Strumenti per valutazioni preliminari e progettazione Autori:Mario Motta SUPSI Scuola Universitaria...

Strumenti per valutazioni preliminari e progettazione

Autori: Mario Motta

SUPSIScuola Universitaria Professionaledella Svizzera Italiana

DipartimentoAmbienteCostruzioni eDesign

Istituto diSostenibilitàApplicata all’AmbienteCostruito

Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4

1

UNIVERSITÀDELLASVIZZERAITALIANA

ACCADEMIA DIARCHITETTURA

Indice





2



Parametri progettuali

Solar fraction

Energia primaria

Progettazione

Analisi economica

Esempi

Parametri progettuali





3



Principali parametri progettuali che determinano la prestazione energetica ed economica dei sistemi “solar cooling” e il conseguente potenziale di risparmio in termini di energia primaria

Tipo di collettore

Dimensione campo collettori

Dimensione serbatoio (solare)

Tipo di sistema di Back-up

Il calcolo della SF per il solar cooling





4



Elementi di complessità superiore rispetto ai sistemi solar-combi

Necessità di avere un metodo valido sia per sistemi che usano backup termico che per sistemi con backup convenzionale: ridurre le valutazioni in termini di Energia Primaria (PE)

Analisi energia primaria (PE)





5



Fonti energia termica: collettori solari + caldaia

Fattore di conversione in l‘energia primaria per en. elettrica: 0.36

Fattore di conversione in l‘energia primaria per combustibili fossili: 0.9

Conseguenza delle prestazioni in termini di PE





6



Valori elevati di “Solar Fraction” (SF) per condizionamento sono necessari per impianti con sistema di backup a combustibile fossile con bassi valori di COP

Valori bassi di SF sono accettabili se si impiegano sistemi di condizionamento con alti COP

Alternativa e‘ sempre l‘uso di macchine frigorifere convenzionali come backup (e.g. Impianti di grosse dimensioni). Si ha sempre riduzione fabbisogno PE

Riduzioni fabbisogno PE sono sempre ottenute con sistemi completamente alimentati ad energia solare “autonomi”. Non esiste sempre garanzia di mantenimento condizioni di comfort.

In ogni caso l‘uso dell‘impianto solare và massimizzato attraverso la fornitura ad altre utenze: riscaldamento e acqua calda sanitaria

Il calcolo della SF: scelte progettuali





7



La progettazione di un impianto SAC implica per la maggior parte le seguenti scelte:

Scelta della “macchina refrigerante” più appropriata per il sistema di condizionamento scelto

Scelta del tipo di collettore solare adatto alla tecnologia refrigerante selezionata

Dimensionamento del campo colletori e dell‘impianto solare in generale in base alle prestazioni desiderate in termini energetici ed economici

Parametri prestazionali





8



Risparmio in termini di energia primaria rispetto a sistema convenzionale; bilancio energetico completo (incluso pompe, ventilatori etc.)

Indicatori economici

Costo investimento: costi totali d’investimento incluso progettazione

Costi totali annui: investimento + costi operativi basati su bilancio energetico annuo + costi manutenzione

“costo energia primaria risparmiata” rispetto a sistema convenzionale preso come riferimento

€/kWhprimaria energia annuali risparmia

oriferiment di a tecnologia rispetto aggiuntivi costiarisparmiat PEcosto

Metodi di progettazione e criteri di scelta





9



Strumenti atti alla progettazione





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Scelta della tipologia d‘impianto. Task 25 decision scheme

http://www.iea-shc-task25.org/english/hps6/index.html

Calcolo dei parametri principali del sistema solare: superficie collettori, dimensione serbatoio. Analisi parametrica:

SACE tool (Easy cool light, Solar air-conditioning for Europe)

http://www.ocp.tudelft.nl/ev/res/sace.htm

Progettazione definitiva o casi particolari:

TRNSYS

SOLAC design tool – Task 25 SHC IEA

http://www.iea-shc-task25.org/english/hps6/index.html

Il Task 25 Decision scheme





11



Cooling load calculation (buildingparameters, e.g., materials,

geometry, orientation; internalloads, meterological conditions)

cooling load, requiredhygienic air change

Hygienic air change able to covercooling load?

