PAROLE CHIAVE

Sistemi ad assorbimento; raffrescamento solare; applicazioni residenziali; prestazioni.

1. INTRODUZIONE

La domanda di energia per il condizionamento estivo è in continua crescita, non solo nel settore terziario ma anche negli edifici residenziali; la corrispondente richiesta di potenza elettrica può causare fenomeni di sovraccarico nella rete, che deve coprire picchi di consumi sempre maggiori. I sistemi di refrigerazione alimentati con energia termica rappresentano una soluzione affascinante, specialmente quando il calore deriva dall’energia solare o da cascami di altri processi e considerando che per il loro funzionamento non vengono impiegati clorofluorocarburi (CFC), ma fluidi a basso impatto ambientale. Pertanto, lo sviluppo di queste tecnologie può costituire una delle risposte alle problematiche energetico-ambientali legate ad accordi internazionali quali il Protocollo di Kyoto per la riduzione delle emissioni di CO₂, la “United Nations Framework Convention on Climate Change” (FCCC) e il Protocollo di Montreal, il cui obiettivo consiste nell’abbandonare l’uso dei CFC nei cicli frigoriferi.

Le tecnologie più comuni che oggi permettono la generazione di energia frigorifera a partire dal calore possono essere classificate in due categorie: sistemi di raffrescamento a dessiccante, che producono direttamente aria fredda attraverso un ciclo aperto, e macchine alimentate termicamente che forniscono acqua refrigerata [1]. Nell’ambito della seconda soluzione, i gruppi ad assorbimento rappresentano la scelta più ricorrente nelle installazioni fino ad oggi realizzate, sebbene i sistemi ad adsorbimento stiano riscuotendo sempre maggiore interesse. Infatti, le macchine ad adsorbimento garantiscono efficienze più elevate per basse temperature di alimentazione [2], ma devono ancora considerarsi ad uno stadio prototipale.

Gli assorbitori possono essere realizzati con cicli a singolo o a doppio stadio; questi ultimi, a fronte di performance migliori, richiedono temperature del fluido caldo di alimentazione più elevate (tra i 140°C e i 160°C).

L’attenzione del mercato si è ultimamente concentrata principalmente su macchine di piccola taglia, progettate specificatamente per il condizionamento dell’aria in edifici residenziali e che utilizzano calore a bassa temperatura [3, 4, 5, 6, 7 e 8].

Il presente lavoro è finalizzato a fornire una ricognizione di queste soluzioni, con particolare enfasi all’analisi delle prestazioni al variare delle condizioni esterne.

2. L'ALIMENTAZIONE DELLE MACCHINE AD ASSORBIMENTO CON ENERGIA SOLARE

Ad oggi, l’enorme mercato del raffrescamento estivo nel settore residenziale è quasi completamente occupato dagli split e pompe di calore elettrici e (con minor successo) dagli assorbitori a gas.

Le principali problematiche legate al funzionamento degli impianti ad assorbimento alimentati ad energia solare sono:

-        forte dipendenza dai parametri ambientali quali temperatura dell’aria esterna, livello di irraggiamento e velocità del vento;

-        alti costi iniziali;

-        efficacia del contributo solare limitata alle ore centrali della giornata.

E’ inoltre necessario ricordare che l’impianto deve essere collegato ad una torre evaporativa per lo smaltimento del calore ceduto dall’assorbitore e dal condensatore della macchina ad assorbimento; in prima approssimazione, tale contributo è pari alla somma del calore inviato al generatore e dell’energia frigorifera generata nell’evaporatore.

Inoltre, tali tipologie di impianto hanno una caratteristica intrinseca che ne limita l’efficienza complessiva: i cicli ad assorbimento migliorano le performance all’aumentare della temperatura di alimentazione, mentre i collettori solari si comportano esattamente nella maniera opposta, ovvero il loro rendimento decresce con l’incremento della temperatura del fluido che circola all’interno.

Infine, sebbene il carico termico estivo e l’irraggiamento solare si verifichino di norma alla stessa ora del giorno, possono riscontrarsi frequentemente casi in cui i due eventi non siano contemporanei: giorni caldi ma con scarso irraggiamento solare, richieste di condizionamento mattutine o di fine serata, oppure giorni soleggiati in assenza di fabbisogno di raffrescamento.

