Strumenti per valutazioni preliminari e progettazione Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Strumenti per valutazioni preliminari e progettazione Autori: Mario Motta SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Indice SUPSI Parametri progettuali Solar fraction Energia primaria Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Indice Parametri progettuali Solar fraction Energia primaria Progettazione Analisi economica Esempi SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Parametri progettuali Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Parametri progettuali Principali parametri progettuali che determinano la prestazione energetica ed economica dei sistemi “solar cooling” e il conseguente potenziale di risparmio in termini di energia primaria Tipo di collettore Dimensione campo collettori Dimensione serbatoio (solare) Tipo di sistema di Back-up SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Il calcolo della SF per il solar cooling Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Il calcolo della SF per il solar cooling Elementi di complessità superiore rispetto ai sistemi solar-combi Necessità di avere un metodo valido sia per sistemi che usano backup termico che per sistemi con backup convenzionale: ridurre le valutazioni in termini di Energia Primaria (PE) SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Analisi energia primaria (PE) Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Analisi energia primaria (PE) Fonti energia termica: collettori solari + caldaia Fattore di conversione in l‘energia primaria per en. elettrica: 0.36 Fattore di conversione in l‘energia primaria per combustibili fossili: 0.9 SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Conseguenza delle prestazioni in termini di PE Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Conseguenza delle prestazioni in termini di PE Valori elevati di “Solar Fraction” (SF) per condizionamento sono necessari per impianti con sistema di backup a combustibile fossile con bassi valori di COP Valori bassi di SF sono accettabili se si impiegano sistemi di condizionamento con alti COP Alternativa e‘ sempre l‘uso di macchine frigorifere convenzionali come backup (e.g. Impianti di grosse dimensioni). Si ha sempre riduzione fabbisogno PE Riduzioni fabbisogno PE sono sempre ottenute con sistemi completamente alimentati ad energia solare “autonomi”. Non esiste sempre garanzia di mantenimento condizioni di comfort. In ogni caso l‘uso dell‘impianto solare và massimizzato attraverso la fornitura ad altre utenze: riscaldamento e acqua calda sanitaria SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Il calcolo della SF: scelte progettuali Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Il calcolo della SF: scelte progettuali La progettazione di un impianto SAC implica per la maggior parte le seguenti scelte: Scelta della “macchina refrigerante” più appropriata per il sistema di condizionamento scelto Scelta del tipo di collettore solare adatto alla tecnologia refrigerante selezionata Dimensionamento del campo colletori e dell‘impianto solare in generale in base alle prestazioni desiderate in termini energetici ed economici SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Parametri prestazionali Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Parametri prestazionali Risparmio in termini di energia primaria rispetto a sistema convenzionale; bilancio energetico completo (incluso pompe, ventilatori etc.) Indicatori economici Costo investimento: costi totali d’investimento incluso progettazione Costi totali annui: investimento + costi operativi basati su bilancio energetico annuo + costi manutenzione “costo energia primaria risparmiata” rispetto a sistema convenzionale preso come riferimento SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Metodi di progettazione e criteri di scelta Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Metodi di progettazione e criteri di scelta SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Strumenti atti alla progettazione Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Strumenti atti alla progettazione Scelta della tipologia d‘impianto. Task 25 decision scheme http://www.iea-shc-task25.org/english/hps6/index.html Calcolo dei parametri principali del sistema solare: superficie collettori, dimensione serbatoio. Analisi parametrica: SACE tool (Easy cool light, Solar air-conditioning for Europe) http://www.ocp.tudelft.nl/ev/res/sace.htm Progettazione definitiva o casi particolari: TRNSYS SOLAC design tool – Task 25 SHC IEA SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Il Task 25 Decision scheme Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Il Task 25 Decision scheme SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

