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

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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 a bromuro di litio 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

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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 a bromuro di litio

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

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Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio

Generalità sul solar cooling

Dimensionamento elementi di impianto

Agenda

P&I impianto solar cooling

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Si consideri una soluzione liquida sottoraffreddata rappresentata

dal punto (1). Introducendo calore si raggiunge il punto (2) di

liquido saturo, pronto per vaporizzare. Alla fine della

vaporizzazione si ha un vapore saturo secco (3) dal quale,

introducendo ancora calore, si passa a vapore surriscaldato (4).

Il ‘‘punto’’ (M) rappresenta una miscela eterogenea la cui fase

liquida si trova allo stato fisico rappresentato dal punto (L), e la

cui fase vapore si trova allo stato fisico dato dal punto (V).

La concentrazione del componente B nella miscela eterogenea

(M) è:

cM = 𝑥 cV + 1 − 𝑥 cL

Il titolo x del vapore presente nella miscela eterogenea (M) è

quindi dato da:

𝑥 =cM − cL

cV − cL=

LM

LV

Soluzioni binarie ed operazioni elementari

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Anche sul diagramma H-c per un determinato valore della pressione p, si hanno 4 curve

fondamentali che dividono le fasi del solido, del liquido e del vapore dalle miscele eterogenee

liquido-solido e liquido-vapore che si appoggiano ai valori di entalpie del vapore saturo HV, del

liquido saturo HL, di inizio e fine solidificazione, dei due componenti A e B. Tra queste

interessano fondamentalmente le curve del vapore e del liquido.

Il punto (1) rappresenta lo stato fisico di una soluzione liquida

sottoraffreddata; introducendo calore si può passare a (2) che

rappresenta una soluzione liquida satura. Il punto (3) è vapore

saturo secco e (4) è vapore surriscaldato. (M) rappresenta le

caratteristiche di una miscela eterogenea liquido (L) e vapore

(V). Per quanto visto sul diagramma T-c, i punti (V) e (L)

devono trovarsi sulla stessa isoterma passante per (M).

L’andamento di una isoterma sul diagramma H-c è

rappresentato nella figura a lato.

Soluzioni binarie ed operazioni elementari

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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr

Consideriamo sul diagramma T-c una soluzione binaria con una

curva del vapore che corre molto vicino all’asse A. Partendo da

una soluzione liquida (1) con concentrazione rispetto a B anche

abbastanza elevata, introducendo calore e separando le fasi si può

ottenere vapore (V) piuttosto concentrato nei confronti di A.

Nel caso della soluzione H20-LiBr, il soluto B è un sale (LiBr) con

tensione di vapore del tutto trascurabile fino a 140°C. Nel campo di

applicazione della refrigerazione, la curva del vapore coincide

praticamente con l’asse delle ordinate A e si può ottenere un vapore

di acqua praticamente puro e surriscaldato da una soluzione liquida

con una certa concentrazione di LiBr. Si realizzano pertanto

impianti frigoriferi ad assorbimento nei quali il fluido frigorifero è

l’acqua e il vapore ottenuto dal generatore passa direttamente al

condensatore senza bisogno della colonna di rettifica.

È da tenere presente che:

• negli impianti frigoriferi ad assorbimento ad ammoniaca i termini concentrazione povera e

concentrazione ricca sono riferiti al tenore di fluido frigorifero (NH3) in soluzione;

• negli impianti a bromuro di litio, ci si riferisce al LiBr e non al fluido frigorifero (acqua).

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Lo schema di processo riportato in figura fa riferimento ad

una realizzazione particolarmente compatta di un impianto

a bromuro di litio per refrigerazione d’acqua.

Nel generatore di vapore G e nel condensatore C la

pressione assoluta pc è dell’ordine di un decimo di

atmosfera. Nel vaporizzatore V e nell’assorbitore A la

pressione assoluta pv e dell’ordine del centesimo di

atmosfera. Riunendo i componenti alla stessa pressione in

un unico contenitore risulta vantaggiosa dal punto di vista

della tenuta, dei collegamenti e della compattezza.

Nel generatore la soluzione povera (di LiBr) viene

riscaldata a circa T1=70÷90°C (grazie ad acqua a 80÷95°C)

e si concentra liberando vapore d’acqua praticamente puro.

Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr

Questo vapore passa poi nel condensatore (a circa TC=45°C) cedendo calore all’acqua di

raffreddamento che lascia lo scambiatore ad una temperatura di Tu=40°C. L’acqua di

raffreddamento può venire, a sua volta, raffreddata in circuito chiuso, tramite una torre di

raffreddamento.

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La condensa viene laminata e scende al vaporizzatore. La vaporizzazione

avviene alla temperatura TV=4÷5°C, mentre il fluido da raffreddare (di solito

acqua) viene portata dalla temperatura Ta=12÷13°C a quella Tb=7÷8°C.

Poiché sono necessari piccoli ΔT tra acqua frigorifera e acqua da

refrigerare, è necessario favorire lo scambio termico utilizzando

atomizzatori e facendo ricircolare la condensa del fluido frigorifero con una

pompa Pv.

Il vapore che si produce al vaporizzatore passa all’assorbitore dove giunge

anche la soluzione ricca (in LiBr) proveniente dal generatore. Il vapore

d’acqua viene assorbito dalla soluzione, con sottrazione di calore, e la

diluisce.

Per rendere possibile l’assorbimento occorre sottrarre calore all’assorbitore

con acqua di raffreddamento; questa entra alla temperatura Te=30°C, esce

a Ti=35÷36°C e viene poi mandata generalmente a raffreddare il

condensatore. Per migliorare le condizioni alle quali avviene

l’assorbimento, una pompa Pa mette la soluzione che sta assorbendo il

vapore in ricircolo.

La soluzione povera, con temperatura di T5=35÷40°C e concentrazione

cp=0,55÷0,60 abbandona l’assorbitore per essere mandata con una pompa

P al generatore dopo aver attraversato lo scambiatore di recupero S.

La soluzione ricca (cr=0,63÷0,67) che scende dal generatore, cede calore

alla soluzione povera nello scambiatore di recupero, subisce una riduzione

di pressione e arriva all’assorbitore.

Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr

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Per le nostre valutazioni si farà riferimento a:

• diagramma H-c della soluzione H20-LiBr, con curva del vapore coincidente con l’ordinata c=0;

• diagramma H-s dell’acqua; da questo è possibile ricavare il valore dell’entalpia del vapore

surriscaldato di acqua in equilibrio con una data soluzione satura, in funzione della pressione

e della temperatura della soluzione stessa.

Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr

Ipotesi semplificative:

• si trascurano le cadute di pressione al passaggio dal generatore al condensatore e dal

vaporizzatore all’assorbitore;

• si assume che la soluzione povera all’uscita dall’assorbitore, la soluzione ricca all’uscita del

generatore e la condensa allo scarico del condensatore, siano sature;

• si assume che il vapore d’acqua all’uscita del vaporizzatore sia saturo secco;

• si trascurano le variazioni di temperatura e di entalpia della soluzione povera attraverso la

pompa.

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Schema di processo Diagrammi H-s e H-c

Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr

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Diagramma H-s (di Mollier) per l’acqua

Formazione di condensa

T [°C] 0,01 5 10 15 20 25 30

psat [kPa] 0,6113 0,8721 1,2276 1.7051 2,339 3,169 4,246

T [°C] 35 40 45 50 55 60 65

psat [kPa] 5,628 7,384 9,593 12,349 15,758 19,940 25,03

T [°C] 70 75 80 85 90 95 100

psat [kPa] 31,19 38,58 47,39 57,83 70,14 84,55 101,3

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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr

Dati di progetto

1) Per ottener acqua refrigerata a 7÷8°C, occorre del vapore a 4÷5°C. Essendo il fluido

frigorifero acqua, è nota anche la pressione di evaporazione pv≃8mbar.

2) La massima temperatura raggiungibile nel generatore, T1, nota la pc, determina la

concentrazione ricca cr.

3) Con acqua a 35°C disponibile al condensatore, si riesce a condensare il vapore frigorifero a

circa 45°C. La pressione di condensazione del vapore è pc≃100mbar.

4) La minima temperatura realizzabile nell’assorbitore, T5, nota la pv, determina la

concentrazione povera cp.

tmin

pv

→ cp

tmax

pc

→ cr

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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr

Consideriamo la portata unitaria di vapore (1) che lascia il generatore e arriva al vaporizzatore e

a questa riferiamo la portata g di soluzione ricca (8) che dal generatore si porta all’assorbitore.

