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LE NUOVE TECNOLOGIE MEDIANTE GLI IMPIANTI SOLARI

 

 Prof. F. Asdrubali, A. Presciutti,  Università degli Studi di Perugia

1. INTRODUZIONE

La radiazione solare media incidente in un tipico mese estivo in Italia stimata da un minimo di 110 kWh/m², al nord, a 200 kWh/m² al sud. Tali valori sono sicuramente interessanti in vista di un impiego dell'energia solare  per la climatizzazione estiva.

In diverse Nazioni, quali la Cina, la Spagna e gli Stati Uniti, che presentano analoghi valori di radiazione incidente, si iniziato a sfruttare da diverso tempo l'energia solare quale possibile soluzione per ridurre i consumi di energia elettrica nel settore della climatizzazione estiva. Le ricerche condotte da anni dal Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Universita' degli Studi di Perugia, in collaborazione con il Dipartimento di Fisica Tecnica dell'Universita' di Roma La Sapienza, si prefiggono di ottimizzare la tecnologia per lo sfruttamento dell'energia solare per l'alimentazione di macchine frigorifere ad assorbimento ad uso civile e di diffonderne quindi i vantaggi ed incentivarne l'uso nel nostro Paese. Nel presente lavoro sono descritti brevemente le fasi di avanzamento della ricerca e gli obiettivi per la prosecuzione.

2. L'IMPIEGO DELL'ENERGIA SOLARE PER IL CONDIZIONAMENTO ESTIVO

In diverse parti del globo sono, da anni, in funzione, sistemi per il condizionamento estivo  alimentati ad energia solare.

Ad Hampton, Virginia, ad esempio, analisi sulle performance di collettori solari hanno indicato che l'energia solare puo' provvedere al 57% dell'energia annuale richiesta per il riscaldamento e il condizionamento estivo [1].

In Giappone [2], ricerche sostenute da Nakahara hanno permesso di alimentare un gruppo frigorifero ad assorbimento ad H₂O-LiBr da 7 kW frigoriferi, mediante una superficie solare di captazione di 32 m², dimostrando come l'energia captata sia sufficiente a coprire il fabbisogno termico invernale e il 70% dell'energia necessaria ad alimentare il gruppo frigorifero nelle tipiche giornate estive.

In Cina [3] sono stati installati diversi tipi di collettori per una superficie complessiva di 117 m² per soddisfare i fabbisogni energetici per il condizionamento estivo ed invernale di un albergo. Ad Hong Kong [4] sono stati avviati impianti alimentati con energia solare per il condizionamento di piscine e prigioni con superfici di captazione di oltre 400 m².

Infine, negli ultimi anni, in Germania [5], grazie alla collaborazione dell'Universita' di Berlino, il Press-Information  Centre ha realizzato  un sistema, alimentato con oltre 200 m²,di collettori a tubi evacuati, per il condizionamento estivo dei propri uffici.

Attualmente in Italia non sono presenti impianti di analoghe dimensioni pur essendovi condizioni climatiche ottimali. Il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Universita' di Perugia ha voluto, quindi, avviare uno studio per ottimizzare l'applicazione di tali sistemi nel territorio italiano volendo valutare le prestazioni energetiche di un gruppo frigorifero ad assorbimento alimentato con collettori solari al variare funzionamento dell'impianto stesso e dei parametri ambientali. Durante la prima fase di studio si sono effettuate delle misure volte a valutare le prestazioni di un gruppo frigorifero ad assorbimento di tipo commerciale  per poter progettare e, quindi, realizzare un sistema di alimentazione ad energia solare ottimale.

La seconda fase si incentrata sulla progettazione dell'impianto solare termico attraverso l'impiego di software di simulazione.

3. L'IMPIANTO SPERIMENTALE AD ASSORBIMENTO

Negli ultimi anni, le ricerche della Sezione di Fisica Tecnica del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Universita' degli Studi di Perugia si sono incentrate nello studio di cicli termodinamici inversi per la refrigerazione a basso impatto ambientale [6],[7], con il fine di poter ottimizzare le prestazioni di un impianto per il condizionamento estivo, realizzato presso i propri, laboratori, da integrare con un sistema di alimentazione termica solare. Pertanto, stato installato un impianto sperimentale costituito da una  macchina ad assorbimento a singolo stadio, di fabbricazione giapponese (Yazaki),  ad Acqua e Bromuro di Litio. Allo stato attuale, l'alimentazione termica del gruppo ad assorbimento ottenuta tramite acqua calda riscaldata in un boiler per mezzo di tre resistenze elettriche da 10 kW ciascuna. L'acqua nel boiler, raggiunta la temperatura impostata, viene inviata alla macchina con  portate variabili tra 1000 e 5000 kg/h (in figura 1 riportato uno schema dell'impianto sperimentale).

