Impianto di Condizionamento Desiccant Cooling: Come Raffrescare con il Sole
“Fare il freddo con il caldo” è un tema che riscuote sempre più interesse nella comunità green, perché permette di utilizzare una fonte come la radiazione solare per produrre un effetto frigorifero proprio quando questa fonte è più abbondante.
L’applicazione più comune di questo approccio è rappresentato dalle macchine frigorifere ad assorbimento, che richiedono energia termica per far evaporare il fluido refrigerante.
Esiste una nuova interessante opportunità di free cooling, impianti di condizionamento desiccant cooling o raffrescamento essiccativo, ottenibile con una combinazione di deumidificazione tramite speciali materiali essiccanti e raffrescamento evaporativo, il tutto con consumo minimo di energia primaria e con la possibilità di sfruttare apporti gratuiti come calore solare o i cascami di calore provenienti da altri processi.
Questi sistemi possono essere molto efficaci se abbinati a impianti esistenti di ventilazione meccanica e trattamento aria, perché sono in grado di produrre un notevole effetto frigorifero quasi senza fabbisogno di energia primaria.
I sistemi di condizionamento desiccant cooling (ovvero essiccativi) sono tutti sistemi cosiddetti “a ciclo aperto”. Mentre normalmente in un impianto di raffreddamento il refrigerante circola in un circuito chiuso, in questo caso il “fluido refrigerante” è costituito dal vapore acqueo naturalmente contenuto nell’aria. Il “refrigerante” non viene recuperato a fine ciclo, ma viene espulso.
Questi sistemi offrono un raffrescamento dato dalla combinazione di evaporazione e deumidificazione dell’aria.
La caratteristica che li rende particolarmente interessanti è il processo di raffreddamento, pilotato da energia termica a temperatura relativamente bassa, tipicamente intorno a 70 °C.
Questo significa che i sistemi desiccant possono essere alimentati sia da fonti termiche rinnovabili (collettori solari ad acqua o ad aria), sia da cascami di calore provenienti da altri processi, come ad esempio il calore di risulta di un cogeneratore.
Ecco come funzionano, vantaggi e svantaggi:
Il Ciclo di Raffrescamento di un Impianto di Condizionamento Desiccant Cooling
Ecco come si raffredda l’aria in un sistema essiccativo-evaporativo:
- Deumidificazione. L’aria calda e umida in ingresso cede vapore acqueo per adsorbimento a un deumidificatore igroscopico.
- Questo componente è un rotore riempito di silica gel, un materiale microporoso in grado di “catturare” l’umidità.
- L’adsorbimento è un fenomeno chimico-fisico che consiste nell’accumulo di un liquido o gas sulla superficie di un substrato.
- Raffreddamento. L’adsorbimento diminuisce il titolo di vapore acqueo nell’aria, ma ne alza la temperatura. L’aria entra quindi in un recuperatore di calore (uno scambiatore rotativo), che ne abbassa sensibilmente la temperatura.
- Umidificazione. L’aria pre-raffrescata e secca viene umidificata e subisce un raffrescamento evaporativo, che ne riduce ulteriormente la temperatura.
- Ingresso. L’aria di rinnovo entra nell’ambiente climatizzato
- Estrazione. L’aria viziata viene estratta dall’ambiente e subisce un raffrescamento evaporativo fino al punto di saturazione. Adesso si trova nelle condizioni ideali per la rigenerazione.
- Recupero. Il recuperatore di calore scalda l’aria in uscita prelevando il calore dall’aria in ingresso, senza apporti energetici esterni.
- Riscaldamento. L’aria in uscita viene ulteriormente scaldata da una terza sorgente calda. Questo è tipicamente lo stadio alimentato da energia termica rinnovabile.
- Rigenerazione. Prima di essere definitivamente espulsa, l’aria calda e secca entra nella sezione rigenerativa del deumidificatore, caricandosi del vapore acqueo sottratto all’acqua in ingresso.
