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Solar Cooling

La tecnologia del fresco che arriva dal sole

A cura di: Roberto Bonafini

È in grado di abbassare la temperatura interna quando fuori il caldo è insopportabile sfruttando l’energia termica dei pannelli solari trasformata nel ciclo frigorifero. Ma sul mercato fatica a farsi largo anche a causa del costo delle macchine ad assorbimento, le cui taglie sono ancora troppo grandi per le piccole utenze. L’opportunità degli incentivi del Conto Termico


Produrre freddo a partire da una sorgente calda. È questo il principio che è alla base del funzionamento dei sistemi di solar cooling, una delle più recenti tecnologie del raffrescamento da fonti rinnovabili e in grado di offrire un interessante contributo alla progettazione passiva di un edificio nell’obiettivo di una maggiore efficienza energetica in ambito residenziale e civile.

Ma come funziona? In estrema sintesi, si può parlare di una soluzione energetica ibrida in cui confluiscono i benefici della fonte solare con quelli di un sistema ad assorbimento in grado di sfruttareil calore.
L’energia irraggiata dal sole viene dunque “raccolta” dai collettori (o pannelli) solari, che trasformano il calore impiegando l’acqua riscaldata (e opportunamente miscelata ad una soluzione) come fluido operativo (aria o acqua) all’interno di un ciclo frigorifero. Il fluido freddo termovettore verrà poi impiegato per il condizionamento degli ambienti.

 

Principio di funzionamento

Fig.1 - Principio di funzionamento del Solar Cooling (fonte Enea)

 

Il connubio con frigoriferi ad assorbimento
La tipologia di impianto1  più frequentemente utilizzata è quella basata sull’ impiego di pannelli solari accoppiati a cicli termodinamici chiusi, quali quelli delle macchine ad assorbimento, particolari condizionatori che invece dell’energia meccanica di un motore, impiegano energia termica. Dal connubio fonte solare-cicli ad assorbimento, è quindi possibile produrre acqua fredda a circa  7°C per il condizionamento estivo degli ambienti mediante  fan coils o batterie alettate.  Tali impianti di Solar Cooling, vengono già realizzati utilizzando nella  maggior parte dei casi delle macchine ad acqua-bromuro di Litio di produzione.

Di recente sono state adottate anche soluzioni che sfruttano il solare a concentrazione in grado di ottenere temperature più alte (190°), le quali utilizzano macchine più tradizionali ad acqua-ammoniaca.

Nelle macchine frigorifere ad assorbimento il compressore elettromeccanico è sostituito, come abbiamo detto, da una fonte di calore ad alta temperatura e da una miscela binaria di fluidi, che è spesso una soluzione di acqua e bromuro di litio (H2O-BrLi): la prima delle due sostanze della miscela si comporta come fluido refrigerante e la seconda come solvente, in cui il refrigerante è disciolto in concentrazione più o meno elevata a seconda del punto dell’impianto. Per rendere efficiente il processo di assorbimento, la soluzione diluita deve essere raffreddata. L’effetto frigorifero si basa sull’evaporazione del refrigerante all’interno dell’evaporatore a una pressione molto bassa. Il refrigerante evaporato è assorbito nell’assorbitore, che diluisce la soluzione. La soluzione è continuamente pompata nel generatore, all’interno del quale è rigenerata attraverso la fornitura di calore (ad esempio, con acqua calda). Il refrigerante che esce dal generatore è condensato attraverso acqua di raffreddamento e da qui ritorna all’evaporatore passando attraverso una valvola di espansione. Le potenze frigorifere tipiche delle macchine ad assorbimento sono dell’ordine di parecchie centinaia di kW2.

Sono presenti anche sistemi di nuova generazione basati su sistemi a ciclo aperto chiamati DEC (Desiccant& Evaporative Cooling Systems), che combinano deumidificazione e raffreddamento evaporativo. Si tratta di innovativi sistemi di trattamento diretto dell’aria, alternativi ai tradizionali sistemi a compressione. La tecnologia più comune prevede l’utilizzo di deumidificatori rotanti con sostanze assorbenti solide. L’aria prelevata dall’esterno viene prima deumidificata e successivamente raffreddata, attraverso l’utilizzo di acqua come refrigerante. Il calore prodotto dai pannelli solari serve invece a rigenerare il deumidificatore. Possono venire impiegati anche  pannelli solari ad aria. Si tratta di una tecnologia applicabile su edifici di una certa dimensione provvisti di sistema di ventilazione, in cui alla necessità di raffrescare si aggiunge anche la necessità di controllare il tasso di umidità dell’aria3.

