La climatizzazione ad energia solare
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La climatizzazione ad energia solare
Paolo Colaiemma
maya@maya-airconditioning.com
Recentemente è stata messa sul mercato
una nuova serie di macchine frigorifere
ad assorbimento di piccola potenza,
alimentate ad acqua calda, impieganti
come fluido di lavoro una soluzione di
acqua e bromuro di litio. Le nuove unità
sono state concepite per l’utilizzo di
calore a bassa temperatura, con
applicazioni tipiche in impianti di
climatizzazione ambientale.
La temperatura dell’acqua calda richiesta
dal ciclo ad assorbimento è compresa tra
70 °C e 95 °C. L’acqua refrigerata è
prodotta ad una temperatura minima di
5,5 °C, temperatura particolarmente
idonea quindi ai processi di
condizionamento dell’aria. La
dissipazione del calore dal circuito è
ottenuta con la circolazione di acqua
negli scambiatori dell’assorbitore e del
condensatore. La serie delle nuove
macchine comprende cinque unità di
potenza frigorifera nominale
rispettivamente di 17,6 kW, 35 kW, 70
kW, 105 kW e 176 kW. Essendo
macchine modulari compatibili tra di loro
possono essere installate in più unità
combinate per coprire diversi livelli di
potenza.
Il presente lavoro è articolato sull’analisi
dei vari aspetti tecnici di questa
particolare serie di macchine.
Sono dapprima richiamati i principi del processo termodinamico, denominato ad assorbimento; indi
elencati i dati peculiari delle macchine ed illustrate le loro caratteristiche di funzionamento; si
forniscono poi utili suggerimenti sulla loro più idonea utilizzazione in impianti solari; vengono
infine riportate alcune considerazioni sull’impiego degli assorbitori per questa particolare
applicazione.
Principio di funzionamento dei gruppi ad assorbimento
Il principio di funzionamento dei gruppi analizzati è illustrato nella figura 1, in cui vengono
schematizzati i componenti principali della macchina e le varie fasi del processo.
Generatore
L’acqua di alimentazione riscalda, portandola all’ebollizione, la soluzione diluita di acqua e
bromuro di litio contenuta nel generatore. L’ebollizione libera vapore acqueo (refrigerante) e
concentra la soluzione di bromuro di litio. Questa viene raccolta e pre-raffreddata, passando
attraverso lo scambiatore di calore, prima di venire immessa nell’assorbitore.
Condensatore
Il vapore refrigerante perviene al condensatore dove condensa sulla superficie delle serpentine del
circuito di raffreddamento.
Il calore di condensazione è rimosso dall’acqua di raffreddamento ed espulso, normalmente
attraverso una torre evaporativa. Il liquido refrigerante, raccolto nel condensatore, passa quindi
nell’evaporatore attraverso un’apposita apertura.
Evaporatore
La pressione esistente nell’evaporatore è assai più bassa di quella del generatore e del condensatore
per l’influenza esercitata dall’assorbitore. Per questo motivo il liquido refrigerante, una volta entrato
nell’evaporatore, bolle ed assorbe calore evaporando sulla superficie della serpentina del circuito
dell’acqua da refrigerare.
Il vapore refrigerante ottenuto fluisce quindi nell’assorbitore.
WFC SC 30 Bilancio terrmico
Calore kW kW
Vapore
Generatore in 150,6
Condensatore out 122,2
Evaporatore in 105,0
Separatore
Assorbitore out 133,4
56% LiBr 255,6 255,6
Acqua
di raffreddamento
Acqua
calda Condensatore
Acqua
Il vapore caldo viene raffreddato
Generatore
e condensato (29-35 °C)
All’interno del generatore Scambiatore
la soluzione diluita di di calore
LiBr al 52% è portata
all’ebollizione. Il vapor Vapore
8 kPa
d’acqua prodotto fluisce al
condensatore ed il Orifizio
0.7 kPa
separatore convoglia la
restante soluzione Acqua Acqua
52% LiBr
concentrata al 56% di raffr. refrigerata
all’assorbitore, attraverso
lo scambiatore di calore.