Il ciclo termodinamico è illustrato nel sottostante diagramma psicrometrico.
Photo credit: ENEA “Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario”
Vantaggi e Svantaggi di un Sistema Desiccant Cooling
Vantaggi
- La rigenerazione dell’essiccatore avviene a temperature intorno a 70 °C e si presta quindi a utilizzare fonti rinnovabili di energia, oppure cascami di energia provenienti da altri sistemi.
- Non vengono usati refrigeranti dannosi, né per l’uomo né per l’ambiente (il “refrigerante” è il vapor d’acqua naturalmente presente nell’aria).
Svantaggi
E’ comunque necessario un apporto di energia primaria, per azionare i ventilatori di immissione ed estrazione dell’aria. Questo svantaggio è ovviamente inesistente in tutti i casi in cui l’essiccatore venga installato in impianti aeraulici esistenti.
Un Caso Pratico del Sistema Desiccant Cooling
Un caso pratico di un impianto di condizionamento desiccant cooling si è presentato a seguito di una diagnosi energetica condotta in provincia di Pavia, su un ex cinema trasformato in sala da ballo.
La struttura era già dotata di un impianto di ventilazione meccanica e di UTA (Unità di Trattamento Aria). Pur essendo occupata solo saltuariamente, durante le serate danzanti la sala soffriva ovviamente di affollamento e surriscaldamento, anche invernale. Per contro, durante i lunghi periodi di chiusura la sala si raffreddava, costringendo l’amministrazione comunale a bruciare una grande quantità di combustibile per portare i locali a una temperatura accettabile anche solo per qualche ora.
In questo caso, la soluzione più economica è stata trovata nei collettori solari ad aria e ad acqua.
Da un lato i collettori ad aria potevano mantenere i locali a una temperatura “intermedia” costante, con il solo apporto solare e dall’altro i collettori ad acqua potevano accumulare sufficiente energia per rigenerare la ruota essiccante, contribuendo ad abbassare temperatura e umidità relativa interna nei momenti di maggior affollamento.
A cura di Ing. Luca Cotta Ramusino
Photo credit: beigephotos, munters
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E’ possibile invertire il ciclo e usare l’impianto anche per recuperare il calore riscaldando l’aria in entrata?
Se non possibile ci sono impianti che soddisfano alla richiesta di cui sopra?
Grazie e cordiali saluti
Il sistema è molto interessante anche se mi sembra, osservando il ciclo termodinamico che l’aria immessa in ambiente è in condizioni di saturazione. Questo potrebbe causare sensazione di discomfort all’ambiente (a meno che non sia prevista la miscelazione dell’aria immessa con altra aria).
Inoltre sarebbe interessante avere i parametri delle varie trasformazioni, per esempio lo scambio di calore che da quanto si evince porta aria in ingresso da 53 °C a 29 °C prelevandola da aria in uscita che passa da 28 °C a 50 °C (sarebbe interessante avere i parametri del recuperatore di calore).
Conosco gli impianti che sfruttano l’energia solare per il condizionamento ambientale che impiegano però macchine ad assorbimento (bromuro di litio e/o ammoniaca).
Il solar cooling in italia non è applicato nel campo civile in quanto ancora scarsa è la cultura sulla progettazione e sull’installazione.
Per processi industriali non ho riscontri (forse perchè non li ho mai affronati) e leggerò con interesse le notizie a riguardo.
Un esempio applicativo l’ho veduto alla Ebner che produce pannelli solari di tipo piano presso il loro stabilimento.
Ritengo però che viste le elevate temperature richieste dalla macchina ad assorbimento, il campo ideale possa essere prodotto più che da collettori di tipo piano vetrato, da collettori sottovuoto e/o a concentrazione.
Ciao Andrea,
Ho letto l’articolo e, posto che il solare termico, allo stato, sembra essere il sistema che dà i maggiori benefici in un sistema integrato, l’applicazione mediante dessicant cooling sembra essere un ottimo metodo laddove siano già installati impianti aeraulici. Dovrò comunque approfondire.
