Performance analysis of solar powered air conditioning system using absorption refrigeration cycle and high efficiency cooling technologies installed in Colombia

In this work is presented an analysis of the performance of solar absorption air-cooling system installed to a building office of the Bolivarian Pontifical University (UPB) of Medellín in Colombia. The solar powered, single effect Li-Br absorption cooling system using evacuated heat pipe collectors, has a nominal capacity of 11,5 kW and it is implemented with a 17,6 kW indirect evaporative cooler, responsible to improve the energy efficiency and to renovate the air in the building, for a total cooling capacity of more than 29 kW (more than 8 refrigeration tons). A system of chilled water capillary mats is implemented for air conditioning, where the heat transfer takes place through a radiant ceiling, reducing recirculation airflow and increasing the temperature of chilled water supplied, allowing a reduction in energy consumption by airflow and an improvement in energy efficiency of the solar-powered absorption cooling system. Once defined the system in all of its part the further step is to perform its operation in different conditions. The performance are evaluated for three main subsystem composing the air conditioning system: the absorption chiller, the heat pipe evacuated tube collectors and the indirect evaporative cooler, called Coolerado. The analysis is carried out through experimental test-measurements (TMs), whose intent is to evaluate the use of new technologies used in Colombia ambient conditions. A series of TMs are carried out varying the value of one or more particular parameters that affects the performance. Indeed the operational parameters in terms of temperatures of the flux involved and instant power consumption are measured during the whole period of TMs. Some indicators, which describe the performance, are calculated and compared, so an evaluation of the different TMs is provided. In more is presented an economic comparison with a conventional scheme in order to assess the potential energy savings of the system, the simple payback period of the investment is calculated for different size and cooling demand of the system presented for both Colombian and Italian case.

In questo elaborato è presentata una analisi delle prestazioni di un sistema solare di aria condizionata installato per un edificio amministrativo della Università Pontificia Bolivariana (UPB), a Medellín, COLOMBIA. La macchina frigorifera ad assorbimento a singolo effetto a miscela binaria H2O/BrLi ha una capacità nominale di 11,5 kW ed è accoppiata a pannelli solari a tubi evacuati. Il sistema è implementato con un condizionatore d’aria per raffreddamento evaporativo indiretto che ha una capacità nominale di 17,6 kW, per una totale capacità frigorifera superiore a 29 kW. Quest’ultimo è responsabile nel rinnovare l’aria nell’edificio e migliorare l’efficienza energetica del sistema di tubi capillari di acqua gelata, installato sulla parete dell’edificio così da creare un tetto radiante, responsabile della climatizzazione nel locale. Il tetto radiante scambia calore con l’ambiente per radiazione assorbita dalle superfici emittenti e convezione naturale di correnti d’aria (quest’ultimo favorito dalla presenza del Coolerado), pertanto rispetto alle tradizionali fun-coil, riduce l’aria di ricircolo e la climatizzazione risulta efficace anche a temperatura dell’acqua refrigerante maggiori, permettendo una riduzione nel consumo energetico e quindi un miglioramento nell’efficienza energetica del sistema solare di aria condizionata. Una volta definito il sistema in tutte le sue parti, lo step successivo è testare il suo funzionamento in differenti condizioni di operazione. Le prestazioni sono state valutate per i tre grandi sottosistemi che compongono il sistema solare di aria condizionata: la macchina frigorifera ad assorbimento, i collettori solari a tubi evacuati e il condizionatore per raffreddamento evaporativo indiretto, chiamato Coolerado.Con l’intento di valutare l’uso delle nuove tecnologie sopra citate, nelle condizioni ambientali della Colombia una serie di prove sperimentali sono state effettuate variando i parametri che incidono sulle prestazioni del sistema. Le prestazioni del sistema in differenti condizioni di operazione sono valutate attraverso l’uso di coefficienti di prestazione, estrapolati attraverso la misurazione dei parametri operativi caratterizzanti il sistema, in termini di temperature dei flussi coinvolti e dei consumi istantanei di potenza. Inoltre è presentata una comparazione dei costi rispetto ad una macchina frigorifera che sfrutta il tradizionale ciclo a compressione di vapore, attraverso il calcolo del periodo di ammortamento dell’investimento, per differenti taglie dell’impianto e differenti fabbisogni di raffreddamento, così da valutare il potenziale risparmio economico nel tempo che ne deriva dal sistema solare di aria condizionata.