SACE tool - Easycool SUPSI Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Risultati caso studio: parametri principali Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Risultati caso studio: parametri principali climates Merida Athens Palermo Madrid Perpignan Freiburg Copenhagen loads Hotel Office building Lecture room SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Risultati esempio: configurazioni sistema Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Risultati esempio: configurazioni sistema SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Esempio: chiller assorbimento con backup termico Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Esempio: chiller assorbimento con backup termico solar collector backup heater thermally driven chiller heat storage cooling tower ==> bilancio energetico globale, include consumi elettrici pompe e torre evaporativa ==> analisi dei costi (investimento, manutenzione, funzionamento, progettazione, ...) SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Esempio: energia primaria risparmiata Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Esempio: energia primaria risparmiata Area collettori crescente Madrid Edificio uffici Collettori solari piani back-up: caldaia a gas Macchina ad assorbimento SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Esempio: costi annuali Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Esempio: costi annuali Area collettori crescente Madrid Edificio uffici Collettori solari piani back-up: caldaia a gas Macchina ad assorbimento SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Esempio: costo energia primaria risparmiata Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Esempio: costo energia primaria risparmiata Madrid Edificio uffici Collettori solari piani back-up: caldaia a gas Macchina ad assorbimento minimo SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Risultati caso studio: costo PE risparmiata Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Risultati caso studio: costo PE risparmiata Riferimento sistema convenzionale ==> Costo PE risparmiata minimo Dcosto annuale = costi aggiuntivi per sistema SAC rispetto a sistema convenzionale di riferimento Denergia primaria = riduzione fabbisogno PE del sistema SAC rispetto a sistema convenzionale di riferimento SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Scenari di costo SUPSI Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Sommario riduzione fabbisogno PE Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Sommario riduzione fabbisogno PE Sistemi autonomi e con back-up elettrico danno sempre luogo a riduzione fabbisogno PE. I secondi anche con basse SF al fine di ridurre consumo di energia elettrica. E’ spesso possibile riduzione di fabbisogno PE consistenti con sistemi back up a combustibile fossile (e.g. gas) anche rispetto alle macchine refrigeranti ad espansione diretta più efficienti. Sistemi con back-up alimentato a combustibile fossile (e.g. gas) devono rientrare in un determinato intervallo di SF per ottenere voluta riduzione PE Valori tipici campo collettori in rapporto area edificio uffici: 0,1 – 0,3 [m2/m2] Valori tipici di campo collettori per tecnologia impiegata: SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Sommario analisi economica Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Sommario analisi economica Sistemi SAC costi d‘investimento maggiori rispetto a tecnologie convenzionale; cruciale la valutazione della quota annuale di PE risparmiata. Molteplicità di parametri che influenzano la prestazione, difficile trovare risposta univoca senza utilizzare strumenti di calcolo capaci di valutare il funzionamento annuale. Nell‘ambito del progetto supportato dalla EU, SACE - Solar Air Conditioning in Europe, è stato realizzato uno studio energetico-economico sui sistemi SAC. Guida per studi di potenziale o fattibilità. Uno software, basato su algoritmi semplificati, è stato sviluppato al fine di studiare molteplici configurazioni d‘impianto, per diverse tipologie di utenza e condizioniclimatiche. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Sommario prestazione economica ed energetica Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Sommario prestazione economica ed energetica Rispetto a una tecnologia convenzionale che usa sistemi a compressione: 30 - 60 % di risparmi in termini di PE sono ottenibili per sistemi che producono acqua refrigerata 20 - 40 % di risparmi in termini di PE sono ottenibili per sistemi DEC Costi di investimento tra 1.5 e 2.5 volte più elevati di sistema convenzionale Costi annuali circa 20 - 40 % più elevati per sistemi di piccole dimensioni (potenza frigorifera < 50 kW) e 10 - 20 % per sistemi di grandi dimensioni Finanziamento del campo collettori di circa 200 €/m2 porta a situazioni vicine a cost break-even (i.e., il sistema si ammortizza durante l’attesa di vita) Stato attuale SAC non sono economicamente competitivi nella maggior parte dei casi; E‘ necessario ulteriore sviluppo sia delle tecnologie solari che delle macchine refrigeranti per queste applicazioni per aumentare la competitività del settore; Necessità di incentivi in funzione della tipologia di utenza, della zona climatica, della struttura tariffaria. Che forme di aiuto sono più adatte? SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Solar Air-Conditioning and Solar cooling: modulo 4 _ lezione 4 Cosa resta da fare .. Standardizzazione sistemi piccole dimensioni. Sistemi solar combi plus Esperienza impianti grandi dimensioni per AC e refrigerazione Sviluppo di nuovi componenti e tipologia d’impianto: Adsorbimento, nuovi DEC, diverse tipologie utenza Diffusione informazione/know-how TASK 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA