Il Solar Cooling nel condizionamento civile: caso di studio lorenzo patroncini

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Here are presented the results of my bachelor dissertation, about Solar Cooling in buildings.
The 'solar cooling plant, literally "solar cooling", is a plant that allows, through the absorber, or desiccant wheel, the transformation of heat captured by solar collectors in chilled water for summer cooling of buildings.
The dominant technology for producing the cold source is solar absorption. Absorption chillers are commercially available for many years, especially in combination with cogeneration or waste heat that would otherwise be lost. For air conditioning applications, the absorption chillers use as the fluid mixture of water-lithium bromide with water as coolant. Clearly, these systems can not produce cooling below 0 C °.
In this work are described the technologies involved in a SC plant, and then an example is designed for a call center application, with the optimal design given by 48 Solarbayer plane solar absorbers with a Yazaki WSC-FC 10 absorption machine.
Figures of economical performance are given, as well as energetic analisys.

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Il Solar Cooling nel condizionamento civile: caso di studio lorenzo patroncini

  1. 1. UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DELL’ AQUILA FACOLTA’ DI INGEGNERIA Dipartimento di Meccanica, Energetica e Gestionale Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica IL SOLAR COOLING NEL CONDIZIONAMENTO CIVILE Dimensionamento di un impianto a collettori solari piani abbinato ad una macchina ad assorbimentoLaureando: Relatore:Lorenzo Patroncini Chiar.mo Prof. Antonio Ponticiello Anno Accademico 2009-2010
  2. 2. DL 211 ALLEGATO 3 Nel caso di edifici nuovi o edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti, gli impianti di produzione di energia termica devono essere progettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto della copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei consumi previsti per l’acqua calda sanitaria e delle seguenti percentuali della somma dei consumi previsti per l’acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento: c) il 50 per cento … dal 1 gennaio 2017. Anno Accademico 2009-2010
  3. 3. INTRODUZIONE L’edilizia rappresenta uno dei settori di consumo energetico dominanti nelle società industrializzate. In Europa circa il 40% del consumo di energia primaria è dovuta agli impianti installati negli edifici, privati e commerciali, per applicazioni quali riscaldamento e condizionamento, illuminazione … Negli ultimi decenni il consumo di energia per il condizionamento è cresciuto notevolmente, a causa della maggior richiesta di confort termico e dei trend architettonici (superfici vetrate) Anno Accademico 2009-2010
  4. 4. INTRODUZIONE Esistono molte tecnologie di risparmio energetico e/o di produzione di energia da fonti rinnovabili, (cogenerazione, pompe di calore, solare termico, fotovoltaico…), per altro tutte incentivate in varia misura Il fabbisogno termico di un edificio (riscaldamento e acqua calda sanitaria), è però in controtendenza rispetto alla radiazione solare disponibile Anno Accademico 2009-2010
  5. 5. INTRODUZIONE Anno Accademico 2009-2010
  6. 6. IL SOLAR COOLING Il solar cooling, letteralmente “raffrescamento solare”, è un’applicazione impiantistica che permette tramite macchine tipicamente ad assorbimento l’utilizzo del calore captato dai collettori solari per produrre acqua o aria refrigerata per la climatizzazione degli edifici Anno Accademico 2009-2010
