismo di caricamento del puffer mediante il campo solare è completamente indi-pendente dall’orario di occupazione dell’edificio ma dipende soltanto dalla condizione di illumi-namento esterno, dalla temperatura dell’acqua in uscita dal campo solare (TE01) e dalla tempe-ratura dell’acqua presente all’interno dell’accu-mulo caldo (TE07).

grafiche personalizzate, tutte le informazioni pro-venienti dagli elementi in campo (sonde tempera-ture ambiente, sonda temperatura esterna, sonda luminosità esterna, sonda umidità esterna, son-de temperature ad immersione sui vari rami d’im-pianto, misuratori assorbimento elettrico apparec-chiature, contatermie, etc.). Un controllore di tipo industriale (PC Einstein II della Emerson), installato

Figura 8 e 9 – Pagina grafica centrale sinistra (in alto) e destra (in basso). Dalla home page si accede alle altre pagine grafiche relative al funzionamento invernale dell’impianto o al funzionamento estivo.

Figura 7 – Pagina grafica Home. La figura mostra la pianta dei tre piani e le condizioni di temperatura e di set point impostate nei vari ambienti serviti dall’impianto

Sistema di supervisione e gestione BMS

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La carica del puffer viene effettuata, avvian-do le P02, solo quando si ha un illuminamento maggiore o uguale a 1050 lux (in queste condi-zioni vengono avviate le P01) e la TE01 è tale da poter riscaldare l’accumulo (TE01-TE07 ≥ 3,5°C) (Figura 10).

Per meglio sfruttare l’energia resa disponibi-le dal sole durante le ore a maggiore insolazio-ne, quando la temperatura dell’acqua prodotta dal campo solare (TE01) supera gli 81°C, viene attivata anche la seconda elettropompa P02 aumentando così la potenza scambiata; viene inoltre attivata anche la seconda elettropompa P01 quando la TE01 supera i 91°C: in tale confi-gurazione la potenza scambiata aumenta con conseguente ovvia diminuzione della TE01. Per evitare un eccessivo abbassamento della TE01, le elettropompe P01B e P02B verranno disatti-vate rispettivamente quando TE01 ≤ 89°C TE01 e quando TE01 ≤ 79°C. La P01 modula in modo tale da mantenere TE01 ≥ 30°C per ottenere una temperatura utilizzabile anche quando si ha una bassa irradianza solare, riducendo la portata d’acqua che attraversa il campo solare.

Il dry cooler entra in funzione quando la temperatura dell’accumulo TE07 è maggiore di 95°C: tale meccanismo di attivazione prevede la commutazione della valvola V01 e lo spegni-mento dell’elettropompa P02 per evitare di sca-ricare il serbatoio nel periodo di funzionamen-to del dry-cooler. Quando la TE07 scende al di sotto dei 90°C, il dry cooler smette di funzionare per consentire una nuova fase di carica del puf-fer, previa chiusura della valvola V01 e accensio-ne dell’elettropompa P02.

Per motivi di sicurezza del circuito primario, se durante il funzionamento ordinario la tempe-ratura TE02 in ingresso alle elettropompe P01 dovesse comunque superare i 96°C, ad esem-pio per malfunzionamento delle pompe P02, il drycooler verrebbe comunque avviato e la val-vola commutata.

Tramite il puffer vengono esclusivamente alimentati i pannelli radianti a pavimento a bas-sa temperatura (40°C) con lo scopo di utilizzarli per il mantenimento in temperatura dell’edificio: durante le fasi di avviamento dell’impianto, quando è necessario riscaldare il termodotto, la caldaia integrativa avrà il consenso per partire e gli ambienti verranno riscaldati mediante i fan-coil. Questa soluzione consente di ridurre il tem-po di raggiungimento delle temperature di set dei vari ambienti, essendo i fancoil dei terminali d’impianto a più bassa inerzia rispetto ai pannelli radianti a pavimento anche perché alimentati a più alta temperatura.

La caldaia entra in funzione, previa atti-vazione del circolatore P04, quando la tempe-ratura dell’accumulo (TE07) è minore o uguale a 39°C e la temperatura di mandata al termo-dotto (TE20) è minore o uguale a 54°C mentre

V04 e V03 vengono aperte; l’ac-qua calda resa disponibile dal ser-batoio viene inviata tramite il ter-modotto al circuito dei pannelli radianti a pavimento. Tramite la valvola miscelatrice V02, l’acqua in uscita dal puffer viene miscelata con l’acqua di ritorno dall’impian-to, al fine di alimentare in modo opportuno i pannelli radianti a pa-vimento, assicurando che la tem-peratura in mandata al termodot-to (TE22) sia pari a 45°C (Figura 12).

si disattiva quando sia l’accumulo che il termo-dotto sono in temperatura (TE07 ≥ 40°C e TE20 ≥ 56°C) o quando l’acqua prodotta dalla caldaia ha una temperatura (TE11A) maggiore o uguale a 93°C (Figura 11).

La caldaia integrativa opera in modo tale che sia verificata la condizione 54°C≤TE20≤56°C. L’acqua prodotta dalla caldaia integrativa vie-ne fornita ai fan coil i quali partono solo se TE20≥41°C. Quando la TE20 ≤ 39°C non ver-rà dato il consenso alla partenza dei fancoil. Quando TE07 ≥ 40°C, viene effettuata la com-mutazione da caldaia a puffer e le valvole V06,

Figura 11 – Stralcio schema funzionale. Caldaia di integrazione e circolatori annessi

Figura 10 – Stralcio schema funzionale. Campo solare, dry-cooler e serbatoio accumulo

Figura 12 – Stralcio schema funzionale. Serbatoio di accumulo e valvola miscelatrice V02

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Durante la prima commutazione da caldaia a puffer viene effettuato, dopo la verifica della condizione TE07 ≥ 40°C, un ulteriore controllo sulle temperature di ritorno dal termodotto TE19 e di ritorno del circuito dei pannelli radianti TE24. Lo scopo è quello di non abbattere la temperatura all’interno del puffer con l’acqua fredda presente nei circuiti d’impianto e nel termodotto stesso.

La prima commutazione da caldaia a puffer viene effettuata se TE19 ≥ 27°C e TE07 (accumulo) + TE24 (ritorno pannelli radianti) = 70°C (Tabella 1).

L’acqua calda prelevata dal puffer alimenta il cir-cuito dei pannelli radianti a pavimento attraverso la pompa P1P la cui accensione e spegnimento avviene in base alle temperature rilevate in ciascun ambien-te facente parte del piano terra e del piano primo. È possibile impostare le temperature desiderate nei vari ambienti: di seguito si riportano i valori di set utilizzati durante il periodo di monitoraggio invernale.