I vantaggi principali di queste macchine consistono nel poter funzionare senza bisogno di torri evaporative, e soprattutto nella reversibilità del funzionamento, potendo funzionare anche per il riscaldamento invernale con un risparmio di combustibile pari a circa il 50% rispetto alle caldaie tradizionali ad alta efficienza, in assenza di sole.

Le tecnologie più diffuse sono  giapponese, americana e cinese: Yazaki, Ebara, Carrier, Trane, Broad.

 

1 Studio preliminare e realizzazione di un prototipo reversibile di macchina ad assorbimento da 18 kw con alimentazione ad acqua calda da adibire al solar cooling and heating di Giuseppe Corallo (Enea).

2 Fonte Enea

3 Ilaria Bertini, ENEA – Unità Tecnica Efficienza Energetica

 

Tipologie di pannelli

I pannelli comunemente utilizzati nei sistemi solar cooling sono4:

• Pannelli piani vetrati di tipo selettivo - Rappresentano l’evoluzione dei pannelli tradizionali ai quali viene aggiunto un trattamento della superficie dell’assorbitore, al fine di migliorarne l’efficienza. Il costo di questi pannelli è ovviamente più elevato ma garantiscono rendimenti del 10% superiore rispetto al tradizionale pannello, grazie ad un miglioramento delle prestazioni nei mesi invernali.

 

Pannelli sottovuoto- Sono composti da una schiera di tubi sottovuoto in vetro, ognuno contenente un assorbitore (generalmente una lastra di metallo nero) che capta l'energia solare e la trasferisce ad un fluido che trasporta il calore. Grazie alle proprietà isolanti dello spazio vuoto, le perdite di calore sono molto basse e si possono raggiungere temperature di circa 100°C al di sopra della temperatura dell'ambiente. Perciò questi pannelli sono particolarmente adatti per utilizzi a temperature più elevate, o per temperature ambiente basse (inverno). Il costo è notevolmente elevato e può superare il 150% della spesa d’acquisto dei collettori piani.

 

• Pannelli ad aria  - In questo caso facciamo riferimento ai sistemi di nuova generazione basati su sistemi a ciclo aperto chiamati DEC (Desiccant& Evaporative Cooling Systems), che combinano deumidificazione e raffreddamento evaporativo e di cui abbiamo già accennato.

 

Pannelli sottovuoto

 

4 Fonte: Reteingegneri.it

 

Vantaggi

Il solar cooling è una tecnologia particolarmente efficiente visto che essa è maggiormente disponibile proprio nel periodo estivo, quando la domanda di elettricità raggiunge picchi estremi per l’uso eccessivo dei tradizionali condizionatori d’aria. Il grande vantaggio del raffrescamento solare risiede nella contemporaneità di irraggiamento solare e fabbisogno di refrigerazione. L’energia prodotta  viene direttamente sfruttata perché questa contemporaneità è sia stagionale  che giornaliera.

Altro punto importante è che se le macchine di condizionamento tradizionali utilizzano un compressore meccanico, il “solar cooling” sfrutta, invece, un ciclo ad assorbimento, alimentato direttamente dall’energia solare, che copre fino al 98%5 del fabbisogno energetico della macchina. Questo procedimento di refrigerazione consente un consistente risparmio di energia elettrica rispetto agli impianti convenzionali. La richiesta energetica è quindi molto bassa, con evidenti benefici ambientali per ogni kilowattora risparmiato.

Oltre al risparmio energetico ci sono altri vantaggi nell’uso di questa tecnologia quali la riduzione di emissioni inquinanti e di CO2 in atmosfera, la silenziosità e la durata, poiché non avendo parti meccaniche in movimento i refrigeratori non hanno né vibrazioni né attrito e pertanto hanno una più lunga durata e ridotti costi di manutenzione, inoltre la loro collocazione è all’aperto e quindi non richiedono spazio all’interno dei locali.