Le strategie di controllo dovrebbero tendere al raggiungimento dell’efficienza più elevata combinando flessibilità, economicità e facilità di installazione. Si adottano comunemente due modalità di controllo [9]: quella a controllo solare e quella a controllo del freddo. Nel primo approccio, i collettori solari sono collegati direttamente (o tramite uno scambiatore di calore esterno) al generatore della macchina ad assorbimento (Fig. 1); questa soluzione permette il trasferimento diretto alla macchina di tutta l’energia raccolta dai pannelli, senza passare attraverso un serbatoio di accumulo.

Con la scelta di questa alternative, se da un lato si riesce ad alimentare il generatore con calore ad elevate temperature, dall’altro le possibilità di controllo risultano estremamente limitate; infatti, qualsiasi variazione dell’input solare è trasmesso all’acqua refrigerata e quindi all’utenza.

Inoltre, in caso di bassi livelli di irraggiamento solare, si genera un effetto transitorio caratterizzato da continue accensioni e spegnimenti che si traducono in un funzionamento intermittente del ciclo di assorbimento, con conseguente diminuzione di efficienza. L’impianto non segue il fabbisogno di raffrescamento, pertanto, l’applicabilità è ridotta ad utenze che non presentano carichi stazionari.

Nel caso di controllo comandato dal circuito freddo, il sistema nel suo complesso deve assicurare un valore predefinito della potenza frigorifera o della temperatura dell’acqua refrigerata; è quindi necessaria l’installazione di un serbatoio di accumulo del calore tra i collettori solari e la macchina ad assorbimento.

Si garantisce così una prima possibilità di controllo, immagazzinando l’energia quando la produzione supera la richiesta e alimentando allo stesso tempo il generatore alla temperatura desiderata quando la radiazione solare non è sufficiente.

E’ però necessario sottolineare che con questa scelta impiantistica si introducono una serie di perdite: le dispersioni attraverso le pareti del serbatoio e l’energia dissipata nello scambiatore tra circuito solare ed accumulo e nel tratto di circuito che collega quest’ultimo al generatore.

Si può anche installare un accumulo dell’acqua refrigerata, allo scopo di fornire una maggiore inerzia termica al carico frigorifero che l’impianto può erogare, limitando così il funzionamento intermittente della macchina ad assorbimento (Fig. 2).

Le strategie di controllo rivestono un’importanza fondamentale nella gestione dell’impianto in quanto costituiscono il punto di raccordo tra le richieste dell’utenza e le caratteristiche del refrigeratore.

Il loro ruolo consiste nel riuscire a soddisfare i requisiti richiesti all’impianto, ottimizzandone le prestazioni energetiche; per raggiungere questo obiettivo è indispensabile conoscere il comportamento della macchina ad assorbimento al variare delle tre temperature esterne che ne influenzano le prestazioni (potenza frigorifera e COP) nella fase operativa: temperatura del fluido caldo, del fluido refrigerato e del fluido di raffreddamento.

3. I REFRIGERATORI AD ASSORBIMENTO OGGETTO DELL'ANALISI

Il mercato delle macchine frigorifere ad assorbimento di piccola taglia sembra essere scarsamente sviluppato, probabilmente a causa della forte concorrenza dei sistemi a compressione; ciò nonostante, si sono individuate e analizzate cinque differenti soluzioni proposte da costruttori diversi, anche se in qualche caso si tratta di prototipi piuttosto che di prodotti disponibili in commercio.

3.1.  Macchina A

Questa macchina è costituita da due unità separate in cui alloggiano rispettivamente evaporatore-assorbitore e generatore-condensatore (Fig. 3).

All’interno della macchina si realizza il classico ciclo frigorifero ad assorbimento a singolo stadio che utilizza come fluido di lavoro acqua e bromuro di litio; tra il generatore e l’assorbitore è interposto uno scambiatore di calore a piastre rigenerativo. Due pompe elettriche garantiscono la circolazione tra l’assorbitore e il generatore, mentre l’aspirazione dei gas incondensabili è realizzata attraverso una pompa da vuoto. La potenza frigorifera in condizioni prefissate (vedi paragrafo 4) è pari approssimativamente a 11 kW e lo smaltimento del calore avviene attraverso una torre evaporativa da 35 kW [10, 11].