Il piano terra e il piano primo richiedono riscalda-mento se almeno uno degli ambienti ha una tempe-ratura inferiore o uguale a 18°C, mentre tale richiesta cessa se tutti gli ambienti hanno una temperatura maggiore o uguale di 20°C. La temperatura in man-data al circuito pannelli radianti è regolata dall’elettro-valvola miscelatrice installata in aspirazione alla P1P: l’elettrovalvola modula con l’obiettivo di garantire una temperatura di mandata circuito pannelli radian-ti (TE23) pari a 40°C. Nel funzionamento con caldaia integrativa e quindi con fan coil, il piano interrato ne-cessita di riscaldamento se ha una temperatura mino-re o uguale a 14°C, fino ad una temperatura maggiore o uguale a 16°C. Il piano terra e il piano primo vengo-no esclusi in funzione della temperatura media degli ambienti facente parte dei rispettivi piani: gli ambien-ti sono riscaldati se la media è minore o uguale a 18°C mentre l’impianto va in off quando la media raggiun-ge i 20°C. L’elettropompa P1F andrà in off quando tut-ti gli ambienti sono soddisfatti in temperatura oppure quando la TE20 ≤ 39°C (Figura 13).

L’analisi dei dati sperimentali permette di valutare le prestazioni dell’impianto in modali-tà heating determinando in che percentuale la produzione di energia realizzata dal campo so-lare soddisfi il fabbisogno energetico dell’inte-ro edificio. Le grandezze indagate riguardano la produzione di acqua calda utilizzata per il riscal-damento invernale degli ambienti, e quindi la parte d’impianto costituita dall’accumulo caldo, dal campo solare, dalla caldaia integrativa e dai rispettivi scambiatori di calore.

Il flusso energetico destinato all’edificio se-gue un diverso iter, indagabile attraverso i con-tatermie installati (Tabella 2), a seconda se inter-viene la caldaia integrativa o il campo solare. In questo ultimo caso, l’energia prodotta dal cam-po solare dipende ovviamente dall’irradianza

RISULTATI DEL MONITORAGGIO•Periodo del monitoraggio dell’impianto: 09 febbraio-15 aprile 2012;•dal 09 febbraio al 17 febbraio 2012: funzionamento dell’impianto in modo conti-

nuo (24 ore);•dal 19 febbraio al 15 aprile 2012: funzionamento dell’impianto a intermittenza (ore

7.00-17.00);•nei giorni 10 e 11 febbraio 2012 si sono verificate copiose precipitazioni nevose che

hanno compromesso il funzionamento dei collettori solari poiché ricoperti total-mente da una spessa coltre di neve.

Figura 13 – Stralcio schema funzionale. Sottocentrale e circuito fancoil e pannelli radianti a pavimento

Tabella1 – La prima commutazione da caldaia a puffer

Figura 14 – Schema produzione e fornitura energia a partire dai collettori solari

LegendaMonth/Day Istante di acquisizione

FE01 Energia prodotta dal campo solare [kWh]

FE02 Energia scambiata dal campo solare con l’accumulo [kWh]

FE03 Energia prodotta dalla caldaia integrativa [kWh]

FE07 Energia inviata all’edificio attraverso il termodotto [kWh]

Tabella 2 – Codici identificativi contatermie installati

Temperatura puffer (TE07)

Temperatura accettata sul ritorno circuito pannelli radianti per inversione su puffer (TE24)

40°C 30°C

45°C 25°C

50°C 20°C

55°C 15°C

Legge lineare: TE07 + TE24 = 70°C

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solare incidente sui pannelli mentre quella ef-fettivamente utilizzata per caricare l’accumu-lo dipende dall’attivazione del dry cooler e dal-lo scambio termico che avviene attraverso lo scambiatore a piastre interposto tra il circuito so-lare ed il puffer (Figura 14). I dati energetici misu-rati attraverso i contatermie, vengono forniti dal BMS con cadenza oraria, giornaliera e mensile.

L’energia prodotta dal campo solare è conse-guenza diretta delle condizioni metereologiche, dei dati climatici, del periodo dell’anno e dei dati geografici della località in cui l’impianto è ubica-to (Tabella 3).

La radiazione solare incidente sul piano dei collettori, inclinati di 38° rispetto al piano oriz-zontale, è stata calcolata a partire dai dati spe-rimentali di irradianza solare globale orizzontale e diffusa orizzontale (W/m²) rilevati da una sta-zione meteo (Figura 15) installata sulla copertura dell’edificio F-92 (Responsabile stazione meteo: Unità Tecnica Fonti Rinnovabili – Laboratorio Progettazione Componenti ed Impianti).

I valori della temperatura dell’aria esterna (Figura 16) vengono acquisiti dal sistema BMS ogni dieci minuti a partire dai rilevamenti effet-tuati da una sonda di temperatura da esterno in-stallata in campo.

Produzione solareIn Figura 17 è riportato il layout d’impianto

ponendo in evidenza i contatermie installati.Nei mesi monitorati, le condizioni meteo e

termoigrometriche esterne variano all’interno del periodo di monitoraggio, determinando una diversa radiazione solare incidente sui collettori. A marzo la radiazione solare incidente sui collet-tori totalizzata è stata maggiore rispetto agli altri mesi (10.917 kWh) a causa sia di un numero mag-giore di giorni di monitoraggio (31 giorni contro i 21 giorni di febbraio ed i 15 giorni di aprile) e sia della maggiore temperatura media mensile dell’aria esterna (circa 12°C), maggiore di quella del mese di febbraio (6°C) e molto vicina a quella di aprile. Inoltre, per l’80% circa della sua durata, il mese di marzo è stato interessato dalla presen-za di cielo sereno, mentre a febbraio (Radiazione solare incidente sui collettori pari a 5.703 kWh) tale percentuale diminuisce (67% circa) a causa della presenza di precipitazioni nevose (10 e 11 febbraio 2012) e piovose accompagnate da una nuvolosità sparsa alternata a schiarite. Per tenere conto dell’effetto della neve circostante ai pan-nelli solari, nel calcolo della radiazione solare

collettori solari a causa delle per-dite ottiche e termiche sui pannel-li, dell’andamento della irradianza solare (A), della dissipazione ener-getica realizzata dal dry cooler (B), della temperatura in uscita campo solare inferiore a quella dell’acqua all’interno dell’accumulo (D2a), dell’efficienza di scambio termico dello scambiatore a piastre SC01

incidente su di essi è stato necessario utilizzare il coefficiente di riflessione specifico per la neve nei giorni compresi tra il 13 febbraio e il 16 feb-braio 2012 (ρ = 0,75 contro ρ = 0,22 utilizzato nel resto del periodo di monitoraggio). La radiazio-ne solare incidente sui collettori totalizzata nel mese di aprile (3.825 kWh) è riferita ai soli primi quindici giorni del mese (Figura 18).