Pure air system:Full air system

(supply and exhaust air)

yes

yes

yes

no

no

no

Installation of centralized airhandling unit feasible and

desired?

Pure chilled water system

Distribution mediumTechnology

Building

Supply air system+ chilled water system

no

Conv. AHU, thermally driven chiller,

chilled water network6°C - 9°C (Figure 7)

Climate

temperateand extreme

yesFull air system

(supply and exhaust air)+ chilled water system

Climate

temperate extreme

Thermally driven chiller,chilled water network6°C - 9°C (Figure 6)

Climate

temperateand extreme

Building constructionappropriate for supply /

return air system (buildingtight enough)?

Building constructionappropriate for supply /

return air system (buildingtight enough)?

DEC system, standardconfiguration,


Conv. AHU, thermallydriven chiller,


DEC system, specialconfiguration,


Climate

temperate extreme

DEC system,standard configuration

(Figure 2)

Conv. AHU,thermally driven

chiller6°C - 9°C

DEC system, specialconfiguration

(Figures 3 and 4)

yes

SACE tool - Easycool





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Risultati caso studio: parametri principali





13



parameter Unit FPC CPC ETC1 ETC2optical efficiency c0 - 0.789 0.94 0.86 0.735linear heat loss coefficient c1

W/m2K 2.88 2.2 2.02 0.65

quadr. heat loss coefficient c2

W/m2K2 0.018 0.033 0.0022 0.0021

specific cost €/m2 280 400 620 820

parameter Unit 1-abs 2-abs ads heatingCOP, e - 0.68 1.1 0.6 0.9driving temperature °C 85 140 75 45specific cost €/kW 400 800 800 120

climatesMeridaAthensPalermoMadrid

PerpignanFreiburg

Copenhagen

loadsHotel

Office buildingLecture room

Risultati esempio: configurazioni sistema





14



BAH

COL

STH

COT

ACHSTC

PSP PSS PSH

PCT

PCP

DEC

QH

QC

QC

QH

BAH

COL

STH

COT

ACH

PSP PSS PSH

PCT

PCP

QH

QC

BAH

COL

STH

COT

ACH

CCH

STCPSP PSS PSH

PCT

PCP PCS

QH

QC

BAH

COL

STH

COT

ACH

PSP PSS PSH

PCT

PCP

AHU

QH

QC

QH

BAH

COL

STH

PSP PSS PSHDEC

QH

QC

QH

BAH

COL

STH

CCH

PSP PSS PSH

PCS

DEC

QH

QC

QH

Esempio: chiller assorbimento con backup termico





15



==> bilancio energetico globale, include consumi elettrici pompe e torre evaporativa

==> analisi dei costi (investimento, manutenzione, funzionamento, progettazione, ...)

BAH

COL

STH

COT

TCH

QH

QC

solar collector

backup heater

thermally

driven chillerheat

storage

cooling

tower

Esempio: energia primaria risparmiata





16



10%

20%

30%

40%

50%

60%

55 65 75 85 95 105 115 125 135

Speichervolumen, l/m2

eing

espa

rte

Pri

mär

ener

gie

160 180 200 220 240 260 280

Madrid

Edificio uffici

Collettori solari piani

back-up: caldaia a gas

Macchina ad assorbimento

Area collettori crescente

Esempio: costi annuali





17



140%

145%

150%

155%

160%

165%

170%

175%

180%

55 65 75 85 95 105 115 125 135


Jah

resk

ost

en, %

Ref

eren

z

160 180 200 220 240 260 280

Madrid

Edificio uffici




Area collettori crescente

Esempio: costo energia primaria risparmiata





18



0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24

0.26

0.28

55 65 75 85 95 105 115 125 135


Ko

sten

ein

ges

par

te P

E, €

/kW

h

160 180 200 220 240 260 280

minimo Madrid

Edificio uffici




Risultati caso studio: costo PE risparmiata





19



primaria

cos

energia

annualeto

Riferimento sistema

convenzionale

==>

Costo PE risparmiata

4

6

8

10

12

14

16

0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18

storage volume [m3/m2]