3.2.  Macchina B

La seconda macchina ad assorbimento analizzata presenta caratteristiche costruttive simili alla precedente: segue un ciclo acqua-bromuro di litio a singolo stadio con una sola pompa di soluzione per vincere la differenza di pressione tra assorbitore e generatore, anche in questo caso divisi dal rigeneratore di calore (Fig. 4).

Secondo quanto dichiarato del costruttore, la macchina può lavorare su in intervallo di temperature di alimentazione del generatore che va da 55°C a 105°C; la potenza frigorifera in condizioni fissate è di circa 10 kW ed è necessaria una torre evaporativa da 25 kW per il raffreddamento [12, 13].

3.3.  Macchina C

La caratteristica principale che distingue questa soluzione dalle altre consiste nell’assenza della pompa di circolazione: il flusso della miscela dall’assorbitore al generatore è assicurato dalla pompa a bolle che non necessita di energia elettrica. La macchina lavora con un ciclo acqua-bromuro di litio a singolo stadio usando uno scambiatore di calore a piastre come rigeneratore; la potenza frigorifera in condizioni fissate è pari a 15 kW ed è richiesto l’accoppiamento con una torre evaporativa da 45 kW [14]. Questo modello è stato testato presso i laboratori dell’Università di Perugia, dove è stato installato un campo solare per l’alimentazione della macchina e tutte le apparecchiature sono state dotate di un sistema di misura e monitoraggio (Fig. 5) al fine di valutare l’influenza dei circuiti esterni sul funzionamento complessivo dell’impianto. I dati sperimentali completi, ottenuti in diverse condizioni di esercizio dall’Università di Perugia, sono riportati in [14]; per la presente analisi, tuttavia, sono stati utilizzati solamente i dati forniti dal costruttore.

3.4.  Macchina D

Il quarto campione si differenzia dagli altri per la modalità di realizzazione del generatore: la camera che ospita tale componente ruota ad una velocità di circa 4,3 giri al secondo; secondo il costruttore, tale caratteristica permette l’aumento del trasferimento di massa e calore all’interno del generatore stesso, con conseguente diminuzione della taglia della macchina. Il resto del ciclo segue il normale processo dell’assorbimento con acqua-bromuro di litio a singolo stadio, con un particolare dispositivo di dissipazione, che è del tipo a secco ed è integrato all’interno della macchina (Fig. 6). La capacità frigorifera nominale è pari a circa 5 kW [15].  

3.5.  Macchina E

L’ultimo campione (Fig. 7) funziona con un ciclo ad assorbimento a tre stati impiegando una soluzione ad acqua e cloruro di litio; è notevole la differenza dalle tecnologie ad assorbimento tradizionali, in quanto si opera con un processo a tre fasi (solido, soluzione e vapore). Il funzionamento è di tipo intermittente con due accumulatori in parallelo (barili), ognuno dei quali racchiude un reattore e un sistema condensatore-evaporatore: nel periodo di carica il calore in ingresso è convertito in energia chimica concentrando il sale (LiCl); successivamente, l’effetto frigorifero si ottiene invertendo il ciclo. Entrambe le sequenze necessitano di un sistema di smaltimento del calore, che può consistere in un dispositivo classico di dissipazione quale, ad esempio, una torre evaporativa. La capacità frigorifera nominale è di circa 4 kW [16].

Alcuni gruppi di ricerca e aziende hanno sviluppato altri prototipi di macchine ad assorbimento di piccola taglia; ad esempio, si sta sviluppando un sistema ad assorbimento a singolo effetto ad acqua-ammoniaca con una pompa di soluzione a membrana [17] e che genera una potenza frigorifera tra i 5 e i 20 kW. Per questa macchina, così come per altre non menzionate in questa sede, non si dispone di dati sperimentali e pertanto non sono state incluse nell’analisi, fatta eccezione per la valutazione delle prestazioni riportata in Tab. 1, dove il refrigeratore sopra citato (macchina F) è messo a confronto con gli altri cinque campioni, in condizioni nominali.