Il serbatoio d’accumulo riceverà sempre un’energia minore di quella incidente sui

Figura 15 – Stazione di acquisizione dati solari e stazione meteo (Utrinn-Pci)

Figura 16 – Temperatura giornaliera aria esterna durante l’intero periodo di monitoraggio

Figura 17 – Schema semplificato impianto in modalità solar heating situato presso il CR Enea Casaccia (Roma), con dettaglio contatermie

Latitudine 42°03' N

Longitudine 12°18' Est

Zona Climatica D

Accensione Impianti Termici

12 ore giornaliere dal 1 novembre al 15 aprile

Tabella 3 – Dati climatici e geografici della località di Casaccia

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(D2b). L’irradianza solare (W/m²) incidente sui collettori è rappresentata da una curva sinusoi-dale quando si riferisce a condizioni di cielo sere-no mentre ha un andamento irregolare nel caso di alternanza di nubi. Un andamento dell’irra-dianza di tipo irregolare si ripercuote sulla pro-duzione di energia realizzata dal campo solare influenzando negativamente l’efficienza dei col-lettori. Nel mese di febbraio (9-29) l’irradianza so-lare globale orizzontale ha avuto un andamento sinusoidale per la maggior parte del tempo per poi peggiorare decisamente in quasi tutti i giorni del mese di aprile (1-15) in cui presenta infatti un andamento decisamente irregolare. Il mese di marzo rappresenta un caso intermedio tra quel-lo di febbraio e di aprile. Di conseguenza l’effi-cienza dei collettori solari è maggiore a febbraio per poi diminuire a marzo ed ulteriormente ad aprile: infatti, anche a fronte di una radiazione in-cidente minore, il mese di febbraio ha avuto l’a-liquota maggiore di energia prodotta dal cam-po solare rispetto a quella incidente sui collettori (61%), superiore rispetto a marzo (45%) e ad apri-le (37%).

Nella Figura 19 si riporta l’energia effettiva-mente fornita dal campo solare per il riscalda-mento dell’edificio, depurata dalle perdite sopra descritte (A+B = D1 e D2a+D2b = D2) e conside-rando che l’energia termica scambiata tra il cir-cuito primario solare e l’accumulo differisce da quella effettivamente utilizzata (kWh utili solari) per il parziale soddisfacimento del fabbisogno energetico dell’edificio (calore accumulato ma non utilizzato: D3).

La restante aliquota del fabbisogno energe-tico dell’edificio è soddisfatta ovviamente dalla caldaia integrativa che viene caratterizzata dalla misurazione della temperatura dell’acqua in in-gresso ed in uscita dalla stessa e attraverso il con-tatermie FE03.

Il fabbisogno energetico dell’edificio viene monitorato attraverso il contatermie FE07 po-sto sulla mandata del termodotto. I dati acquisiti dal BMS vengono rielaborati in grafici e tabelle (Figura 20) al fine di mostrare i diversi contribu-ti energetici del campo solare (kWh utili) e della caldaia integrativa (FE03) per il soddisfacimento del fabbisogno energetico dell’edificio (FE07).

Il fabbisogno dell’edificioIl fabbisogno energetico dell’edificio nel mese

di febbraio è maggiore rispetto agli altri mesi in quanto esso è stato caratterizzato da condizioni metereologiche più severe, tali da determinare una temperatura dell’aria esterna media mensi-le di circa 6°C, con temperature sempre inferiori a 20°C durante tutto l’arco della giornata. I risulta-ti ottenuti per il mese di febbraio mostrano come il funzionamento della caldaia ha contribuito con una maggiore percentuale (63%) al soddisfaci-mento del fabbisogno energetico dell’edificio,

Figura 18 – Radiazione solare incidente, Energia prodotta dal Campo Solare ed Energia dissipata dal Dry Cooler

Figura 21 – Frazione solare impianto di solar heating C.R. ENEA di Casaccia

Figura 19 – Diagramma del Flusso energetico di tutto il periodo di monitoraggio

Figura 20 – Contributi energetici della caldaia integrativa e del campo solare al fabbisogno energetico dell’edificio

66 #16

rispetto a quanto fornito dal campo solare (37%), sia per le avverse condizioni meteo riscontrate e sia per alcune inefficienze legate al sistema di re-golazione, essendo ancora vigente una logica di regolazione antecedente a quella attualmente impostata, quest’ultima più raffinata ed efficiente.

Nel mese di marzo, in seguito ad una mag-gior presenza di sole, all’aumento della tempera-tura dell’aria esterna e all’implementazione della nuova logica di regolazione (22 marzo 2012), si è verificata una minor richiesta di energia da par-te dell’edificio rispetto al mese precedente, per il raggiungimento dei setpoint ambiente; l’ener-gia è stata fornita all’edificio per l’81% dal cam-po solare.

Riepilogando il comportamento dell’impian-to di solar heating durante l’intero periodo di monitoraggio, si può calcolare la frazione so-lare dell’energia termica necessaria per il ri-scaldamento dell’edificio (Figura 21):

L’obiettivo finale del funzionamento dell’im-pianto di solar heating è il raggiungimento dei valori di setpoint di temperatura impostati nei vari ambienti dell’edificio e il mantenimento de-gli stessi all’interno di un range prefissato, tale da garantire le condizioni termoigrometriche di comfort. Tali temperature vengono acquisite ogni dieci minuti dal BMS ma, a causa della gran-de mole di dati, di seguito vengono riportate le sole medie giornaliere (Figura 22). Dal grafico si nota la presenza di un minimo in corrisponden-za del 21 febbraio 2012 (52° giorno monitorato) causato da un fermo impianto, necessario per un intervento di manutenzione.

È inoltre evidente che l’andamento delle temperature ambiente dipende dai setpoint fis-sati lungo tutto il periodo di monitoraggio: du-rante il funzionamento di tipo continuo (24 ore, 9 febbraio-17 febbraio 2012) il setpoint ambiente era fissato a Tmin = 19°C e Tmax = 21°C mentre in funzionamento intermittente (ore 7:00-17:00, 19 febbraio-15 aprile 2012) è stato impostato Tmin = 18°C e Tmax = 20°C.

I dati sperimentali riportati in Figura 23 mo-strano che il campo solare, nonostante le avver-se condizioni meteo, unitamente ad una bassa temperatura dell’aria esterna, è in grado di pro-durre comunque acqua ad una temperatura tale da poter caricare l’accumulo e riscaldare l’edifi-cio. Ad esempio, il 15 febbraio 2012 la temperatu-ra dell’aria esterna ha raggiunto nelle prime ore del mattino valori molto bassi, anche minori di 0°C, determinando una temperatura media gior-naliera di soli 4°C. Inoltre, benché il 15 febbraio 2012 è stato caratterizzato dalla presenza di nu-vole per circa i due terzi delle ore di luce, il cam-po solare ha prodotto sempre acqua al di sopra di 40°C, valore di setpoint del puffer, limitando al minimo l’intervento della caldaia integrativa.

