INTRODUZIONE
In Europa l’edilizia civile è responsabile del 40% delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera.
Per poter rispettare gli impegni in termini di riduzione di anidride carbonica e non pagare così pesanti sanzioni, molto probabilmente l'Italia nei prossimi anni dovrà sborsare grosse somme per comprare all’estero quote di riduzioni operate da altri paesi.
Scelte più responsabili nella progettazione e nella costruzione degli edifici, non solo civili, potrebbero quindi contribuire in maniera significativa sia a salvaguardare l’ambiente, che a far risparmiare soldi pubblici.
L’Unione Europea ha emesso la Direttiva 91 del 2001 nella quale detta i parametri per la legislazione nazionale sul risparmio energetico in edilizia.
L’Italia ha recepito tale Direttiva con il Decreto legislativo n.192 del 2005 e con successive modifiche e correzioni contenute nel D.Lgs 311/2006.
Attualmente il nostro Legislatore opera esclusivamente nella direzione della riduzione dei consumi energetici per il riscaldamento nel periodo invernale, ma il nostro territorio, da nord a sud, è contraddistinto anche da elevati consumi di elettricità durante il periodo estivo: la domanda di condizionamento infatti è sempre più in aumento, a fronte di esigenze di comfort estivo sempre più elevate derivanti da un indiscutibile cambiamento delle nostre estati che risultano sempre più calde.
Attualmente la realizzazione degli edifici tiene sempre meno in considerazione il problema del condizionamento estivo, mentre si va definendo una sempre maggiore sensibilità nei confronti del risparmio energetico per il riscaldamento invernale, che porta a progettare edifici con soluzioni che sono idonee per contenere i consumi energetici durante l'inverno ma che determinano problemi di surriscaldamento durante il periodo estivo.
Di conseguenza, si ricorre sempre più al condizionamento estivo degli ambienti per mezzo di impianti alimentati ad energia elettrica, che causano un aumento rilevante della domanda di potenza elettrica, con il rischio di raggiungere la capacità limite delle reti.
Per evitare l’impiego di tali impianti, inefficienti dal punto di vista energetico e causa di forti emissioni di CO2, si possono seguire due approcci:

  1. progettazione del raffrescamento passivo: esiste ormai un’ampia scelta di tecnologie, sia per edifici in fase di progettazione, sia per quelli esistenti, per migliorare le condizioni di comfort interno estivo senza ricorrere all'impiego di impianti alimentati da energia elettrica;
  2. impiego di impianti di condizionamento ad energia solare: garantiscono ridotti consumi elettrici e sono in grado di sfruttare l’energia solare ampiamente disponibile in periodo di condizionamento.

 

CAUSE DEL SURRISCALDAMENTO
La causa principale del surriscaldamento degli ambienti è l'irraggiamento solare: irraggiamento solare incidente sulle strutture opache (soffitti, pavimenti e pareti) dell'edificio.
Si possono distinguere tre vie differenti con le quali il sole opera nel surriscaldamento degli ambienti:

  • via diretta, ovvero il sole riscalda le pareti e le coperture e l’inquilino percepisce l’elevata temperatura delle superfici interne;
  • via indiretta, ovvero l’energia solare entra dalle parti vetrate delle finestre e porte finestre e si accumula nelle strutture irraggiate direttamente (solitamente il pavimento), l’energia viene poi rilasciata all’interno dell’ambiente e lo surriscalda;
  • per effetto della temperatura dell’aria entrante nell’ambiente.

È opportuno quindi intervenire dal punto di vista progettuale su tali aspetti.

 

IL CONTENIMENTO DEI CARICHI ESTIVI ATTRAVERSO IL RAFFRESCAMENTO PASSIVO
Una volta riscontrata quale sia la causa principale del surriscaldamento, in funzione di questa si ipotizza la soluzione.