Le cinque macchine frigorifere ad assorbimento descritte nel paragrafo precedente sono state messe a confronto impiegando le curve di funzionamento fornite dai costruttori. Le prestazioni sono state valutate in termini di capacità frigorifera e di coefficiente di performance globale (COP, rapporto tra la potenza frigorifera e la somma del calore fornito al generatore sommato all’energia elettrica assorbita). I componenti delle macchine che richiedono input elettrici sono: le pompe fra generatore e assorbitore (ove presenti), le pompe per la circolazione dei fluidi nella torre evaporativa e nel circuito solare, oltre al motore per il ventilatore della torre stessa; per il campione D è necessaria anche energia per la rotazione del generatore. L’impiego di potenza per le pompe dei circuiti esterni è considerato pari a 20 W/kW di fluido trasportato in condizioni nominali (considerando la connessione diretta tra i collettori solari e la macchina ad assorbimento, senza accumulo del freddo, come mostrato in Fig. 1), a cui si sono aggiunti 10 W/kW processati dal motore della torre evaporativa. Tali valori sono mantenuti costanti per tutti i campioni analizzati, così da non influenzare le relative prestazioni [14].

La Tab. 1 riassume i risultati del confronto realizzato imponendo condizioni nominali comuni (tranne che per il campione F); ipotizzando che le macchine siano alimentate ad energia solare, i valori sono fissati come segue:

-        temperatura in ingresso al generatore T_i,g = 85°C;

-        temperatura del fluido refrigerato in uscita dalla macchina T_u,r = 9°C;

-        temperatura del fluido di raffreddamento in uscita dalla torre evaporativa T_u,t = 30°C.

La tabella fornisce anche le dimensioni complessive e il peso di ciascuna macchina, insieme alla capacità frigorifera unitaria intesa come il rapporto tra la potenza frigorifera nominale e il volume del parallelepipedo circoscritto alla macchina stessa. E’ stato scelto il volume come parametro di normalizzazione, considerando che questi dispositivi troveranno applicazione principalmente in edifici residenziali, dove l’occupazione del minor spazio possibile costituisce una caratteristica di importanza rilevante.

E’ stata condotta un’analisi più approfondita variando le tre temperature dei fluidi esterni che transitano all’interno della macchina e valutando conseguentemente il COP e la capacità frigorifera normalizzata. Quando i dati non sono direttamente disponibili, sono state assunte le seguenti ipotesi: se è nota la variazione della potenza frigorifera con la temperatura dell’acqua refrigerata, fissata la temperatura dell’acqua di raffreddamento, l’andamento della potenza frigorifera ad una diversa temperatura di raffreddamento è ottenuto semplicemente attraverso l’impiego di un fattore di scala. Tale fattore è ricavato dall’andamento della potenza frigorifera in funzione della temperatura di raffreddamento, fissata la temperatura dell’acqua refrigerata.

Nelle Figg. 8 e 9 sono riportate rispettivamente la capacità frigorifera normalizzata e il COP globale in funzione della temperatura di uscita del fluido dal circuito di refrigerazione, fissando a 85°C la temperatura di ingresso al generatore e a _u,r ma allo stesso tempo il COP più basso; il campione E presenta la più bassa capacità frigorifera; il COP globale dei campioni A, B, D ed E è molto simile e mostra variazioni limitate con la temperatura del circuito di refrigerazione.

Nelle Figg. 10 and 11 sono riportate rispettivamente la capacità frigorifera e il COP globale in funzione della temperatura in ingresso al generatore, fissando la temperatura di uscita del fluido dal circuito di refrigerazione a 11°C e la temperatura di uscita del fluido di raffreddamento dalla torre evaporativa a _u,r si rinnovano per gli andamenti in funzione di T_i,g; la capacità frigorifera normalizzata dei campioni B e D sembra raggiungere valori più elevati degli altri due assorbitori, mentre il campione E conferma le sue performance meno brillanti; il COP globale sembra essere scarsamente influenzato dalla temperatura in ingresso al generatore, entro i limiti di funzionamento delle macchine.