L’aria condizionata solare si riferisce a qualsiasi sistema di climatizzazione (raffreddamento) che utilizza l’energia solare.
Questo può essere fatto attraverso la conversione solare passiva, solare termico e conversione fotovoltaica (luce solare in elettricità). La legge statunitense sull’indipendenza e la sicurezza energetica del 2007 ha creato dal 2008 al 2012 un finanziamento per un nuovo programma di ricerca e sviluppo di climatizzazione solare, che dovrebbe sviluppare e dimostrare molteplici innovazioni tecnologiche e economie di scala di produzione di massa. L’aria condizionata solare potrebbe svolgere un ruolo sempre più importante nella progettazione di edifici a zero energia ed energia.
Storia
Alla fine del XIX secolo, il fluido più comune per il raffreddamento ad assorbimento era una soluzione di ammoniaca e acqua. Oggi, anche la combinazione di bromuro di litio e acqua è di uso comune. Un’estremità del sistema di tubi di espansione / condensa viene riscaldata e l’altra estremità diventa abbastanza fredda da produrre ghiaccio. Originariamente, il gas naturale era utilizzato come fonte di calore alla fine del 19 ° secolo. Oggi il propano viene utilizzato nei refrigeratori ad assorbimento per veicoli ricreazionali. I collettori di energia solare termica per acqua calda possono anche essere usati come la moderna fonte di calore “a energia libera”. Un rapporto sponsorizzato dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA) nel 1976 ha esaminato le applicazioni del sistema di energia solare per il condizionamento dell’aria. Le tecniche discusse comprendevano sia l’energia solare (ciclo di assorbimento e motore termico / ciclo Rankine) che quella solare (pompa di calore) insieme ad un’ampia bibliografia di letteratura correlata.
Raffrescamento solare fotovoltaico (PV)
Il fotovoltaico può fornire energia per qualsiasi tipo di raffreddamento ad alimentazione elettrica sia convenzionale basato su compressore che ad assorbimento / assorbimento, anche se l’implementazione più comune è con i compressori. Per il raffreddamento di piccoli impianti residenziali e di piccole dimensioni (meno di 5 MWh / a), il raffreddamento tramite PV è stato la tecnologia di raffreddamento solare più utilizzata. La ragione di ciò è discussa, ma i motivi comunemente suggeriti includono la strutturazione degli incentivi, la mancanza di attrezzature di dimensioni residenziali per altre tecnologie di raffreddamento solare, l’avvento di raffreddatori elettrici più efficienti o la facilità di installazione rispetto ad altre tecnologie di raffreddamento solare (come radiante raffreddamento).
Dal momento che il costo del raffreddamento del fotovoltaico dipende in gran parte dalle apparecchiature di raffreddamento e, data la scarsa efficienza dei metodi di raffreddamento elettrico, fino a poco tempo fa non era economicamente vantaggioso senza sovvenzioni. L’utilizzo di metodi di raffreddamento elettrico più efficienti e la possibilità di piani di ammortamento più lunghi sta cambiando tale scenario.
Ad esempio, un condizionatore d’aria classificato [nota 1] di 100.000 BTU U.S. Energy Star con un elevato rapporto di efficienza energetica stagionale (SEER) di 14 richiede circa 7 kW di energia elettrica per un raffreddamento completo in una giornata calda. Ciò richiederebbe un sistema di generazione di energia solare fotovoltaica da 20 kW con accumulo.
Un impianto fotovoltaico da 7 kW ad inseguimento solare avrebbe probabilmente un prezzo installato ben superiore ai $ 20.000 USD (con i prezzi degli impianti fotovoltaici attualmente in calo a circa il 17% all’anno). I costi di infrastruttura, cablaggio, montaggio e codice NEC possono comportare un costo aggiuntivo; per esempio un sistema di congiunzione a griglia per pannelli solari da 3120 watt ha un costo di pannello di $ 0,99 / watt di picco, ma costa ancora ~ $ 2,2 / wattora di picco. Altri sistemi di diversa capacità costano ancora di più, per non parlare dei sistemi di backup della batteria, che costano ancora di più.
