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
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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%
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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.
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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.
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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
