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 a bromuro di litio
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
2
Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio
Generalità sul solar cooling
Dimensionamento elementi di impianto
Agenda
P&I impianto solar cooling
Si consideri una soluzione liquida sottoraffreddata rappresentata
dal punto (1). Introducendo calore si raggiunge il punto (2) di
liquido saturo, pronto per vaporizzare. Alla fine della
vaporizzazione si ha un vapore saturo secco (3) dal quale,
introducendo ancora calore, si passa a vapore surriscaldato (4).
Il ‘‘punto’’ (M) rappresenta una miscela eterogenea la cui fase
liquida si trova allo stato fisico rappresentato dal punto (L), e la
cui fase vapore si trova allo stato fisico dato dal punto (V).
La concentrazione del componente B nella miscela eterogenea
(M) è:
cM = 𝑥 cV + 1 − 𝑥 cL
Il titolo x del vapore presente nella miscela eterogenea (M) è
quindi dato da:
𝑥 =cM − cL
cV − cL=
LM
LV
Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Anche sul diagramma H-c per un determinato valore della pressione p, si hanno 4 curve
fondamentali che dividono le fasi del solido, del liquido e del vapore dalle miscele eterogenee
liquido-solido e liquido-vapore che si appoggiano ai valori di entalpie del vapore saturo HV, del
liquido saturo HL, di inizio e fine solidificazione, dei due componenti A e B. Tra queste
interessano fondamentalmente le curve del vapore e del liquido.
Il punto (1) rappresenta lo stato fisico di una soluzione liquida
sottoraffreddata; introducendo calore si può passare a (2) che
rappresenta una soluzione liquida satura. Il punto (3) è vapore
saturo secco e (4) è vapore surriscaldato. (M) rappresenta le
caratteristiche di una miscela eterogenea liquido (L) e vapore
(V). Per quanto visto sul diagramma T-c, i punti (V) e (L)
devono trovarsi sulla stessa isoterma passante per (M).
L’andamento di una isoterma sul diagramma H-c è
rappresentato nella figura a lato.
Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Consideriamo sul diagramma T-c una soluzione binaria con una
curva del vapore che corre molto vicino all’asse A. Partendo da
una soluzione liquida (1) con concentrazione rispetto a B anche
abbastanza elevata, introducendo calore e separando le fasi si può
ottenere vapore (V) piuttosto concentrato nei confronti di A.
Nel caso della soluzione H20-LiBr, il soluto B è un sale (LiBr) con
tensione di vapore del tutto trascurabile fino a 140°C. Nel campo di
applicazione della refrigerazione, la curva del vapore coincide
praticamente con l’asse delle ordinate A e si può ottenere un vapore
di acqua praticamente puro e surriscaldato da una soluzione liquida
con una certa concentrazione di LiBr. Si realizzano pertanto
impianti frigoriferi ad assorbimento nei quali il fluido frigorifero è
l’acqua e il vapore ottenuto dal generatore passa direttamente al
condensatore senza bisogno della colonna di rettifica.
È da tenere presente che:
• negli impianti frigoriferi ad assorbimento ad ammoniaca i termini concentrazione povera e
concentrazione ricca sono riferiti al tenore di fluido frigorifero (NH3) in soluzione;
• negli impianti a bromuro di litio, ci si riferisce al LiBr e non al fluido frigorifero (acqua).
Lo schema di processo riportato in figura fa riferimento ad
una realizzazione particolarmente compatta di un impianto
a bromuro di litio per refrigerazione d’acqua.
Nel generatore di vapore G e nel condensatore C la
pressione assoluta pc è dell’ordine di un decimo di
atmosfera. Nel vaporizzatore V e nell’assorbitore A la
pressione assoluta pv e dell’ordine del centesimo di
atmosfera. Riunendo i componenti alla stessa pressione in
un unico contenitore risulta vantaggiosa dal punto di vista
della tenuta, dei collegamenti e della compattezza.