Un sistema di climatizzazione più efficiente richiederebbe un sistema fotovoltaico più piccolo e meno costoso. Un’installazione di pompa di calore geotermica di alta qualità può avere un SEER nell’intervallo di 20 (±). Un condizionatore da 100.000 BTU SEER 20 richiederebbe meno di 5 kW durante il funzionamento.
La tecnologia più nuova e più bassa di potere compreso le pompe di calore di CC dell’invertitore inverso può raggiungere le valutazioni di SEER fino a 26.
Ci sono nuovi sistemi di climatizzazione elettrici non a compressore con un SEER superiore a 20 in arrivo sul mercato. Le nuove versioni di raffreddatori evaporativi indiretti a cambiamento di fase non usano altro che un ventilatore e una scorta di acqua per raffreddare gli edifici senza aggiungere umidità interna (come all’aeroporto McCarran di Las Vegas Nevada). Nei climi aridi asciutti con umidità relativa inferiore al 45% (circa il 40% degli Stati Uniti continentali) i refrigeratori evaporativi indiretti possono raggiungere una VEGETATRICE superiore a 20 e fino a SEER 40. Un raffreddatore indiretto evaporativo da 100.000 BTU necessita solo di sufficiente energia fotovoltaica per la circolazione ventilatore (più un rifornimento idrico).
Un sistema fotovoltaico a potenza parziale meno costoso può ridurre (ma non eliminare) la quantità mensile di elettricità acquistata dalla rete elettrica per l’aria condizionata (e altri usi). Con i sussidi del governo statale americano da $ 2,50 a $ 5,00 USD per watt fotovoltaico, il costo ammortizzato dell’elettricità prodotta da PV può essere inferiore a $ 0,15 per kWh. Questo è attualmente conveniente in alcune aree in cui l’elettricità della compagnia elettrica è ora di $ 0,15 o più. L’eccesso di energia fotovoltaica generata quando l’aria condizionata non è richiesta può essere venduta alla rete elettrica in molti luoghi, il che può ridurre (o eliminare) il fabbisogno annuale netto di acquisto di energia elettrica. (Vedi edificio a energia zero)
L’efficienza energetica superiore può essere progettata in una nuova costruzione (o adattata agli edifici esistenti). Da quando il Dipartimento per l’energia degli Stati Uniti è stato creato nel 1977, il loro programma di assistenza per la meteorologia ha ridotto il carico di riscaldamento e raffreddamento di 5,5 milioni di case a basso reddito a prezzi accessibili in media del 31%. Un centinaio di milioni di edifici americani hanno ancora bisogno di un miglioramento delle condizioni meteorologiche. Le pratiche di costruzione convenzionali incuranti stanno ancora producendo nuovi edifici inefficienti che necessitano di agenti atmosferici quando vengono occupati per la prima volta.
È abbastanza semplice ridurre la richiesta di riscaldamento e raffreddamento per la nuova costruzione di metà. Questo può spesso essere fatto senza alcun costo netto aggiuntivo, dal momento che vi sono risparmi sui costi per i sistemi di climatizzazione più piccoli e altri vantaggi.
Raffreddamento geotermico
I tubi di protezione della terra o di raffreddamento terrestre possono sfruttare la temperatura ambiente della Terra per ridurre o eliminare i requisiti di condizionamento dell’aria convenzionali. In molti climi dove vive la maggior parte degli esseri umani, possono ridurre notevolmente l’accumulo di calore estivo indesiderato e anche contribuire a rimuovere il calore dall’interno dell’edificio. Aumentano i costi di costruzione, ma riducono o eliminano il costo delle apparecchiature convenzionali per il condizionamento dell’aria.
I tubi di raffreddamento della terra non sono economici in ambienti tropicali umidi caldi in cui la temperatura ambiente della Terra si avvicina alla zona di comfort della temperatura umana. Un camino solare o un ventilatore alimentato da fotovoltaico può essere utilizzato per scaricare il calore indesiderato e aspirare aria fredda e deumidificata che è passata dalle superfici della temperatura terrestre ambientale. Il controllo dell’umidità e della condensa sono importanti problemi di progettazione.
