Verifica e ottimizzazione delle prestazioni di un impianto di riscaldamento e raffrescamento solare per utenze domestiche

The world primary energy needs have grown in the last decade faster than it was foreseen. The necessity to cover this demand has pushed the international organizations (e.g. IEA, International Energy Agency) and the governments to stimulate the use of renewable energy technologies. Moreover, the majority of the world energy demand is covered through the use of fossil fuels, which contribute to the increase of the carbon dioxide concentration in the atmosphere, with consequences on the greenhouse effect. The use of these sources provoke also the increase of concentration of other compounds in the atmosphere, carbon monoxide, of nitrogen, sulfur and hydrocarbons that are cause of a series of climatic modifications, pollution of urban areas and acid rains. The problems cited about the environmental impact and the worries for the reduction of the fossil fuels availability are the base of the impulse towards the exploitation of renewable energy sources, and among them of solar energy. Currently, the technologies that use solar energy to meet the increasing demand are spreading and becoming more competitive not only in industrial and tertiary but also in the residential sectors. For this reason, in this thesis, we wanted to study a real solar thermal heating and cooling for domestic use. This system, already installed and functioning since 2007, has been analyzed by us to verify and optimize its performance both in winter and in summer. In particular, for the summer, solar radiation is converted by solar panels to; the latter feeds a thermally driven refrigerator which produces chilled water to cool the residential building. The combination of solar thermal with a refrigerating system is called solar cooling. In our case, the cooling machine is a water and lithium bromide absorbption chiller. In this thesis we initially, in the first chapter, illustrates the different types of solar collectors and refrigeration equipment commonly used in solar cooling systems. In the second chapter, we described the experimental building where it is installed the system studied and, later, we highlighted the hydraulic circuits and components making up the plant itself. In the third chapter, we explained the different control alghoritms, which we optimized for the management of both the heating and cooling modes. In the fourth chapter, we reported the results of the experimental activities where the system’s modification implemented have been verified through the analysis of the system performance. In the fifth Chapter, we determined the nominal condition that allows us to have the highest overall performance of the installation of solar cooling. Finally, in the sixth chapter, we reported our findings and possible plant improvements to be implemented to ensure smooth operation of the facility.

Il fabbisogno mondiale di energia primaria è cresciuto nell’ultimo decennio ad un tasso maggiore di ciò che era stato preventivato. La necessità di coprire questa domanda a spinto le maggiori organizzazioni internazionali (per esempio la IEA, International Energy Agency) e i governi ha incentivare l’uso di tecnologie che sfruttino le fonti rinnovabili. Inoltre, la maggior parte della domanda mondiale di energia è coperta attraverso l’uso di combustibili fossili, che contribuiscono all’aumento della concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera, con conseguenze sull’effetto serra. L’uso di fonti fossili provoca anche l’aumento di concentrazione di altri composti in atmosfera quali ossido di carbonio, di azoto, di zolfo e idrocarburi, che sono causa di una serie di modificazioni climatiche ed ambientali come l’inquinamento delle città e le piogge acide. I problemi citati relativi all’impatto ambientale e la preoccupazione per la riduzione delle scorte di combustibile fossile sono alla base dell’impulso all’uso di tecnologie basate sullo sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili, quale l’energia solare. Le fonti rinnovabili si ricostruiscono in un tempo confrontabile con il tempo necessario al loro consumo e quindi si possono considerare inesauribili. In gran parte derivano direttamente dall’energia solare e non comportano un incremento dell’anidride carbonica. Quindi l’adozione di tecnologie capaci di sfruttare fonti rinnovabili è una possibile strategia per il contenimento dei cambiamenti climatici in atto e per dare una speranza di futuro alla società. Attualmente le tecnologie che sfruttano l’energia solare, per soddisfare la domanda sempre più crescente di energia, si stanno diffondendo e diventando sempre più competitive non solo nell’ambito industriale e terziario ma anche in quello residenziale. Per questo motivo, in questa tesi di laurea, abbiamo voluto studiare un vero e proprio impianto ad energia solare in grado di riscaldare e raffrescare un’utenza domestica. Tale impianto, già esistente e funzionante dal 2007, è stato da noi analizzato per verificarne e ottimizzarne le prestazioni sia nel periodo invernale che nel periodo estivo. In particolare, per quanto riguarda il periodo estivo, la radiazione solare viene convertita dai pannelli solari in energia termica che provoca un aumento sensibile della temperatura di un fluido termovettore; esso, a sua volta, va ad alimentare il ciclo frigorifero il quale è in grado di restituire l’acqua refrigerata utile per poter raffrescare gli ambienti. L’accoppiamento del solare termico con una macchina frigorifera è denominato sistema di solar cooling. Nel nostro caso la macchina frigorifera impiegata è una macchina ad assorbimento ad acqua e bromuro di litio. In questo lavoro di tesi abbiamo inizialmente, nel primo capitolo, illustrato le diverse tipologie di collettori solari e di macchine frigorifere ad oggi esistenti utilizzabili per il solar cooling. Nel secondo capitolo, abbiamo descritto l’edificio sperimentale in cui è installato l’impianto da noi studiato e, successivamente, abbiamo evidenziato i circuiti idraulici e i relativi componenti costituenti l’impianto stesso. Nel terzo capitolo, abbiamo spiegato le diverse logiche di controllo, da noi ottimizzate, per la gestione dell’impianto sia nella modalità di riscaldamento che raffrescamento e illustrato il sistema di monitoraggio presente. Nel quarto capitolo, abbiamo riportato i risultati delle campagne di misura rispetto alle modifiche da noi adottate verificando le prestazioni dell’impianto. Nel quinto capitolo, abbiamo determinato nominalmente la condizione che ci permette di avere la massima prestazione complessiva dell’impianto oggetto di studio. Infine, nel sesto capitolo, abbiamo riportato le nostre conclusioni e possibili migliorie impiantistiche da adottare per garantire un funzionamento ottimale dell’impianto stesso.