Nel generatore la soluzione povera (di LiBr) viene
riscaldata a circa T1=70÷90°C (grazie ad acqua a 80÷95°C)
e si concentra liberando vapore d’acqua praticamente puro.
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Questo vapore passa poi nel condensatore (a circa TC=45°C) cedendo calore all’acqua di
raffreddamento che lascia lo scambiatore ad una temperatura di Tu=40°C. L’acqua di
raffreddamento può venire, a sua volta, raffreddata in circuito chiuso, tramite una torre di
raffreddamento.
La condensa viene laminata e scende al vaporizzatore. La vaporizzazione
avviene alla temperatura TV=4÷5°C, mentre il fluido da raffreddare (di solito
acqua) viene portata dalla temperatura Ta=12÷13°C a quella Tb=7÷8°C.
Poiché sono necessari piccoli ΔT tra acqua frigorifera e acqua da
refrigerare, è necessario favorire lo scambio termico utilizzando
atomizzatori e facendo ricircolare la condensa del fluido frigorifero con una
pompa Pv.
Il vapore che si produce al vaporizzatore passa all’assorbitore dove giunge
anche la soluzione ricca (in LiBr) proveniente dal generatore. Il vapore
d’acqua viene assorbito dalla soluzione, con sottrazione di calore, e la
diluisce.
Per rendere possibile l’assorbimento occorre sottrarre calore all’assorbitore
con acqua di raffreddamento; questa entra alla temperatura Te=30°C, esce
a Ti=35÷36°C e viene poi mandata generalmente a raffreddare il
condensatore. Per migliorare le condizioni alle quali avviene
l’assorbimento, una pompa Pa mette la soluzione che sta assorbendo il
vapore in ricircolo.
La soluzione povera, con temperatura di T5=35÷40°C e concentrazione
cp=0,55÷0,60 abbandona l’assorbitore per essere mandata con una pompa
P al generatore dopo aver attraversato lo scambiatore di recupero S.
La soluzione ricca (cr=0,63÷0,67) che scende dal generatore, cede calore
alla soluzione povera nello scambiatore di recupero, subisce una riduzione
di pressione e arriva all’assorbitore.
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Per le nostre valutazioni si farà riferimento a:
• diagramma H-c della soluzione H20-LiBr, con curva del vapore coincidente con l’ordinata c=0;
• diagramma H-s dell’acqua; da questo è possibile ricavare il valore dell’entalpia del vapore
surriscaldato di acqua in equilibrio con una data soluzione satura, in funzione della pressione
e della temperatura della soluzione stessa.
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Ipotesi semplificative:
• si trascurano le cadute di pressione al passaggio dal generatore al condensatore e dal
vaporizzatore all’assorbitore;
• si assume che la soluzione povera all’uscita dall’assorbitore, la soluzione ricca all’uscita del
generatore e la condensa allo scarico del condensatore, siano sature;
• si assume che il vapore d’acqua all’uscita del vaporizzatore sia saturo secco;
• si trascurano le variazioni di temperatura e di entalpia della soluzione povera attraverso la
pompa.
Schema di processo Diagrammi H-s e H-c
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Diagramma H-s (di Mollier) per l’acqua
Formazione di condensa
T [°C] 0,01 5 10 15 20 25 30
psat [kPa] 0,6113 0,8721 1,2276 1.7051 2,339 3,169 4,246
T [°C] 35 40 45 50 55 60 65
psat [kPa] 5,628 7,384 9,593 12,349 15,758 19,940 25,03
T [°C] 70 75 80 85 90 95 100
psat [kPa] 31,19 38,58 47,39 57,83 70,14 84,55 101,3
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Dati di progetto
1) Per ottener acqua refrigerata a 7÷8°C, occorre del vapore a 4÷5°C. Essendo il fluido
frigorifero acqua, è nota anche la pressione di evaporazione pv≃8mbar.
