Attività di ricerca
nel settore del Solar Cooling
UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
DETEC – Dipartimento di Energetica, TErmofluidodinamica applicata
e Condizionamenti ambientali
Prof. ing. Massimo Dentice d‘Accadia
Solar Cooling: il principio di funzionamento
Principali tecnologie:
sistemi a ciclo chiuso: chiller ad assorbimento/adsorbimento
sistemi a ciclo aperto: trattamento diretto dell’aria
(raffreddamento e deumidificazione) in impianti di
condizionamento con essiccanti (DEC solidi o liquidi)
2
Livelli di temperatura e prestazioni
N.B.: COPsol = COP×ηcoll
3
Livelli di temperatura e prestazioni
4
Livelli di temperatura e prestazioni
5
Tipiche
configurazioni
impiantistiche
(con chiller ad
assorbimento o
adsorbimento)
6
Scelta del sistema di integrazione
1,8
Single effect
1,6
Double effect
1,4
Specific primary
energy consumption
(kWh_p/kWh_cool) 1,2
1
0,8
El. chiller:
COP = 3,0
0,6
COP = 4,0
0,4
COP = 5,0
0,2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Fraction of cooling from solar energy, Fsol
7
Configurazioni impiantistiche
(con chiller ad assorbimento o adsorbimento)
Fonte:
8
Alcune peculiarità:
collegamento
idraulico dei
collettori
In linea di principio preferibile
(almeno per la produzione di
freddo): le macchine
frigorifere ad attivazione
termica hanno un ∆T < 10 °C
Fonte:
9
Alcune peculiarità: sistemi di accumulo
Sono necessarie temperature elevate in
ingresso alla macchina frigorifera ad
attivazione termica => da evitare inutili
abassamenti del livello di temperatura,
riducendo al minimo l’interposizione di
scambiatori tra collettori e chiller
E’ opportuno un collegamento diretto
tra collettori e chiller, per avviare più
rapidamente la produzione di freddo
dalla fonte solare, ad esempio:
Fonte:
10
Alcune peculiarità: sistemi di accumulo
Per facilitare l’attivazione del chiller,
può essere utile l’impiego di due
accumuli in serie
… oppure l’impiego di uno “switch”
che sposta verso il basso le linee di
collegamento con i collettori quando
la T nella parte alta dell’accumulo ha
raggiunto il valore richiesto per
alimentare il chiller…
Fonte:
11
Alcune peculiarità: produzione di acqua
calda sanitaria
Da preferire la
produzione “esterna”,
per la tendenza alle
incrostazioni nel circuito
dell’acqua sanitaria a
T > 60 °C
C
Fonte:
12
Aspetti economici: costi di investimento
13
Aspetti economici: considerazioni generali
NESSUN INCENTIVO, I/Pf = 2800 Euro/kWf
28
Ore equivalenti per la
produzione di energia
termica (h/anno)
26
Pay-back
back (anni)
24
200
22
Tipico campo di interesse
per climi temperati
20
300
18
16
400
14
500
12
10
500
600
700
800
900
1000
Ore equivalenti per la produzione di energia frigorifera (h/anno)
14
Aspetti economici: considerazioni generali
INCENTIVI PER L'ACQUISTO DEI COLLETTORI (55%), I/Pf = 2800 Euro/kWf
18
Ore equivalenti per la
produzione di energia
termica (h/anno)
Pay-back
back (anni)
16
14
Tipico campo di interesse
per climi temperati
200
12
300
10
400
500
8
6
500
600
700
800
900
1000
Ore equivalenti per la produzione di energia frigorifera (h/anno)
15
Aspetti economici: considerazioni generali
INCENTIVO IN CONTO ENERGIA (0,25 €/kWhe risparmiato), I/Pf = 2800 Euro/kW
18
Ore equivalenti per la
produzione di energia
termica (h/anno)
Pay-back
back (anni)
16
14
200
12
Tipico campo di interesse
per climi temperati
300
400
10
500
8
6
500
600
700
800
900
1000
Ore equivalenti per la produzione di energia frigorifera (h/anno)
16
Principali progetti di ricerca in ambito UE
SHC – Solar Heating and Programm dell’International Energy
Agency, nato nel 1977 ed arrivato alle Task 39-47 (www.ieashc.org/)
SACE – Solar Air Conditioning in Europe (conlcuso nel 2009)
(www.solair-project.eu/)
Solar Combi+ (www.solarcombiplus.eu)
MEDISCO - MEDIterranean food and agro-industry
applications of Solar COoling technologies (medisco.org)
SOLERA - Integrated small scale solar heating and cooling
systems for a sustainable air-conditioning of buildings
(www.solera-project.eu)
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Principali temi di ricerca
Componenti:
• collettori solari
• macchine frigorifere e sistemi DEC
• sistemi di accumulo
Realizzazione di impianti pilota e analisi dei relativi
dati sperimentali
Studi numerico-simulativi sull’integrazione di sistema:
•
•
•
•
scelta e dimensionamento dei componenti principali
scelta e dimensionamento dei sistemi di backup
scelta e dimensionamento dei sistemi di accumulo
ottimizzazione dei criteri di regolazione e gestione
18
R&D componenti: chiller
Sviluppo di sistemi di piccola taglia (ad ex.: non ci sono
macchine a doppio effetto con Pf < 100 kW; quasi tutti
i chiller a doppio effetto sono a fiamma diretta;….)
