Solar cooling, il sole che raffresca d’estate

All’approccio di progettazione passiva dell’edificio nei confronti del surriscaldamento estivo al fine di ridurre i carichi estivi, è possibile affiancare la progettazione di impianti di condizionamento.

Come abbiamo constatato soprattutto negli ultimi anni, la domanda di elettricità nel periodo estivo raggiunge picchi estremi per l’uso eccessivo dei tradizionali condizionatori d’aria, fino a causare talvolta dei black out della rete elettrica. L’uso dell’energia solare per produrre il freddo diventa quindi un’opportunità vantaggiosa, come dimostrato dai numerosi progetti pilota realizzati anche in Europa, soprattutto in Germania e Spagna, e non priva di attrattive poiché il periodo che fa registrare la maggiore richiesta di condizionamento coincide proprio con i mesi durante i quali la radiazione solare è al massimo e le giornate sono più lunghe. Inoltre tali sistemi di climatizzazione possiedono l’indubbio vantaggio di utilizzare fluidi di lavoro innocui, come l’acqua o le soluzioni saline. Sono rispettosi dell’ambiente e rispondono a criteri di efficienza energetica e possono essere usati, da soli o integrati ai sistemi di condizionamento tradizionali, per migliorare la qualità dell’aria all’interno di qualsiasi tipo di edificio. Il loro principale obiettivo è quello di utilizzare tecnologie ad “emissione zero” per ridurre i consumi di energia nonché le emissioni di CO2.

IL FUNZIONAMENTO DEL SOLAR COOLING
Il principio generale di funzionamento è la produzione di freddo a partire da una sorgente di calore. In sintesi i passaggi che descrivono la produzione sono:
– la sorgente di calore sole irraggia energia che viene assorbita dai collettori solari;
– la produzione di freddo avviene per mezzo delle macchine frigorifere;
– il fluido freddo termovettore, acqua o aria, a seconda del tipo di macchina viene impiegato ai fini del condizionamento degli ambienti.
Per alimentare gli impianti di condizionamento ad energia solare esistono diverse tipologie di collettori solari sul mercato che si dividono in funzione della tipologia di collettore e della temperatura alla quale sono in grado di operare. Il principio di funzionamento è esattamente lo stesso di quello per la produzione di acqua calda, ma i collettori solari da impiegare per gli impianti di condizionamento devono operare a temperature più elevate; le macchine frigorifere (ad assorbimento e ad adsorbimento a singolo effetto) cui sono collegati, infatti, richiedono una temperatura di funzionamento al vettore termico mediamente superiore agli 80 °C ottenibile nella maggioranza dei casi solo se previsti collettori solari ad alta efficienza (per esempio, collettori sotto vuoto). Per quanto riguarda i sistemi desiccant cooling, invece, la temperatura richiesta può essere meno elevata (55÷90 °C) e ottenibile con collettori solari piani standard SAC.

TIPOLOGIE DI
Sistemi a ciclo chiuso
Sono macchine frigorifere alimentate da acqua calda o vapore che producono acqua refrigerata. Il fluido termovettore può essere impiegato direttamente nelle unità di trattamento degli impianti di condizionamento ad aria (raffreddamento, deumidificazione nelle batterie dell’impianto) o distribuita attraverso una rete di tubazioni ai terminali di condizionamento decentralizzati nei vari locali da climatizzare (fan coil). Sul mercato vi sono due tipologie di macchine frigorifere: ad assorbimento e ad adsorbimento.

Sistemi a ciclo aperto
Consentono un completo trattamento dell’aria, che viene raffreddata e deumidificata per garantire le esigenze di comfort ambientale. Il refrigerante è sempre l’acqua, in diretto contatto con l’aria. I sistemi più diffusi sfruttano il principio del desiccant cooling ed impiegano deumidificatori rotanti con sostanze assorbenti solide. Tale sistema richiede in conclusione un trattamento diretto dell’aria e una rete di distribuzione basata su un sistema di ventilazione.

Solar cooling con macchine frigorifere ad assorbimento
Sono le macchine frigorifere alimentate da vettori termici più diffuse a livello mondiale. Attraverso la combinazione di una soluzione liquida refrigerante/assorbente e di una fonte di calore è possibile sostituire il compressore elettromeccanico. Per gli utilizzi tipici del settore del condizionamento, con acqua refrigerata a una temperatura al di sopra degli 0 °C, come refrigerante viene utilizzata una soluzione liquida (acqua e bromuro di litio). Diverse macchine utilizzano una pompa interna, che consuma una limitata quantità di energia elettrica. L’effetto frigorifero si basa sull’evaporazione del refrigerante (acqua) all’interno dell’evaporatore a una pressione molto bassa. Il refrigerante evaporato viene assorbito nell’assorbitore, diluendo la soluzione liquida. Le potenze frigorifere tipiche delle macchine ad assorbimento sono dell’ordine di parecchie centinaia di kW. Queste macchine vengono alimentate con calore proveniente da una rete di teleriscaldamento, da calore di recupero o da calore cogenerativo. La temperatura richiesta per la sorgente calda è normalmente superiore agli 80 °C.

Solar cooling con macchine frigorifere ad adsorbimento
Vengono impiegati materiali assorbenti solidi: quelli disponibili sul mercato impiegano acqua come refrigerante e silica gel come assorbente. Sono costituite da due compartimenti assorbenti, un evaporatore e un condensatore. Quando l’assorbente nel primo compartimento è rigenerato utilizzando acqua calda da una fonte di calore esterna, per esempio collettori solari, l’assorbente nel secondo compartimento (adsorbitore) adsorbe il vapore d’acqua proveniente dall’evaporatore. L’acqua nell’evaporatore viene trasformata nella fase gassosa essendo stata riscaldata da un circuito di acqua esterno: in questa parte della macchina viene prodotto il freddo. Le tipiche condizioni operative con una temperatura di alimentazione della sorgente calda di circa 80 °C consentono di raggiungere un COP pari a circa 0,6. Il range delle potenze frigorifere di queste macchine è compreso tra i 50 e i 500kW. Gli svantaggi sono costituiti dalle dimensioni, tutt’altro che trascurabili, e dal peso. Inoltre, a causa del numero limitato di produttori, il prezzo delle macchine frigorifere ad adsorbimento è relativamente elevato.

Raffrescamento estivo ad energia solare desiccant cooling
Il desiccant cooling (raffreddamento con sostanze essiccanti) è un sistema che si basa su un ciclo aperto, che utilizza come refrigerante acqua che scambia direttamente con l’aria. Il ciclo di raffreddamento è generato termicamente da una combinazione di raffreddamento evaporativo e aria deumidificata da un assorbente (materiale igroscopico). Per questa applicazione possono essere utilizzati materiali liquidi o solidi. Il termine “aperto” indica che il refrigerante (l’acqua), trasferito all’ambiente dopo aver subito il trattamento di raffreddamento, viene integrato da un altro refrigerante in un ciclo continuo. La tecnologia più comunemente utilizzata è quella delle ruote a essiccanti, che utilizzano silica gel oppure cloruro di litio come materiale assorbente.

Articolo di Massimiliano Bertoni e Andrea Cantini

Per approfondimenti:
www.estif.org

www.raee.org/climasol
www.solair-project.eu
www.fullsolar.it/22.html

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