2) La massima temperatura raggiungibile nel generatore, T1, nota la pc, determina la
concentrazione ricca cr.
3) Con acqua a 35°C disponibile al condensatore, si riesce a condensare il vapore frigorifero a
circa 45°C. La pressione di condensazione del vapore è pc≃100mbar.
4) La minima temperatura realizzabile nell’assorbitore, T5, nota la pv, determina la
concentrazione povera cp.
tmin
pv
→ cp
tmax
pc
→ cr
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Consideriamo la portata unitaria di vapore (1) che lascia il generatore e arriva al vaporizzatore e
a questa riferiamo la portata g di soluzione ricca (8) che dal generatore si porta all’assorbitore.
A regime la portata di soluto che entra in uno dei due apparati deve essere uguale a quella che
ne esce.
c1G1 + c8G8 = c7G7 c4G4 + c10G10 = c5G5
oppure
0 ∙ 1 + crg = cp 1 + g → 𝐠 =𝐜𝐩
𝐜𝐫 − 𝐜𝐩
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Nel generatore, grazie all’apporto di calore dall’esterno, viene
superata la temperatura di saturazione corrispondente ai valori
della pressione pc e della concentrazione cp e si ottiene del vapore
surriscaldato alla T1.
Infatti la soluzione salata bolle ad una temperatura superiore
rispetto al componente puro acqua; Il vapore d’acqua che si libera
si trova quindi alla temperatura di saturazione della soluzione
salata, maggiore rispetto alla temperatura di saturazione del solo
componente acqua. Il vapore che si libera è pertanto surriscaldato.
1→2) desurriscaldamento e
condensazione del vapor d’acqua
all’interno del condensatore;
2→3) laminazione del vapore dalla
pressione pc alla pressione pv (H3=H2);
3→4) vaporizzazione del vapor d’acqua.
I valori pc e T1 individuano lo stato (1) del vapore (sul diagramma H-s) e lo stato (8) della
soluzione ricca satura corrispondente (sul diagramma H-c).
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Lo stato della miscela povera (concentrazione cp)
all’uscita dell’assorbitore è individuato dai valori di
pressione pv e della temperatura T5 e, per le ipotesi
fatte, il liquido è saturo.
La soluzione povera viene portata dalla pompa alla
pressione pc per essere inviata al generatore.
Per ipotesi si trascura l’apporto energetico fornito dalla
pompa e pertanto H5 = H6 .
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Prima di raggiungere il generatore, lo scambiatore di
recupero scalda la soluzione povera (6) fino a
raggiungere lo stato (7), solitamente di liquido
sottoraffreddato. Lo stato (7) verrà in seguito
determinato.
La soluzione ricca (8), che scende dal generatore con
temperatura T1, viene raffreddata nello scambiatore di
recupero fino a raggiungere la temperatura T9, superiore
di un certo ΔTs alla temperatura T5 (= T6) di entrata della
soluzione povera.
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
La soluzione ricca (9) subisce quindi una riduzione di pressione che la porta dalla pressione pc
alla pressione pv.
La soluzione ricca (10) può risultare sottoraffreddata o satura a seconda che la T9 sia inferiore o
uguale alla temperatura di saturazione corrispondente ai valori assegnati di pv e cp. Sul
diagramma si è supposto che la soluzione sia satura.
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Allo stesso risultato si perviene utilizzando il diagramma H-c.
Ipotizzando di rimescolare il vapore
(1) e la soluzione ricca (8) uscenti
dal generatore, si ricaverebbe una
miscela (A) a concentrazione cp.
Mescolando il vapore (4) e la
soluzione ricca (10) entranti
nell’assorbitore, si ricaverebbe una
miscela (B) a concentrazione cp.
1
g=
A 8
A 1=
cr − cp
cp
1
g=
B 10
B 4=
cr − cp
cp
g =cp
cr−cp; 1+g=
cr
cr−cp
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Valutiamo ora le quantità di calore che interessano i vari scambiatori, riferite alla portata unitaria
di vapore frigorifero.
