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
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
Agenda
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Generalità sul solar cooling
P&I impianto solar cooling
Dimensionamento elementi di impianto
2
Gruppo frigorifero ad assorbimento
In un impianto con gruppo frigorifero ad assorbimento la sorgente
di calore è solitamente costituita da una sorgente proveniente da
recupero di calore (ad esempio, mediante olio diatermico, acqua o
vapore, fumi di combustione a bassa entalpia): in questo caso è
possibile l’accoppiamento tra il gruppo frigorifero ed un impianto
cogenerativo, per ottenere così un impianto trigenerativo.
3
Gruppo frigorifero ad assorbimento
La tecnologia più diffusa e consolidata a questo livello è sicuramente quella
della refrigerazione ad assorbimento con bromuro di litio.
QC
Q2
Q1
QF
p=0,1 bar
p=0,008 bar
ε = QF / QC
Nell’evaporatore l’acqua proveniente dal condensatore allo
stato liquido vaporizza a circa 4,5°C (pressione di
vaporizzazione a 0,008 bar di pressione) sottraendo la
potenza termica QF al fluido da inviare all’ambiente da
refrigerare.
Il vapore entra successivamente nell’assorbitore, dove
viene assorbito da una soluzione ricca di BrLi (proveniente
dal generatore) e rilascia il calore Q1, dissipato all’ambiente
esterno. La soluzione al bromuro di litio così diluita viene
inviata al generatore in cui, fornendo il calore QC, si ottiene
nuovamente la vaporizzazione dell’acqua, mentre sul fondo
del corpo cilindrico si raccoglie la soluzione concentrata. Il
vapor d’acqua così prodotto viene poi fatto condensare alla
medesima pressione del generatore, cioè circa 0,1 bar,
cedendo ancora una volta calore all’esterno (Q2).
L’acqua impiegata per dissipare la potenza termica Q1 + Q2
viene solitamente raffreddata in apposite torri di
raffreddamento.
4
Gruppo frigorifero ad assorbimento
(Riferimento: Capitolo VIII de «Impianti Meccanici», di S. Fabbri, Edizioni Patron)
5
Gruppo frigorifero ad assorbimento
(Riferimento: Capitolo VIII de «Impianti Meccanici», di S. Fabbri, Edizioni Patron)
6
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento
COP (Coefficient of performance)
= 17,6/25,1 = 0,70
m2 °K/kW
22.000€
(fornitura)
[dato aggiornato al 2013]
7
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento
8
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento
laminazione
strozzamento
9
Gruppo frigorifero ad assorbimento
No
Componente
Descrizione
1
Generatore
Porta all’ebollizione la soluzione diluita di BrLi
producendo vapore refrigerante
2
Condensatore
Condensa 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
CB
19
CTI
22
INLET COND
OUTLET COND
2
4
5
6
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
Evaporatore (EVA)
Il calore di evaporazione del refrigerante è estratto
dall’acqua da refrigerare che fluisce nella serpentina
dell’EVA
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
EXTRACTION
14
13
HWT
24
INLET GENER
R
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
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
10
Pompa di soluzione
diluita (SO)
Spinge la soluzione diluita dall’assorbitore (ABS) al
generatore (GE)
11
Assorbitore ausiliario
Interviene in aiuto ad ABS
12
Separatore gas
incondensabili
I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati
dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta
gas (GT)
7
8
21
WTO
8
INLET FREDDO
OUTLET FREDDO
5
11
Valvola di by-pass della
soluzione (SV9)
OUTLET GENER
1
FFSL
R
LT
25
TIT
23
20
3
15
26
4
OUTLET ASSORB
INLET ASSORB
6
7
17
SP
12
18
10
16
9
10
Gruppo frigorifero ad assorbimento
No
Componente
Descrizione
12
Separatore gas
incondensabili
I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati
dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta
gas (GT)
13
Recipiente gas
incondensabili (GT)
Trattiene i gas incondensabili
Valvola di servizio gas
incondensabili (A)
Valvola per la rimozione dei gas incondensabili dal
recipiente GT
14
CB
19
CTI
22
INLET COND
OUTLET COND
2
Valvola di servizio per
gas incondensabili (B)
Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell’area
ABS/EVA
Valvola di prelievo
soluzione diluita
Valvola di accesso al circuito della soluzione diluita
17
Valvola di prelievo
soluzione concentrata
Valvola di accesso al circuito della soluzione concentrata
18
Filtro
La soluzione proveniente dall’assorbitore viene filtrata prima
di entrare nella pompa
15
16
EXTRACTION
14
13
HWT
24
INLET GENER
OUTLET GENER
1
R
21
WTO
19
20
21
22
Centralina si controllo
(CB)
Flussostato (FFSL)
Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia
con i controlli esterni
8
INLET FREDDO
Arresta l’operatività dell’unità se la portata dell’acqua
refrigerata scende al di sotto dell’80% di quella
nominale
Sonda di rilevazione
temperatura (WTO)
Controlla la temperatura di uscita dell’acqua di
raffreddamento
Sonda di rilevazione
temperatura (CTI)
Monitorizza la temperatura dell’acqua di
raffreddamento
OUTLET FREDDO
5
11
FFSL
R
LT
25
TIT
23
15
26
4
OUTLET ASSORB
INLET ASSORB
6
7
23
Agisce sull’operatività dell’unità controllando la
temperatura dell’evaporatore
24
Sonda di rilevazione
temperatura (HWT)
Monitorizza la temperatura di ingresso dell’acqua calda
di alimentazione
25
Sonda di rilevazione
temperatura (TIT)
Controlla la temperatura in ingresso all’assorbitore
26
Pompa di ricircolo
Pompa di ricircolo all’evaporatore
17
SP
12
Sonda di rilevazione
temperatura (LT)
20
3
18
10
16
9
11
Gruppo frigorifero ad assorbimento
12
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – qualità dell’acqua
13
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
ricircolare l’intera portata verso la fonte calda.