È interessante mostrare l’andamento della temperatura degli ambienti in funzione del

a pannelli radianti a pavimento. In queste condizioni si andava ad immettere l’acqua di riempimen-to del termodotto e del circuito pannelli radianti a pavimento, fino a quel momento ferma nelle tu-bazioni e quindi a bassa tempera-tura, all’interno del puffer raffred-dandolo drasticamente.

In tale situazione l’accumulo si scaricava continuamente richie-dendo di conseguenza ripetuti interventi della caldaia di integra-zione in attesa che lo stesso fosse riportato in temperatura dal cam-po solare (Figura 24).

A differenza di quanto pre-cedentemente affermato, il 29

generatore (caldaia integrativa o campo solare) che alimenta i circuiti terminali, in base a quan-to previsto dalla logica di regolazione vigente. Viene riportato l’andamento della temperatura dell’aula 1 (TA02), situata al piano terra dell’edifi-cio, nei giorni 23 febbraio e 29 marzo 2012 ricor-dando che la logica di regolazione definitiva è stata implementata il 22 marzo 2012. Il 23 febbra-io, all’avviamento, l’aula 1 si trova inizialmente ad una temperatura inferiore a 18°C per poi arrivare in temperatura grazie all’intervento della caldaia integrativa.

Come stabilito dalla vecchia logica di regola-zione, se l’acqua nel puffer (TE07) superava i 40°C e c’era richiesta di riscaldamento da parte dei ter-mostati ambientali, si comandava in off la calda-ia deviando il circuito riscaldamento sul puffer, dando il consenso all’avviamento dell’impianto

Figura 23 – Prestazioni Campo solare relazionate alle condizioni esterne (irradianza e temperatura). 15 Febbraio 2012

Figura 22 – Temperature di ciascun ambiente costituente l’edificio (ore 6:00 – ore 18:00)

67#16

marzo, giorno simile al 23 febbra-io in termini di condizioni esterne, l’impianto veniva gestito secon-do una logica di regolazione ag-giornata che è quella attualmente vigente. All’avviamento dell’im-pianto, la temperatura dell’aula 1 (TA02) ha un valore di circa 18°C e raggiunge il valore di setpoint me-diante l’utilizzo della caldaia che interviene per i primi dieci minu-ti di funzionamento dell’impian-to, preservando l’energia termica

L’esempio riportato sottolinea quanto sia importante la logica di regolazione per questo tipo di impianti, strumento in grado di assicurare il massimo sfruttamento della fonte energetica rinnovabile che, per sua natura, ha una disponi-bilità di tipo variabile.

CONCLUSIONIL’impianto di solar heating e cooling descrit-

to ha sempre garantito durante il periodo di mo-nitoraggio, sia invernale che estivo (che sarà oggetto di prossima pubblicazione), il mante-nimento delle condizioni di comfort termoigro-metrico all’interno degli ambienti dell’edificio servito, dove le temperature interne sono sta-te mantenute all’interno dei range stabiliti gra-zie alla logica di regolazione. È stato riscontrato un sostanziale risparmio in termini di consumi di energia primaria di natura fossile, grazie allo sfruttamento della radiazione solare: durante il funzionamento invernale il sole ha coperto il 56% dei consumi per il riscaldamento degli am-bienti. Mentre, in termini di combustibile, l’utiliz-zo dell’impianto per il riscaldamento invernale dell’edificio F-92 ha permesso di risparmiare 574 Nm³ di gas metano.

È stata programmata una nuova campagna sperimentale in modalità heating che prevede la sostituzione dell’attuale serbatoio di accumulo caldo con un serbatoio a cambiamento di fase: a differenza degli accumuli sensibili, gli accumuli contenenti PCM (Phase Change Materials), du-rante il cambiamento di fase, assorbono e rila-sciano calore ad una temperatura pressoché co-stante, immagazzinando, a parità di temperatura, fino a 14 volte più calore rispetto a quelli sensibili (ovviamente maggiore sarà il calore latente di fu-sione maggiore sarà il calore immagazzinato a temperatura costante). Questa innovazione tec-nologica dovrebbe assicurare un maggiore sfruttamento della fonte rinnovabile anche du-rante i periodi di bassa irradianza. n

1 Nicolandrea Calabrese, ENEA (Agenzia naziona-le per le nuove tecnologie, l’energia e lo svilup-po economico sostenibile)

2 Michel Bruni, Università Roma TRE3 Alessandro Veronesi, Emerson Climate4 Paola Rovella, Università della Calabria

Per approfondimento: www.climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it

accumulata nel puffer e scaldando l’acqua di ri-empimento dei circuiti idraulici. La caldaia si spe-gne per poi non accendersi più per il resto della giornata (Figura 25) e l’energia termica necessa-ria al mantenimento dell’ambiente in tempera-tura è fornita dal puffer alimentato termicamen-te dal solo campo solare.

La nuova logica di regolazione garantisce il raggiungimento delle temperature ambiente senza continui pendolamenti tra i due sistemi di generazione dell’energia termica (caldaia inte-grativa o campo solare) evitando quindi un con-sumo ingiustificato di combustibile fossile.

BiBliografia1. Kloben, Tecnologia sottovuoto2. Mario A. Cucumo, Dimitrios Kaliakatsos, Valerio

Marinelli, Energetica Pitagora, 200

Figura 25 – Soddisfacimento della temperatura ambiente TA02 durante l’arco della giornata del 29 Marzo 2012

Figura 24 – Soddisfacimento della temperatura ambiente TA02 durante l’arco della giornata del 23 Febbraio 2012

La rivista PEr i ProfEssionisti DEGLi iMPianti HvaC&r

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POSTE ITALIANE SPA – POSTA TArgET mAgAzINE - LO/CONV/020/2010.

riscaldamentoriscaldamento

riscaldamentocondizionamento

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energia

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ambienteambiente

ambiente

ambiente#17ISSN:2038-2723

centrali frigorifere frEE-COOLINg

ANNO 3 - novembre/dicembre 2012

EUrO15

PoSition PaPer aicarr SUlla Sanitàrefrigeranti Sintetici e natUrali, PRESTAZIONI A CONFRONTOcliMatiZZaZione SoSteniBile, L’IMPORTANZA DEL FREE-COOLINGF-GAS, nUoVo regolaMento Dall’UeCASE STUDY Portata VariaBile al circUito PriMarioScaMBiatori alettati con BaSSa carica Di refrigeranteraffreDDaMento eVaPoratiVo

#17

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meno intuitivo anche se molto più affascinante. Se poi si riflette circa la coincidenza della massima di-sponibilità di energia solare con la massima richiesta di energia frigo-rifera, allora questa nuova tecnolo-gia (solar cooling) non può che ri-tenersi vincente (Figura 1).

abbinato a pannelli radianti e fan coil, prestazio-ni invernali” pubblicato sull’Aicarr Journal n.16 (Ottobre 2012).