1) Condensatore: qc = H1 − H2;
2) Vaporizzatore: qv = H4 − H3;
3) Assorbitore: qa = HB − H5 1 + g = HB − H5cr
cr−cp= H4 − HR ;
avendo indicato (R) l’intersezione di 59 con l’asse delle ordinate e avendo considerato i triangoli
simili 59B e R94
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
4) Scambiatore di recupero:
H7 − H6 1 + g = H8 − H9 g
Da cui:
H7 − H6 = H8 − H9
g
1 + g= H8 − H9
cp
cr
Il che significa che (7) è allineato con (8) e
con (R).
Indicando con (T) l’intersezione di 79 con l’asse delle
ordinate e considerando i triangoli simili 978 e R7T, si
trova:
qs = H8 − H9 g = H8 − H9
cp
cr − cp= HT − HR
7
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
5) Generatore:
qg = HA − H7 1 + g = HA − H7
cr
cr − cp= H1 − HR
Avendo considerato i triangoli simili 78A e R81
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Avendo trascurato l’apporto energetico della pompa, il
bilancio finale di energia vale:
𝐪𝐠 + 𝐪𝐯 = 𝐪𝐚 + 𝐪𝐜
Il coefficiente di effetto utile o E.E.R. (Energy Efficiency
Ratio) dell’impianto vale:
ε =𝐪𝐯
𝐪𝐠
90°C
Acqua
T [°C] psat [kPa]
0,01 0,6113
5 0,8721
10 1,2276
15 1,7051
20 2,339
25 3,169
30 4,246
35 5,628
40 7,384
45 9,593
50 12,349
55 15,758
60 19,940
65 25,03
70 31,19
75 38,58
80 47,39
85 57,83
90 70,14
95 84,55
È bene evidenziare la presenza
della curva di solidificazione:
il deposito di cristalli di bromuro di
litio è assolutamente da evitare.
Diagramma H-c
Condensatore + generatore:
• Tc = 37°C pc = 67 mbar
con Tmax generatore = 90°C cr = 0,63
• Tc = 45°C pc = 96 mbar (≃75 mm Hg)con Tmax generatore = 90°C cr = 0,59
• Tc = 37°C pc = 67 mbar
con Tmax generatore = 80°C cr = 0,58
• Tc = 45°C pc = 96 mbar
con Tmax generatore = 80°C cr = 0,54
Evaporatore + assorbitore:
• Tv = 4°C pv = 8 mbar
Tmin assorbitore = 30°C cp = 0,53
• Tv = 4°C pv = 8 mbar
con Tmin assorbitore = 40°C cp = 0,58
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Modello commerciale
22.000€
(fornitura)[dato aggiornato al 2013]
E.E.R. = 17,6/25,1 = 0,70
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
No Componente Descrizione
1 GeneratorePorta all’ebollizione la soluzione diluita di BrLi
producendo vapore refrigerante
2 CondensatoreCondensa 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
4
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
5 Evaporatore (EVA)
Il calore di evaporazione del refrigerante è estratto
dall’acqua da refrigerare che fluisce nella serpentina
dell’EVA
6 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
7Valvola di by-pass della
soluzione (SV9)
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
8
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
10Pompa di soluzione
diluita (SO)
Spinge la soluzione diluita dall’assorbitore (ABS) al
generatore (GE)
11 Assorbitore ausiliario Interviene in aiuto ad ABS
12Separatore gas
incondensabili
I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati
dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta
gas (GT)
INLET GENER
INLET COND
INLET FREDDO
INLET ASSORB
EXTRACTION
14
18 10
2
1
5
4
11
6
8
7
3
916
12
13
15
17
20
21
22
24
23
25
CTI
HWT
TIT
WTO
FFSL
LT
26
OUTLET COND
OUTLET GENER
OUTLET FREDDO
OUTLET ASSORB
SP
CB
19
R
R
INLET GENER
INLET COND
INLET FREDDO
INLET ASSORB
EXTRACTION
14
18 10
2
1
5
4
11
6
8
7
3
916
12
13
15
17
20
21
22
24
23
25
CTI
HWT
TIT
WTO
FFSL
LT
26
OUTLET COND
OUTLET GENER
OUTLET FREDDO
OUTLET ASSORB
SP
CB
19
R
R
No Componente Descrizione
12Separatore gas
incondensabili
I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati
dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta
gas (GT)
13Recipiente gas
incondensabili (GT)Trattiene i gas incondensabili