  • Elevato irraggiamento solare incidente sulle vetrate: per contrastare l’energia solare entrante è opportuno predisporre degli efficaci schermi esterni alle finestre tipo persiane o tendaggi rigidi che riflettano il più possibile l’energia solare incidente e che tengano tale energia al di fuori degli ambienti. Nei casi di vetrate ampie difficilmente schermabili è possibile operare con vetri riflettenti o selettivi, tali soluzioni tuttavia comportano generalmente la perdita della completa trasparenza del vetro.
  • Temperatura superficiale della copertura troppo elevata: è opportuno intervenire isolando la copertura per diminuire l’energia entrante, bisogna impiegare materiali che abbiano buone capacità isolanti, ma anche buone capacità inerziali, ovvero che siano anche in grado di accumulare l’energia che transita verso l’interno. Altre soluzioni sono la realizzazione della ventilazione della copertura e, qualora la copertura funzioni anche da terrazzo, il ricorso alla vegetazione.
  • Temperatura superficiale delle pareti troppo elevata: le operazioni che si possono compiere sulle pareti sono del tutto simili a quelle delle coperture.
  • Risposta inerziale dell'edificio: la progettazione adeguata dei sistemi di oscuramento permette di minimizzare il passaggio di energia solare all’interno degli ambienti. Una volta però che l’energia è penetrata all’interno di un ambiente, uno dei sistemi per ridurne l’effetto negativo è accumulare tale energia in adeguate strutture capacitive. Per poter fare questo è opportuno che all’interno degli ambienti ci siano delle strutture con elevati valori di capacità termica e  con una buona attitudine all’accumulo (strutture composte da materiali con elevata densità e un altrettanto elevato calore specifico). E’ possibile quindi operare nella direzione della risposta inerziale dell’edificio progettando la capacità termica interna di un determinato ambiente.
  • Ventilazione: scopo della gestione della ventilazione è la riduzione dei carichi termici interni. Vi sono diversi approcci alla ventilazione che può essere naturale oppure controllata con aspirazione ed immissione. La ventilazione naturale è tanto più efficace quanto maggiori sono le differenze di temperatura tra un affaccio e l’altro, se il flusso considerato è prevalentemente orizzontale. Per flussi verticali è necessario invece sfruttare l’effetto camino.
  • Ventilazione notturna: lo smaltimento del calore che si è accumulato all’interno dell’edificio durante le ore diurne può essere operato dalla ventilazione notturna. Un’adeguata progettazione della stessa permette infatti di sfruttare l’aria esterna, che possiede valori ridotti di temperatura, per ridurre la temperatura dell’aria interna e le temperature superficiali interne delle strutture opache per mezzo del fenomeno convettivo di trasmissione del calore. E’ opportuno che oltre alla ventilazione, naturale o meccanica, vengano progettati anche i componenti dell’involucro di modo che i picchi oscillatori della temperatura superficiale si sviluppino nel periodo dedicato alla ventilazione notturna (vedi coefficiente di sfasamento temporale).
  • Impiego del verde per mitigare il clima: è possibile agire nei confronti della riduzione dei carichi dovuti all’irraggiamento solare per mezzo della vegetazione. Lo spazio esterno è infatti la prima barriera all’irraggiamento solare, barriera che consente di escludere dall’ambiente interno una buona parte dell’energia solare incidente nel periodo estivo. Il ciclo annuale della vegetazione inoltre è perfettamente coincidente con le richieste prestazionali di riduzione degli apporti solari in estate, ma è anche coincidente con le richieste di guadagni solari invernali.
  • Carichi termici interni: in genere i carichi interni non sono tanto uno strumento di progettazione quanto un invariante del sistema. Più che sulla quantità è quindi opportuno
  • intervenire sull’efficienza come ad esempio nel caso dell’illuminazione.

 


IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO AD ENERGIA SOLARE - SISTEMI SOLAR COOLING
Alla progettazione passiva dell’edificio nei confronti del surriscaldamento estivo, è possibile affiancare la progettazione di impianti di condizionamento ad energia solare.
Negli ultimi anni, la domanda di energia elettrica nel periodo estivo raggiunge spesso picchi estremi per l’uso eccessivo dei tradizionali condizionatori d’aria, fino a causare talvolta dei blackout della rete elettrica.
L’uso dell’energia solare per raffrescare diventa quindi un’opportunità vantaggiosa, come dimostrato dai numerosi progetti pilota realizzati anche in Europa, soprattutto in Germania e Spagna.
Ma qual'è l'utilità di impiego di tali impianti?

