Raffreddamento ad assorbimento solare vs raffreddamento ad adsorbimento: quale sistema è più efficiente

1. La differenza fondamentale nei principi di funzionamento

La refrigerazione ad assorbimento solare si basa sulla relazione di dissoluzione fisico-chimica tra un liquido assorbente e un refrigerante per azionare il ciclo. Il refrigerante si dissolve nell'assorbente per formare una soluzione, che viene poi riscaldata nel generatore mediante l'energia termica solare. Il refrigerante evapora e si separa, quindi subisce condensazione, espansione ed evaporazione per produrre il raffreddamento. Il vapore refrigerante a bassa pressione viene successivamente riassorbito dall'assorbente, completando un ciclo completo. L'intero processo avviene continuamente tra la fase liquida e quella vapore: questo è a ciclo continuo stazionario .

La refrigerazione ad adsorbimento solare utilizza le proprietà di adsorbimento fisico e desorbimento termico di un adsorbente solido per guidare il ciclo. L'adsorbente cattura il vapore refrigerante a basse temperature, producendo un effetto rinfrescante. L’energia termica solare quindi riscalda l’adsorbente, provocando il desorbimento: il vapore refrigerante viene rilasciato, entra nel condensatore e si liquefa per la rigenerazione. Poiché gli adsorbenti solidi non possono fluire in modo continuo come fanno i liquidi, l’adsorbimento e il desorbimento si alternano all’interno dello stesso letto di adsorbimento. Questo è un ciclo quasi statico intermittente .

Questa distinzione fondamentale guida la divergenza tra i due tipi di sistema in termini di continuità operativa, struttura delle apparecchiature e metodologia di controllo.

2. Confronto dei processi del ciclo termodinamico

Il ciclo in quattro fasi della refrigerazione ad assorbimento solare

Il ciclo termodinamico standard di un sistema di refrigerazione ad assorbimento solare è costituito da quattro processi principali:

Generazione: La soluzione diluita nel generatore viene riscaldata dall'acqua calda solare, in genere tra 80°C e 100°C per i sistemi a singolo effetto. Il refrigerante evapora e la concentrazione della soluzione aumenta fino a formare una soluzione concentrata.

Condensazione: Il vapore refrigerante ad alta temperatura e alta pressione entra nel condensatore, rilascia calore all'acqua o all'aria di raffreddamento e si liquefa in refrigerante liquido ad alta pressione.

Evaporazione: Il refrigerante liquido passa attraverso una valvola di espansione, scende di pressione ed entra nell'evaporatore. In condizioni di bassa pressione e bassa temperatura, assorbe calore ed evapora: questa è la fase principale in cui il sistema produce il suo effetto di raffreddamento.

Assorbimento: Il vapore refrigerante a bassa pressione entra nell'assorbitore, dove viene assorbito dalla soluzione concentrata e contemporaneamente rilascia calore al mezzo di raffreddamento. La soluzione viene nuovamente diluita, pressurizzata dalla pompa della soluzione e restituita al generatore per completare il ciclo.

Nei sistemi acqua-bromuro di litio, l'acqua funge da refrigerante e il bromuro di litio da assorbente. Il ciclo funziona in condizioni di pressione negativa, con una temperatura minima di raffreddamento superiore a 0°C, che lo rende particolarmente adatto al servizio di condizionamento dell'aria. I sistemi acqua-ammoniaca utilizzano l’ammoniaca come refrigerante e possono raggiungere temperature di raffreddamento inferiori allo zero, offrendo una gamma di applicazioni più ampia, anche se al prezzo di pressioni operative più elevate del sistema e requisiti di tenuta più severi.

Il ciclo alternato a due letti della refrigerazione ad adsorbimento solare

Un sistema di refrigerazione ad adsorbimento standard utilizza due letti di adsorbimento che funzionano in alternanza per fornire una potenza di raffreddamento quasi continua:

Fase di raffreddamento ad assorbimento: Un letto di adsorbimento viene mantenuto a bassa temperatura. L'adsorbente solido, tipicamente gel di silice, assorbe continuamente il vapore refrigerante dall'evaporatore. Il refrigerante evapora in condizioni di bassa pressione e bassa temperatura all'interno dell'evaporatore, assorbendo calore e producendo raffreddamento.

Fase di riscaldamento-desorbimento: L’acqua calda solare riscalda il letto di adsorbimento saturo. Quando la temperatura dell'adsorbente aumenta, grandi quantità di vapore refrigerante vengono desorbite e rilasciate nel condensatore, dove si liquefanno. Il refrigerante liquido viene quindi espanso e restituito all'evaporatore, preparando il sistema per il successivo ciclo di adsorbimento.

Processo di recupero del calore: I sistemi di adsorbimento ad alte prestazioni incorporano un rigeneratore di calore che scambia energia termica tra il letto ad alta temperatura in fase di desorbimento e il letto a bassa temperatura nella fase di adsorbimento. Ciò riduce i requisiti complessivi di apporto di calore e migliora il COP. La progettazione del recupero di calore è una delle strategie chiave di ottimizzazione dell’efficienza nei sistemi di refrigerazione ad adsorbimento.

L'intervallo di commutazione tra i due letti alternati è tipicamente compreso tra alcuni minuti e diverse decine di minuti. La potenza di raffreddamento mostra un certo grado di fluttuazione durante la commutazione, una caratteristica operativa distintiva che distingue i sistemi di adsorbimento dal ciclo continuo dei sistemi di assorbimento.

3. Temperatura di guida e abbinamento del collettore solare

La temperatura della fonte di calore motrice è uno dei parametri più critici nella scelta del sistema di climatizzazione a energia solare termica.