A regime la portata di soluto che entra in uno dei due apparati deve essere uguale a quella che

ne esce.

c1G1 + c8G8 = c7G7 c4G4 + c10G10 = c5G5

oppure

0 ∙ 1 + crg = cp 1 + g → 𝐠 =𝐜𝐩

𝐜𝐫 − 𝐜𝐩

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Nel generatore, grazie all’apporto di calore dall’esterno, viene

superata la temperatura di saturazione corrispondente ai valori

della pressione pc e della concentrazione cp e si ottiene del vapore

surriscaldato alla T1.

Infatti la soluzione salata bolle ad una temperatura superiore

rispetto al componente puro acqua; Il vapore d’acqua che si libera

si trova quindi alla temperatura di saturazione della soluzione

salata, maggiore rispetto alla temperatura di saturazione del solo

componente acqua. Il vapore che si libera è pertanto surriscaldato.

1→2) desurriscaldamento e

condensazione del vapor d’acqua

all’interno del condensatore;

2→3) laminazione del vapore dalla

pressione pc alla pressione pv (H3=H2);

3→4) vaporizzazione del vapor d’acqua.

I valori pc e T1 individuano lo stato (1) del vapore (sul diagramma H-s) e lo stato (8) della

soluzione ricca satura corrispondente (sul diagramma H-c).

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Lo stato della miscela povera (concentrazione cp)

all’uscita dell’assorbitore è individuato dai valori di

pressione pv e della temperatura T5 e, per le ipotesi

fatte, il liquido è saturo.

La soluzione povera viene portata dalla pompa alla

pressione pc per essere inviata al generatore.

Per ipotesi si trascura l’apporto energetico fornito dalla

pompa e pertanto H5 = H6 .

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Prima di raggiungere il generatore, lo scambiatore di

recupero scalda la soluzione povera (6) fino a

raggiungere lo stato (7), solitamente di liquido

sottoraffreddato. Lo stato (7) verrà in seguito

determinato.

La soluzione ricca (8), che scende dal generatore con

temperatura T1, viene raffreddata nello scambiatore di

recupero fino a raggiungere la temperatura T9, superiore

di un certo ΔTs alla temperatura T5 (= T6) di entrata della

soluzione povera.

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La soluzione ricca (9) subisce quindi una riduzione di pressione che la porta dalla pressione pc

alla pressione pv.

La soluzione ricca (10) può risultare sottoraffreddata o satura a seconda che la T9 sia inferiore o

uguale alla temperatura di saturazione corrispondente ai valori assegnati di pv e cp. Sul

diagramma si è supposto che la soluzione sia satura.

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Allo stesso risultato si perviene utilizzando il diagramma H-c.

Ipotizzando di rimescolare il vapore

(1) e la soluzione ricca (8) uscenti

dal generatore, si ricaverebbe una

miscela (A) a concentrazione cp.

Mescolando il vapore (4) e la

soluzione ricca (10) entranti

nell’assorbitore, si ricaverebbe una

miscela (B) a concentrazione cp.

1

g=

A 8

A 1=

cr − cp

cp

1

g=

B 10

B 4=

cr − cp

cp

g =cp

cr−cp; 1+g=

cr

cr−cp

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Valutiamo ora le quantità di calore che interessano i vari scambiatori, riferite alla portata unitaria

di vapore frigorifero.

1) Condensatore: qc = H1 − H2;

2) Vaporizzatore: qv = H4 − H3;

3) Assorbitore: qa = HB − H5 1 + g = HB − H5cr

cr−cp= H4 − HR ;

avendo indicato (R) l’intersezione di 59 con l’asse delle ordinate e avendo considerato i triangoli

simili 59B e R94

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4) Scambiatore di recupero:

H7 − H6 1 + g = H8 − H9 g

Da cui:

H7 − H6 = H8 − H9

g

1 + g= H8 − H9

cp

cr

Il che significa che (7) è allineato con (8) e

con (R).