Utilizzare l’energia solare ai fini del riscalda-mento degli ambienti è qualcosa di innovativo, anche se semplice dal punto di vista intuitivo. Condizionare gli stessi ambienti, sempre me-diante l’utilizzo dell’energia solare, è qualcosa di

L’impianto di solar heating and cooling presen-te all’interno del Centro Ricerche ENEA di Casaccia è stato realizzato allo scopo di ri-

scaldare durante il periodo invernale e di condi-zionare durante il periodo estivo l’Edificio F-92 che ospita al suo interno la “Scuola delle Energie”, di superficie complessiva pari a Stot = 230 [m²]. Le prestazioni invernali di tale impianto sono state riassunte nell’articolo “Solar heating and cooling

Il sistema è al servizio dell’edificio F-92 del C.R. ENEA-Casaccia (Roma)

L’utilizzo dell’impianto ha permesso di risparmiare, in termini di energia elettrica necessaria per alimentare un gruppo frigo a compressione, 2.677 kWhel e il sole ha coperto il 66% dell’energia termica necessaria per alimentare il gruppo frigo ad assorbimento

di Nicolandrea Calabrese1 e Sacha Ottone2

Solar heating and cooling abbinato a pannelli radianti e fan coil, prestazioni estive

Sistemi di generazione

#17 47

Solar heating and coolingAt the F-92 building of the ENEA Casaccia’s Research Centre (in Rome) there’s a solar heating and cooling system dedicated to meet the energy needs of the entire building for the periods of winter heating and summer cooling. The monitoring of the system was conducted from 1st June 2012 to 15 September 2012. The results showed that, during summer operation, the sun covered the 66% of the thermal energy required to power the refrigerator unit absorption; while, in terms of electricity needed to power a compression refrigerator unit, were saved 2677 kWhel.

Keywords: solar cooling, summer operations

massima richiesta di condizionamento. L’uso dell’energia solare per produrre il fred-

do diventa quindi un’opportunità vantaggiosa, come dimostrato dai numerosi progetti pilota realizzati anche in altri paesi europei, soprattut-to in Germania e Spagna. I sistemi di climatizza-zione ad energia solare possiedono l’indubbio vantaggio di utilizzare fluidi di lavoro innocui, come l’acqua o le soluzioni saline. Sono rispetto-si dell’ambiente, rispondono a criteri di efficienza energetica e possono essere usati, da soli o inte-grati ai sistemi di condizionamento tradiziona-li, per migliorare la qualità dell’aria all’interno di qualsiasi tipo di edificio. Il loro principale obietti-vo è quello di utilizzare tecnologie ad “emissione zero” per ridurre i consumi di energia e le emis-sioni di CO2.

Il principio generale di questi sistemi di cli-matizzazione è la produzione di freddo a partire da una sorgente di calore. In sintesi si riassume la produzione sono riassunti in tre passaggi:

• la sorgente di calore “sole” irraggia energia che viene assorbita dai collettori solari;

• la produzione di freddo avviene per mezzo di macchine frigorifere che vengono alimentate con l’acqua calda prodotta dai collettori solari;

• il fluido freddo termovettore, acqua o aria a se-conda del tipo di macchina, viene impiegato ai fini del condizionamento degli ambienti.

I sistemi che convertono un apporto termi-co in un output frigorifero si possono classifi-care principalmente in due tipologie: sistemi a ciclo aperto e sistemi a ciclo chiuso. I sistemi ba-sati su un ciclo aperto utilizzano l’acqua in raf-freddamento per il trattamento diretto dell’aria; per questo è sempre richiesta una rete di di-stribuzione del freddo basata su un sistema di ventilazione.

I sistemi chiusi, invece, sono costituiti da macchine frigorifere alimentate da vettori termi-ci, acqua calda o vapore, che producono acqua refrigerata; il fluido termovettore può essere im-piegato direttamente nelle unità di trattamento degli impianti di condizionamento ad aria (raf-freddamento o deumidificazione nelle batte-rie dell’impianto) o distribuito attraverso una rete di tubazioni ai terminali di condizionamen-to decentralizzati nei vari locali da climatizzare. Possono essere utilizzati con qualsiasi tecnologia di distribuzione del freddo (sistemi di ventilazio-ne, fancoils, superfici radianti).

In questo segmento del mercato esistono due tipologie di macchine frigorifere:

• ad assorbimento, le quali coprono circa l’80% del mercato;

• ad adsorbimento, con poche centinaia di appli-cazioni al mondo ma con crescente interesse per le applicazioni alimentate ad energia solare.

potenza elettrica richiesto nella stagione estiva che, in numerosi casi, raggiunge la capacità limi-te delle reti. L’emissione di gas ad effetto serra, che cresce con la produzione di energia da fonti fossili e con l’utilizzo di fluidi refrigeranti climalte-ranti, aggrava ulteriormente il processo a catena che è la causa dei cambiamenti.

Tale situazione è altresì confermata dall’e-spansione del mercato dei condizionatori: in meno di dieci anni le unità in commercio si sono più che quintuplicate. In tale situazione, diventa-no interessanti nuovi concetti di edifici che mira-no, da una parte, alla riduzione dei carichi di raf-frescamento tramite misure passive e innovative e, dall’altra, all’utilizzo di soluzioni alternative per coprire la restante domanda di raffrescamento.

Impianti ad energia solare, funzionamento e vantaggi

L’impiego di impianti di condizionamento alternativi a quelli tradizionali è rappresentato, principalmente, dagli impianti ad energia sola-re che garantiscono ridotti consumi elettrici e che sono in grado di sfruttare l’energia solare ampiamente disponibile proprio nel periodo di

Raffrescamento, domanda in crescita

Questa tecnologia ha de-stato l’interesse di molti pae-si, tanto da far istituire in ambi-to IEA (The International Energy Agency) fin dal 2006 una linea di ricerca dedicata (Task 38 “Solar Air-Conditioning and Refrigeration”).

La forte crescita della doman-da di raffrescamento e di aria con-dizionata negli edifici, di cui è pre-visto un continuo aumento nei prossimi decenni, ha fatto rileva-re un elevato consumo di elettrici-tà durante il periodo estivo: infatti fino ad oggi per il raffrescamento estivo si sono prevalentemente utilizzati impianti di condiziona-mento con macchine frigorifere a compressione il cui compresso-re è trascinato meccanicamente da un motore che assorbe energia elettrica; questa è la causa prin-cipale dell’aumento del picco di

Figura 1 – Andamento richiesta energia frigorifera e disponibilità irradianza solare Fonte: “Solar Heating and Cooling of Buildings – Guidelines”, Marco Beccali, Pietro Finocchiaro, Bettina Nocke

48 #17

la FacilitY di ProVaDurante il funzionamento estivo, oltre alle apparecchiature previste per il fun-zionamento invernale (campo solare a tubi evacuati, serbatoio accumulo caldo, dissipatore d’emergenza, caldaia di integrazione, fancoil, pannelli radianti a

pavimento), è necessaria l’introduzione di un gruppo frigo ad assorbimento ac-qua-bromuro di litio, di una torre evaporativa, di un serbatoio di accumulo per l’acqua refrigerata (capacità 1000 litri) e dei relativi gruppi di circolazione.