14Valvola di servizio gas
incondensabili (A)
Valvola per la rimozione dei gas incondensabili dal
recipiente GT
15Valvola di servizio per
gas incondensabili (B)
Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell’area
ABS/EVA
16Valvola di prelievo
soluzione diluitaValvola di accesso al circuito della soluzione diluita
17Valvola di prelievo
soluzione concentrataValvola di accesso al circuito della soluzione concentrata
18 FiltroLa soluzione proveniente dall’assorbitore viene filtrata prima
di entrare nella pompa
19Centralina si controllo
(CB)
Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia
con i controlli esterni
20 Flussostato (FFSL)
Arresta l’operatività dell’unità se la portata dell’acqua
refrigerata scende al di sotto dell’80% di quella
nominale
21Sonda di rilevazione
temperatura (WTO)
Controlla la temperatura di uscita dell’acqua di
raffreddamento
22Sonda di rilevazione
temperatura (CTI)
Monitorizza la temperatura dell’acqua di
raffreddamento
23Sonda di rilevazione
temperatura (LT)
Agisce sull’operatività dell’unità controllando la
temperatura dell’evaporatore
24Sonda di rilevazione
temperatura (HWT)
Monitorizza la temperatura di ingresso dell’acqua calda
di alimentazione
25Sonda di rilevazione
temperatura (TIT)Controlla la temperatura in ingresso all’assorbitore
26 Pompa di ricircolo Pompa di ricircolo all’evaporatore
Gruppo frigorifero ad assorbimento
28
29
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – qualità dell’acqua
30
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 ricircola
verso la fonte calda (bypass gruppo frigo).
L’azionamento della valvola deviatrice è a protezione del gruppo
frigorifero ad assorbimento.
31
Gruppo frigorifero ad assorbimento
P&I gruppo frigorifero ad assorbimento – acqua refrigerata
TT: trasduttore temperatura
VM: valvola manuale
VNR: valvola di non ritorno
FL: flussostato
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.
32
Gruppo frigorifero ad assorbimento
P&I gruppo frigorifero ad assorbimento – acqua di raffreddamento
TT: trasduttore temperatura
VM: valvola manuale
VNR: valvola di non ritorno
FL: flussostato
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.
33
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (portata design)
34
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento– prestazioni (portata design)
GENERATORE
Valore della portata acqua calda rispetto al valore nominale (%)
35
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (variazione di portata)
50%
85%
36
Gruppo frigorifero ad assorbimento
Gruppo frigorifero ad assorbimento – prestazioni (caso limite)
30% del valore nominale!
COP=7/9,7=0,72 – rimane costante!
N.B.
I valori riportati sono indicativi.
37
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)
38
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.
39
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.
40
Gruppo frigorifero ad assorbimento
La torre di raffreddamento
3.100€
(fornitura)
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
FL: flussostato
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 della
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.
41
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 valvola a tre vie
V3V a due posizioni, che devia
l’acqua «calda» (circa 26-28°C)
verso il serbatoio.
- Azionamento della resistenza
elettrica RE installata nel serbatoio
di accumulo;
42
43
Gruppo frigorifero ad assorbimento
P&I gruppo frigorifero ad assorbimento 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
FL: flussostato
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.