  7. 7. IL SOLAR COOLING Il solar cooling consente così di avvicinare le due curve garantendo, oltre ad un migliore sfruttamento della radiazione solare, una maggiore efficienza energetica dell’edificio, e permetterebbe , se ampiamente diffuso, di ridurre notevolmente il picco di energia richiesta nel periodo estivo dai sistemi di condizionamento dell’aria. Anno Accademico 2009-2010
  8. 8. INTEGRAZIONE Anno Accademico 2009-2010
  9. 9. IL SOLAR COOLING Il solar cooling, letteralmente “raffrescamento solare”, è un’applicazione impiantistica che permette tramite macchine ad assorbimento l’utilizzo del calore captato dai collettori solari per produrre acqua o aria refrigerata per la climatizzazione degli edifici Anno Accademico 2009-2010
  10. 10. CASO DI STUDIO Call center Posizione : Pescara 14 m x 20 m = 280 m2 Esigenze particolari per il condizionamento Anno Accademico 2009-2010
  11. 11. CASO DI STUDIO Affollamento elevato : fino a 60p/100m2 Alta densità di pc e attrezzature elettroniche Possibilità di 3 turni giornalieri, 24h/24, 7g/7 350000 kWh frigoriferi / anno Anno Accademico 2009-2010
  12. 12. LA MACCHINA FRIGORIFERA Il carico termico può essere soddisfatto da una macchina frigorifera di circa 40kW di potenza Yazaki WFC – SC 10 Sarà necessario anche un sistema di back up Anno Accademico 2009-2010
  13. 13. MACCHINE ADASSORBIMENTO H2O - BrLi Anno Accademico 2009-2010
  14. 14. H2OIL 0 + BrLi 2H SOLAR COOLING H20 + BrLi H20 + BrLi Anno Accademico 2009-2010
  15. 15. COP  Bilancio  Cop  Tg → ∞, cop ciclo di Carnot inversoAnno Accademico 2009-2010
  16. 16. EXERGIA E = Q * ( 1 – TA / TQ ) Qualità di energia diversa rispetto ad un ciclo a compressione di vapore (exergia pura) COP / E simile per macchine a funzionamento diverso Anno Accademico 2009-2010
  17. 17. COP Il solar cooling consente così di avvicinare le due curve garantendo, oltre ad un migliore sfruttamento della radiazione solare, una maggiore efficienza energetica dell’edificio, e permetterebbe , se ampiamente diffuso, di ridurre notevolmente il picco di energia richiesta nel periodo estivo dai sistemi di condizionamento dell’aria. Anno Accademico 2009-2010
  18. 18. MACCHINE AD ASSORBIMENTO H2O - BrLi Riduzione dei costi energetici Ridottissimi consumi di en elettrica Installazione all’aperto Elevata affidabilità e ridotta manutenzione Limitato impatto ambientale Parzializzazione e controllo modulare Contro: costo elevato, torre evaporativa onerosa Anno Accademico 2009-2010
  19. 19. SCELTA DEI COLLETTORI Sia i collettori solari termici sottovuoto che quelli piani riescono a soddisfare la richiesta di calore della macchina ad assorbimento Piani: più economici; T più bassa; minore resa invernale Sottovuoto: più costosi; più delicati; T più alte; maggiore resa invernale  L’analisi economica dà la scelta ottimale Anno Accademico 2009-2010
  20. 20. PREDIMENSIONAMENTO In letteratura viene proposta la “regola di prima approssimazione”(Rule of Thumb). Essa calcola larea specifica Aspec dei collettori in m2 per kW della macchina frigorifera, data la radiazione solare totale normale Gn, il cop e lefficienza del collettore ηcoll Si prescinde quindi dall’analisi economica e dal carico termico Aspec= 1000 / (Gn * ηcoll * cop ) Anno Accademico 2009-2010
  21. 21. f - CHART Il metodo è fondato sulla determinazione dell’aliquota f del fabbisogno mensile coperto dall’impianto solare. La parte eccedente dovrà essere invece integrata da un sistema ausiliario Sviluppato nell’ambito del solare termico tradizionale (acs e riscaldamento) ne esiste una versione modificata per il solar cooling Pregi: accuratezza, facilità di utilizzo Anno Accademico 2009-2010