L’azionamento della valvola deviatrice è a protezione del gruppo
frigorifero ad assorbimento.
14
Gruppo frigorifero ad assorbimento
P&I gruppo frigorifero ad assorbimento – acqua refrigerata
TT: trasduttore temperatura
VM: valvola manuale
VNR: valvola di non ritorno
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.
15
Gruppo frigorifero ad assorbimento
P&I gruppo frigorifero ad assorbimento – acqua di raffreddamento
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.
TT: trasduttore temperatura
VM: valvola manuale
VNR: valvola di non ritorno
16
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (portata design)
17
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (portata design)
18
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (variazione di portata)
85%
50%
19
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (caso limite)
N.B.
I valori riportati sono indicativi.
30% del valore nominale!
COP=7/9,7=0,72 – rimane costante!
20
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)
21
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.
22
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.
23
Gruppo frigorifero ad assorbimento
La torre di raffreddamento
3.100€
(fornitura)
24
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
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 delle
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.
25
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
resistenza
elettrica RE installata nel serbatoio
di accumulo;
- Azionamento della valvola a tre vie
V3V a due posizioni, che devia
l’acqua «calda» (circa 26-28°C)
verso il serbatoio.
26
Gruppo frigorifero ad assorbimento
P&I gruppo frigorifero ad assorbimento
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.
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
H
27
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
28
Gruppo frigorifero ad adsorbimento: cenni
Q2
Q1
QC
QF
ε = QF / QC
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.
29
Agenda
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Generalità sul solar cooling
P&I impianto solar cooling
Dimensionamento elementi di impianto
30
Generalità sul solar cooling
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.
31
Generalità sul solar cooling
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.
Elemento
recupero/dissipazione
termica
Radiazione solare
diretta
Elemento ottico
(+ inseguitore)
Elemento
ricevitore
32
Generalità sul solar cooling
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
33
Generalità sul solar cooling
- 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.
Parabolic Trough
Solar Dish
Solar Tower
34
Generalità sul solar cooling
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.
35
Generalità sul solar cooling
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.
36
Generalità sul solar cooling
Inseguitore di tilt
Inseguitore di azimut
Inseguitore di rollio
Inseguitore ad asse polare
37
Generalità sul solar cooling
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%
38
Generalità sul solar cooling
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.
39
Generalità sul solar cooling
Bollitore
Scambiatore di calore
Pannello fotovoltaico
40
Generalità sul solar cooling
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).
41
Agenda
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Generalità sul solar cooling
P&I impianto solar cooling
Dimensionamento elementi di impianto
42
P&I impianto solar cooling
HENERGIA – Laboratorio Fossil Fuel Free
Inaugurazione: Settembre 2013
Impianti fotovoltaici
Solar cooling
Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell
Caldaia a biomassa
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P&I impianto solar cooling
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.
44
P&I impianto solar cooling
P&I impianto solar cooling – accumulo caldo
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
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.
45
P&I impianto solar cooling
P&I impianto solar cooling – accumulo caldo
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
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.
46
P&I impianto solar cooling
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
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.
47
P&I impianto solar cooling
P&I solar cooling – circuito primario solare
Circuito
primario
Circuito
secondario
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.
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
48
P&I impianto solar cooling
P&I solar cooling – circuito acqua calda completo
49
P&I impianto solar cooling
P&I solar cooling – accumulo freddo
L’accumulo freddo ha la stessa funzione
vista in precedenza per l’accumulo caldo.