Sviluppo di macchine indirette a pompa di calore
Nuovi fluidi di lavoro e nuove configurazioni, ad ex.:
macchine ad assorbimento a triplo effetto, riduzione
ingombro e peso sistemi DEC, etc.
DEC liquidi (attualmente in fase di sviluppo: maggiore
capacità di deumidificazione, possibilità di accumulo
termico mediante stoccaggio della soluzione
concentrata….)
19
R&D componenti: chiller (5-20 kW)
20
R&D componenti: collettori solari
Collettori piani ad alta efficienza (doppio e
triplo vetro AR, intercapedini con gas inerti,
nuove tecnologie di saldature, nuovi materiali
isolanti, …..)
Collettori piani sottovuoto, ad alta efficienza
e basso costo (ad ex. prototipo TVP Solar)
Sistemi a concentrazione: ottiche innovative,
miglioramento coibentazione,….
21
R&D componenti: collettori solari (esempi)
Collettori Parabolici Lineari, PTC (Knopf Design, Wien)
22
R&D componenti: collettori solari (esempi)
Efficiency curves of a single, double and triple glazed AR collector in
comparison with a standard flat-plate collector with normal solar glass
(IEA, TASK 33, final report).
23
R&D componenti: collettori solari (esempi)
Collettori Fresnel (PSE, Freiburg) installati a
Bergamo nell’ambito del progetto MEDISCO
24
R&D componenti: collettori solari (esempi)
Collettori TGS (PT.ENERGY)
25
R&D componenti: sistemi di accumulo
Phase Change Materials (anche integrati nell’edificio)
Attivazione termica dell’involucro
Accumulo freddo: ad ex., Encapsulated Ice Storage
Systems - EPS, sistemi “Ice Slurry” …
26
Impianti installati: numero di installazioni
Fonte:
27
Impianti installati: tecnologie
Impianti di grande taglia
(Pf > 20 kW)
Fonte:
Impianti di piccola taglia
(Pf ≤ 20 kW)
28
Impianti in esercizio: parametri progettuali
Fonte:
29
Impianti in esercizio: parametri progettuali
Fonte:
30
Ricerche in corso: esempi di risultati sperimentali
Collettori piani selettivi a doppio vetro – chiller ad assorbimento LiBr/H2O
La Reunion (Oceano Indiano)
Fonte: Marc et al., Energy and building (42), 2010
31
Ricerche in corso: esempi di risultati sperimentali
N.B.: COPel = energia frigo/energia el. per ausiliari ≈ 1 ÷ 1,6!
Fonte: Marc et al., Energy and building (42), 2010
32
Ricerche in corso: esempi di risultati sperimentali
Collettori Fresnel (352 m2) – chiller ad assorbimento LiBr/H2O da 170 kW
Edificio Universitario - Siviglia
Fonte: Barmejo et al., Solar Energy (84), 2010
33
Ricerche in corso: esempi di risultati sperimentali
Collettori Fresnel (352 m2) – chiller ad assorbimento LiBr/H2O
a doppio effetto da 170 kW - Edificio Universitario - Siviglia
Fonte: Barmejo et al., Solar Energy (84), 2010
34
Ricerche in corso: esempi di risultati sperimentali
Collettori Fresnel (352 m2) – chiller ad assorbimento LiBr/H2O da 170 kW
Edificio Universitario - Siviglia
Fonte: Barmejo et al., Solar Energy (84), 2010
35
Ricerche in corso: esempi di risultati sperimentali
COPsol ≈ 0,40
Fonte: Barmejo et al., Solar Energy (84), 2010
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Ricerche in corso: considerazioni sui risultati
sperimentali
Grande varietà di soluzioni (scelta di collettori e macchine frigo
ad attivazione termica, dimensionamento del sistema, accumuli,
sistemi di backup, …..)