Una pompa di calore geotermica utilizza la temperatura ambientale ambiente per migliorare SEER per il riscaldamento e il raffreddamento. Un pozzo profondo ricircola l’acqua per estrarre la temperatura terrestre ambientale (in genere a 2 litri d’acqua per tonnellata al minuto). Questi sistemi “a circuito aperto” erano i più comuni nei sistemi precedenti, tuttavia la qualità dell’acqua potrebbe causare danni alle bobine nella pompa di calore e ridurre la durata dell’apparecchiatura. Un altro metodo è un sistema a circuito chiuso, in cui un anello di tubazione viene fatto scorrere lungo un pozzo o pozzi, o in trincee nel prato, per raffreddare un fluido intermedio. Quando vengono utilizzati i pozzetti, vengono riempiti di nuovo con bentonite o altro materiale per stucco per garantire una buona conduttività termica alla terra.
In passato il fluido di scelta era una miscela 50/50 di glicole propilenico perché non è tossico a differenza del glicole etilenico (utilizzato nei radiatori per automobili). Il glicole propilenico è vischioso e alla fine si inaridisce alcune parti del / i cappio / i, quindi è caduto in disgrazia. Oggi, l’agente di trasferimento più comune è una miscela di acqua e alcool etilico (etanolo).
La temperatura ambiente del suolo è molto più bassa della temperatura dell’aria estiva di picco e molto più elevata della temperatura dell’aria invernale invernale più bassa. L’acqua è 25 volte più termoconduttiva dell’aria, quindi è molto più efficiente di una pompa di calore ad aria esterna (che diventa meno efficace quando la temperatura esterna diminuisce in inverno).
Lo stesso tipo di pozzo geotermico può essere utilizzato senza una pompa di calore ma con risultati notevolmente ridotti. L’acqua della temperatura ambiente viene pompata attraverso un radiatore protetto (come un radiatore dell’automobile). L’aria viene soffiata attraverso il radiatore, che si raffredda senza un condizionatore d’aria basato su compressore. I pannelli solari fotovoltaici producono elettricità per la pompa dell’acqua e la ventola, eliminando le bollette dei servizi di condizionamento d’aria convenzionali. Questo concetto è efficace in termini di costi, a condizione che la posizione abbia una temperatura terrestre ambiente al di sotto della zona di comfort termico umano (non i tropici).
Climatizzazione solare ad anello aperto con disidratanti
L’aria può essere passata su comuni essiccanti solidi (come gel di silice o zeolite) o essiccanti liquidi (come il bromuro di litio / cloruro) per attirare l’umidità dall’aria per consentire un efficiente ciclo di raffreddamento meccanico o evaporativo. L’essiccante viene quindi rigenerato utilizzando l’energia termica solare per deumidificare, in un ciclo di ripetizione continua a basso consumo energetico, a basso costo. Un impianto fotovoltaico può alimentare una ventola di circolazione dell’aria a bassa energia, e un motore per ruotare lentamente un grande disco pieno di disidratante.
I sistemi di ventilazione a recupero di energia forniscono un modo controllato di ventilazione di una casa riducendo al minimo la perdita di energia. L’aria viene fatta passare attraverso una “ruota di entalpia” (spesso usando il gel di silice) per ridurre il costo del riscaldamento dell’aria ventilata in inverno trasferendo il calore dall’aria calda interna che viene scaricata all’aria di alimentazione fresca (ma fredda). In estate, l’aria interna raffredda l’aria di alimentazione in ingresso più calda per ridurre i costi di raffreddamento della ventilazione. Questo sistema di ventilazione fan-and-motor a basso consumo energetico può essere alimentato dal fotovoltaico in modo economico, con un convezione naturale potenziata verso l’alto di un camino solare – il flusso d’aria verso il basso in entrata sarebbe forzato dalla convezione (avvezione).
Un disidratante come il cloruro di calcio può essere miscelato con l’acqua per creare un’affascinante cascata di ricircolo, che deumidifica una stanza utilizzando l’energia solare termica per rigenerare il liquido e una pompa per acqua a bassa velocità alimentata da energia fotovoltaica.