Il processo è endotermico Pompa di
(79-88 °C) soluzione Assorbitore Evaporatore
Il vapore prodotto viene L’acqua depressurizzata
assorbito dalla soluzione evapora a contatto con le
concentrata di LiBr, con serpentine dell’acqua da
processo esotermico refrigerare. Ciò crea l’effetto
(29-35 °C) frigorifero (5-7 °C)
Figura 1 - Ciclo frigorifero ad assorbimento e bilancio termico
Assorbitore La bassa pressione nell’assorbitore è dovuta all’affinità chimica fra la soluzione concentrata di bromuro di litio proveniente dal generatore ed il vapore acqueo che si forma nell’evaporatore. Il vapore refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio, mentre quest’ultima lambisce la superficie della serpentina dell’assorbitore. Il calore di condensazione e di diluizione è rimosso dall’acqua di raffreddamento. La soluzione diluita di bromuro di litio è poi pre-riscaldata nello scambiatore di calore prima di ritornare nel generatore. Bilancio termico Allo scopo di quantificare le varie potenze in gioco, nel riquadro di figura 1) vengono riportati i valori caratteristici del bilancio termico del ciclo riferiti al modello da 105 kW frigoriferi nominali. E’ opportuno tener presente che la quantità di calore da smaltire in ambiente esterno risulterà, ovviamente, la somma di quella di alimentazione, pari a 150,6 kW, più quella assorbita dall’ambiente da refrigerare pari a 105 kW, in totale quindi 255,6 kW. Il rapporto tra la potenza dissipata e quella frigorifera prodotta è pari a 2,43. Ciò significa che per ogni kW frigorifero prodotto si dovranno smaltire nell’ambiente 2,43 kW termici. Il rapporto tra la potenza frigorifera erogata dalla macchina, pari a 105 kW, e quella termica fornita alla stessa, pari a 150,6 kW, quantifica le sue prestazioni. Il valore di efficienza del gruppo, denominato COP (Coefficient Of Performance) è, nel caso in esame, pari a 0,7. In altri termini per produrre 1 kW frigorifero saranno necessari 1,43 kW termici.. Specifiche tecniche Nella tabella 1 vengono riportate le specifiche tecniche degli assorbitori presi in esame. Le potenze frigorifere nominali per le cinque unità proposte sono rispettivamente di 17,6 kW, 35 kW, 70 kW, 105 kW e 176 kW. L’acqua refrigerata è prodotta a 7 °C e con ritorno alla macchina a 12,5 °C. È possibile variare la temperatura di erogazione tra un minimo di 5,5 °C ed un massimo di 15,5 °C, fermo restando il valore di salto termico fra la temperatura di mandata e quella di ritorno di 5,5 °C. La potenza da dissipare è rispettivamente di 42,7 kW, 85,4 kW, 171 kW, 256 kW e 428 kW con temperature dell’acqua di raffreddamento in uscita di 35 °C e di ingresso alla macchina di 31 °C. La potenza assorbita è nell’ordine pari a 25,1 kW, 50,2 kW, 100,4 kW, 150,6 kW e 252 kW con temperature di lavoro di 88°C in entrata e di 83°C in uscita. L’intervallo delle temperature dell’acqua di alimentazione utilizzabile è compreso tra i 70 °C ed i 95°C. Le prestazioni delle macchine risulteranno ovviamente influenzate dal livello di temperatura utilizzato, come appare evidente dall’analisi delle curve di funzionamento appresso riportate. Da notare la ridottissima potenza elettrica assorbita per l’azionamento delle unità rispettivamente pari a 48 W, 210 W, 260 W, 310 W e 590 W . Questi valori, ovviamente, non tengono conto della potenza elettrica richiesta per il funzionamento delle apparecchiature di circolazione dei fluidi di lavoro (acqua di alimentazione ed acqua refrigerata) e per lo smaltimento del calore (acqua di raffreddamento). Curve caratteristiche di prestazione Le prestazioni di ogni singola macchina vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche. Nella figura 2) sono illustrate quelle dell’unità WFC-SC 30. Per le stesse varranno le seguenti considerazioni, valide peraltro per tutta la gamma delle apparecchiature. Tenendo fissa la temperatura dell’acqua refrigerata prodotta, pari a 7 °C, la potenza frigorifera erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell’acqua di raffreddamento o meglio di dissipazione e dalla temperatura dell’acqua di alimentazione.
WFC WFC WFC WFC WFC
Modello
SC 5 SC 10 SC 20 SC 30 SC 50
Potenza frigorifera kW 17,6 35,2 70,3 105,6 175,8
Ingresso °C 12,5
Temperatura
Acqua refrigerata
Uscita °C 7
Perdite di carico kPa 52,6 56,1 65,8 70,1 40,2
Pressione massima di
kPa 588
lavoro
Portata nominale l/s 0,77 1,53 3,06 4,58 7,64
Volume serpentine l 8 17 47 73 120
Potenza dissipata kW 42,7 85,4 170,8 256,2 427
Ingresso °C 31
Acqua raffreddamento
Temperatura
Uscita °C 35
Perdita di carico kPa 38,3 85,3 45,3 46,4 41,2
Fattore sporcamento
0,086
M2hr°K/kW
Pressione massima di
kPa 588
lavoro
Portata nominale l/s 2,55 5,1 10,2 15,3 25,5
Volume serpentine l 37 66 125 194 335
Potenza assorbita kW 25,1 50,2 100,4 150,6 251
Ingresso °C 88
Temperatura Uscita °C 83
Acqua calda
Range °C Minimo 70 – Massimo 95
Perdita di carico kPa 95,8 90,4 46,4 60,4 85,2
Pressione massima di
kPa 588
lavoro
Portata nominale l/s 1,2 2,4 4,8 7,2 12
Volume serpentine l 10 21 54 84 170
220V
Alimentazione elettrica 1 fase 400V 3 fasi 50Hz
Alimentazione
50Hz
elettrica
Potenza assorbita W 48 210 260 310 590
Intensità di corrente A 0,22 0,43 0,92 1,25 2,6
Controllo Refrigerazione ON - OFF
Larghezza mm 594 760 1.060 1.380 1.785
Dimensioni Profondità mm 744 970 1.300 1.545 2.060
Altezza (compresa piastra
mm 1786 1.983 2.116 2.130 2.223
di fissaggio / vite di livel.)
