Energetic and economic analysis of possible solutions for chilled water production to serve a district cooling network

The aim of this study is to examine and evaluate possible solutions for the production of chilled water in a trigeneration technological plant located in Bologna, serving a network of cooling and heating. In the first part, the most important theoretical aspects regarding the chilled water production are outlined, including the study of various refrigeration cycles and technologies involved. Subsequently, the case study is presented, describing the trigeneration plant and the network of heating and cooling, focusing on chilled water production and the refrigeration units present. The models of the three solutions chosen for this study are then outlined: a vapor compression refrigeration machine air-cooled, a vapor compression refrigeration machine water-cooled tower, and an absorption refrigeration machine cooled with tower water and powered by a natural gas cogenerator. After describing the considered solutions, an energetic analysis is conducted, followed by an economic analysis. Regarding the energetic analysis, the consumption of electricity, natural gas, and water associated with each solution is calculated based on the amount of refrigeration energy it needs to provide. For the solution involving the absorber coupled with the cogenerator, the amount of electricity produced is also evaluated. The economic analysis follows the UNI ISO 50044 standard, assessing initial investments, operating and maintenance costs, revenues, and various economic-financial indices, such as the payback period, the NPV, the IRR and the global cost of operation. Finally, a sensitivity analysis is performed, evaluating how the cost-effectiveness of different solutions changes with varying parameters like energy cost and energy efficiency indices. The conclusions of the analysis indicate that the most cost-effective solution is the air-condensing refrigeration machine, both in terms of payback period and considering only operating costs, as it has a specific cost of euros per kW of refrigeration produced lower than all others. Based on these results, considerations are made regarding possible future developments for revamping or constructing a new facility in the trigeneration plant.

L'obiettivo dello studio è indagare e valutare la convenienza energetica ed economica di differenti modalità di produzione dell’acqua refrigerata in una centrale tecnologica di trigenerazione situata a Bologna, al servizio di una rete di teleraffrescamento e teleriscaldamento. Inizialmente si procede con l’esposizione degli aspetti teorici fondamentali che sottendono la generazione di acqua refrigerata, approfondendo lo studio dei diversi cicli frigoriferi e tecnologie coinvolte. Poi viene presentato il caso studio, descrivendo la centrale di trigenerazione e le reti di teleriscaldamento e teleraffrescamento, portando l’attenzione sul sistema di generazione dell’acqua refrigerata esistente. Vengono descritti i modelli delle tre soluzioni che sono state scelte per questo studio: una macchina frigorifera a compressione di vapore raffreddata ad aria, una a compressione di vapore raffreddata con acqua di torre e una ad assorbimento, alimentata da un cogeneratore a gas naturale, sempre raffreddata con acqua di torre. Successivamente si procede con l'analisi energetica ed economica. L'analisi energetica quantifica i consumi di energia elettrica, di gas naturale e di acqua, associati a ciascuna soluzione sulla base della quantità di energia frigorifera da fornire; per la soluzione che prevede l’impiego dell’assorbitore accoppiato con il cogeneratore, viene anche valutata la quantità di energia elettrica autoprodotta. L’analisi economica, condotta secondo la UNI ISO 50044, valuta investimenti iniziali, costi di gestione e manutenzione, ricavi e i principali indicatori economico-finanziari, come il tempo di ritorno attualizzato dell’investimento, VAN, TIR e il costo globale di esercizio. Da ultimo l’analisi di sensitività indaga come la convenienza delle diverse soluzioni si modifichi al variare di parametri come il costo dell’energia e gli indici di efficienza energetica stagionali (SEER). I risultati dell’analisi indicano che la soluzione economicamente più conveniente risulta essere la configurazione con macchina frigorifera condensante ad aria, sia in termini di minor tempo di ritorno dell’investimento sia di minor costo globale di esercizio, poiché presenta un costo specifico di euro ogni kW frigorifero prodotto, inferiore a tutti gli altri. In conclusione, sono presentati ragionamenti in merito a possibili sviluppi futuri per un revamping o un ampliamento nella centrale di trigenerazione.