  • Massima disponibilità nel momento di massima richiesta: il periodo che fa registrare la maggiore richiesta di condizionamento coincide proprio con i mesi durante i quali la radiazione solare è al massimo e le giornate sono più lunghe.
  • Elevata sostenibilità ambientale: i sistemi di climatizzazione ad energia solare possiedono l’indubbio vantaggio di utilizzare fluidi di lavoro innocui, come l’acqua o le soluzioni saline. Sono rispettosi dell’ambiente, rispondono a criteri di efficienza energetica e possono essere usati, da soli o integrati ai sistemi di condizionamento tradizionali, per migliorare la qualità dell’aria all’interno di qualsiasi tipo di edificio.
  • Riduzione del picco di richiesta di potenza elettrica nel periodo estivo.

Vediamo quali sono i principi generali di funzionamento di un impianto di condizionamento ad energia solare.
Il principio generale è la produzione di freddo a partire da una sorgente di calore.
In sintesi i passaggi che descrivono la produzione sono:

  1. il sole irraggia energia che viene assorbita sottoforma di calore dai collettori solari;
  2. il calore accumulato viene utilizzato dalle macchine frigorifere per la produzione di freddo;
  3. il fluido freddo termovettore, acqua o aria, a seconda del tipo di macchina, viene impiegato ai fini del condizionamento degli ambienti.

I collettori solari da impiegare per gli impianti di condizionamento ad energia solare devono operare a temperature elevate: le macchine frigorifere cui sono collegati, infatti, possono funzionare solo se alimentate da temperature molto alte.
In particolare, una macchina frigorifera ad energia termica richiede una temperatura di funzionamento mediamente superiore agli 80 °C.
Per quanto riguarda i sistemi desiccant cooling, invece, la temperatura richiesta può essere meno elevata e precisamente compresa tra un valore minimo di 55 °C ed un valore massimo di 90 °C.
I collettori solari piani standard SAC possono trovare impiego limitatamente ai sistemi che operano secondo il ciclo del desiccant cooling, oppure, se dotati di superficie selettiva, nelle configurazioni impiantistiche che utilizzano macchine frigorifere ad adsorbimento o ad assorbimento a singolo effetto e che sono installate nelle aree caratterizzate da elevati valori della radiazione solare.
Per le altre situazioni e per macchine frigorifere che richiedono un’elevata temperatura di funzionamento, devono essere previsti collettori solari ad alta efficienza (ad esempio, collettori sotto vuoto).
I sistemi di “solar cooling” possono essere classificati in:

  • Sistemi a ciclo chiuso - Questi sistemi sono macchine frigorifere alimentate da acqua calda o vapore che producono un fluido termovettore costituito da semplice acqua refrigerata. Il fluido termovettore può essere impiegato direttamente nelle unità di trattamento degli impianti di condizionamento ad aria (raffreddamento, deumidificazione nelle batterie dell’impianto) o distribuita attraverso una rete di tubazioni ai terminali di condizionamento decentralizzati nei vari locali da climatizzare (ad esempio, fan coil). Sul mercato vi sono due tipologie di macchine frigorifere: ad assorbimento (circa l’80 % del mercato); ad adsorbimento (poche centinaia di applicazioni nel mondo, ma con un crescente interesse per le applicazioni alimentate ad energia solare).
  • Sistemi a ciclo aperto - I sistemi aperti operano un completo trattamento dell’aria, che viene raffreddata e deumidificata per garantire le esigenze di comfort ambientale. Il refrigerante è sempre l’acqua, in diretto contatto con l’aria. I sistemi più diffusi sfruttano il principio del desiccant cooling ed impiegano deumidificatori rotanti con sostanze assorbenti solide. Tale sistema in sintesi prevede un trattamento diretto dell’aria e richiede una rete di distribuzione basata su un sistema di ventilazione.

Di seguito è riportato lo schema di funzionamento dei sistemi a ciclo chiuso:

 

 

SISTEMI A CICLO CHIUSO - AD ASSORBIMENTO
Le macchine ad assorbimento sono le macchine frigorifere maggiormente diffuse a livello mondiale.
Questa tecnologia si basa sul principio dell'assorbimento.
Il processo fisico avviene tra almeno due elementi chimici, in cui uno è il refrigerante e l’altro l’assorbente (il processo è ben documentato in [ASHRAE, 1988]).
La maggior parte dei condizionatori ad assorbimento utilizzano l’acqua come refrigerante e bromuro di litio liquido come assorbente, ma anche H2O/LiCl e NH3/H2O.
L’utilizzo di questo ultimo con ammoniaca come refrigerante è abbastanza nuovo nel raffrescamento degli edifici, dato che questa tecnologia era prevalentemente usata per il raffreddamento industriale al di sotto degli 0 °C e per grosse potenze: questo sistema è vantaggioso per applicazioni in zone molto aride, dove è necessario un condizionamento a secco ad elevate temperature ambiente.
Il sistema ad assorbimento ha il vantaggio di eliminare il compressore elettromeccanico, generalmente presente dei tradizionali condizionatori, con tre conseguenze dirette:

