articolo 3 Il raffreddamento adiabatico nel clima mediterraneo
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RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 3 Il raffreddamento adiabat ico nel c lima medite rraneo Articolo pubblicato da Michele Vio su CdA, maggio 2003 Nel precedente articolo “Il Free - Cooling diretto”, pubblicato lo scorso mese di aprile, sono stati illustrati i sistemi utilizzabili per sfruttare il raffreddamento gratuito ottenibile tramite immissione diretta di aria esterna in ambiente. Questo secondo articolo completa l’argomento mostrando i risultati ottenibili nelle città europee e dell’area mediterranea per diverse tipologie di edifici. I sistemi di free-cooling diretto Per aiutare chi non avesse letto l’articolo precedente, di seguito vengono riassunti a grandi linee i quattro sistemi per lo sfruttamento del freecooling diretto: Free - Cooling tradizionale: l’aria esterna viene immessa in ambiente senza alcun trattamento aggiuntivo. Free – Cooling assistito dal raffreddamento adiabatico: l’aria esterna viene immessa in ambiente dopo essere stata raffreddata adiabaticamente, tramite un’umidificazione ad acqua. Free – Cooling assistito dal raffreddamento adiabatico indiretto: l’aria di espulsione viene raffreddata adiabaticamente tramite una umidificazione ad acqua e fatta transitare attraverso uno scambiatore sensibile mediante il quale raffredda l’aria esterna. Free – Cooling assistito dal raffreddamento adiabatico diretto e indiretto: l’aria esterna viene raffreddata prima tramite uno scambiatore di calore dall’aria di espulsione umidificata, poi da un processo adiabatico ottenuto tramite umidificazione ad acqua. Parametri che influenzano l’efficacia del FreeCooling Per tutti i sistemi utilizzati il Free – Cooling si considera: totale, quando l’aria esterna a valle dell’eventuale trattamento aggiuntivo ha una temperatura e un’entalpia entrambe inferiori a quelle del punto d’immissione teorico (ovvero il massimo consentito per mantenere in ambiente le condizioni desiderate) parziale quando l’aria esterna a valle dell’eventuale trattamento aggiuntivo ha una temperatura e/o un’entalpia superiore a quella del punto d’immissione teorico, ma inferiori a quella dell’aria ambiente Pertanto i parametri che influenzano l’efficacia del free-cooling sono: RC GROUP 1) temperatura dell’aria ambiente: influenza sia il direttamente campo del free-cooling parziale, sia quello del free-cooling totale, incidendo sulla temperatura del punto teorico d’immissione. Più è alta e più si allarga il campo di utilizzo del free-cooling. Dipende esclusivamente dalla regolazione impostata 2) umidità relativa dell’aria ambiente: influenza sia direttamente il campo del free-cooling parziale, sia quello del free-cooling totale, incidendo sull’entalpia del punto teorico d’immissione. Più è alta e più si allarga il campo di utilizzo del free-cooling. Dipende esclusivamente dalla regolazione impostata 3) retta di esercizio: influisce sull’entalpia del punto teorico d’immissione. Più è elevata (prossima a 1: carico solo sensibile), più si allarga il campo di utilizzo del free-cooling, soprattutto per quanto riguarda condizioni dell’aria esterna ad elevata umidità relativa. Dipende esclusivamente dal carico ambiente, quindi dalla tipologia di utilizzo dell’edificio 4) portata d’aria: influisce sulle condizioni del punto teorico d’immissione. Più è elevata, più largo è il campo di utilizzo del free-cooling 5) temperatura dell’aria esterna: è ovviamente un parametro determinante, anche se non il più importante in assoluto. Più è bassa, maggiore è la possibilità di utilizzo del free-cooling. Dipende esclusivamente dal clima della località. 