A vuoto kg 365 500 930 1.450 2.100
Peso
In esercizio kg 420 604 1.156 1.801 2.725
Rumorosità Livello sonoro dB(A) a 1 metro 46 46 49 46 57
Circuito acqua refrigerata mm 32 40 50 50 80
Diametro
Circuito acqua di
tubazioni (A) mm 40 50 50 65 80
raffreddamento
Circuito acqua calda mm 40 40 50 65 80
Impermeabile idoneo ad installazione all’aperto,
Armadio dotato di pannellature di acciaio zincato verniciato
color alluminio.
Tabella 1 - Specifiche tecniche degli assorbitori considerati
160
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
140
Potenza frigorifera erogata kW
120 2 7 °C
2 9 . 5 °C
100
3 1°C
80
3 2 °C
Standard point
60
Uscita acqua refrigerata 7°C
40
20
0
65 70 75 80 85 90 95 100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
250
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
200
Potenza termica assorbita kW
27°C
29.5°C
150
31°C
32°C
100
Standard point
Uscita acqua refrigerata
7°C
50
0
65 70 75 80 85 90 95 100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
1,1
Fattore di penalizzazione della potenza erogata
1
0,9
Standard point.
Uscita acqua refrigerata
7°C
0,8
0,7
0,6
0 20 40 60 80 100 120
Variazione portata acqua calda %
Figura 2 - Curve caratteristiche di prestazione dell’ assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW
Si otterranno valori di potenza più elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell’acqua di raffreddamento oppure aumentando quella di alimentazione. La temperatura dell’acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere sotto il valore di 24 °C per evitare fenomeni di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata, nel caso di utilizzo di torri evaporative, dalla temperatura a bulbo umido dell’aria esterna, caratteristica della località d’installazione. La temperatura dell’acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 °C, per motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto della macchina pari a 100 °C. Essa, peraltro, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti flessioni di potenza. Da ultimo è stato illustrato sempre nella figura 2) l’andamento del fattore di penalizzazione della potenza frigorifera per riduzione della portata dell’acqua di alimentazione, fermi restando i rimanenti parametri caratteristici di funzionamento. I valori ottenibili dai grafici illustrati nella figura 2) possono essere utilizzati per ipotizzare differenti condizioni di funzionamento della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere considerati solamente indicativi. Per quanto riguarda le curve caratteristiche di prestazione delle altre unità della serie si rimanda al sito www.maya-airconditioning.com Schemi di impianto di climatizzazione solare Nelle figura 3) è illustrato uno schema di impianto di climatizzazione a collettori solari ed assorbitore. La soluzione proposta è stata adottata nella pratica con risultati assai soddisfacenti. Il circuito solare risulta di tipo aperto (drain-back) allo scopo di permettere lo svuotamento dei collettori ogni qual volta la pompa P4 del relativo circuito si ferma. Ciò è essenziale per evitare danni per innalzamento di pressione o congelamento del fluido termovettore nelle piastre captanti. Le valvole rompivuoto e di sfiato sono necessarie per una efficiente operatività dei collettori. Esse, infatti, devono provvedere rapidamente e consistentemente all’ingresso ed alla fuoriuscita dell’aria durante le operazioni di svuotamento e di riempimento dei collettori. Un funzionamento improprio di tali componenti può causare, in molte circostanze, l’ebollizione del liquido termovettore nelle piastre captanti. Nello scambiatore di calore, il circuito associato ai collettori risulta a bassa pressione. L’altro circuito, quello connesso al serbatoio d’accumulo, è viceversa a pressione di rete. I controlli addizionali suggeriti nello schema prevedono che la pompa P4 operi allorchè la temperatura T3 risulti di circa 3 °C superiore a quella T2, rendendo in tal modo proficua l’operatività del sistema. Allorché la temperatura T2 supera la temperatura T1, viene azionata la pompa P5 e l’energia termica captata viene così trasferita al serbatoio d’accumulo. La pompa P3 provvede all’alimentazione dell’assorbitore (in figura contrassegnato con la sigla WFC SC). Nel caso la temperatura T1 risulti insufficiente a fornire l’energia termica richiesta dall’assorbitore, o a provvedere compiutamente al riscaldamento, la valvola a tre vie 3V devierà il flusso del fluido termovettore alla caldaia ausiliaria, con il conseguente azionamento della stessa. Se è richiesto solamente riscaldamento, la valvola V2 circuiterà ovviamente l’assorbitore. Da ultimo va notato che lo schema non riporta alcun dettaglio relativo alle apparecchiature di controllo e di regolazione del sistema.