Figura 1: Schema dell'impianto sperimentale ad assorbimento

Un secondo circuito idraulico esterno convoglia l'acqua raffreddata dall'evaporatore all'utenza frigorifera costituita da tre fan-coil, mentre il sistema di raffreddamento del condensatore e dell'assorbitore viene effettuato tramite l'impiego di una torre evaporativa con portate di acqua variabili tra 5000 e10000 kg/h. Tutto il sistema stato dotato di una serie di sensori per il monitoraggio delle temperature della soluzione nei diversi scambiatori interni alla macchina e per il monitoraggio delle temperature e portate relative ai fluidi termovettori dei circuiti esterni.

In particolare, l'impianto stato realizzato in modo tale da poter riprodurre condizioni operative simili a quelle che  sarebbero imposte se il gruppo frigorifero  fosse alimentato con collettori solari .

Il sistema di monitoraggio e l'impiego di valvole miscelatrici termostatate, infatti, permettono di regolare i diversi parametri dell'impianto in modo da poter variare le temperature e le portate dei diversi circuiti presenti nell'impianto

4. SVILUPPO DELLA RICERCA

La prima fase di studio impiegata per effettuare delle misure volte prettamente a valutare le prestazioni del gruppo frigorifero ad assorbimento dal punto di vista energetico.

La campagna di misurazione stata impostata in modo da poter valutare le condizioni di operativita' del gruppo frigorifero simulando ogni possibile condizione climatica.

Si sono infatti variate le temperature di alimentazione per un range di temperatura comprese tra i 90C e 67C, valore limite per il funzionamento del gruppo frigorifero. Contemporaneamente si sono variate le temperature del fluido termovettore per il raffreddamento del gruppo frigorifero ad assorbimento in modo tale da simulare le tipiche condizioni di operativita' estive (25C-35C). Per ogni combinazione di tali temperature sono state effettuate, infine, una serie di misure al variare  delle portate nei diversi circuiti.

In tabella 1 sono riportate i valori di temperatura e portata medie orarie rilevate durante alcune campagne di misura.

Tabella 1. Valori di temperatura e di portata riscontrati nei diverse componenti dell'impianto

La seconda fase si incentrata, invece, sulla progettazione dell'impianto solare termico attraverso l'impiego di software di simulazione.

I risultati della campagna di misura hanno evidenziato, infatti, la possibilità  di far funzionare la macchina frigorifera anche con temperature inferiori ai 75C senza che si manifestassero evidenti ripercussioni sulle prestazioni energetiche della macchina stessa.

I dati ottenuti dalle misure effettuate sono stati, quindi, impiegati quali input per la simulazione del funzionamento della macchina con dei collettori solari.

I risultati ottenuti dalla simulazione sono stati, infine, impiegati per la definizione delle caratteristiche dell'impianto solare da realizzare da impiegare in fase di progettazione.

I fattori determinanti in fase di simulazione e, quindi, in fase di progettazione, sono stati principalmente la scelta della superficie captante e il volume del serbatoio di accumulo termico. Si pervenuti, infatti, a scegliere una superficie di captazione della radiazione solare non superiore ai 30-35 m², in quanto superfici piu' ampie, per un impiego del gruppo frigorifero esclusivamente durante i mesi estivi, garantirebbero un miglioramento della frazione solare impiegata per l'alimentazione del groppo frigorifero non ammortizzabile economicamente. In particolare, tra le varie tipologie di collettori messi a disposizione sono stati scelti collettori a tubi evacuati (per gli elevati rendimenti anche a temperature elevate) da 2 m² di superficie netta captante in modo tale da formare tre ranghi costituiti ciascuno da tre collettori disposti in serie (figura 2). Il volume del serbatoio di accumulo termico stato sovrastimato, in modo tale da poter variare la quantita' di acqua accumulata ai fini della ricerca. Il volume d''acqua accumulata, infatti parametro fortemente incidente sulle prestazioni energetiche dell'intero sistema impianto solare- gruppo frigorifero. Con tali parametri, i risultati delle simulazioni effettuate mostrano che l'impianto solare in grado di assicurare un valore della frazione solare pari al 30% (percentuale del carico frigorifero garantita dall'energia solare).

Per valutare l'impatto visivo che avranno i collettori una volta istallati sulla copertura dell'edificio  si e' proceduto, infine, ad un'ulteriore analisi attraverso fotomontaggi (fig. 3).

 5. CONCLUSIONI

Gli studi della ricerca del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Perugia si sono incentrati, negli ultimi anni ha avuto quale oggetto lo studio di sistemi ad assorbimento alimentati ad energia solare per il condizionamento estivo. A tal fine stato realizzato un impianto sperimentale per il funzionamento di un gruppo frigorifero ad assorbimento, di fabbricazione commerciale, per studiarne le condizioni di operatività ottimale per essere alimentato con dei collettori solari termici. Una volta individuate tali condizioni, si proceduto alla progettazione dell'impianto. L'impianto, finanziato anche grazie al contributo del Programma Solare termico per Eni Pubblici del Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio, il primo del genere in Italia e sarà avviato entro la fine del mese di giugno 2005.