6) Umidità relativa dell’aria esterna: è il fattore in assoluto più importante, come sarà dimostrato nelle simulazioni. Più è bassa, più ampio maggiore è l’efficacia del free-cooling 7) Efficacia dello scambiatore: influenza la temperatura dell’aria esterna a valle del trattamento. Vale solo per i sistemi con raffreddamento adiabatico indiretto. Una leggera influenza ce l’ha anche l’altitudine della località, perché, a parità di ogni altra condizione, al suo aumentare diminuisce leggermente la temperatura di bulbo umido e quiondi l’efficacia dela raffreddamento adiabatico. Dei sette parametri tre influenzano in modo diverso i diversi sistemi di free-cooling. Valgono le seguenti considerazioni: Free-Cooling tradizionale: funziona solamente quando la temperatura dell’aria esterna è inferiore a quella ambiente. L’umidità relativa è meno influente e solamente per temperature dell’aria superiori a 16°C e bassi valori di retta di esercizio. Se l’umidità assoluta è superiore a quella del punto teorico d’immissione è necessario deumidificare l’aria con l’ausilio dell’energia fornita da un gruppo frigorifero Free-Cooling assistito dal raffreddamento adiabatico diretto: l’aria esterna viene 1/8 RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 3 Il raffreddamento adiabat ico nel c lima medite rraneo raffreddata tramite un’umidificazione ad acqua fino ad un valore limite che è dato o dalla saturazione o dal raggiungimento dell’umidità assoluta del punto teorico d’immissione. Pertanto è l’umidità relativa dell’aria esterna a determinare l’efficacia del sistema: più è bassa e più può essere utilizzato il raffreddamento adiabatico Free-Cooling assistito dal raffreddamento adiabatico indiretto: l’aria espulsa, alle condizioni dell’ambiente, viene raffreddata tramite un’umidificazione ad acqua, fino alla saturazione. Il parametri che influiscono maggiormente il processo sono la temperatura ambiente, l’umidità relativa ambiente e l’efficienza dello scambiatore. L’aria espulsa può essere raffreddata da 18,5°C, con ambiente 26°C e UR = 60% fino a 13°C, con ambiente a 20°C e UR = 45%. Di conseguenza anche l’umidità relativa dell’aria esterna è importante, perché più è bassa, più l’ambiente può essere mantenuto a umidità relativa minore, migliorando l’efficacia del raffreddamento adiabatico indiretto. Free-Cooling assistito dal raffreddamento adiabatico sia diretto che indiretto: è la combinazione dei due ultimi sistemi ed è influenzato dagli stessi parametri. In generale si può dire che l’utilizzo del raffreddamento adiabatico diretto è consigliato nelle località meno umide, mentre in quelle più umide è consigliato il sistema indiretto. Influenza della regolazione ambiente La regolazione della temperatura ambiente è fondamentale in tutti i sistemi free-cooling. E’ importante che la temperatura dell’aria ambiente sia la più alta possibile. Una logica di regolazione consigliabile è quella mostrata in figura 1. La temperatura ambiente viene sempre mantenuta a 20°C fino a quando la temperatura dell’aria esterna non sia raggiunga 18°C. Da qui in poi viene mantenuta 2°C sopra la temperatura esterna fino ad un massimo di 26°C. La logica di regolazione è legata, però, anche al mese. L’uomo ha una “memoria termica” a breve termine, nel senso che si abituata al clima della stagione, complice anche il suo abbigliamento. Così se 21°C possono essere considerati eccessivi a febbraio, quindi dare una sensazione di caldo, sono troppo pochi a luglio (sensazione di freddo). Ecco allora che, a seconda del mese, si deve porre un limite inferiore alla temperatura ambiente, indipendentemente dalla temperatura. Analogamente va messo un limite superiore, nell’eventualità di temperature dell’aria esterna al di sopra della media stagionale. RC GROUP Le temperature d’immissione variano di conseguenza, come mostrato in figura 1. Ovviamente si tratta di una semplificazione, perché il carico dipende dalla struttura dell’edificio e varia in modo abbastanza indipendente dalla temperatura esterna. Ciò che si vuole evidenziare tramite la figura 1 è l’andamento della temperatura d’immissione, che, a parità di temperatura