La figura 4) illustra uno schema di impianto di climatizzazione solare, che si differenzia dal precedente essenzialmente per due motivi. Il primo è costituito dal circuito solare che in questo caso è di tipo chiuso, cioè non a svuotamento. Il secondo invece è dato dal sistema di smaltimento del calore operato mediante l’impiego di acqua a perdere. Come è noto negli impianti solari a circuito chiuso il fluido termovettore è normalmente costituito da acqua miscelata a liquido antigelo. Ciò si traduce in un incremento della portata della miscela necessario per il trasferimento del calore e conseguentemente in un dimensionamento di pompe più capaci. L’impianto risulta a circolazione forzata, quindi a pressione con l'adozione di un vaso di espansione chiuso a membrana. La circolazione è effettuata, in figura, tramite la pompa P4. Per quanto riguarda il raffreddamento con acqua a perdere, anche nel caso di acqua prelevata da roggia o da fiume, la cui disponibilità in linea teorica, risulta essere illimitata, sussistono problemi di approvvigionamento e di inquinamento termico, come di seguito precisato. E’ comunque indispensabile tener presente che gli assorbitori in esame, come già precedentemente segnalato, impongono temperature di condensazione comprese tra i 24 °C ed i 31 °C. Per contro la temperatura di prelievo dell’acqua a perdere è, normalmente compresa, tra i 12 °C ed i 18 °C. Si dovrà, quindi, miscelare parte dell’acqua ambiente, a temperatura inferiore, mediamente a 15 °C, con acqua ricircolata dallo scambiatore a temperatura superiore, mediamente a 32 °C, mediante azionamento della valvola V4 di figura. Figura 3 - Schema di impianto di climatizzazione solare a vaso aperto con condensazione operata mediante torre evaporativa
Il sistema di regolazione Di seguito, con riferimento agli schemi di figure 3) e 4), viene illustrato il sistema di controllo del funzionamento delle macchine. Nella tabella delle specifiche tecniche sono riportate le funzioni di regolazione ON-OFF. Nella modalità ON un termostato (WT1) posizionato sulla mandata dell’acqua refrigerata comanda, in funzione della temperatura di questa, la pompa dell’acqua calda di alimentazione. Le temperature standard di regolazione sono le seguenti: • avvio della pompa dell’acqua calda alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita dalla macchina di 10,5 °C; • arresto della stessa pompa alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita di 6,5 °C. Le temperature sopra indicate (set point) possono essere modificate, senza peraltro alcuna possibilità di cambiamento del differenziale di temperatura delle stesse. Questa caratteristica permette di impostare sulle unità una regolazione a step control fissando differentemente in cascata i set point delle singole macchine in installazioni di più unità combinate; l’utilizzo dei gruppi può così essere modulato in funzione delle variazioni del carico. Per la refrigerazione la macchina richiede l’operatività della pompa P1 dell’acqua refrigerata, della pompa P2 dell’acqua di raffreddamento e della pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione. Nel normale funzionamento la pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione e la pompa P2 dell’acqua di raffreddamento operano comandate dal termostato (WT1), posizionato sull’uscita dell’acqua refrigerata. Figura 4 - Schema di impianto di climatizzazione solare a vaso chiuso con condensazione operata mediante acqua a perdere
Di conseguenza se la temperatura dell’acqua refrigerata si abbassa sino a valori di 6,5 °C o meno, le pompe P2 e P3 vengono disattivate. La pompa P1 dell’acqua refrigerata, viceversa, rimane operativa e di conseguenza provvede alla domanda variabile del sistema di climatizzazione. Se la temperatura dell’acqua refrigerata mossa dalla pompa P1 sale a 10,5 °C le pompe P2, P3 si riavviano automaticamente. L’operatività della macchina verrà così pienamente ristabilita. Può quindi affermarsi che l’unità in realtà non è mai stata messa fuori servizio dal termostato (WT1); essa è stata semplicemente esclusa dall’alimentazione, assecondando il carico di refrigerazione richiesto dal sistema. Con la macchina fuori servizio OFF, con segnalazione STOP sul pannello di controllo della CPU, anche la pompa P1 cessa di operare. Tale stato consiste ovviamente nella completa inattività di funzionamento dell’unità. Lo smaltimento del calore