Indicando con (T) l’intersezione di 79 con l’asse delle

ordinate e considerando i triangoli simili 978 e R7T, si

trova:

qs = H8 − H9 g = H8 − H9

cp

cr − cp= HT − HR

7

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5) Generatore:

qg = HA − H7 1 + g = HA − H7

cr

cr − cp= H1 − HR

Avendo considerato i triangoli simili 78A e R81

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Avendo trascurato l’apporto energetico della pompa, il

bilancio finale di energia vale:

𝐪𝐠 + 𝐪𝐯 = 𝐪𝐚 + 𝐪𝐜

Il coefficiente di effetto utile o E.E.R. (Energy Efficiency

Ratio) dell’impianto vale:

ε =𝐪𝐯

𝐪𝐠

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90°C

Acqua

T [°C] psat [kPa]

0,01 0,6113

5 0,8721

10 1,2276

15 1,7051

20 2,339

25 3,169

30 4,246

35 5,628

40 7,384

45 9,593

50 12,349

55 15,758

60 19,940

65 25,03

70 31,19

75 38,58

80 47,39

85 57,83

90 70,14

95 84,55

È bene evidenziare la presenza

della curva di solidificazione:

il deposito di cristalli di bromuro di

litio è assolutamente da evitare.

Diagramma H-c

Condensatore + generatore:

• Tc = 37°C pc = 67 mbar

con Tmax generatore = 90°C cr = 0,63

• Tc = 45°C pc = 96 mbar (≃75 mm Hg)con Tmax generatore = 90°C cr = 0,59

• Tc = 37°C pc = 67 mbar

con Tmax generatore = 80°C cr = 0,58

• Tc = 45°C pc = 96 mbar

con Tmax generatore = 80°C cr = 0,54

Evaporatore + assorbitore:

• Tv = 4°C pv = 8 mbar

Tmin assorbitore = 30°C cp = 0,53

• Tv = 4°C pv = 8 mbar

con Tmin assorbitore = 40°C cp = 0,58

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Modello commerciale

22.000€

(fornitura)[dato aggiornato al 2013]

E.E.R. = 17,6/25,1 = 0,70

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No Componente Descrizione

1 GeneratorePorta all’ebollizione la soluzione diluita di BrLi

producendo vapore refrigerante

2 CondensatoreCondensa il vapore refrigerante producendo liquido

refrigerante

3

Recipiente di raccolta

del liquido refrigerante

(RST)

Accumula il liquido refrigerante per garantire la migliore

concentrazione della soluzione di BrLi

4

Valvola di scarico

liquido refrigerante

(RBV)

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

5 Evaporatore (EVA)

Il calore di evaporazione del refrigerante è estratto

dall’acqua da refrigerare che fluisce nella serpentina

dell’EVA

6 Assorbitore (ABS)

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

7Valvola di by-pass della

soluzione (SV9)

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

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

9 Scambiatore (HE)Permette lo scambio termico dalla soluzione

concentrata calda alla soluzione diluita fredda

10Pompa di soluzione

diluita (SO)

Spinge la soluzione diluita dall’assorbitore (ABS) al

generatore (GE)

11 Assorbitore ausiliario Interviene in aiuto ad ABS

12Separatore gas

incondensabili

I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati

dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta

gas (GT)

INLET GENER

INLET COND

INLET FREDDO

INLET ASSORB

EXTRACTION

14

18 10

2

1

5

4

11

6

8

7

3

916

12

13

15

17

20

21

22

24

23

25

CTI

HWT

TIT

WTO

FFSL

LT

26

OUTLET COND

OUTLET GENER

OUTLET FREDDO

OUTLET ASSORB

SP

CB

19

R

R

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INLET GENER

INLET COND

INLET FREDDO

INLET ASSORB

EXTRACTION

14

18 10

2

1

5

4

11

6

8

7

3

916

12

13

15

17

20

21

22

24

23

25

CTI

HWT

TIT

WTO

FFSL

LT

26

OUTLET COND

OUTLET GENER

OUTLET FREDDO

OUTLET ASSORB

SP

CB

19

R

R

No Componente Descrizione

12Separatore gas

incondensabili

I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati

dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta

gas (GT)

13Recipiente gas

incondensabili (GT)Trattiene i gas incondensabili

14Valvola di servizio gas

incondensabili (A)

Valvola per la rimozione dei gas incondensabili dal

recipiente GT

15Valvola di servizio per

gas incondensabili (B)

Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell’area

ABS/EVA

16Valvola di prelievo

soluzione diluitaValvola di accesso al circuito della soluzione diluita

17Valvola di prelievo

soluzione concentrataValvola di accesso al circuito della soluzione concentrata

18 FiltroLa soluzione proveniente dall’assorbitore viene filtrata prima

di entrare nella pompa

19Centralina si controllo

(CB)

Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia

con i controlli esterni

20 Flussostato (FFSL)

Arresta l’operatività dell’unità se la portata dell’acqua

refrigerata scende al di sotto dell’80% di quella

nominale

21Sonda di rilevazione

temperatura (WTO)

Controlla la temperatura di uscita dell’acqua di

raffreddamento

22Sonda di rilevazione

temperatura (CTI)

Monitorizza la temperatura dell’acqua di

raffreddamento

23Sonda di rilevazione

temperatura (LT)

Agisce sull’operatività dell’unità controllando la

temperatura dell’evaporatore

24Sonda di rilevazione

temperatura (HWT)

Monitorizza la temperatura di ingresso dell’acqua calda

di alimentazione

25Sonda di rilevazione

temperatura (TIT)Controlla la temperatura in ingresso all’assorbitore

26 Pompa di ricircolo Pompa di ricircolo all’evaporatore

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Gruppo frigorifero ad assorbimento

28

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29

Gruppo frigorifero ad assorbimento

Gruppo frigorifero ad assorbimento – qualità dell’acqua

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30

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 ricircola

verso la fonte calda (bypass gruppo frigo).

L’azionamento della valvola deviatrice è a protezione del gruppo

frigorifero ad assorbimento.

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31

Gruppo frigorifero ad assorbimento

P&I gruppo frigorifero ad assorbimento – acqua refrigerata

TT: trasduttore temperatura

VM: valvola manuale

VNR: valvola di non ritorno

FL: flussostato

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.

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Gruppo frigorifero ad assorbimento

P&I gruppo frigorifero ad assorbimento – acqua di raffreddamento

TT: trasduttore temperatura

VM: valvola manuale

VNR: valvola di non ritorno

FL: flussostato

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.

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33

Gruppo frigorifero ad assorbimento

Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (portata design)

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34

Gruppo frigorifero ad assorbimento

Gruppo frigorifero ad assorbimento– prestazioni (portata design)

GENERATORE

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Valore della portata acqua calda rispetto al valore nominale (%)

35

Gruppo frigorifero ad assorbimento

Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (variazione di portata)

50%

85%

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36

Gruppo frigorifero ad assorbimento

Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (caso limite)

30% del valore nominale!

COP=7/9,7=0,72 – rimane costante!

N.B.

I valori riportati sono indicativi.

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37

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)

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38

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.

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39

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.

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40

Gruppo frigorifero ad assorbimento

La torre di raffreddamento

3.100€

(fornitura)

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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

FL: flussostato

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 della

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.

41

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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 valvola a tre vie

V3V a due posizioni, che devia

l’acqua «calda» (circa 26-28°C)

verso il serbatoio.

- Azionamento della resistenza

elettrica RE installata nel serbatoio

di accumulo;

42

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43

Gruppo frigorifero ad assorbimento

P&I gruppo frigorifero ad assorbimento 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

FL: flussostato

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.

H

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44

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

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45

Gruppo frigorifero ad adsorbimento: cenni

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 QF 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 Q1, sottratto dall’acqua di

raffreddamento (cooling water).

Nell’assorbitore B (adsorber B), in

contemporanea, vi è l’apporto di calore QC

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 Q2.

QF

Q1 QC

Q2

ε = QF / QC

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46

Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio

Generalità sul solar cooling

Dimensionamento elementi di impianto

Agenda

P&I impianto solar cooling

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47

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.

Generalità sul solar cooling

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48

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.

Radiazione solare

diretta

Elemento ottico

(+ inseguitore)

Elemento

ricevitore

Elemento

recupero/dissipazione

termica

Generalità sul solar cooling

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49

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

Generalità sul solar cooling

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50

- 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

Generalità sul solar cooling

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51

Per valutare le proprietà di un elemento ottico a concentrazione ci si riferisce

alle seguenti grandezze:

- Rendimento ottico ηO: 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 AC

dell’elemento ottico concentratore e la superficie AR 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.

