Università
Università degli studi di Genova
DIPTEM, Dipartimento di Ingegneria della produzione,
Termoenergetica e Modelli Matematici,
Sezione TErmoenergetica e Condizionamento ambientale, TEC
LE RISORSE RINNOVABILI:
Caratteristiche della fonte solare e le
tecnologie per produzione del calore
Corso di Energie Rinnovabili 1
Marco Fossa
Dipartimento di Ingegneria della Produzione, Termoenergetica e Modelli
Matematici, DIPTEM
Rev. 04/02/2008
M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe - Pag. 1 / 58
Contenuti
Generalità
Bilancio di energia al captatore
Rendimento
Tipologia dei collettori solari per la produzione di calore a
bassa temperatura
Schemi di impianto
Calcolo dell’energia captata
Sistemi ad alta temperatura
Utilizzo del calore solare per le operazioni di raffrescamento
Collettore a tubo sottovuoto
M.Fossa, Energie Rinnovabili
UniGe
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coassiale1,con
concentratore
1
Generalità
(M
ed
ia
a
nn
ua
)
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Generalità (I)
Irraggiamento solare
Circuito primario
Collettori
solari
Circuito
primario
Distribuzione
acqua calda
sanitaria
Pompa di
circolazione
primaria
Integrazione
termica
Serbatoio di
stoccaggio
Pompa di
circolazione
Scambiatore
intermedio
Alimentazione
acqua sanitaria
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2
Generalità (II)
A)
B)
C)
D)
E)
F)
G)
H)
K)
Irraggiamento solare diffuso
Irraggiamento solare diretto
Vento, pioggia, neve (vettori del disperdimento)
Scambio convettivo esterno
Conduzione nel pannello posteriore
Irraggiamento della superficie captante
Irraggiamento della copertura trasparente
Fluido vettore (flusso termico estratto)
Riflessione diretta e diffusa
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Generalità (III)
40
convezione
Irraggiamento
Per ottimizzare lo sfruttamento dell’energia solare, occorre che il collettore abbia
una serie di caratteristiche, non sempre completamente compatibili tra loro
1) Alta trasmissività della copertura vetrata
2) Elevata assorptività
Bilancio al collettore
dell’assorbitore alle
basse lunghezze
d’onda
3) Bassa emissività
dell’assorbitore alle alte
110
lunghezze d’onda
115
4) Bassa conduttanza
della copertura
Copertura
Conduzione
5) Ridotto scambio
vetrata
160
convettivo
65
nell’intercapedine tra
copertura e assorbitore
6) Basse temperature
di funzionamento
7) Bassa trasmittanza
Flusso disperso al retro del collettore verso il retro
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3
Proprietà radianti delle superfici (I)
Trasmissività normale spettrale
La trasmissività di un
vetro semplice alla
radiazione termica
dipende dalla
lunghezza d’onda.
Il vetro risulta
trasparente per un
campo finito di
lunghezze d’onda ed è
praticamente opaco per
λ maggiore di 2.7µm e
nella regione
dell’ultravioletto
Lunghezza d’onda della radiazione incidente
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Proprietà radianti delle superfici (II)
La trasmissività di un vetro
semplice dipende inoltre
dall’angolo con cui la
radiazione incide.
(τ α)
Fino a 60° circa la
trasmissività si mantiene
prossima ai valori
dell’incidenza normale
All’aumentare del numero
degli elementi vetrati
(vetrature doppie e
multiple) la trasmissività
complessivamente
diminuisce, ma
diminuiscono i
disperdimenti verso
l’esterno
Angolo della radiazione incidente
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4
Proprietà radianti delle superfici (III)
(τ α) / (τ α)N
La presenza di strati
multipli ha effetti anche
sulla trasmissività ad
incidenze diverse da
quella normale
Infatti all’aumentare del
numero delle coperture
vetrate, la trasmissività
agli elevati angoli di
incidenza risulta
percentualmente
minore rispetto al caso
della singola copertura
Angolo di incidenza dei raggi solari al collettore
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Proprietà radianti delle superfici (IV)
L’esigenza di avere alte assorpitività nel visibile e vicino infrarosso è finalizzata ad
ottenere il massimo assorbimento dell’energia solare e a minimizzare i
disperdimenti.
Di qui l’esigenza di superfici selettive dal punto di vista delle proprietà radianti.