Pochi dati sperimentali disponibili (e generalmente limitati a una o
due stagioni di funzionamento)
Tecnologia ancora in fase di sviluppo: difficile trarre conclusioni
generali più o meno definitive…
Impianti esistenti per lo più non ottimizzati (COPsol medi
generalmente compresi tra il 15% e il 30%, solo in alcuni casi, ed
in alcune condizioni di esercizio, si supera il 40%)
Oltre agli sforzi tecnologici, molto importanti le analisi simulative
=> ottimizzazione dei sistemi
37
Ricerche in corso (simulazioni): alcuni esempi
38
Ricerche in corso (simulazioni): alcuni esempi
39
Attività di ricerca in corso presso
l’Ateneo Federico II
Sviluppo in TRNSYS di SW per la simulazione dinamica di varie
configurazioni:
• tubi evacuati + macchina ad assorbimento a effetto singolo
• PTC + macchina ad assorbimento a doppio effetto
• integrazioni mediante:
caldaia a gas
caldaia a biomassa
pompa di calore / chiller elettrico (anche geotermico)
cogenerazione (convenzionale, a oli vegetali, con cella a
combustibile)
Il SW include la simulazione dinamica dell’edificio, in varie
possibili ubicazioni e con diverse destinazioni d’uso
40
Un esempio: simulazione di un sistema con PTC
+ assorbitore bistadio + caldaia a cippato
Rif.: Calise F., Dentice d’Accadia M., Palombo A., Vanoli L., Proc. of Eurosun 2010
41
Un esempio: simulazione di un sistema con PTC
+ assorbitore bistadio + caldaia a cippato
1 .6
1 .4
Fsol, COPACH, ηSC
1 .2
1 .0
0 .8
0 .6
F sol
0 .4
ηSC
C O P ACH
0 .2
0 .0
10
20
30
40
50
W eek
42
Un esempio: simulazione di un sistema con PTC
+ assorbitore bistadio + caldaia a cippato
PES
PES'
Fsol,s
1.4
25
Naples
Fsol,w
ηSC
20
1.0
0.8
15
COPACH
SPB
PES,Fsol, ηSC, COPACH
1.2
SPB
SPB55
SPBft
0.6
10
0.4
0.2
5
0.0
200
400
600
800
1000
1200
ASC (m2)
43
Altre attività di ricerca in corso presso
l’Ateneo Federico II
In corso, nell’ambito del POI “Energie rinnovabili e risparmio
energetico” (bando MI.S.E.), la progettazione di un impianto con
circa 300 m2 di collettori a tubi evacuati e macchina ad
assorbimento da circa 100 kWf presso il CUS Napoli:
• raffrescamento/riscaldamento uffici e palestre
• produzione di acqua calda sanitaria
• riscaldamento acqua piscina mediante recupero del calore di
assorbimento e condensazione della macchina frigorifera
(possibile funzionamento in pompa di calore)
44
Schema di principio dell’impianto previsto
al CUS Napoli
45
Alcune considerazioni su
esperienze e simulazioni
Estensione del campo solare e capacità frigorifera:
• gli impianti andrebbero dimensionati sul carico di base:
perseguire Fsol elevati può essere controproducente,
mentre il principio guida dovrebbe essere quello di usare
l’energia solare come ausilio dell’impianto tradizionale;
• è importante massimizzare l’utilizzo dell’energia solare
su base annua: puntare su applicazioni con significativa
richiesta di acqua sanitaria, calore di processo, etc.
(anche industriali: ad ex., industria agroalimentare,
lattiero-caseario, …)
46
Alcune considerazioni su
esperienze e simulazioni
Sistema di backup caldo e freddo:
• in generale, il backup lato freddo (chiller elettrico) è
preferibile, ma una caldaia integrativa a monte della
macchina frigorifera può essere utile per stabilizzare il
funzionamento del chiller ad attivazione termica
• molto interessanti e promettenti le applicazioni con backup
lato caldo non convenzionale (caldaie a biomassa,
cogenerazione,…)
Sistema di accumulo termico:
• è importante individuare il volume termo-economicamente
ottimale, in relazione alle caratteristiche del sistema e
dell’utenza
47
Considerazioni conclusive
Tecnologia non ancora
completamente matura
(impianti realizzati molto
diversi tra loro, scarsità di
dati sperimentali, ….) ma
molto promettente dal punto
di vista del potenziale di
risparmio energetico
48
Considerazioni conclusive
Sistemi piuttosto complessi da progettare e gestire; l’ausilio di
tools di supporto alla progettazione e di studi basati sulla
accurata simulazione dinamica del sistema edificio-impianto è
molto importante (v. ad ex. sito IEA Task 25)
Sono ancora necessari notevoli sforzi per la standardizzazione
di componenti e sistemi, in particolare per piccole e medie
taglie, e per la riduzione dei costi, anche attraverso:
• aumento dei volumi di vendita (in particolare per i chiller ad
attivazione termica e DEC);
• miglioramenti delle tecniche costruttive (in particolare per
i collettori)
La diffusione su scala commerciale è ancora abbastanza
lontana, e va ovviamente supportata mediante incentivazioni
mirate (ad ex.: un conto energia per il Solar Cooling?)
49
Ringraziamenti
Si ringrazia il prof. Francesco Calise per il
fondamentale contributo alla preparazione di questa
presentazione e, in generale, alle attività del gruppo
di ricerca del DETEC sul Solar Cooling
50