esterna, aumenta al crescere della temperatura ambiente, allargando l’efficacia del free-cooling. Figura 1: temperatura ambiente e temperatura d’immissione dell’aria in ambiente nei vari mesi dell’anno in funzione della temperatura dell’aria esterna Il risparmio ottenibile in Europa e nell’area mediterranea Per quantificare il risparmio conseguibile con i vari sistemi di free-cooling sono state effettuate una serie di simulazioni in edifici simili posizionate in diverse località italiane, europee e della fascia mediterranea. Per tutti sono stati considerati i fabbisogni di energia richiesti da un impianto senza free-cooling e dai quattro sistemi descritti. I calcioli sono stati effettuati sul fabbisogno energetico, non sul consumo elettrico, questo per non considerare un parametro molto variabile, come quello dell’efficienza dei gruppi frigoriferi. Sono state considerate quattro tipologie di utilizzo: a) palazzo per uffici: funzionamento 10 ore al giorno (dalle 8 alle 18), percentuale aria esterna 20% b) centro commerciale: funzionamento 16 ore al giorno (dalle 7 alle 22), percentuale aria esterna 15% c) locale per spettacolo (cinema): funzionamento 12 ore al giorno (dalle 15 alle 2), percentuale aria esterna 60% d) ospedale: ): funzionamento 24 ore al giorno, percentuale aria esterna 100% 2/8 RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 3 Il raffreddamento adiabat ico nel c lima medite rraneo Per tutti la portata d’aria è tale da dare una temperatura d’immissione di 16°C con il massimo carico estivo. L’efficienza degli scambiatori di calore nelle soluzioni con raffreddamento adiabatico indiretto è 0,6. Le città considerate sono: 38 in Italia: Aosta, Torino, Alessandria, Sondrio, Milano, Como, Bolzano Trento, Verona, Venezia, Udine, Trieste, Genova, Rimini, Bologna, Firenze, Grosseto, Perugia, Ancona, Macerata, Roma, Rieti, Napoli, Avellino, L’Aquila, Ascoli, Pescara, Campobasso, Bari, Lecce, Catanzaro, Reggio Calabria, Catania, Enna, Palermo, Cagliari, Sassari 22 dell’Europa meridionale e dell’area mediterranea: Dubrovnik, Atene, Rodi, Iraklion, Nicosia, Smirne, Istambul, La Valletta, Beirut, Damasco, Tel Aviv, Alessandria, Tripoli, Tunisi, Algeri, Rabat, Gibilterra, Lisbona, Siviglia, Madrid, Barcellona, Marsiglia 8 dell’Europa centro-settentrionale: Parigi, Berna, Bruxelles, Berlino, Londra, Stoccolma, Oslo, Mosca. Analisi dei risultati I risultati sono sintetici riportati in quattro tabelle distinte per tipologia di utilizzo. In generale si può dire che: 1) I risparmi ottenibili sono molto elevati in tutte le località esaminate, mediamente superiori al 30%, con qualche eccezione 2) Sui risultati influisce, più che la temperatura dell’aria, l’umidità relativa. In città calde ma secche, come ad esempio Madrid, ma anche Bari in Italia, si ottiene un risparmio molto più marcato rispetto a località più umide, come Palermo, Milano e Ancona. La figura 2 mostra la media delle temperature e umidità relative massime raggiungibile in alcune località. Confrontandole con i risultati riportati nelle tabelle si nota quanto influisca l’umidità relativa. 3) Il solo free-cooling tradizionale è il sistema meno efficiente e mai consigliabile per nessuna destinazione d’uso in nessuna località 4) Il free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico diretto è consigliabile solamente nelle città dell’Europa settentrionale 5) In tutti i casi è sempre maggiore il risparmio ottenibile con il raffreddamento adiabatico indiretto da solo o unito al raffreddamento adiabatico diretto, nelle località più secche. Si possono, inoltre, fare delle considerazioni differenziate per tipologie di utilizzo: Edificio per uffici La percentuale dell’aria di rinnovo è bassa per cui l’utilizzo di un sistema con raffreddamento RC GROUP adiabatico indiretto può risultare costoso, perché il recuperatore deve essere dimensionato sull’intera portata, non solo su quella di