Come rivestimenti, vengono in genere utilizzati ossidi metallici, detti anche composti
metallico-dielettrici (cermets)
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5
Proprietà radianti delle superfici (V)
DC reactively sputtered stainless steel-carbon (SS-C) coating
L’esigenza di avere alte
assorpitività nel visibile
e vicino infrarosso e
basse emissività
nell’infrarosso può
essere risolta soltanto
con l’utilizzo di
superifici selettive
In questo caso lo
scambio termico
radiante
nell’intercapedine tra
assorbitore e copertura
è ridotto, ma il flusso
convettivo può
aumentare.
Una soluzione:
intercapedine
sottovuoto
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Bilancio di energia al collettore
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6
Bilancio di energia al collettore (I)
G”u = G”a - G”disp
G”u = G”a – K” (Tp, ave – Ta)
G”a = = G”glob (τα)ave
(Tp, ave – Tfluid, ave) = G”u / h fluid
G”glob
G”u (1 + K”/ h fluid ) = G”a – K” (Tfluid, ave – Ta)
G”u = F’[G”a – K” (Tfluid, ave – Ta)]
G”disp
F’ = h fluid / (K” + h fluid ) Fattore di efficienza
Ta
Copertura vetrata
G”ass
Tp
Portata fluido m”
Tf
G”utile
Fluido vettore
Isolante Termico
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Bilancio di energia al collettore (II)
G”u = F’[G”a – K” (Tfluid, ave – Ta)]
G”u = m”c (Tfi – Tfu)]
A=WL dA = Wdx
G”u dA = G”u (W dx) = (m” A) c dTf
m”c L dTf / dx = F’[G”a – K” (Tf, x – Ta)]
dTf = -1/K” d[G”a – K” (Tf, x – Ta)]
F’/(m”c L) dx = (-1/K”) d[G”a – K” (Tf, x – Ta)] / [G”a – K” (Tf, x – Ta)]
(G”a – K” (Tf, u – Ta)) / (G”a – K” (Tf, i – Ta)) = exp [-F’K”/(m”c)]
L
W
G”glob
G”disp
y
Ta
x
Copertura vetrata
G”ass
G”utile
TFI
Isolante Termico
Tp
TFU
TF
Fluido vettore
∆x
Portata fluido m”
(per unità di
superficie)
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7
Bilancio di energia al collettore (III)
Fattore di rimozione termica FR
G”u = F’[G”a – K” (Tfluid, ave – Ta)]
FR= G”u / [G”a – K” (Tfluid, in – Ta)]
FR approssima l’unità per alte portate, alti coefficienti di scambio, bassi
disperdimenti. Si può dimostrare che:
FR= [1 – exp(-F’K”/m”c)](m”c)/K”
G”u = FR[G”a – K” (Tfluid, in – Ta)]
Da cui:
(Equazione di Bliss)
G”glob
G”disp
Ta
Copertura vetrata
G”ass
Tp
TFU
TFI
Tf
G”utile
Fluido vettore
Isolante Termico
Portata fluido m”
(per unità di
superficie)
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Bilancio di energia al collettore (IV)
G”u = FR[G”a – K” (Tfluid, in – Ta)]
(Equazione di Bliss)
G”a = G”inc (τα)
[J/m2 giorno]
Ea = Einc, ave (τα)ave
(su base giornaliera media mensile)
Si definisce rendimento η del collettore la quantità:
η
= FR [G”a – K” (Tfluid, in – Ta)] / G”inc
ηave = FR [Ea – K” (Tfluid, in – Ta, ave)∆τ] / Einc
(su base giornaliera media mensile)
Ea = Einc (τα) ave
G”glob
G”disp
Ta
Copertura vetrata
Einc = ET
G”ass
TFI
Tp
Tf
G”utile
Fluido vettore
ET = Energia incidente su
superficie inclinata (vedi
Lezioni precedenti)
TFU
Portata fluido
m”
Isolante Termico (per unità di
superficie
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8
Rendimento del collettore (I)
ηave = FR (τα) – FRK” [(Tfluid, in – Ta)] / G”inc
2
2
2
2
2
2
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Rendimento del collettore (II)
η= FR (τα) – FRK” [(Tfluid, in – Ta)] / G”inc
η=a + bx
Nota:
1) talvolta FR (τα) è indicato come η0
2) talvolta η= a + b1x + b2x2
η
1
FR τα
Atan (K”FR )
[(Tfluid, in – Ta)] / G”inc ]
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Rendimento del collettore (III)
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Rendimento del collettore (IV)
Coefficienti di prestazione per collettori testati presso CSTB (Francia)
MARQUES de CAPTEURS
BUDERUS - Logasol SKS
CLIPSOL - TGD Y1200
DE DIETRICH - Sol 1
GASOKOL - Enersol GKAN
et GKAQ
GIORDANO - C8 HI
Avis Technique
CSTB
Coef. τ α
CSTB
Coef. K“
W/m2.°C
14-00/577
0,79
4,89
AT 14 + 5/03839
0,73
4,26
4-00/576
0,68
3,82
14/02-716
0,77
3,86
14/02-747
0,72
4,36
14+5/02-756
0,72
4,80
SOLAHART - Solahart Ko
14/01-672
0,79
4,76
SONNENKRAFT - SK500
(Solar Connexion)
14-00/575
0,76
3,78
SUNMASTER - SK20 LM
(New Point Products)
14/01 – 650
0,77
4,17
14/00-584
0,76
4,34
PHÖNIX - Infinity 21
VIESSMANN - Vitosol 100
S1,7
WAGNER - EURO C20 AR
14/03-844
0,85
3,34
WEISHAUP - WTS-F
14+5/03-793
0,77
2,75
ZENIT - Thermic