  22. 22. f - CHART Q frig, out, m = f * Q frig , m Q frig , m è il carico frigorifero mensile (kWh)f = f ( a0 , a1 , … , an , X , Y ) Anno Accademico 2009-2010
  23. 23. f - CHART COP A FrU L (Tref - Ta ) h mX Qfrig, m 1000 COP A Fr ( ) h m ImY Qfrig, m 1000 Anno Accademico 2009-2010
  24. 24. EQUAZIONE DI BLISS q u =Fr·[(τα)·Iβ -UL·(ti –ta)] , potenza termica utile trasferita al fluido termovettore Fr = fattore di rimozione termica, definito come il rapporto fra la qu effettiva (con tp>ta ) e quella che si avrebbe se fosse possibile trasferire il calore della piastra al fluido senza differenze finite di temperatura Iβ , potenza termica complessiva incidente sulla superficie inclinata del pannello solare (Im media mensile (W/m2 ) Anno Accademico 2009-2010
  25. 25. EQ BLISS UL , ( W/m3 C) coeff complessivo di dispersione termica (τα) , prodotto coefficienti trasmissione e assorbimento, rappresenta l’aliquota di energia termica proveniente dal sole che viene assorbita dalla piastra nera. Esso dipende dalle caratteristiche di assorbimento, di riflessione e di trasmissione del sistema vetro-piastra Anno Accademico 2009-2010
  26. 26. η PANNELLO η = q u / Iβ =Fr·(τα) - Fr· UL·(ti-ta) / Iβ Sottovuoto, Koblen sky 21cpc 58 , Fr·(τα) = 0.51 Fr· UL = 1.09 Piani, Solarbayer premium plus , Fr·(τα) = 0.69 Fr· UL = 3.8 Anno Accademico 2009-2010
  27. 27. X-YY X Anno Accademico 2009-2010
  28. 28. f - CHARTX Y f Qfrig,out,m 0,95 0,50 27,2% 8095 0,95 0,56 31,0% 8324 0,92 0,71 41,7% 12400 0,88 0,79 48,2% 13889 0,83 0,98 62,0% 18449 0,79 0,93 59,0% 16984 0,77 0,93 59,0% 17558 0,77 1,02 65,7% 19564 0,81 1,03 66,3% 19094 0,85 0,76 46,4% 13819 0,90 0,60 34,2% 9850 0,94 0,52 28,6% 8509 47,4% Anno Accademico 2009-2010 166535
  29. 29. f - CHARTAnno Accademico 2009-2010
  30. 30. ANALISI ECONOMICA: IPOTESI Cop costante nel tempo Lavoro su 2 – 3 turni Durata dell’investimento 10 anni Incentivi statali del 55% in 10 anni Costo dell’assorbitore 27000 € Costo dell’impianto: 700€/m2 Anno Accademico 2009-2010
  31. 31. ANALISI ECONOMICA Variando il numero dei pannelli si cerca il massimo Tir Al crescere di N crescono il risparmio annuo, gli incentivi e il costo d’investimento Successivamente si ottimizza la scelta Il foglio elettronico fornisce quindi questi indici economici: PbP semplice, Van, Tir, Ip Anno Accademico 2009-2010
  32. 32. ANALISI ECONOMICA: CONFIGURAZIONE SCELTA N = 48 Costo d’investimento: 127000 € Frazione solare annua f : 47% Risparmio annuo (su bolletta) : 13300 € Tir : 24 % PbP : ≈ 7 anni Van 10 anno: 58000 € calcolo sc solarbayer 48 moduli.xlsm Anno Accademico 2009-2010
  33. 33. ANALISI ECONOMICA Anno Accademico 2009-2010
  34. 34. ANALISI ECONOMICA Conviene sfruttare il più possibile l’impianto, 24h/24 con un accumulo adeguato (100 l/m2, 3 accumuli da 5000 l ) I collettori sottovuoto, seppur più efficienti (N più basso a parità di f) non permettono di far rientrare l’investimento in 10 anni a causa dell’alto costo Anno Accademico 2009-2010
  35. 35. AN SENSIBILITA’:COSTO ENERGIA Anno Accademico 2009-2010
  36. 36. CONSIDERAZIONI Il solar cooling è una tecnologia sempre più diffusa Il costo d’investimento è facilmente recuperabile se l’impianto è di una certa dimensione E’ prevedibile una sensibile riduzione dei costi per le economie di scala Gli incentivi sono ancora indispensabili per il ritorno economico dell’investimento Anno Accademico 2009-2010
  37. 37. IL SOLAR COOLING NELCONDIZIONAMENTO CIVILE grazie per l’attenzione Anno Accademico 2009-2010

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