Come sopra accennato per la corretta funzionalità della macchina è necessario, smaltire in ambiente esterno una quantità di calore somma di quello di alimentazione della macchina stessa, più quello assorbito nella refrigerazione. Nel caso dell’unità in esame WFC-SC 30 la potenza da dissipare risulterà pari a 256,6 kW somma di quella di alimentazione pari a 150,6 kW e di quella assorbita nella refrigerazione pari a 105 kW. Un sistema comunemente utilizzato per rigettare calore in atmosfera è quello di predisporre ampie superfici di scambio termico con l’aria ambiente, in modo che questa, sempre che si trovi ad una temperatura inferiore, lo possa sottrarre alla macchina. Detto sistema di raffreddamento è detto ad aria od anche a secco. Quando l’aria ambiente non è sufficientemente fredda, oppure per diminuire le superfici di scambio, il calore può essere smaltito anche utilizzando acqua, prelevandola relativamente fredda dall’ambiente esterno (roggia, pozzo, fiume e così via) e restituendola poi più calda allo stesso ambiente esterno. Il raffreddamento ad acqua è più efficiente di quello ad aria, sia perché l’acqua è di solito a temperatura inferiore di quella dell’aria, sia perché il suo coefficiente di scambio termico è più elevato. Per contro l’acqua risulta meno conveniente per i suoi alti costi ed il suo impiego è sempre meno consentito dalle amministrazioni locali per le implicazioni ambientali connesse all’inquinamento termico delle acque pubbliche. Torri Evaporative Per il rigetto del calore generato negli assorbitori, che utilizzano quale fluido di lavoro una miscela di acqua e bromuro di litio, sono normalmente impiegate torri evaporative. La loro adozione è dovuta principalmente al basso livello delle temperature di smaltimento imposto dall’assorbitore (31-35 °C). Il funzionamento delle torri evaporative è basato sull’utilizzazione del calore latente di evaporazione dell’acqua. Mettendo a contatto nella torre una portata d’acqua, finemente suddivisa, con una corrente d’aria, una piccola quantità di acqua viene assorbita per evaporazione dalla corrente d’aria, sottraendo il suo calore latente di evaporazione all’acqua restante. L’acqua uscente dalla torre sarà appena un po’ meno in quantità, ma sensibilmente più fredda di quella inizialmente entrante, ed il calore sottratto, come calore latente di evaporazione, risulterà disperso nell’ambiente, sotto forma di vapore acqueo contenuto nella corrente d’aria uscente, la cui umidità sarà, pertanto, aumentata rispetto all’aria entrante, normalmente sino alla saturazione.
Il calore sottratto all’acqua non dipende dalla temperatura a bulbo secco dell’aria entrante, ma solamente da quella a bulbo umido. Ciò risulta importante in quanto, per umidità relativa inferiore al 100%, la temperatura a bulbo umido è inferiore a quella a bulbo secco (ad esempio con bulbo secco di 32 °C ed umidità relativa pari al 52%, il bulbo umido è solo a 24 °C) e nei processi di raffreddamento ci si può avvicinare a temperature sensibilmente inferiori rispetto a quelle ottenibili utilizzando sistemi a secco. La caratteristica peculiare delle torri evaporative è che il raffreddamento è ottenuto a spese di un modesto consumo d’acqua (qualche % della portata in circolo), ma con un consumo di energia ridotto rispetto ad un equivalente raffreddamento ad aria. Il consumo d’acqua in una torre evaporativa è dato dalla somma di quello per evaporazione, di quello per trascinamento delle gocce d’acqua nell’aria uscente (di solito nell’ordine dello 0,002% della portata d’acqua circolante) e di quello di spurgo, variabile in funzione della qualità dell’acqua utilizzata, con valori compresi fra il 30 ed il 100% del consumo d’acqua per evaporazione. Per quanto riguarda lo spurgo va precisato quanto segue. La continua evaporazione dell’acqua provoca un progressivo aumento, nell’acqua rimasta, della concentrazione di sali ed altre impurità, anche di quelle assorbite dall’aria ambiente. Se non controllata, la concentrazione nell’acqua di ricircolo di sali ed altri solidi disciolti aumenta molto rapidamente provocando incrostazioni depositi e corrosioni, che pregiudicano il corretto funzionamento e la durata delle apparecchiature utilizzate. Per limitare l’aumento di dette concentrazioni occorre effettuare uno spurgo, vale a dire uno spillamento continuo realizzato a mezzo di una saracinesca posta possibilmente