rinnovo. Pertanto il ricorso al raffreddamento adiabatico diretto è consigliato come scelta primaria nelle città dell’Europa centro- settentrionale, dove i risultati sono comunque notevoli, e come scelta di ripiego, per limitare i costi di installazione, in alcune località italiane. Figura 2: media delle temperature e UR massime raggiungibili nei diversi mesi dell’anno In Italia, comunque, è sempre preferibile ricorrere ai sistemi con raffreddamento adiabatico indiretto, in grado di garantire prestazioni nettamente migliori. Fanno eccezione solamente Milano e Palermo, città dal clima particolarmente umido (cfr. figura 2). Da segnalare le ottime prestazioni raggiungibili con il raffreddamento adiabatico sia diretto che indiretto raggiungibili in città del meridione come Campobasso, Enna, Rieti, L’aquila Avellino, Sassari, Bari, Catanzaro, Reggio Calabria, o dell’area mediterranea, come Madrid, Lisbona, Dubrovnik, Siviglia Istambul e Damasco con risparmi energetici superiori al 70%., con punte superiori al 90%. Centri commerciali Rispetto agli uffici i centri commerciali hanno un funzionamento più lungo e un maggior carico sensibile, con retta d’esercizio sempre superiore a 0,9. La percentuale dell’aria di rinnovo è sempre bassa, ma, considerando gli elevati consumi in gioco, vi è una maggiore convenienza ad utilizzare sistemi complessi, anche se inizialmente più costosi. 3/8 RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 3 Il raffreddamento adiabat ico nel c lima medite rraneo Locali per spettacolo I risparmi ottenibili in termini percentuali si abbassano solamente perché l’elevata quantità di aria di rinnovo (60%) contribuisce al free-cooling anche con il solo sistema tradizionale. I risparmi sono comunque molto elevati, tali da consigliare sempre il raffreddamento adiabatico indiretto, da solo o combinato con il diretto, in tutte le località tranne che in quelle scandinave. Ospedale L’impianto lavora 24 ore al giorno con tutta aria esterna. Le percentuali di risparmio, quindi, sono di fatto riferite ad un sistema a free-cooling. Nonostante ciò i valori sono comunque molto elevati in tutte le località esaminate Il dimensionamento dei gruppi frigoriferi E’ banale, ma vale la pena sottolinearlo per non provocare spiacevoli equivoci: i sistemi di freecooling non influiscono minimamente nel dimensionamento dei gruppi frigoriferi, perché nelle condizioni critiche di progetto sono sempre disattivi, con qualche rarissima eccezione (in Italia, Aosta), con funzionamento in free-cooling parziale e risparmio comunque limitato. RC GROUP Solamente i sistemi con raffreddamento adiabatico indiretto permetto una riduzione della potenza del gruppo frigorifero compresa tra il 10% ed il 20%, perché comunque l’aria esterna viene raffreddata tramite lo scambiatore anche quando il free-cooling è disattivo. Conclusioni Il presente lavoro mostra come sia possibile ottenere risparmi energetici notevoli in tutte le località dell’area mediterranea sfruttando il freecooling assistito da sistemi di raffreddamento adiabatico sia diretto che indiretto. Gli ordini di grandezza dei risparmi conseguiti sono molto superiori di quelli ottenibili solamente agendo sull’efficienza dei gruppi frigoriferi. Pertanto è dovere di ogni progettista domandarsi se davvero sia necessario produrre l’energia prima di decidere come produrla. L’aria esterna opportunamente trattata può essere un ottimo sistema per condizionare gli ambienti per gran parte dell’anno in modo assolutamente gratuito, con un impatto ambientale nullo. 