H
44
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
45
Gruppo frigorifero ad adsorbimento: cenni
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.
QF
Q1 QC
Q2
ε = QF / QC
46
Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio
Generalità sul solar cooling
Dimensionamento elementi di impianto
Agenda
P&I impianto solar cooling
47
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.
Generalità sul solar cooling
48
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.
Radiazione solare
diretta
Elemento ottico
(+ inseguitore)
Elemento
ricevitore
Elemento
recupero/dissipazione
termica
Generalità sul solar cooling
49
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
Generalità sul solar cooling
50
- 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.
Solar Dish Parabolic Trough
Solar Tower
Generalità sul solar cooling
51
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.
Generalità sul solar cooling
52
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.
Generalità sul solar cooling
53
Inseguitore di tilt Inseguitore di rollio
Inseguitore di azimut Inseguitore ad asse polare
Generalità sul solar cooling
54
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%
Generalità sul solar cooling
55
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.
Generalità sul solar cooling
56
Generalità sul solar cooling
Bollitore
Scambiatore di calore
Pannello fotovoltaico
57
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).
Generalità sul solar cooling
58
Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio
Generalità sul solar cooling
Dimensionamento elementi di impianto
Agenda
P&I impianto solar cooling
HENERGIA – Laboratorio Fossil Fuel Free
59
P&I impianto solar cooling
Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaici
Solar cooling
Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell
Caldaia a biomassa
60
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.
P&I impianto solar cooling
61
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
P&I impianto solar cooling – accumulo caldo
P&I impianto solar cooling
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.
62
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
P&I impianto solar cooling – accumulo caldo
P&I impianto solar cooling
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.
63
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
P&I impianto solar cooling
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.
64
P&I solar cooling – circuito primario solare
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
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.
P&I impianto solar cooling
Circuito
secondario
Circuito
primario
65
P&I solar cooling – circuito acqua calda completo
P&I impianto solar cooling
66
P&I solar cooling – accumulo freddo
FL: misuratore di portata
TT: trasduttore temperatura
VESP: vaso di espansione
VM: valvola manuale
VNR: valvola di non ritorno
VS: valvola di sicurezza
P&I impianto solar cooling
L’accumulo freddo ha la stessa funzione
vista in precedenza per l’accumulo caldo.
67
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
P&I impianto solar cooling
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.
68
Condizionatore/Pompa di calore 152H Q
13.000€
(fornitura, posa in opera
e allacci)
P&I impianto solar cooling
Versione °: standard
Versione P: con pompa
Versione N: con pompa maggiorata
Versione A: con accumulo e pompa
Versione Q: con accumulo e pompa maggiorata
Modello °: solo freddo
Modello H: pompa di calore + condizionatore
69
P&I impianto solar cooling completo
P&I impianto solar cooling
70
P&I impianto solar cooling
71
Gruppo frigorifero ad assorbimento a bromuro di litio
Generalità sul solar cooling
Dimensionamento elementi di impianto
Agenda
P&I impianto solar cooling
72
Impianto solar cooling – accumulo caldo
Dimensionamento elementi di impianto
73
Dimensionamento elementi di impianto
Capacità: 800 litri
Superficie scambio: 2,7 m2
Resistenza elettrica: 6 kW
2.200€
(fornitura, posa in opera e allacci)[dato aggiornato al 2013]
Impianto solar cooling – accumulo caldo
74
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
75
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 parametro 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.
76
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).
77
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola sicurezza
Impianto solar cooling – valvola sicurezza
78
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola sicurezza
79
273 €
(fornitura e
posa in opera)[dato aggiornato al 2013]
Dimensionamento elementi di impianto
80
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola deviatrice
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola deviatrice
81
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola deviatrice
82
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola deviatrice
83
325 €
(fornitura e
posa in opera)[dato aggiornato al 2013]
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – solare termico e raffreddamento fotovoltaico
84
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 ΔT quella in
ingresso. In questo caso, la pompa si ferma e, dopo che è
trascorso altro tempo, riparte.