sulla tubazione di entrata dell’acqua nella torre. Nella tabella 2) sono riportate le specifiche tecniche delle torri evaporative da utilizzare in accoppiamento agli assorbitori considerati nel presente lavoro. Allo scopo di fornire un’idea dei valori in gioco, varrà segnalare che per l’assorbitore WFC-SC 30, preso in esame, i valori massimi relativi ai consumi d’acqua risultano i seguenti: per evaporazione: 402 l/h; per trascinamento: 1,1 l/h; per spillamento: 402 l/h (valore massimo); per un totale massimo quindi di 805 l/h. Sistema di acqua a perdere Come sopra accennato, soprattutto se le potenze in gioco sono limitate, può essere presa in considerazione per lo smaltimento del calore anche acqua a perdere. Nel caso quindi di cospicue disponibilità di acqua ambiente, prelevata ad esempio da roggia, da pozzo, da lago, da fiume, eccetera, con l’interposizione di uno scambiatore per ragioni di sicurezza operativa, può essere adottato uno schema quale quello illustrato nella figura 4). Lo scambiatore lavorerà in controcorrente con temperature atte all’ottenimento di quella dettata dalla condensazione, nel nostro caso 31 °C (valore di targa), e la quantità d’acqua ambiente richiesta sarà facilmente calcolabile con la formula 1) riportata di seguito. Nel caso di utilizzo dell’assorbitore WFC-SC 30, supponendo ad esempio che la temperatura dell’acqua disponibile sia di 15 °C, nota la quantità di calore da smaltire pari a 256,6 kW, risultando il salto termico dell’acqua utilizzata di 16 °C (31 °C - 15 °C), si otterrà un impiego d’acqua pari a 13.789 l/h. Dal confronto dei valori sopra riportati appare evidente la notevolissima differenza degli utilizzi di acqua fra la soluzione con acqua a perdere 13.789 l/h e quella con torre evaporativa 805 l/h. Scelta dei parametri operativi Le varie considerazioni fatte finora presuppongono che l’impianto sia stato ben studiato per la specifica applicazione; in particolare per quanto riguarda le singole apparecchiature sia stata verificata l’idoneità degli intervalli di temperatura e delle portate dell’acqua calda utilizzata.
Un’attenta progettazione dell’impianto deve mirare ad un sostanziale recupero del calore disponibile; ciò è particolarmente necessario allorché questo viene per la massima parte impiegato nell’assorbitore, la cui alimentazione e le cui prestazioni sono ad esso strettamente correlate. Figura 5 - Città del Vaticano. Impianto di climatizzazione ad energia solare della palazzina mensa. L’unità installata è la WFC SC 30, di potenzialità frigorifera pari a 105 kW, con alimentazione effettuata da banco collettori sottovuoto di superficie complessiva pari a 350 mq. Una disattenta valutazione delle portate e della compatibilità delle temperature possono rendere il sistema parzialmente inefficiente. Si ipotizzi ad esempio che nel circuito primario, quello di recupero, sia disponibile acqua a temperature di mandata e di ritorno prefissate. Ne consegue che anche nel circuito secondario, quello di alimentazione dell’assorbitore, siano teoricamente disponibili le stesse temperature. Qualora l’assorbitore fosse in grado di sfruttare tutto il salto termico previsto dal primario, ne risulterebbe un pieno utilizzo della potenza termica disponibile. Va tenuto presente, per contro, che gli assorbitori, qualora operino con temperature di alimentazione inferiori a quelle nominali, vengono sostanzialmente penalizzati. Tutto ciò si traduce praticamente in un parziale utilizzo della potenza disponibile sul primario. L’energia termica inutilizzata può naturalmente essere impiegata altrove. Tuttavia, il calore a disposizione potrebbe essere stato considerato completamente convertibile nel progetto e, come sopra accennato, se lo stesso non è totalmente fruibile ne risulterà una cospicua riduzione della potenza frigorifera ottenibile. La massima potenza ricavabile si registra in ogni caso allorché la portata del circuito secondario risulta la stessa del circuito primario. Le valutazioni necessarie al dimensionamento del sistema dovranno basarsi sui valori rilevabili dalle curve caratteristiche di prestazione del singolo modello di assorbitore considerato. In figura 2) sono riportate quelle relative al WFC SC 30, di potenza frigorifera pari a 105 kW. Servirà in aggiunta l’ausilio della formula 1) sotto riportata, che regola i rapporti fra i vari parametri in gioco in un circuito idraulico.