14+5/01-609
0,77
3,62
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10
Collettori piani e a tubi
sottovuoto
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Collettori piani
(I)
Copertura vetrata
Piastra assorbente (assorbitore)
Tubazioni del fluido vettore
Isolamento termico
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Collettori piani
(II)
Collettori a copertura piana con concentratore
Copertura vetrata
Tubazione captante
concentratore
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Collettori sottovuoto (evacuated tube, I)
Nei sistemi a tubo evacuato, viene
drasticamente ridotto il flusso termico disperso
verso l’ambiente in quanto viene realizzato il
vuoto tra superficie captante (assorbitore) e la
copertura vetrata, in questo caso curva. Questa
circostanza migliora la trasmissività del vetro ai
raggi incidenti obliqui.
Il tubo sottovuoto, risulta così simile ad thermos
e come esso può presentare un deposito di film
o ossido metallico per aumentare o diminuire la
assorpitività della superficie.
Nel tubo più interno, scorre un fluido,
generalmente il fluido vettore o un fluido
intermedio (heat pipe configuration).
Andata e ritorno del fluido vettore possono
essere paralleli, coassiali oppure a correnti
miscelate (convezione naturale).
Collettore sottovuoto a tubi paralleli
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Collettori sottovuoto (evacuated tube, I)
Tubo coassiale alettato
in rame, con alettatura
piana a rivestimento
selettivo
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Collettori sottovuoto (evacuated tube, II)
Tubo coassiale in vetro,
con rivestimento
riflettente sul tubo
evacuato e rivestimento
selettivo sul tubo
captatore
1. Jacket Tube
2. Mirror
3. Vacuum
4. Absorber tube
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Collettori sottovuoto (evacuated tube, II)
(Schott evacuated tube collector)
1. Jacket Tube
2. Mirror
3. Vacuum
4. Absorber tube
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Collettori sottovuoto (evacuated tube, II)
2
4
1
3
2
η = 0,84 - 2,02 (Ti -Ta)/G - 0.0046G[(Ti -Ta)/G]2
Tubo evacuato (1), con Heat Pipe
(2) dotato di alettatura (3) a
rivestimento selettivo. Lo scambio
termico con il fluido vettore avviene
in corrispondenza della testa calda
del tubo di calore, che è immersa
nella corrente fluida (4) del tubo di
mandata
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Collettori
sottovuoto e piani
Tubi sottovuoto
Collettore piano
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Configurazioni di impianto
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Configurazioni di impianto (I)
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Configurazioni di impianto (circolazione naturale)
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Configurazioni di impianto (circolazione forzata)
Acqua fredda
(rete)
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Configurazioni di impianto (circolazione forzata)
Utenze (Acs
(Acs e riscaldamento)
Caldaia gas
o gasolio
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Configurazioni di impianto (II)
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Configurazioni di impianto (III)
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Configurazioni di impianto (IV)
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Configurazioni di impianto (V)
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Configurazioni di impianto (VI)
Tubi sottovuoto con
Heat Pipes
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Configurazioni di impianto (VII)
Configurazione “Drain back”
Tubi sottovuoto con
Heat Pipes
Un sistema “Drainback” richiede una pompa più potente, in quanto deve sollevare il
fluido nel punto più alto del sistema. Quando il controller rileva che non vi è più energia
captabile, la pompa viene spenta ed il fluido rifluisce nel serbatoio (7)
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Configurazioni di impianto (Simsol, I)
Questo schema è utilizzato per piccole installazioni (Superficie inferiore a 20m2)
Le caratteristiche sono: scambiatore di calore esterno al serbatoio, serbatoio di accumulo e
di integrazione comuni, il circolatore secondario è comandato insieme al primo. Il circolatore
primario può essere omesso.