GRUPPO FRIGO AD ASSORBIMENTOACQUA-BROMURO DI LITIOPotenza frigorifera = 18 [kWf];Potenza termica ingresso = 25 [kWt];Acqua refrigerata: Tin = 12 [°C], Tout = 7 [°C];Portata nominale = 0,77 [l/s];Potenza dissipata = 42 [kW];Pressione massima di lavoro = 588 [kPa];Potenza elettrica assorbita = 48 [W].

TORRE EVAPORATIVAPotenzialità = 43 [kW];(Tbu = 25,6 [°C]; TH2O in = 35 [°C]; TH2O out = 30 [°C])Portata aria = 7.500,0 [m3/h];Portata acqua = 7.400,0 [l/h];Perdite di carico lato acqua = 30 [kPa].

Figura 4 – Schema impianto in modalità solar cooling. Quando l’energia fornita dal campo solare è insufficiente o la temperatura dell’accumulo caldo è inferiore a 80°C viene attivata la caldaia integrativa. In modo analogo al periodo invernale, quando la temperatura dell’acqua all’interno del serbatoio di accumulo caldo supera il valore di setpoint prefissato (TE07 ≥ 95°C), l’energia termica fornita in eccesso dal campo solare viene dissipata attraverso il medesimo dry cooler

Figura 3 – Impianto solar cooling con caldaia d’integrazione e sistemi d’accumulo per acqua calda e acqua refrigerata. Schema idraulico indicativo. L’acqua refrigerata prodotta viene stoccata all’interno di un serbatoio della capacità C = 1.000 litri e, tramite una rete di tubazioni interrate, alimenta la sottocentrale di edificio: a seconda delle condizioni termoigrometriche presenti nei vari ambienti serviti, l’acqua refrigerata viene mandata o al circuito pannelli radianti a pavimento o al circuito fan coil a cassetta, attivando i rispettivi gruppi di pompaggio Fonte: SYSTEMA S.P.A.: Gruppo frigo e torre evaporativa monoblocco

Figura 2 – Caratteristiche delle apparecchiature principali nel funzionamento estivo dell’impianto. L’acqua calda prodotta dai pannelli solari viene stoccata nel serbatoio di accumulo caldo da cui si alimenta in modo opportuno l’assorbitore che garantisce la potenza frigorifera necessaria per climatizzare l’intero edificio

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L’impianto analizzato è della tipologia a “ciclo chiuso” ed utilizza una macchina fri-gorifera ad assorbimento: i risultati presenta-ti si riferiscono alla campagna sperimentale estiva condotta dal 01 Giugno 2012 fino al 15 Settembre 2012.

Gruppo frigo ad assorbimento acqua-bromuro di litio

Il gruppo frigo ad assorbimento utilizza-to (Yazaki mod. WFC-SC 5) è una macchina a singolo effetto ad azionamento termico che adotta come fluido di lavoro una soluzione di acqua e bromuro di litio. L’acqua opera quale refrigerante mentre il bromuro di litio, un sale stabile con alta affinità con il vapor d’acqua, agisce da assorbente. La modalità di funzionamento del gruppo frigo è riassunta in Figura 5.

L’acqua calda prodotta dal campo solare (circa 88°C) alimenta il generatore del grup-po frigo ad assorbimento, portando all’ebol-lizione la soluzione di acqua e bromuro di li-tio. L’ebollizione libera vapor d'acqua che fluisce nel condensatore dove, cedendo il calore di condensazione all’acqua del circu-ito di raffreddamento, torna allo stato liquido (Figura 6).

Funzionamento dell'assorbitoreL’acqua proveniente dal condensato-

re, trovando all’interno dell’evaporatore una pressione assai più bassa (8 millibar contro gli 88 millibar del generatore e del condensato-re), subisce un cambiamento di stato (vapo-rizza) assorbendo il calore evaporando sulla superficie dello scambiatore dell’acqua da re-frigerare, proveniente dai circuiti di climatiz-zazione dell’edificio, riducendo così la tem-peratura dell’acqua da 12°C a 7°C.

Il vapor d’acqua viene infine assorbito dalla soluzione concentrata acqua-bromuro di litio presente nell’assorbitore. La soluzio-ne diluita, attraverso una pompa, viene reim-messa nel generatore pronta per poter ripe-tere il ciclo (Figura 7).

Per ridurre l’ammontare del calore da for-nire al sistema, all’interno del gruppo frigo è presente uno scambiatore di calore a flussi incrociati che innalza la temperatura della so-luzione diluita che entra nel generatore e ri-duce la temperatura della soluzione concen-trata che entra nell’assorbitore, con aumento delle capacità assorbenti. In Figura 8 si riporta il bilancio termico dell’assorbitore installato a servizio dell’impianto di solar cooling.

Funzionamento dell’impianto Quando ci si trova all’interno della fascia

oraria di occupazione dell’edificio, viene av-viata l’elettropompa P07 e si verifica se la

Figura 8 – Bilancio termico dell’assorbitore acqua-bromuro di litio Fonte: Documentazione Tecnica Maya – Yazaki WSC – SC 5

Figura 7 – Ciclo di funzionamento assorbitore. Dettaglio EVAPORATORE-ASSORBITORE Fonte: Documentazione Tecnica Maya – Yazaki WSC – SC 5

Figura 6 – Ciclo di funzionamento assorbitore. Dettaglio GENERATORE-CONDENSATORE Fonte: Documentazione Tecnica Maya – Yazaki WSC – SC 5

Figura 5 – Ciclo di funzionamento dell’assorbitore acqua-bromuro di litio Fonte: Documentazione Tecnica Maya – Yazaki WSC – SC 5

50 #17

temperatura TE18 (temperatura parte bassa accumulo freddo) è maggiore del set point impostato (Figura 9).

In caso affermativo e in assenza di anomalie o di allarmi in relazione al funzionamento delle elettropompe di circolazione e della torre evaporati-va, viene avviato il processo di produ-zione di acqua refrigerata. Se la tem-peratura dell’accumulo caldo TE07 è maggiore di 80°C, allora la produzio-ne di acqua refrigerata avviene sfrut-tando l’energia termica accumula-ta nel serbatoio solare fino a quando la temperatura TE18 raggiunge il set point, variabile in funzione della me-dia aritmetica delle temperature degli ambienti (Tabella 1).

Quando la disponibilità di acqua calda da campo solare è insufficiente (TE07<79°C), l’alimentazione dell’as-sorbitore viene effettuata attraverso la caldaia integrativa a gas metano ed in tal caso la produzione di acqua re-frigerata per ragioni di ottimizzazione viene legata anche alla reale necessi-tà di raffrescamento degli ambienti serviti.