  1. elevata vita utile (assenza delle parti in movimento dei compressori);
  2. bassa rumorosità dell’impianto e assenza di vibrazioni;
  3. ridotti valori di energia elettrica richiesti (generalmente un consumo elettrico è comunque presente ed è dovuto alla pompa interna, che comunque consuma una limitata quantità di energia elettrica).

Sistema ad assorbimento

L’effetto di raffreddamento si basa sull’evaporazione del refrigerante (acqua) all’interno dell’evaporatore ad una pressione molto bassa.
Il refrigerante evaporato viene assorbito nell’assorbitore, diluendo la soluzione H2O/LiBr.
Per rendere efficace il processo di assorbimento, la soluzione diluita deve essere raffreddata.
La soluzione viene continuamente pompata nel generatore, all’interno del quale viene rigenerata attraverso la fornitura di calore (ad esempio, con acqua calda).
Il refrigerante che esce dal generatore viene condensato nel condensatore 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 kW.
Non sono molte le macchine ad assorbimento con capacità inferiore ai 50 kW.
E’ un limite importante negli impianti di condizionamento ad energia solare in quanto spesso la richiesta è proprio di macchine di taglie piccole.
La temperatura richiesta per la sorgente calda è normalmente superiore agli 80 °C per macchine a singolo effetto ed il Coefficiente di Performance (COP) si mantiene in un range compreso tra 0,6 e 0,8.
Le macchine a doppio effetto con due stadi di generazione richiedono temperature di funzionamento al di sopra dei 140 °C, ma il COP, in questi casi, può raggiungere valori prossimi a 1,2.
Dati gli alti valori di temperatura richiesti questa tecnologia richiede un sistema di collettori a concentrazione, questa scelta si adatta quindi a climi con alta frazione di radiazione diretta.
Gli svantaggi delle macchine ad assorbimento possono essere quindi riassunti in:

  1. una potenza richiesta molto elevata;
  2. Coefficienti di Performance non particolarmente elevati.

 

 

SISTEMI A CICLO CHIUSO - AD ADSORBIMENTO
Nelle macchine ad adsorbimento, in alternativa alle soluzioni liquide, vengono impiegati materiali assorbenti solidi: in generale acqua come refrigerante e silica gel come assorbente.
Sistema ad adsorbimentoÈ composto da due scomparti di assorbimento, 1 e 2, un evaporatore ed un condensatore.
Mentre il sorbente nello scomparto 1 è in fase di desorbimento (rimozione dell’acqua adsorbita), per azione dell’acqua calda dalla fonte esterna di calore, ad es. il collettore solare, il sorbente nello scomparto 2 adsorbe il vapore del refrigerante, che arriva dall’evaporatore; questo compartimento deve essere raffreddato per aumentarne il rendimento.
Il refrigerante, condensato nel condensatore raffreddato, viene trasferito nell’evaporatore e vaporizzato a bassa pressione: in questo modo viene prodotto il “freddo” utile.
Periodicamente gli scomparti di adsorbimento vengono invertiti, scambiando le funzioni di adsorbimento e desorbimento: questo di solito viene fatto con un interruttore di controllo esterno.
Le condizioni operative con una temperatura di alimentazione della sorgente calda di circa 80 °C consentono di raggiungere un COP pari a circa 0,6, pur se il funzionamento delle macchine è comunque garantito anche a temperature pari a 60 °C.
Le potenze frigorifere di queste macchine variano tra i 50 e i 500 kW.
I principali vantaggi sono costituiti da:

  1. la semplicità costruttiva;
  2. la loro robustezza;
  3. il limitato consumo elettrico (non è prevista una pompa all’interno).

Non sussiste alcun pericolo per la cristallizzazione e, di conseguenza, non esistono limiti per la temperatura dell’acqua di raffreddamento.
Gli svantaggi invece sono costituiti da:

  1. le dimensioni che non sono trascurabili;
  2. l’ingombro in termini di peso.