Generalità sul solar cooling

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52

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.

Generalità sul solar cooling

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53

Inseguitore di tilt Inseguitore di rollio

Inseguitore di azimut Inseguitore ad asse polare

Generalità sul solar cooling

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54

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%

Generalità sul solar cooling

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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.

Generalità sul solar cooling

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56

Generalità sul solar cooling

Bollitore

Scambiatore di calore

Pannello fotovoltaico

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57

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 ηR che dipende dal materiale e dalla

geometria del ricevitore stesso.

Fattore di concentrazione C e rendimento di scambio del ricevitore ηR

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).

Generalità sul solar cooling

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Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio

Generalità sul solar cooling

Dimensionamento elementi di impianto

Agenda

P&I impianto solar cooling

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HENERGIA – Laboratorio Fossil Fuel Free

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P&I impianto solar cooling

Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaici

Solar cooling

Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell

Caldaia a biomassa

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60

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 kWfr (25 kWth richiesti)

- Pompa di calore: 32,65 kWfr + 34,34 kWth (10,72 kWel richiesti) (*)

- Fonte termica (solare) a disposizione: 11,5 kWth (di picco)

- Torre evaporativa: 42,7 kWth resi

(*) Raffreddamento estivo: Testerna = 35°C;

Riscaldamento invernale: Tbulbo secco = 7°C, Tbulbo umido = 6°C.

P&I impianto solar cooling

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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

P&I impianto solar cooling – accumulo caldo

P&I impianto solar cooling

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.

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62

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

P&I impianto solar cooling – accumulo caldo

P&I impianto solar cooling

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.

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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

P&I impianto solar cooling

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.

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P&I solar cooling – circuito primario solare

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

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.

P&I impianto solar cooling

Circuito

secondario

Circuito

primario

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65

P&I solar cooling – circuito acqua calda completo

P&I impianto solar cooling

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66

P&I solar cooling – accumulo freddo

FL: misuratore di portata

TT: trasduttore temperatura

VESP: vaso di espansione

VM: valvola manuale

VNR: valvola di non ritorno

VS: valvola di sicurezza

P&I impianto solar cooling

L’accumulo freddo ha la stessa funzione

vista in precedenza per l’accumulo caldo.

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67

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

P&I impianto solar cooling

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.

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68

Condizionatore/Pompa di calore 152H Q

13.000€

(fornitura, posa in opera

e allacci)

P&I impianto solar cooling

Versione °: standard

Versione P: con pompa

Versione N: con pompa maggiorata

Versione A: con accumulo e pompa

Versione Q: con accumulo e pompa maggiorata

Modello °: solo freddo

Modello H: pompa di calore + condizionatore

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69

P&I impianto solar cooling completo

P&I impianto solar cooling

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70

P&I impianto solar cooling

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71

Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio

Generalità sul solar cooling

Dimensionamento elementi di impianto

Agenda

P&I impianto solar cooling

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Impianto solar cooling – accumulo caldo

Dimensionamento elementi di impianto

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Dimensionamento elementi di impianto

Capacità: 800 litri

Superficie scambio: 2,7 m2

Resistenza elettrica: 6 kW

2.200€

(fornitura, posa in opera e allacci)[dato aggiornato al 2013]

Impianto solar cooling – accumulo caldo

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74

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

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75

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 m2 di

superficie di collettore solare. Nel nostro caso, come vedremo, la superficie del

dispositivo solare ammonta a circa 16 m2, 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.

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76

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).

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77

Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola sicurezza

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Impianto solar cooling – valvola sicurezza

78

Dimensionamento elementi di impianto

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Impianto solar cooling – valvola sicurezza

79

273 €

(fornitura e

posa in opera)[dato aggiornato al 2013]

Dimensionamento elementi di impianto

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80

Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola deviatrice

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola deviatrice

81

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola deviatrice

82

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola deviatrice

83

325 €

(fornitura e

posa in opera)[dato aggiornato al 2013]

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – solare termico e raffreddamento fotovoltaico

84

La pompa di circolazione sul circuito primario del solare

si attiva quando la radiazione solare luminosa supera i

120 W/m2. 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 ΔT quella in

ingresso. In questo caso, la pompa si ferma e, dopo che è

trascorso altro tempo, riparte.