L’elettropompa P04 entra in fun-zione quando è richiesto l’intervento della caldaia: a circolatore spento la caldaia non avrà il consenso per pas-sare in "on". Con caldaia in funzione, l’elettrovalvola V06 è chiusa andan-do a deviare il flusso a valle della P03 all’interno dello scambiatore SC02 an-ziché al serbatoio di accumulo caldo (Figura 10).

L’avviamento delle elettropompe P03 è gestito direttamente dall’assor-bitore in funzione dell’effettiva richie-sta di potenza termica al generatore. Il termostato TE11A costituisce una sicurezza per il generatore di calo-re, implementata su doppia soglia: se c’è carico (pompe P03 accese) allora il bruciatore della caldaia integrativa

Solar cooling, logica di regolazioneUn impianto di solar heating and cooling necessita di due distinte logiche di re-golazione, a seconda della modalità di funzionamento (modalità riscaldamen-to o modalità condizionamento). Oltre alla sezione dedicata alla produzione di energia termica, la logica di regolazione estiva gestisce tutte le apparecchiature in campo relative alla produzione e utilizzazione dell’acqua refrigerata (elettro-pompe, elettrovalvole, gruppo frigo ad assorbimento, etc.).In particolare, la logica di regolazione inerente la parte d’impianto dedicata alla produzione di acqua calda mediante il campo solare è la stessa del funzionamento invernale in quanto, la produzione e l’immagazzinamento dell’acqua calda pro-dotta dal campo solare, sono indipendenti dalla richiesta di energia frigorifera

necessaria alla climatizzazione dell’edificio. L’obiettivo è quindi massimizzare la produzione di energia termica da campo solare producendo acqua refrigerata, anche quando l’edificio non lo richieda, solo se l’energia termica è resa disponibi-le gratuitamente dal sole. L’acqua refrigerata prodotta in tal caso viene stoccata all’interno di un serbatoio di accumulo freddo e resa disponibile al momento del bisogno. Nel caso in cui sia necessario ricorrere alla caldaia integrativa per produr-re acqua refrigerata, questo avverrà solo se la temperatura degli ambienti sarà superiore rispetto al valore di set point impostato e, con l’acqua refrigerata accu-mulata, non si riesce a rientrare nei valori di set.

Temperaturamediaambienti* ValoredisetpointTE1821°C 18°C

22°C 16°C

23°C 14°C

24°C 12°C

25°C 10°C

26°C 8°C

27°C 7°C

28°C 7°C

*Tmed amb= (TA02+TA03+TA04+TA05)/4

Tabella 1 – Variazione setpoint TE18

Figura 9 – Stralcio schema funzionale – Gruppo frigo ad assorbimento – accumulo freddo – termodotto

Figura 10 – Stralcio schema funzionale – Caldaia di integrazione a servizio gruppo frigo ad assorbimento

51#17

si spegne quando TE11A > 89°C; in assenza di cari-co (pompe P03 spente), il bruciatore commuta in off quando TE11A > 79°C.

La macchina interrompe il funzionamento quan-do la TE14 > 96°C per più di cinque secondi.

L’avviamento delle elettropompe P05 (circui-to torre evaporativa) viene gestito direttamente dal gruppo frigo ad assorbimento, secondo le sue effetti-ve necessità. Il sistema di regolazione attiva o meno il ventilatore della torre evaporativa al fine di massimiz-zare il COP del gruppo frigo, garantendo una tempe-ratura in ingresso al condensatore (acqua uscita torre evaporativa) prossima a TE11B = 27°C (Figura 11).

La macchina interrompe il funzionamento quan-do la TE11B > 35°C per più di cinque secondi oppure quando la TE11B < 8°C per più di due minuti conse-cutivi, a pompe P05 accese: la logica di regolazione ha lo scopo di gestire il ventilatore della torre affinché non si verifichino queste condizioni limite (Figura 12).

La scelta di quali terminali utilizzare (pannelli a pa-vimento – fan coil) è funzione della temperatura pre-sente all’interno degli ambienti serviti (Figura 13).

La logica di regolazione agisce sulla scelta dei ter-minali d’impianto da utilizzare, sempre con l’obiettivo del risparmio energetico: quando gli ambienti neces-sitano di una climatizzazione meno spinta, vengo-no utilizzati i pannelli radianti a pavimento alimenta-ti con acqua refrigerata a 14°C, semplice da produrre anche in presenza di bassa irradianza solare senza ri-correre all’ausilio della caldaia integrativa. Quando la temperatura degli ambienti è molto più alta rispetto al valore di set point impostato (ovvero in presenza di giornate molto calde con una elevata irradianza so-lare) vengono utilizzati i fan coil che, alimentati con acqua a 7°C, riescono ad erogare una potenza frigori-fera superiore rispetto a quanto emesso dai pannelli radianti a pavimento. Essendo in presenza di elevata irradianza solare, il gruppo frigo ad assorbimento non avrà difficoltà a produrre acqua refrigerata a 7°C poi-ché il campo solare riesce a garantire gli 88°C in in-gresso al generatore.

RISULTATI DEL MONITORAGGIOI dati sperimentali relativi al monitoraggio estivo

dell’impianto sono stati acquisiti durante il periodo 01 giugno-15 settembre 2012, per il quale si è deciso di far funzionare l’impianto in modo intermittente (ore 9.00-ore 19.00) per l’intera settimana. Le grandezze indagate riguardano sia la produzione di acqua cal-da, utilizzata per alimentare il gruppo frigo ad assorbi-mento, che la produzione di acqua refrigerata.

Durante il monitoraggio estivo, oltre ai contater-mie analizzati durante il periodo invernale, è stato ne-cessario inserire ulteriori contatermie a servizio del gruppo frigo ad assorbimento (Tabella 2).

In Figura 14 è riportato il layout d’impianto con il dettaglio di tutti i contatermie monitorati.

I contatermie utilizzati per il monitoraggio dell’im-pianto hanno consentito la valutazione della percen-tuale di energia fornita dal campo solare e di quel-la fornita dalla caldaia integrativa necessarie per

Figura 12 – Stralcio schema funzionale – Gruppo frigoa d assorbimento-torre evaporativa

Figura 11 – Curve caratteristiche di prestazione gruppo frigo YAZAKI mod. WFC-SC5 Fonte: Documentazione Tecnica Maya – Yazaki WSC – SC 5

Figura 13 – Stralcio schema funzionale – Sottocentrale e circuito Fan coil e pannelli a pavimento

LegendaFE04 Energia termica smaltita da torre evaporativa [kWh]

FE05 Energia termica in ingresso al gruppo frigo [kWh]

FE06 Energia frigorifera prodotta [kWh]

Tabella 2 – Codici identificativi contatermie installati per monitoraggio estivo

Figura 14 – Schema semplificato impianto in modalità solar cooling situato presso il CR Enea Casaccia (Roma), con dettaglio contatermie

52 #17

alimentare termicamente il gruppo frigo ad as-sorbimento (Figura 15).