Raffrescamento solare attivo in cui i collettori solari termici forniscono energia in ingresso per un sistema di raffreddamento ad adsorbimento. Esistono diversi sistemi disponibili in commercio che mandano aria attraverso un mezzo impregnato di sostanza essiccante sia per la deumidificazione che per il ciclo di rigenerazione. Il calore solare è un modo in cui viene alimentato il ciclo di rigenerazione. In teoria, le torri possono essere utilizzate per formare un flusso controcorrente dell’aria e l’essiccante liquido ma non sono normalmente impiegate in macchine disponibili in commercio. Si dimostra che il preriscaldamento dell’aria migliora notevolmente la rigenerazione dell’essiccante. La colonna impaccata produce buoni risultati come deumidificatore / rigeneratore, a condizione che la caduta di pressione possa essere ridotta con l’uso di un imballaggio adeguato.
Raffreddamento solare passivo
In questo tipo di raffreddamento l’energia solare termica non viene utilizzata direttamente per creare un ambiente freddo o guidare qualsiasi processo di raffreddamento diretto. Invece, la progettazione di edifici solari mira a rallentare il tasso di trasferimento di calore in un edificio in estate e a migliorare la rimozione del calore indesiderato. Comprende una buona comprensione dei meccanismi di trasferimento del calore: conduzione del calore, trasferimento del calore convettivo e radiazione termica, quest’ultima principalmente dal sole.
Ad esempio, un segno di scarsa progettazione termica è un attico che diventa più caldo in estate rispetto alla temperatura dell’aria esterna di punta. Questo può essere notevolmente ridotto o eliminato con un tetto fresco o un tetto verde, che può ridurre la temperatura della superficie del tetto di 40 ° C in estate. Una barriera radiante e uno spazio d’aria al di sotto del tetto bloccherà circa il 97% delle radiazioni verso il basso dal rivestimento del tetto riscaldato dal sole.
Il raffreddamento solare passivo è molto più facile da ottenere nelle nuove costruzioni rispetto all’adattamento di edifici esistenti. Ci sono molte specifiche del design coinvolte nel raffreddamento solare passivo. È un elemento primario della progettazione di un edificio a energia zero in un clima caldo.
Raffreddamento ad assorbimento a circuito chiuso
Le seguenti sono le tecnologie comuni in uso per l’aria condizionata a circuito chiuso solare termico.
Assorbimento: NH 3 / H 2 O o ammoniaca / acqua
Assorbimento: acqua / litio bromuro
Assorbimento: acqua / litio cloruro
Adsorbimento: acqua / gel di silice o acqua / zeolite
Adsorbimento: metanolo / carbone attivo
Il raffrescamento solare attivo utilizza collettori solari termici per fornire energia solare ai refrigeratori azionati termicamente (solitamente refrigeratori ad assorbimento o ad assorbimento). L’energia solare riscalda un fluido che fornisce calore al generatore di un refrigeratore ad assorbimento e viene ricircolato verso i collettori. Il calore fornito al generatore aziona un ciclo di raffreddamento che produce acqua refrigerata. L’acqua refrigerata prodotta viene utilizzata per il grande raffreddamento commerciale e industriale.
L’energia termica solare può essere utilizzata per raffreddare in modo efficiente in estate e anche per riscaldare l’acqua calda sanitaria e gli edifici in inverno. I cicli di raffreddamento ad assorbimento singolo, doppio o triplo sono utilizzati in diversi sistemi di raffreddamento solare termico. Più cicli, più efficienti sono. I refrigeratori ad assorbimento funzionano con meno rumore e vibrazioni rispetto ai chiller a compressore, ma i loro costi di capitale sono relativamente alti.
Efficienti refrigeratori ad assorbimento richiedono generalmente acqua di almeno 190 ° F (88 ° C). Collettori solari termici a piastre piatte comuni ed economici producono solo circa 160 ° F (71 ° C) di acqua. Per produrre i fluidi di trasferimento a temperatura più elevata richiesti sono necessari collettori piani ad alta temperatura, concentratori (CSP) o a tubi sottovuoto. In installazioni su larga scala ci sono diversi progetti di successo sia tecnici che economici in funzione in tutto il mondo tra cui, per esempio, presso la sede di Caixa Geral de Depósitos a Lisbona con 1.579 metri quadrati (17.000 piedi quadrati) di pannelli solari e 545 kW di potenza di raffreddamento o sul Olympic Sailing Village a Qingdao / Cina. Nel 2011 verrà commissionato lo stabilimento più potente del nuovo United World College di Singapore (1500 kW).