Modello PMS 6/65 ICT 3-63 ICT 4-54 ICT 4-66 ICT 4-59
Potenza resa kW 42,7 85,4 (51,2) 171 256 428
Ingresso °C 35
Temperatura
Uscita °C 31
Portata nominale l/s 2,55 5,12 10,2 15,3 25,5
Acqua
Perdita di carico kPa 4 2,1 17,9 17,9 22.1
Bulbo umido °C 26 26 26 26 26
Acqua evaporata max l/m 1,11 2,12 4,5 6,7 11,2
Ventilatori n° 1 1 1 1 2
Aria Potenza assorbita kW 0,55 0,7 (0,15) 1,5 2,2 2 x 1,5
Portata aria (max) mc/s 1,19 2,32 4,3 6,3 9,3
Alimentazione Elettrica 400V 3 fasi 50Hz
Motore 4 poli 4/8 poli 4 poli 4 poli 4 poli
Larghezza mm 800 914 1216 1826 2731
Profondità mm 800 921 1226 1226 1226
Dimensioni
Altezza mm 2110 1880 2312 (2414) 2617 (2719) 2616
A vuoto kg 75 235 320 (365) 575 (620) 853
Peso
In esercizio kg 180 400 685 (730) 1085 (1130) 1592
Livello sonoro dB(A) a 3 metri in 84 (72)**
55,3 a 10 m 69 (62)* 76 (60)** 79 (68)**
Rumorosità campo libero rilevato sulla sommità a 1,5 m
Ingresso mm 50 80 100 100 100
Uscita mm 50 80 100 100 100
Diametro
Reintegro mm 20 25 25 25 25
tubazioni
Troppo pieno mm 15 50 50 50 50
Scarico mm 20 50 50 50 50
Pacco di scambio PVC
Rampa distribuzione acqua PVC
Ugelli spruzzatori acqua PP ABS ABS ABS ABS
Separatori di gocce PVC
Finiture Acciaio Acciaio Acciaio Acciaio
Bacino Vetroresina
zincato Z725 zincato Z725 zincato Z725 zincato Z725
Acciaio Acciaio Acciaio Acciaio
Pannelli di rivestimento Vetroresina
zincato Z725 zincato Z725 zincato Z725 zincato Z725
Acciaio
Ventilatore assiale Alluminio
zincato
*In parentesi valori in bassa velocità del ventilatore per unità ICT 3- 63
Nota
**In parentesi valori con l’adozione di ventilatore a bassa rumorosità per unità ICT 4-54, ICT 4-66 e ICT 4-59
Tabella 2. Specifiche tecniche delle torri evaporative considerate
P = C ∆T Q (1)
dove:
P = potenza termica scambiata (kW)
C = calore specifico dell’acqua, pari a 4,187 (kWs/°C l)
∆T = differenziale di temperatura dell’acqua (°C)
Q = portata volumetrica dell’acqua (l/s)
La procedura da seguire risulterà la seguente.Fissata la temperatura dell’acqua di alimentazione e la temperatura dell’acqua di raffreddamento, per valori di portata di targa dell’acqua di alimentazione, dalle curve a) e b) della figura 2) si potranno ricavare le potenze frigorifera erogata e quella termica assorbita. Dalla formula 1), note la potenza assorbita e la portata utilizzata si potrà calcolare il salto termico dell’acqua nel circuito di alimentazione, valore questo eventualmente necessario al dimensionamento dello scambiatore di interfaccia fra circuito primario e secondario. Qualora si adotti, a parità di temperatura dell’acqua di alimentazione, una portata ridotta rispetto a quella di targa si potrà utilizzando la curva c) di figura 2), ricavare il fattore di penalizzazione della potenza erogata e di quella assorbita. Noto quest’ultimo, dalla formula 1) si potrà, determinare il differenziale di temperatura dell’acqua nel circuito di alimentazione. Per l’ottenimento dei vari valori in gioco, in luogo delle procedure sopra indicate, piuttosto laboriose, è possibile utilizzare un programma di calcolo computerizzato appositamente elaborato. Gli esempi sotto riportati chiariranno meglio quanto sopra asserito. Esempi di valutazione delle prestazioni Per un confronto dei risultati è risultato opportuno servirsi della stessa macchina per ogni singola valutazione. Quella presa in esame è stata la WFC SC 30. I valori ottenuti sono stati opportunamente arrotondati. Primo esempio Il primo esempio è costituito dalla macchina operante secondo i valori di targa, che come riportato nella tabella 1) sono; temperatura acqua calda di alimentazione 88 °C portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C A fronte di tali parametri, dalle curve di prestazione si otterrà: Pf potenza frigorifera erogata 105 kW Pt potenza termica assorbita 150 kW temperatura acqua calda in uscita 83 °C La temperatura dell’acqua calda in uscita è stata ricavata utilizzando la formula 1), che ha evidenziato un ∆T di 5 °C. Secondo esempio Si ipotizzi di operare con acqua disponibile a 88 °C, con ritorno a 78 °C. Alimentando la macchina con acqua a 88 °C, con la portata nominale di 7,2 l/s, si otterrà un differenziale di temperatura dell’acqua, come sopra riportato, di soli 5 °C. Allo scopo di incrementare questo differenziale, si renderà necessario diminuire la portata. Procedendo per successive riduzioni si individuerà nel valore di 2,8 l/s quello che produce nella macchina un salto termico di 10 °C. La portata di 2,8 l/s, che corrisponde a circa il 40% di quella nominale, causa come si può rilevare dalla curva c) di figura 2), un fattore di penalizzazione dello 0,8 delle potenze di targa. Ne risulterà quindi una potenza erogata di 84 kW ed una corrispondente potenza assorbita di 120 kW. I parametri di funzionamento della macchina saranno in questo caso: temperatura acqua calda di alimentazione 88 °C portata acqua calda di alimentazione 2,8 l/s temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C
Si otterrà: Pf potenza frigorifera erogata 84 kW Pt potenza termica assorbita 120 kW temperatura acqua calda in uscita 78 °C Figura 6. Calenzano (Fi). Palazzina uffici con copertura di 150 mq a collettori solari piani. L’impianto, il primo realizzato in Italia (inizio anni ’80), utilizza l’energia solare per il condizionamento, il riscaldamento e la produzione di acqua sanitaria dell’intero edificio. Il gruppo refrigerante impiegato ha una potenzialità nominale di 27kW. Dal confronto con i dati del primo esempio si può dedurre quanto segue. L’incremento del differenziale di temperatura dell’acqua da 5 °C a 10 °C ha causato una riduzione della potenza erogata di 21 kW (da 105 kW a 84 kW), pari a circa il 20%, con conseguente riduzione della potenza termica assorbita di 30 kW (da 150 kW a 120 kW), sempre pari al 20%. Terzo esempio Si valutino ora le prestazioni dell’assorbitore operante con il valore massimo di temperatura consentito per l’acqua di alimentazione, pari a 95 °C, sempre con portata di targa di 7,2 l/s e temperatura di condensazione di 31 °C. In questo caso le condizioni operative risulteranno le seguenti: temperatura acqua calda di alimentazione 95 °C portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C A fronte delle quali si otterrà: Pf potenza frigorifera erogata 120 kW Pt potenza termica assorbita 190 kW temperatura acqua calda in uscita 88,7 °C Rispetto ai valori di targa, l’incremento del livello di temperatura di 7 °C (da 88 °C a 95 °C) dell’acqua utilizzata ha prodotto una maggiore potenza erogata di 15 kW (120 kW meno 105 kW), pari ad un aumento del 15% circa. I dati di questo esempio relativi alle prestazioni della macchina, ricavati col programma di calcolo computerizzato, sono riportati nella scheda sotto illustrata.
Scheda di prestazione WFC SC 30
per
temperatura acqua calda di alimentazione 95 °C
portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C
Portata 15,3 l/s
Tempertura ingresso 31 °C
Perdita di carico (nominale) 43,1 kPa
Potenza da disspare 310,8 kW
Portata 4,58 l/s
Temperatura uscita 7 °C
Perdita di carico (nominale) 70 kPa
Potenza frigorifera erogata 120,3 kW
Portata 7,2 l/s
Temperatura ingresso 95 °C
Perdita di carico 54 kPa
Potenza termica assorbita 190,5 kW
Δt acqua calda di alimentazione 6,3 °C
N.B. I valori sopra riportati devono essere considerati
di semplice riferimento teorico e, pertanto, puramente
indicativi.
Conclusioni
Dagli esempi sopra considerati si possono trarre le seguenti conclusioni.
Le prestazioni conseguibili sono fortemente influenzate dal livello entalpico dell’acqua utilizzata e
dalle variazioni di entalpia che la stessa subisce nel passaggio nella macchina. Il primo dei due
valori è individuato dalla temperatura massima dell’acqua di alimentazione, il secondo dal
differenziale di temperatura prodottosi nel circuito.
La massima prestazione dell’assorbitore, a parità di ogni altra condizione di funzionamento, è
conseguibile adottando, per l’alimentazione, la portata di targa. Ciò in quanto, a portata ridotta
corrisponde un salto termico dell’acqua maggiore e quindi una sua maggiore variazione entalpica.
Nel caso si progetti l’utilizzo di calore per l’azionamento esclusivo di un assorbitore, si dovrà
dimensionare il recuperatore termico in modo tale che questo lavori ai massimi livelli di
temperatura ottenibili, adottando le portate di targa dell’assorbitore considerato. La potenza termica
recuperata potrà in tal modo essere completamente convertita in freddo.
Qualora invece si consideri un impianto a recupero termico esistente, si dovrà verificare la
compatibilità delle temperature, delle portate, e delle potenze in gioco, in quanto come evidenziato
dagli esempi sopra illustrati, non è possibile asservire completamente l’assorbitore al sistema di
rivalutazione termica già operante.
I valori di funzionamento, per condizioni diverse da quelle di targa, possono essere ricavati dalle
curve caratteristiche di prestazione, oppure, richiedendo all’indirizzo e-mail
maya@maya-airconditioning.com le schede di prestazione del tipo sopra illustrato.
Va tenuto presente al riguardo che l’effetto moltiplicativo prodotto dalla contemporanea adozione di
differenti parametri operativi può generare risultati non pienamente attendibili. In altri termini, ciò
significa che i valori ottenuti variando più condizioni di esercizio debbono essere considerati solo
indicativi e, come tali, quindi utilizzati.Per ulteriori informazioni contattare:
Maya S.p.A.
Viale Monte Santo 4
20124 Milano MI
Tel: +39 02 290 60 290 - Fax: +39 02 290 04 036
Email: maya@maya-airconditioning.com
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