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare
85
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 Biassiale
Potenza motori inseguitori [W] 36
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare
86
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*ΔT
m: portata in massa di fluido = 17/60 = 0,28 kg/s
Q = 11,5 kW
CL: calore specifico fluido = 4,186 kJ/kgK
ΔT=11,5/(0,28*4,1869)=9,8°C
Temperatura massima ammessa per il fludo: 93°C
87
Dimensionamento elementi di impianto
88
Il solare termico tradizionale: pannelli piani vetrati
I pannelli piani vetrati sono costituiti da una piastra metallica posta all’interno di
un involucro isolato termicamente, ricoperto anteriormente da una superficie
vetrata. La radiazione solare attraversa la superficie vetrata ed è assorbita dalla
piastra metallica che si riscalda. Il vetro è utilizzato perché impedisce alla
radiazione riflessa dalla piastra di essere dispersa nell’ambiente, realizzando
quello che viene definito “effetto serra”. Sul retro della piastra metallica sono
saldati i tubi in cui circola il liquido che trasferisce il calore dal pannello al
serbatoio di accumulo.
Questi pannelli hanno un buon rapporto
costi/benefici e un buon rendimento
termico in applicazioni in cui le temperature
richieste non sono molto elevate, ad
esempio per la produzione di acqua calda
sanitaria, per il riscaldamento degli
ambienti con elementi radianti a pavimento
o per il riscaldamento delle piscine.
Dimensionamento elementi di impianto
89
Il solare termico tradizionale: pannelli sottovuoto
I pannelli sottovuoto sono caratterizzati da condotti di vetro posti sottovuoto, al
cui interno sono posizionate le tubazioni che, assorbendo la radiazione solare,
riscaldano il liquido in circolazione. I pannelli sottovuoto sono di più complessa
e costosa realizzazione rispetto ai pannelli piani. Allo stesso tempo però hanno
un elevato rendimento grazie alle basse dispersioni di energia ottenute con
l’impiego dei condotti sottovuoto. Il loro impiego si presta particolarmente per
località a bassa insolazione oppure per applicazioni in cui si richiedono elevate
temperature (come, per esempio, il riscaldamento attraverso radiatori o la
produzione di vapore).
Dimensionamento elementi di impianto
90
L’impianto solare termico tradizionale: confronto tra tecnologie
Pannello Efficienza ottica η0 Perdita termica a1 Perdita termica a2
Ferroli VMF2.0 76,8% 3,570 W/m2K 0,016 W/m2K2
Sonnenkraft GK5-HP 81,0% 2,860 W/m2K 0,020 W/m2K2
Kloben-Sky Pro CPC 58 71,9% 1,063 W/m2K 0,005 W/m2K2
- l’efficienza ottica (η0) rappresenta il massimo
rendimento di un collettore (nella situazione
ideale, cioè, di perdite termiche pari a zero);
- i due parametri di perdita termica (a1 e a2)
misurano quanto l’efficienza del collettore sia
sensibile alle condizioni operative (ad esempio,
più questi coefficienti sono bassi e meno
diminuisce l'efficienza quando aumenta la
differenza di temperatura tra il fluido caldo nel
collettore e l'ambiente esterno);
- kΘ: fattore che tiene conto dell’angolo di
incidenza reale della radiazione solare.
Tm*=(Tm-Ta)/G
Tm: temperatura media fluido (ingresso-uscita)
Ta: temperatura ambiente
G: radiazione solare
Tipologia Costo [€/m2]
Ferroli VMF2.0 370
Sonnenkraft GK5-HP 407
Kloben-Sky Pro CPC 58 675
𝜂ℎ = 𝜂0 ∙ 𝑘𝛩 − 𝑎1 ∙ 𝑇𝑚∗ − 𝑎2 ∙ 𝐺 ∙ (𝑇𝑚
∗ )2
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare
91
Viessmann Vitisol 300-T
(tubi sottovuoto)
Heliodyne GOBI 406
(pannelli piano)
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.