FL: misuratore di portata
TT: trasduttore temperatura
VESP: vaso di espansione
VM: valvola manuale
VNR: valvola di non ritorno
VS: valvola di sicurezza
50
P&I impianto solar cooling
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
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.
51
P&I impianto solar cooling
Condizionatore/Pompa di calore 152HQ
13.000€
(fornitura, posa in opera
e allacci)
52
P&I impianto solar cooling
P&I impianto solar cooling completo
53
P&I impianto solar cooling
54
Agenda
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Generalità sul solar cooling
P&I impianto solar cooling
Dimensionamento elementi di impianto
55
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – accumulo caldo
56
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – accumulo caldo
Capacità: 800 litri
Superficie scambio: 2,7 m2
Resistenza elettrica: 6 kW
2.200€
(fornitura, posa in opera e allacci)
[dato aggiornato al 2013]
57
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
58
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 parametri 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.
59
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).
60
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola sicurezza
61
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola sicurezza
62
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola sicurezza
273 €
(fornitura e
posa in opera)
[dato aggiornato al 2013]
63
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola deviatrice
64
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola deviatrice
65
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola deviatrice
66
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola deviatrice
325 €
(fornitura e
posa in opera)
[dato aggiornato al 2013]
67
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – solare termico e raffreddamento fotovoltaico
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 ∆T quella in
ingresso. In questo caso, la pompa si ferma e, dopo che è
trascorso altro tempo, riparte.
68
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare
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
Potenza motori inseguitori [W]
Biassiale
36
69
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare
70
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*∆T
m: portata in massa di fluido = 17/60 = 0,28 kg/s
Q = 11,5 kW
CL: calore specifico fluido = 4,186 kJ/kgK
∆T=11,5/(0,28*4,1869)=9,8°C
Temperatura massima ammessa per il fludo: 93°C
71
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare
Viessmann Vitisol 300-T
(tubi sottovuoto)
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.
Heliodyne GOBI 406
(pannelli piano)
72
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare
32.500 €
(fornitura, posa in
opera e allacci)
[dato aggiornato al 2013]
73
Dimensionamento elementi di impianto
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
74
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo
NOCT (Nominal Operating Cell Temperature)
TPT (film Tedlar Poliestere Tedlar)
TPE (Thermo Plastic Elastomer)
H-NRG (sigla commerciale del prodotto)
75
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo
76
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo
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
9.000 € per 4 pannelli
(fornitura, posa in
opera e allacci)
[dato aggiornato al 2013]
(*) non necessariamente coincidente con la condizione di picco di produzione del fotovoltaico 77
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – accumulo freddo
78
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – accumulo freddo
79
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – accumulo freddo
Capacità: 500 litri
1.385€
(fornitura, posa in opera
e allacci)
[dato aggiornato al 2013]
80
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – condizionatore/pompa di calore
81
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – condizionatore
Raffrescamento
Potenza resa totale
Potenza assorbita
E.E.R.
E.S.E.E.R.
Potenza assorbita dalla pompa
Potenza assorbita totale
Temperatura dell'aria in ingresso a bulbo secco
Temperatura dell'acqua in ingresso
Salto termico dell'acqua
Temperatura dell'acqua in uscita
Glicole etilenico
Portata acqua
Prevalenza utile
kW 32,00
kW 10,20
W/W
3,14
W/W
4,11
kW
1,30
kW
11,50
°C
35,00
°C
12,00
°C
5,00
°C
7,00
%
0
l/s 1,5289
kPa 187,56
EER (Energy Efficiency Ratio) =COP
ESEER (European Seasonal EER)
82
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – pompa di calore
Riscaldamento
Potenza termica resa
Potenza assorbita
C.O.P.
Potenza assorbita dalla pompa
Potenza assorbita totale
kW 22,35
kW 11,26
W/W 1,98
kW 1,30
kW 12,56
Temperatura dell'aria esterna a bulbo secco °C
-5,00
Temperatura dell'acqua in ingresso
Salto termico dell'acqua
Temperatura dell'acqua in uscita
°C
°C
°C
45,00
5,00
50,00
Glicole etilenico
%
0
Portata acqua
Prevalenza utile
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!).
l/s 1,0678
kPa 215,01
83
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola a tre vie
84
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola a tre vie
85
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola a tre vie
86
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola a tre vie
380 €
(fornitura e
posa in opera)
[dato aggiornato al 2013]
87
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – termostato ambiente
88
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – termostato ambiente
Termostato ambiente con contatto in commutazione
10 (2,5) A - 230 V - 50 Hz.
20 €
(fornitura)
[dato aggiornato al 2013]
89
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – termostato
90
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – termostato
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]
91