In Figura 16 si riportano i flussi energetici ne-cessari alla valutazione del COP (Coefficient of performance) del gruppo frigo ad assorbimento nelle reali condizioni di funzionamento.

Si è constatato un rendimento inferiore (COPmedio = 0,59) rispetto al valore di targa (COP = 0,7), poiché non sempre il gruppo frigo ha la-vorato in condizioni di funzionamento nominali (Tacqua calda in = 88°C). Lavorando con temperatu-re dell’acqua in ingresso al generatore inferiori rispetto al valore nominale, il gruppo riduce di molto il COP (vedi Figura 11).

Ipotizzando una temperatura media dell’ac-qua di alimentazione del gruppo frigo pari a Tacqua calda in = 80°C ed ipotizzando una temperatu-ra in ingresso per l’acqua di raffreddamento pari a Tacqua raffr in = 32°C si ha una potenza frigorifera erogata dal gruppo pari a Pf = 10 kW, contro i 17,6 kW che si avrebbero in funzionamento nominale della macchina. Questo esempio serve solo per evidenziare quanto decadano le prestazioni del gruppo frigo se in funzionamento reale ci si di-scosta dai valori di targa di funzionamento della macchina. Una riduzione del COP è anche legata al funzionamento non a regime della macchina: nei primi quindici giorni di giugno, così come in buona parte del mese di settembre, la macchina era soggetta a ripetuti on/off in quanto il cari-co frigorifero richiesto dall’utenza era inferiore ri-spetto a quanto prodotto dalla macchina.

È da notare come, a differenza del periodo invernale durante il quale la quota di energia dis-sipata con il dry cooler era significativa, durante il periodo estivo l’energia termica dissipata è pra-ticamente trascurabile (Figura 17). Questo aspet-to è legato al dimensionamento del campo so-lare, progettato per garantire durante il periodo estivo l’energia termica necessaria al funziona-mento del gruppo frigo ad assorbimento e quin-di sovradimensionato per effettuare il solo riscal-damento dell’edificio.

Il serbatoio d’accumulo riceverà sempre una quantità di energia minore di quella incidente sui collettori solari a causa delle perdite ottiche e termiche sui pannelli, dell’andamento dell’irra-dianza solare (A), della dissipazione energetica realizzata dal dry cooler (B), della temperatura in uscita dal campo solare inferiore a quella dell’ac-qua all’interno dell’accumulo (D2a), dell’efficien-za dello scambiatore a piastre SC01 (D2b).

Nella Figura 18 si riporta l’energia effettiva-mente fornita dal campo solare per alimentare il gruppo frigo, depurata dalle perdite preceden-temente descritte (A+B = D1 e D2a+D2b = D2) e considerando che l’energia termica scambiata tra il circuito primario solare e l’accumulo differi-sce da quella effettivamente utilizzata (kWh utili solari) a causa della temperatura dell’acqua ac-cumulata, non sempre sufficiente ad alimentare

Figura 18 – Diagramma del flusso energetico per tutto il periodo di monitoraggio estivo

Figura 17 – Radiazione solare incidente sul piano dei collettori solari termici durante il periodo di monitoraggio estivo

Figura 16 – Valutazione prestazioni reali gruppo frigo ad assorbimento

Figura 15 – Schema produzione e fornitura energia a partire dai collettori solari (estate)

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il gruppo frigo (Tmin = 80°C) (Calore accumulato ma non utilizzato: D3).

In Figura 19 si riporta, per i vari mesi monito-rati, il contributo di energia termica al gruppo fri-go ad assorbimento fornito dal campo solare e dalla caldaia integrativa.

Il riepilogo prestazionale dell’impianto di solar cooling durante l’intero periodo di moni-toraggio è rappresentato dalla frazione solare dell’energia fornita in ingresso al gruppo frigo (Figura 20).

La frazione solare riportata è stata ottenuta comunque garantendo le condizioni di comfort termoigrometrico all’interno degli ambienti ser-viti dall’impianto di solar cooling (Figura 21).

La logica di regolazione gestisce il manteni-mento della temperatura di setpoint ambien-te mediante l’impianto a pannelli radianti a pa-vimento (alimentato con acqua in ingresso a Tin

pannelli = 14°C) ed effettua il raggiungimento del setpoint con l’impianto a ventilconvettori (ali-mentato con acqua in ingresso a Tin fancoil = 7°C): questa soluzione ha consentito di ottimizzare la produzione di acqua refrigerata necessitando di acqua molto fredda solo nelle ore più calde del-la giornata, quando il contributo dell’energia ter-mica in ingresso al gruppo frigo è fornito quasi interamente dal campo solare.

CONCLUSIONIL’impianto di solar heating and cooling de-

scritto ha sempre garantito durante il periodo di monitoraggio, sia invernale che estivo, il mante-nimento delle condizioni di comfort termoigro-metrico in tutti gli ambienti dell’edificio servito. È stato riscontrato un sostanziale risparmio in termini di consumi di energia primaria di natu-ra fossile, grazie allo sfruttamento della radiazio-ne solare: durante il funzionamento invernale il sole ha coperto il 56% dei consumi per il riscalda-mento degli ambienti; nel funzionamento estivo c’è stata una copertura da fonte solare del 66% dell’energia termica richiesta dal gruppo frigo ad assorbimento.

L’utilizzo di tale impianto per il riscaldamento invernale dell’edificio F-92 ha permesso di rispar-miare, in termini di combustibile, 574 Nm³ di gas metano; per la climatizzazione estiva l’impianto ha permesso un risparmio in termini di energia elettrica di 2.677 kWhel. n

1 Nicolandrea Calabrese,� ENEA (Agenzia naziona-le per le nuove tecnologie, l’energia e lo svilup-po economico sostenibile).

2 Sacha Ottobre,� Università degli studi di Cassino e del Lazio Meridionale.

www.climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it

BiBliograFia1. Documentazione Tecnica Maya – Yazaki WSC – SC 52. “Solar Heating and Cooling of Buildings – Guidelines”, Marco Beccali, Pietro Finocchiaro, Bettina Nocke3. SYSTEMA S.P.A.: Gruppo frigo e torre evaporativa monoblocco4. “Sistemi solari termici per la climatizzazione”, Mauro Villarini, Domenico Germanò, Francesco Fontana,

Maurizio Limiti – Maggioli Editor

Figura 21 – Frazione solare impianto di solar cooling C.R. ENEA di Casaccia. Temperature medie giornaliere negli ambienti monitorati (ore 9.00-19.00)

Figura 20 – Frazione solare impianto di solar cooling edificio F-92 C.R. ENEA di Casaccia

Figura 19 – Contributi energetici della caldaia integrativa e del campo solare in ingresso al gruppo frigo ad assorbimento