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – Parabola a concentrazione solare
92
32.500 €
(fornitura, posa in
opera e allacci)[dato aggiornato al 2013]
Tipologia Costo [€/m2]
Ferroli VMF2.0 370
Sonnenkraft GK5-HP 407
Kloben-Sky Pro CPC 58 675
Solar Beam 2,044
Dimensionamento elementi di impianto
93
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
Dimensionamento elementi di impianto
94
Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo
Nomenclatura:
MPP (Maximum Power Point)
NOCT (Nominal Operating Cell Temperature)
TPT (film Tedlar Poliestere Tedlar)
TPE (Thermo Plastic Elastomer)
H-NRG (sigla commerciale del prodotto)
(*)
(*) Riferita a condizioni standard, ovvero 1.000W/m2 di
irraggiamento, 25°C temperatura della cella e 1,5 m/s velocità
del vento.
(**) Temperatura che raggiunge il modulo quando
l’irraggiamento vale 800 W/m2, la temperatura ambiente è pari a
20°C e la velocità del vento è pari a 1 m/s.
(**)
Dimensionamento elementi di impianto
95
Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo
Dimensionamento elementi di impianto
96
9.000 € per 4 pannelli
(fornitura, posa in
opera e allacci)[dato aggiornato al 2013]
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
(*) non necessariamente coincidente con la condizione di picco di produzione del fotovoltaico
Impianto solar cooling – Pannello fotovoltaico cogenerativo
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – accumulo freddo
97
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – accumulo freddo
98
Dimensionamento elementi di impianto
Capacità: 500 litri
1.385€
(fornitura, posa in opera
e allacci)[dato aggiornato al 2013]
Impianto solar cooling – accumulo freddo
99
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – condizionatore/pompa di calore
100
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – condizionatore
101
Potenza resa totale kW 32,00
Potenza assorbita kW 10,20
E.E.R. W/W 3,14
E.S.E.E.R. W/W 4,11
Potenza assorbita dalla pompa kW 1,30
Potenza assorbita totale kW 11,50
Temperatura dell'aria in ingresso a bulbo secco °C 35,00
Temperatura dell'acqua in ingresso °C 12,00
Salto termico dell'acqua °C 5,00
Temperatura dell'acqua in uscita °C 7,00
Glicole etilenico % 0
Portata acqua l/s 1,5289
Prevalenza utile kPa 187,56
Raffrescamento
EER (Energy Efficiency Ratio) =COP
ESEER (European Seasonal EER)
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – pompa di calore
102
Riscaldamento
Potenza termica resa kW 22,35
Potenza assorbita kW 11,26
C.O.P. W/W 1,98
Potenza assorbita dalla pompa kW 1,30
Potenza assorbita totale kW 12,56
Temperatura dell'aria esterna a bulbo secco °C -5,00
Temperatura dell'acqua in ingresso °C 45,00
Salto termico dell'acqua °C 5,00
Temperatura dell'acqua in uscita °C 50,00
Glicole etilenico % 0
Portata acqua l/s 1,0678
Prevalenza utile kPa 215,01
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!).
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola a tre vie
103
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola a tre vie
104
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola a tre vie
105
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – valvola a tre vie
106
380 €
(fornitura e
posa in opera)[dato aggiornato al 2013]
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – termostato ambiente
107
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – termostato ambiente
108
Termostato ambiente con contatto in commutazione
10 (2,5) A - 230 V - 50 Hz.
20 €
(fornitura)[dato aggiornato al 2013]
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – termostato
109
Dimensionamento elementi di impianto
Impianto solar cooling – termostato
110
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]
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 a bromuro di litio
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