L’integrazione avviene con un bruciatore oppure una resistenza elettrica di piccola potenza
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Configurazioni di impianto (Simsol, II)
Questo schema è utilizzato per grandi installazioni (Superficie superiore a 20m2)
Le caratteristiche sono: scambiatore di calore esterno al serbatoio, serbatoio di accumulo e
di integrazione differenziati, il circolatore secondario è comandato insieme al primo.
L’integrazione avviene con un bruciatore oppure una resistenza elettrica di piccola potenza
L’accumulo separato per l’integrazione consente di lavorare a temperature più favorevoli
(più basse) al collettore
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Configurazioni di impianto (Simsol, III)
Questo schema è utilizzato per grandi installazioni (Superficie superiore a 20m2)
Le caratteristiche sono: scambiatore di calore interno al serbatoio di accumulo, serbatoio di
accumulo e di integrazione differenziati, il circolatore secondario è comandato insieme al
primo.
L’integrazione avviene con un bruciatore oppure una resistenza elettrica di piccola potenza
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Configurazioni di impianto (Simsol, IV)
Questo schema prevede l’integrazione termica realizzata in un dispositivo senza accumulo,
di tipo istantaneo, di grande potenza (e.g. calderina)
In questa rappresentazione lo scambiatore è esterno, ma potrebbe anche essere interno
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Scambiatori intermedi (I)
In genere sono utilizzati quelli a piastre, più
efficienti, oppure quelli a tubo a spirale, integrati
nel serbatoio, più economici.
Il serbatoio di accumulo, indicativamente, dovrà
essere 50-80 litri per metro quadrato di
captatore
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La scelta delle dimensioni della superficie
captante
L’approccio rigoroso prevede l’analisi con il metodo F-chart, descritto nella norma UNI
8477, parte II
Un dimensionamento ragionevole (dal pto di vista dei costi di primo impianto) porta ad
una copertura del fabbisogno di ACS pari al 60-70% su base annua e di circa il 30%
nel mese più sfavorevole
Un criterio indicativo prevede che una famiglia di 4 persone si utilizzino 3-5 m2 di
pannelli piani ed un accumulo di 200-400 litri. Il legame tra accumulo e superficie
indicativamente dovrebbe essere 40-80 litri/ m2
Il dimensionamento dell’accumulo dipende dal consumo di ACS nella famiglia:
35-70 l/(persona/giorno), tipico
La portata (per metro quadro) al collettore, tipica: 30-80 litri/(m2h)
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Alcune cifre, iva compresa
Costo del collettore solare (collettore piano): 300-400euro/m2
Costo dell’accumulo (bollitore solare): 600-1200euro
Costo di una caldaia con accumulo integrato e condensazione (24kW): 2800-4000euro
Costo della produzione di acqua calda con diversi combustibili (iva c.)
Gasolio*
1,190 €/l
0,128 € /kWh
GPL**
1,650 € /kg
0,122 € /kWh
0,076 € /kWh
Gas metano***
0,72 € /m3
Per riscaldare un kilogrammo di acqua (circa un litro) da 15°C a 45°C occorrono
circa 125kJ che corrispondono a circa 0.035kWh.
Per riscaldare 50x4x365=73000 litri/anno di acqua calda con un rendimento di
caldaia del 90% occorrono circa 2500 kWh, per un costo di circa 200€
* potere calorifico 11.3kWh/kg, densità (liq.) 820 kg/m3,
(1kWh=3.6MJ)
** potere calorifico 12.7kWh/kg, densità (liq.) 510 kg/m3,
*** potere calorifico 9.5kWh/m3, pari a circa 13.3kWh/kg, densità 0.71 kg/m3
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Scambiatori intermedi (II)
Effetto dell’efficienza dello scambiatore sulle prestazioni del sistema solare
(lezione del docente in aula)
Il metodo F-Chart per la stima della copertura del fabbisogno di energia termica
(lezione del docente in aula)
Esempi di calcolo (dimensionamento di un sistema di collettori solari piani e calcolo della
frazione coperta del fabbisogno termico su base media mensile, includendo la penalizzazione
introdotta dallo scambiatore intermedio)
(lezione del docente in aula)
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Sistemi a concentrazione
(impianto Enea Archimede)
Tratto dal Rapporto
ENEA/TM/PRES/2001_10
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Impianto Archimede (I)
Impianto dimostrativo da 40 MWe
Sistema a concentrazione e con tecnologia dei collettori parabolici lineari
Nove grandi impianti di questo tipo operano nel deserto del Mojave, nel sud
della California, con potenze tra 14 e 80 MWatt, dal 1991
Il fluido vettore è una miscela di sali (nitrati di sodio e di potassio)
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Impianto Archimede (I)
Soleggiamento annuo
Distribuzione della
radiazione per il sito di
GELA.