Questi progetti hanno dimostrato che i collettori solari a piastre piatte appositamente sviluppati per temperature superiori a 93 ° C (con doppi vetri, maggiore isolamento sul retro, ecc.) Possono essere efficaci ed economici. Dove l’acqua può essere riscaldata ben oltre 190 ° F (88 ° C), può essere conservata e utilizzata quando il sole non splende.
Il Centro Ambientale Audubon del Parco Regionale Ernest E. Debs di Los Angeles ha un esempio di installazione di un impianto di climatizzazione solare, che è fallito poco dopo la messa in servizio e non viene più mantenuto. La Southern California Gas Co. (The Gas Company) sta anche testando la praticità dei sistemi di raffreddamento solare termico presso il loro Energy Resource Center (ERC) a Downey, in California. I collettori solari di Sopogy e Cogenra sono stati installati sul tetto dell’ERC e stanno producendo il raffreddamento per l’impianto di climatizzazione dell’edificio. Masdar City negli Emirati Arabi Uniti sta anche testando un impianto di raffreddamento ad assorbimento a doppio effetto utilizzando collettori parabolici Sopogy, Mirroxx Fresnel array e pannelli solari termici sottovuoto TVP Solar.
Per 150 anni, i refrigeratori ad assorbimento sono stati utilizzati per produrre ghiaccio (prima che venissero inventate le lampadine elettriche). Questo ghiaccio può essere immagazzinato e usato come una “batteria di ghiaccio” per il raffreddamento quando il sole non splende, come accadde nel 1995 presso l’Hotel New Otani Tokyo in Giappone. I modelli matematici sono disponibili nel pubblico per i calcoli delle prestazioni di accumulo di energia termica su ghiaccio.
L’ISAAC Solar Icemaker è un ciclo intermittente di assorbimento di acqua-ammoniaca solare. ISAAC utilizza un collettore solare parabolico e un design compatto ed efficiente per produrre ghiaccio senza combustibile o ingresso elettrico e senza parti mobili.
I fornitori di sistemi di raffreddamento solare includono ChillSolar, SOLID, Sopogy, Cogenra, Mirroxx e TVP Solar per installazioni commerciali e ClimateWell, Fagor-Rotartica, SorTech e Daikin principalmente per sistemi residenziali. Cogenra utilizza la cogenerazione solare per produrre energia termica ed elettrica che può essere utilizzata per il raffreddamento.
Sistemi di raffreddamento solare che utilizzano collettori concentrati
Le principali ragioni per cui si impiegano collettori concentranti nei sistemi di raffreddamento solare sono: alta efficienza dell’aria condizionata attraverso l’accoppiamento con refrigeratori a doppio / triplo effetto; e la refrigerazione solare a servizio degli utenti finali industriali, eventualmente in combinazione con calore di processo e vapore.
Per quanto riguarda le applicazioni industriali, diversi studi negli ultimi anni hanno evidenziato che esiste un elevato potenziale di refrigerazione (temperature inferiori a 0 ° C) in diverse aree del globo (ad esempio, il Mediterraneo, l’America centrale). Tuttavia, questo può essere ottenuto da refrigeratori ad assorbimento di acqua / ammoniaca che richiedono un ingresso di calore ad alta temperatura al generatore, in un intervallo (120 ÷ 180 ° C) che può essere soddisfatto solo concentrando i collettori solari. Inoltre, diverse applicazioni industriali richiedono sia il raffreddamento che il vapore per i processi, e i collettori solari a concentrazione possono essere molto vantaggiosi nel senso che il loro uso è massimizzato
Edifici a energia zero
Gli obiettivi degli edifici a energia zero comprendono tecnologie sostenibili per la bioedilizia che possono ridurre o eliminare in modo significativo le bollette energetiche annuali nette. Il risultato supremo è l’edificio autonomo completamente fuori dalla rete che non deve essere collegato alle società di servizi pubblici. Nei climi caldi con significativi gradi giorni di requisiti di raffreddamento, l’aria condizionata solare all’avanguardia sarà un fattore di successo critico sempre più importante.