 

5 Si fa riferimento al sistema “Schüco Solar Cooling” che utilizza collettori a doppio vetro

 

Svantaggi

La tecnologia “solar cooling” purtroppo registra ancora livelli di penetrazione sul mercato piuttosto scarsi ed è poco (o nulla) nota agli utenti  finali, ai progettisti e agli installatori.

Qualcosa potrebbe cambiare adesso in presenza dei nuovi incentivi. Le cause di questa scarsa diffusione  sono forse imputabili ad alcune “barriere” legate soprattutto alla scarsa  conoscenza della tecnologia e al basso numero di applicazioni presenti negli edifici.

Ma non è solo una questione di tecnologia “giovane. C’è anche un problema di taglie.

Quelle minime disponibili sono infatti di 17.5-35 kW freddi, e relegano queste applicazioni al settore  terziario o medio residenziale, mentre per il settore residenziale mono o bifamiliare, non esiste attualmente una produzione di serie consolidata con taglie adatte.

Da un’analisi di questa nicchia di mercato emerge che le taglie più richieste nel settore medio residenziale e piccolo terziario sono quelle da 18 e 50 kW  frigoriferi.

Per non parlare poi del fatto che l’utilizzo dei cicli ad Acqua–Bromuro di Litio comporta altri svantaggi, primo fra tutti l’impossibilità ad utilizzare le macchine anche come pompe di calore invernali salvo rari casi quando è disponibile acqua a temperatura di circa 10-12 °C come sorgente secondaria. In questo caso si possono utilizzare apparecchi distributori di energia  termica a bassa temperatura come i pavimenti radianti.

 

Incentivi

Il Gse nelle regole applicative del Conto termico ha previsto (al punto c) una serie di incentivi per l’installazione di collettori solari termici, anche abbinati a sistemi di solar cooling. Per poter accedere agli incentivi, gli interventi di sostituzione di impianti/apparecchi  devono essere realizzati in edifici e fabbricati rurali esistenti.

In caso di installazione di impianti solari termici, anche abbinati a tecnologia solar cooling, gli interventi possono essere realizzati anche su edifici nuovi.

Gli incentivi possono essere richiesti sia dalleamministrazioni pubbliche sia da soggetti privati, con le modalità indicate nella pagina web "Come accedere agli incentivi".

Ma come si calcola l'incentivo? Per gli interventi di piccole dimensioni di produzione di energia termica da fonti rinnovabili e di sistemi ad alta efficienza, il decreto predispone schemi di calcolo specifici per tecnologia, in base a: coefficienti di valorizzazione dell’energia prodotta, come stabiliti dalle tabelle riportate in allegato al Decreto; producibilità presunta di energia termica dell’impianto/sistema installato, in funzione della taglia e della zona climatica.

Gli impianti solar cooling nei criteri di ammissibilità e calcolo degli incentivi per gli interventi di produzione di energia termica (allegati II, tabella 5) sono scomposti in due macro categorie: gli impianti di “piccole” dimensione con una superficie solare lorda inferiore o uguale a 50 mq e impianti di dimensioni superiori ai 50 mq.Gli impianti di piccole dimensioni vengono incentivati per 2 anni e accedono a una coefficienti di incentivazione paria 255 euro per metro quadrato. Gli impianti di grande dimensioni vengono incentivati per 5 anni e accedono a una coefficienti di incentivazione paria 83 euro per metro quadrato.

 

Detrazione fiscale del 55%

Fino al 30 giugno 2013, chi installa un impianto solare termico può usufruire delle detrazioni fiscali previste per gli interventi che migliorano l'efficienza di un edificio esistente. Si tratta di uno sconto da applicare alle imposte dovute dal contribuente, pari al 55% delle spese sostenute per l’installazione dei pannelli solari, ripartito su dieci anni.

L’intervento di installazione di collettori solari s’intende agevolabile se l’impianto è destinato alla sola produzione di acqua calda sanitaria o, in alternativa, ad integrazione dell’impianto termico esistente. Per gli interventi che riguardano l’installazione d’impianti solari termici, l’agevolazione fiscale del 55% consente una detrazione massima di 60.000 €.

 

TEMA TECNICO:

Solare termico

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