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Impianto Archimede (III)
L’impianto è del tipo a concentrazione, Concentrating Solar Power CSP, spesso
indicato anche come STPP Solar Thermal Power Plant.
In questo tipo di impianti ci sono quattro elementi base: il concentratore, il
ricevitore, il sistema di trasporto e quello di conversione dell’energia.
Il concentratore cattura e concentra la radiazione solare sul ricevitore. Il ricevitore
assorbe la luce solare concentrata trasferendo la sua energia termica ad un fluido
vettore, che tramite il sistema di trasporto viene inviato al sistema di conversione.
Una parte dell’energia è accumulata.
Nel sistema di conversione l’energia termica viene utilizzata per la produzione di
energia elettrica attraverso un ciclo Rankine a vapore oppure un ciclo combinato
con turbina a gas.
Sono presenti tre circuiti separati:
i) Il circuito primario in cui viene effettuata la concentrazione, la raccolta, la
distribuzione e l’accumulo dell’energia termica solare.
ii) Il circuito secondario in cui l’energia accumulata, nel serbatoio caldo, viene
utilizzata in un opportuno generatore di vapore.
iii) Il ciclo termico in cui viene effettuata la conversione dell’energia termica
in energia elettrica.
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Impianto Archimede (IV)
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Impianto Archimede (V)
Nell’impianto saranno utilizzati collettori di lunghezza
100 m ed apertura 5.76 m. Verranno collegati 6
collettori in serie a costituire un singolo modulo da 600
m, il rendimento termico di picco del singolo modulo
risulta pari a 0.79, mentre il rendimento termico medio
annuale si può ritenere pari a 0.667.
La potenza termica complessiva di progetto è 95kWt
Il riflettore ha forma parabolica, e concentra
continuamente, tramite un opportuno sistema di
controllo, la radiazione diretta del sole su un tubo
assorbitore, il ricevitore, disposto sul fuoco della
parabola
La direzione N-S consente di ottenere una migliore raccolta dell’energia solare nei
mesi estivi rispetto a quelli invernali, globalmente l’energia risulta comunque essere
superiore rispetto alla disposizione E-O che comunque presenta una distribuzione
più uniforme dell’energia raccolta.
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Impianto Archimede (VI)
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Impianto Archimede (VII)
N
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Impianto Archimede (VII)
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Impianto Archimede (VIII)
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Raffrescamento solare
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Raffrescamento solare (I)
Il principio di funzionamento si basa sul
raffreddamento sensibile per saturazione
adiabatica (4).
Nella ruota deumidificatrice, la riduzione di
grado igrometrico è associata ad un
riscaldamento per effetto della temperatura
del dessiccante
Nello scambiatore di calore (trasf. 2-3) l’aria
si raffredda prima di entrare nel saturatore
adiabatico.
y
h’
All’uscita dello scambiatore (trasf. 5-6), l’aria
viene riscaldata dall’energia solare
T
L’aria calda rigenera la ruota deumidificatrice
(trasf. 7-8)
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30
C.Mé
énézo
C.M
Raffrescamento solare (II)
Capteurs
Auxiliaire
Ballon stockage
Air Repris (Ambiant)
Air rejeté
5
9
8
7
6
Humidificateurs
Air extérieur
Air Soufflé
1
2
Roue de
déshumidification
3
4
Échangeur
de chaleur
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Raffrescamento solare (III)
In un ciclo inverso a compressione di vapore,
il lavoro meccanico viene utilizzato per il
trasferimento di calore inverso.
Un ciclo inverso a vapore può essere
realizzato attraverso una macchina ad
assorbimento
T2 > T1
Q2
Q2
T1
Q1
Q1
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Raffrescamento solare (IV)
Source fro
Source chaude
Q2
T2
T1
Q1
Bassa conc.
Qdes
Alta concentrazione
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Raffrescamento solare (V)
Ripartizione
costi
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Raffrescamento solare (VI)
Impianto ad assorbimento
presso CSTB, Sophia
Antipolis
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