Ritengo che il sistema sia da mettere a punto. Concordo con l’appunto di Emilio Anfossi. Occorre approfondire e capire quali siano i benefici economici effettivi che il sistema nell’ambito privato possa riscuotere sopratutto nel centro sud Italia.
Il sistema è interessante, vorrei sapere qualcosa sui costi d’impianto e di gestione.
Ciao Emilio,
sì hai ragione, in genere l’aria in ingresso incontra la ripresa dell’aria interna e viene miscelata.
Conosco abbastanza bene l’argomento.
Le macchine frigorifere ad assorbimento sono poco convenienti in termini di consumi di Energia Primaria e di analisi costi-benefici, mentre i sistemi DEC (Desiccant evaporative cooling) sono poco adatti in climi umidi come il mio (catanese) perché l’adsorbente perde di rendimento in presenza di alti valori di umidità specifica. Però se integrati con refrigeratori a compressione di vapore riescono ad effettuare ottimi trattamenti dell’aria in UTA in termini di comfort, risparmio energetico e analisi costi-benefici anche in climi umidi.
Grazie della notizia molto utile ed interessante.
Mi permetto di indicarti che non si fa accenno alcuno di consumi, visto che anche in questo caso, ho letto c’è bisogno dell’alimentazione dell’energia primaria.
E poi, sarei curioso di sapere, che succede di sera e/o notte: il sistema come si comporta?
Nonotante tutto, ritengo il sistema molto interressante, visto che vivo in un territorio del sud Italia dove ha la necessità di avere più mesi di refrigerazione che mesi di riscaldamento.
Ciao Manuele, concordo con il commento sui climi umidi, infatti i sistemi essicativi/evaporativi sono poco indicati per le zone costiere.
Per Franco, riguardo ai consumi. La ruota entalpica ruota molto lentamente (parliamo di 10-20 rivoluzioni l’ora), i consumi sono trascurabili.
Restano i consumi dei ventilatori, naturalmente, ma se l’impianto aeraulico è già installato, il problema non si pone.
Per Franco, riguardo al raffrescamento notturno, in questo caso ci sono metodi più efficaci di free-cooling.
Nel caso specifico della sala da ballo, ai tempi abbiamo fatto qualche prova semplicemente con la ventilazione notturna libera, con risultati soddisfacenti.
Chiedo scusa a Tommaso, mi era sfuggito il commento riguardo ai costi, immagino di impianto.
Le ruote entalpiche sono organi meccanici molto semplici, e anche abbastanza economici. Per stimare il rotore puoi considerare € 0,25..€ 0,40 per ogni mc/h di ricambio d’aria necessario.
Mi interessa l’argomento, vorrei avere dei riferimenti di ditte produttrici per impianti domestici, di ampie dimensioni.
Buongiorno,
a me vengono in mente i sistemi di raffreddamento o meglio raffrescamento dell’aria che utilizzavano o utilizzano ancora le abitazioni nella penisola Arabica, Yemen, ecc. in modo naturale utilizzando correnti convettive generate da un camino o torre, un po come anche i depositi di granaglie delle passate architetture.
Devo approfondire ma mi viene pensato questo, anche in relazione alla ventilazione Meccanica Controllata.
Saluti
Ciao Andrea,
non conosco questo tipo impianto e se ho ben capito da quello che ho letto, il sistema Solar Cooling funziona come un frigorifero che non va però ad energia elettrica ma con pannelli solari.
Oltre ad avere una maggiore efficienza energetica rispetto ai comuni impianti di condizionamento, con questo sistema, sembra si ottenga dei buoni risparmi sui consumi.
Da considerare inoltre che occorre un investimento iniziale superiore rispetto ai comuni impianti di condizionamento e comunque questo impianto è applicabile in un condominio di alcuni anni fa?
Vita presunta del sistema?
Costi di manutenzione annui?
Numero impianti realizzati e funzionanti in Lombardia?
Grazie