4/8 RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 3 Il raffreddamento adiabat ico nel c lima medite rraneo UFFICI: soluzioni consigliate Risparmio > 90% da 80 a 90% da 70 a 80% da 60 a 70% da 50 a 60% da 40 a 50% da 30 a 40% da 20 a 30% da 15 a 20% Raffreddamento adiabatico Raffreddamento adiabatico Raffreddamento adiabatico diretto indiretto diretto + indiretto Aosta, Perugia, Rieti, L’Aquila, Campobasso, Enna Berlino, Londra, Stoccolma, Dubrovnik, Madrid, Oslo, Mosca Damasco, Marsiglia, Lisbona, Parigi, Bruxelles Enna* Sondrio, Trieste, Avellino Berna Aosta*, Bolzano, Grosseto, Sassari Istanbul, Siviglia Rieti*, L’Aquila* Trento, Reggio Calabria Bari, Catanzaro Atene, Smirne Sondrio* Udine, Verona Firenze Torino, Iraklion, Rabat, Gibilterra Tunisi Trento*, Bolzano* Como, Genova, Rimini, Alessandria Bologna, Macerata, Roma, Ascoli, Lecce, Catania, Cagliari La Valletta, Algeri, Barcellona Torino*, Verona*, Udine*, Venezia, Ancona, Napoli, Roma*, Lecce*, Catania*, Pescara Cagliari* Rodi, Nicosia, Tel Aviv, Alessandria d’Egitto, Tripoli Milano*, Genova*, Napoli* Milano, Palermo Beirut Ancona*, Palermo* * soluzione alternativa più economica (solo città italiane) RC GROUP 5/8 RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 3 Il raffreddamento adiabat ico nel c lima medite rraneo CENTRI COMMERCIALI: soluzioni consigliate Risparmio > 90% Raffreddamento adiabatico Raffreddamento adiabatico Raffreddamento adiabatico diretto indiretto diretto + indiretto Aosta, Perugia, Rieti, L’Aquila, Campobasso, Enna Stoccolma, Oslo Madrid, Damasco, Parigi, Berna Berlino, Bruxelles, Londra, Mosca Avellino da 80 a 90% Dubrovnik, Marsiglia, Lisbona Sondrio, Bolzano, Trieste, Grosseto Atene, Siviglia Enna* da 70 a 80% L’Aquila* Reggio Calabria Trento, Bari, Catanzaro, Sassari Smirne, Istanbul, Tunisi Sondrio*, Rieti* Como, Udine, Lecce Torino, Verona, Firenze, Macerata, da 60 a 70% da 50 a 60% Iraklion, Rabat, Gibilterra Lecce* da 40 a 50% Udine*, Genova* da 30 a 40% da 20 a 30% Genova, Rimini, Bologna, Ancona, Roma, Ascoli, Catania, Cagliari Rodi, Nicosia, La Valletta, Algeri, Barcellona Venezia, Napoli, Pescara, Palermo Beirut, Tel Aviv, Alessandria d’Egitto, Alessandria Tripoli Milano Ancona*, Roma*, Napoli*, Pescara*, Palermo* da 15 a 20% * soluzione alternativa più economica (solo città italiane) RC GROUP 6/8 RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 3 Il raffreddamento adiabat ico nel c lima medite rraneo LOCALI SPETTACOLO: soluzioni consigliate Risparmio > 90% da 80 a 90% Raffreddamento adiabatico Raffreddamento adiabatico Raffreddamento adiabatico diretto indiretto diretto + indiretto Aosta, Perugia, Rieti, L’Aquila, Campobasso, Enna Berlino, Londra, Stoccolma, Parigi, Bruxelles Madrid, Damasco Oslo, Mosca, Berna Sondrio, Trieste, Lisbona Marsiglia da 70 a 80% da 60 a 70% da 50 a 60% da 40 a 50% Trento, Dubrovnik, Bolzano, Grosseto, Avellino, Bari, Atene, Siviglia Catanzaro Smirne, Como, Firenze, Reggio Calabria, Sassari Istanbul, da 30 a 40% da 20 a 30% da 15 a 20% RC GROUP Torino, Verona, Udine, Genova, Bologna, Macerata, Lecce, Iraklion, Nicosia, Tripoli, Tunisi, Algeri Alessandria, Venezia, Rimini, Ancona, Roma, Napoli, Ascoli, Pescara, Catania, Cagliari Rodi, La Valletta, Tel Aviv, Alessandria d’Egitto, Rabat, Gibilterra, Barcellona Milano, Palermo Beirut 7/8 RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 3 Il raffreddamento adiabat ico nel c lima medite rraneo OSPEDALI: soluzioni consigliate Risparmio > 90% da 80 a 90% Raffreddamento adiabatico Raffreddamento adiabatico Raffreddamento adiabatico diretto indiretto diretto + indiretto Aosta, Perugia, Rieti, L’Aquila, Enna Stoccolma, Oslo Madrid, Damasco Berna Berlino Bruxelles Londra Mosca Campobasso , Parigi da 70 a 80% da 60 a 70% da 50 a 60% da 40 a 50% Trento, Lisbona Dubrovnik, Sondrio, Bolzano, Trieste, Grosseto, Avellino, Siviglia, Marsiglia Bari, Catanzaro Atene, Smirne, Firenze, Reggio Calabria, Sassari Istanbul, da 30 a 40% da 20 a 30% da 15 a 20% RC GROUP Torino, Como, Verona, Udine, Genova, Bologna, Macerata, Lecce, Cagliari Iraklion, Nicosia, Tunisi, Alger i Milano, Alessandria, Venezia, Rimini, Ancona, Roma, Napoli, Ascoli, Pescara, Catania, Palermo Rodi, La Valletta, Tel Aviv, Alessandria d’Egitto, Tripoli, Rabat, Gibilterra, Barcellona Beirut 8/8