CP

E-s

av

ed [

€-c

en

t/k

Wh

]

A=100 A=140 A=180 A=220 A=260 A=300

minimo

Denergia primaria = riduzione fabbisogno PE del sistema SAC rispetto a sistema convenzionale di riferimento

Dcosto annuale = costi aggiuntivi per sistema SAC rispetto a sistema convenzionale di riferimento

Scenari di costo





20



Tecnologia Area collettori Media Area coll

DEC 5-20 [m2/1000 (m3/hour)] 8.2 [m2/1000 (m3/hour)]

As - Adsorbimento 1 - 6 [m2/kWcold] 2.5 - 3.4 [m2/kWcold]

Sommario riduzione fabbisogno PE





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Sistemi autonomi e con back-up elettrico danno sempre luogo a riduzione fabbisogno PE. I secondi anche con basse SF al fine di ridurre consumo di energia elettrica.

E’ spesso possibile riduzione di fabbisogno PE consistenti con sistemi back up a combustibile fossile (e.g. gas) anche rispetto alle macchine refrigeranti ad espansione diretta più efficienti.

Sistemi con back-up alimentato a combustibile fossile (e.g. gas) devono rientrare in un determinato intervallo di SF per ottenere voluta riduzione PE

Valori tipici campo collettori in rapporto area edificio uffici:0,1 – 0,3 [m2/m2]

Valori tipici di campo collettori per tecnologia impiegata:

Sommario analisi economica





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Sistemi SAC costi d‘investimento maggiori rispetto a tecnologie convenzionale; cruciale la valutazione della quota annuale di PE risparmiata.

Molteplicità di parametri che influenzano la prestazione, difficile trovare risposta univoca senza utilizzare strumenti di calcolo capaci di valutare il funzionamento annuale.

Nell‘ambito del progetto supportato dalla EU, SACE - Solar Air Conditioning in Europe, è stato realizzato uno studio energetico-economico sui sistemi SAC. Guida per studi di potenziale o fattibilità.

Uno software, basato su algoritmi semplificati, è stato sviluppato al fine di studiare molteplici configurazioni d‘impianto, per diverse tipologie di utenza e condizioniclimatiche.

Rispetto a una tecnologia convenzionale che usa sistemi a compressione:

30 - 60 % di risparmi in termini di PE sono ottenibili per sistemi che producono acqua refrigerata

20 - 40 % di risparmi in termini di PE sono ottenibili per sistemi DEC

Costi di investimento tra 1.5 e 2.5 volte più elevati di sistema convenzionale

Costi annuali circa 20 - 40 % più elevati per sistemi di piccole dimensioni (potenza frigorifera < 50 kW) e 10 - 20 % per sistemi di grandi dimensioni

Finanziamento del campo collettori di circa 200 €/m2 porta a situazioni vicine a cost break-even (i.e., il sistema si ammortizza durante l’attesa di vita)

Stato attuale SAC non sono economicamente competitivi nella maggior parte dei casi;

E‘ necessario ulteriore sviluppo sia delle tecnologie solari che delle macchine refrigeranti per queste applicazioni per aumentare la competitività del settore;

Necessità di incentivi in funzione della tipologia di utenza, della zona climatica, della struttura tariffaria. Che forme di aiuto sono più adatte?

Sommario prestazione economica ed energetica





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Cosa resta da fare ..





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Standardizzazione sistemi piccole dimensioni. Sistemi solar combi plus

Esperienza impianti grandi dimensioni per AC e refrigerazione

Sviluppo di nuovi componenti e tipologia d’impianto: Adsorbimento, nuovi DEC, diverse tipologie utenza

Diffusione informazione/know-howTASK 38

Solar Air-Conditioning and Refrigeration

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