Inoltre, a causa del numero limitato di produttori, il prezzo delle macchine frigorifere ad adsorbimento è ancora relativamente elevato.

 

SISTEMI A CICLO APERTO - DESICCANT COOLING
Il desiccant cooling (raffreddamento con sostanze essiccanti) è un sistema basato su ciclo aperto, che impiegando come refrigerante acqua ha come risultato la produzione di aria condizionata.
Poiché il refrigerante entra direttamente in contatto con l’aria atmosferica, l’unico mezzo refrigerante a poter essere utilizzato è l’acqua.
Il ciclo di raffreddamento è generato termicamente da una combinazione dello sfruttamento del principio di raffreddamento evaporativo e dalla deumidificazione dell’aria per mezzo di un materiale igroscopico, ovvero da un assorbente.
Sistema a ciclo aperto - Desiccant coolingUn impianto di questo tipo è costituito da una linea di entrata dell’aria esterna verso l’ambiente da condizionare e da una seconda linea di uscita.
Le due linee non sono completamente separate: è previsto uno scambio di calore mediante un rigeneratore che trasferisce calore dall’aria entrante a quella uscente, ed uno scambio di umidità mediante un deumidificatore igroscopico (con sostanze chimiche “silica gel”) che abbassa l’umidità della corrente entrante, sottraendo acqua, ed cedendola all’aria uscente.
In sintesi le caratteristiche degli impianti di dessicant cooling sono le seguenti:

  1. lo scopo è il trattamento dell’aria;
  2. il trattamento riguarda il calore sensibile ma anche latente con un miglioramento dovuto al controllo e al trattamento dell’aria per il raggiungimento delle condizioni di comfort igrotermico ambientale;
  3. non sono presenti in tale macchina i sistemi convenzionali di compressione con ovvie ricadute sulla riduzione dei consumi elettrici e della rumorosità.

Ad oggi si impiegano le ruote ad essiccanti, che utilizzano silica gel oppure cloruro di litio come materiale assorbente.
Diverse industrie in tutto il mondo producono tali prodotti e i rotori sono disponibili in una vasta gamma di dimensioni.

 

 

Per quanto riguarda altre possibilità si segnalano:

  • sistemi a letto fisso (poche realizzazioni, solo alcuni impianti pilota);
  • sistemi ad essiccante liquido (pochi impianti pilota).



fonte: Progetto SOLAIR


Bibliografia
[Henning, 2006]
Hans-Martin Henning: Solar cooling and air-conditioning – thermodynamic analysis and overview about technical solutions. Proceedings of the EuroSun 2006, held in Glasgow, UK, 27-30 June, 2006.
[ASHRAE, 1988]
ASHRAE handbook (1988) Absorption Cooling, Heating and Refrigeration Equipment; Equipment Volume, Chapter 13.
[Henning, 2004/2008]
Hans-Martin Henning (Ed.): Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings – A Handbook for Planners. Springer Wien/NewYork. 2nd revised edition 2008; ISBN 3211730958.
[Mugnier et al., 2008]
D. Mugnier, M. Hamdadi, A. Le Denn: Water Chillers – Closed Systems for Chilled Water Production (Small and Large Capacities). Proceedings of the International Seminar Solar Air-Conditioning – Experiences and Applications, held in Munich, Germany, June 11th, 2008.
[Beccali, 2008]
Marco Beccali: Open Cycles – Solid- and Liquid-based Desiccant Systems. Proceedings of the International Seminar Solar Air-Conditioning – Experiences and Applications, held in Munich, Germany, June 11th, 2008.
[SOLAIR: Review technical solutions, 2008].
Task 2.1: Review of available technical solutions and successful running systems. Cross Country Analysis. Public accessible report in SOLAIR. www.solair-project.eu
[MEDISCO, 2006]
Mediterranean food and agro industry applications of solar cooling technologies. Contract 032559 (EU-INCO). Co-ordination: Politcnico di Milano, Italy. Duration: 01.10.2006 – 30.09.2009. www.medisco.org
[Zahler, 2008]
Chr. Zahler, A. Häberle, F. Luginsland, M. Berger, S. Scherer: High Teperature System with Fresnel Collector. Proceedings of the International Seminar Solar Air-Conditioning – Experiences and Applications, held in Munich, Germany, June 11th, 2008.