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare

85

Caratteristica Grandezza

Potenza di picco [kW] 11,5

Potenza media [kW] 10,5

Efficienza globale 73%

Efficienza sistema ottico 86%

Superficie collettore [m2] 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

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare

86

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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*cL*ΔT

m: portata in massa di fluido = 17/60 = 0,28 kg/s

Q = 11,5 kW

CL: calore specifico fluido = 4,186 kJ/kgK

ΔT=11,5/(0,28*4,1869)=9,8°C

Temperatura massima ammessa per il fludo: 93°C

87

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Dimensionamento elementi di impianto

88

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.

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Dimensionamento elementi di impianto

89

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).

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Dimensionamento elementi di impianto

90

L’impianto solare termico tradizionale: confronto tra tecnologie

Pannello Efficienza ottica η0 Perdita termica a1 Perdita termica a2

Ferroli VMF2.0 76,8% 3,570 W/m2K 0,016 W/m2K2

Sonnenkraft GK5-HP 81,0% 2,860 W/m2K 0,020 W/m2K2

Kloben-Sky Pro CPC 58 71,9% 1,063 W/m2K 0,005 W/m2K2

- l’efficienza ottica (η0) rappresenta il massimo

rendimento di un collettore (nella situazione

ideale, cioè, di perdite termiche pari a zero);

- i due parametri di perdita termica (a1 e a2)

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.

Tm*=(Tm-Ta)/G

Tm: temperatura media fluido (ingresso-uscita)

Ta: temperatura ambiente

G: radiazione solare

Tipologia Costo [€/m2]

Ferroli VMF2.0 370

Sonnenkraft GK5-HP 407

Kloben-Sky Pro CPC 58 675

𝜂ℎ = 𝜂0 ∙ 𝑘𝛩 − 𝑎1 ∙ 𝑇𝑚∗ − 𝑎2 ∙ 𝐺 ∙ (𝑇𝑚

∗ )2

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare

91

Viessmann Vitisol 300-T

(tubi sottovuoto)

Heliodyne GOBI 406

(pannelli piano)

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.

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare

92

32.500 €

(fornitura, posa in

opera e allacci)[dato aggiornato al 2013]

Tipologia Costo [€/m2]

Ferroli VMF2.0 370

Sonnenkraft GK5-HP 407

Kloben-Sky Pro CPC 58 675

Solar Beam 2,044

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Dimensionamento elementi di impianto

93

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 kWel

Potenza termica (stimata): 7 kWth

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Dimensionamento elementi di impianto

94

Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo

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)

(*)

(*) Riferita a condizioni standard, ovvero 1.000W/m2 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/m2, la temperatura ambiente è pari a

20°C e la velocità del vento è pari a 1 m/s.

(**)

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Dimensionamento elementi di impianto

95

Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo

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Dimensionamento elementi di impianto

96

9.000 € per 4 pannelli

(fornitura, posa in

opera e allacci)[dato aggiornato al 2013]

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

(*) non necessariamente coincidente con la condizione di picco di produzione del fotovoltaico

Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – accumulo freddo

97

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – accumulo freddo

98

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Dimensionamento elementi di impianto

Capacità: 500 litri

1.385€

(fornitura, posa in opera

e allacci)[dato aggiornato al 2013]

Impianto solar cooling – accumulo freddo

99

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – condizionatore/pompa di calore

100

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – condizionatore

101

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

Raffrescamento

EER (Energy Efficiency Ratio) =COP

ESEER (European Seasonal EER)

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – pompa di calore

102

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

Glicole etilenico % 0

Portata acqua l/s 1,0678

Prevalenza utile kPa 215,01

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!).

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola a tre vie

103

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola a tre vie

104

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola a tre vie

105

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – valvola a tre vie

106

380 €

(fornitura e

posa in opera)[dato aggiornato al 2013]

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – termostato ambiente

107

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – termostato ambiente

108

Termostato ambiente con contatto in commutazione

10 (2,5) A - 230 V - 50 Hz.

20 €

(fornitura)[dato aggiornato al 2013]

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – termostato

109

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Dimensionamento elementi di impianto

Impianto solar cooling – termostato

110

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]

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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 a bromuro di litio

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