La refrigerazione ad assorbimento solare richiede una temperatura di guida relativamente più elevata. La temperatura minima di funzionamento per un refrigeratore al bromuro di litio a singolo effetto è compresa tra circa 75°C e 80°C, mentre le unità a doppio effetto richiedono 150°C o superiore. Il funzionamento stabile richiede tipicamente collettori a tubi sottovuoto o collettori a concentrazione come i concentratori parabolici composti (CPC). Temperature di guida più elevate aumentano la pressione di evaporazione nel generatore e migliorano l'efficienza del ciclo. I sistemi a doppio effetto raggiungono un COP compreso tra 1,0 e 1,2, significativamente più alto dei sistemi a singolo effetto tra 0,6 e 0,8.

La refrigerazione ad assorbimento solare funziona in un intervallo di temperature di guida più basse. La coppia di lavoro gel di silice-acqua funziona efficacemente a temperature comprese tra 60°C e 85°C, corrispondendo direttamente all'intervallo di temperatura operativa dei collettori solari piani: non è necessaria alcuna attrezzatura per la raccolta delle alte temperature. Questa caratteristica conferisce ai sistemi di adsorbimento una maggiore adattabilità nelle regioni con irraggiamento moderato o durante il funzionamento invernale. La coppia di lavoro zeolite-acqua richiede una temperatura di funzionamento leggermente più elevata, compresa tra 100°C e 200°C, ma raggiunge un desorbimento più completo, rendendola adatta per applicazioni con fonti di calore di qualità superiore. La coppia di lavoro carbone attivo-metanolo può essere utilizzata a temperature comprese tra 50°C e 80°C, sebbene la tossicità e l'infiammabilità del metanolo impongono requisiti di progettazione di tenuta e sicurezza più rigorosi.

4. COP del sistema e prestazioni di efficienza energetica

In condizioni equivalenti di raccolta solare, i due tipi di sistema mostrano differenze misurabili nelle prestazioni energetiche.

I refrigeratori ad assorbimento al bromuro di litio a singolo effetto raggiungono in genere un COP termico compreso tra 0,6 e 0,8, mentre le unità a doppio effetto possono superare 1,0. Tuttavia, i sistemi a doppio effetto richiedono campi di collettori notevolmente più grandi e maggiori investimenti in apparecchiature ausiliarie. Il COP solare complessivo, che tiene conto dell’efficienza del collettore, è compreso tra 0,3 e 0,5.

I sistemi di adsorbimento di acqua e gel di silice forniscono in genere un COP termico compreso tra 0,4 e 0,6, inferiore rispetto ai sistemi di assorbimento. Tuttavia, poiché sono compatibili con i collettori piani a temperatura più bassa, l’efficienza del collettore è relativamente elevata e l’utilizzo complessivo dell’energia solare è paragonabile ai sistemi di assorbimento a singolo effetto. L’introduzione di materiali adsorbenti avanzati – tra cui la zeolite AQSOA e i materiali a struttura metallo-organica (MOF) – sta progressivamente colmando il divario COP. Alcuni risultati di laboratorio con questi materiali hanno già superato 0,8.

5. Struttura del sistema e caratteristiche di manutenzione

I sistemi di refrigerazione ad assorbimento solare incorporano più componenti tra cui una pompa della soluzione, un generatore, un assorbitore, un condensatore, un evaporatore e uno scambiatore di calore. L'architettura del sistema è relativamente complessa, con requisiti rigorosi in termini di purezza del fluido di lavoro e tenuta del sistema. La soluzione di bromuro di litio comporta il rischio di cristallizzazione e corrosione ad alte temperature o a contatto con l'aria, richiedendo un monitoraggio periodico della concentrazione e il rifornimento di inibitori di corrosione. La manutenzione richiede personale tecnico qualificato.

I sistemi di refrigerazione ad adsorbimento solare sono costruiti attorno a letti di adsorbimento solidi come componenti principali. Non è presente alcun circuito di pompaggio del fluido di lavoro liquido e il sistema non contiene parti mobili a parte le ventole di raffreddamento. Ciò si traduce in un sistema strutturalmente semplice e meccanicamente affidabile con bassi tassi di guasto e carico di lavoro di manutenzione minimo. Il compromesso è che il volume del letto di adsorbimento è relativamente grande: il peso e l’ingombro del sistema sono generalmente maggiori rispetto alle unità di assorbimento con capacità di raffreddamento equivalente. I vincoli di spazio devono essere attentamente valutati in fase di pianificazione del progetto.

6. Scenari applicativi e casi d'uso ingegneristici

I refrigeratori ad assorbimento solare al bromuro di litio hanno una comprovata esperienza in grandi edifici commerciali, hotel, ospedali e strutture industriali. I prodotti disponibili in commercio coprono capacità di raffreddamento che vanno da decine di kilowatt a diversi megawatt. Combinati con campi di collettori solari centralizzati, questi sistemi possono fornire fornitura di raffreddamento su scala distrettuale e attualmente rappresentano la tecnologia dominante nei progetti di raffreddamento distrettuale solare.

I condizionatori d’aria ad adsorbimento solare sono più adatti agli edifici di piccole e medie dimensioni, alle applicazioni di raffreddamento distribuito e ai casi d’uso che danno priorità all’affidabilità del sistema e alla bassa manutenzione, come stazioni base per le telecomunicazioni e strutture mediche in luoghi off-grid. Poiché le prestazioni dei materiali adsorbenti continuano a migliorare e i costi di sistema diminuiscono, la competitività del condizionamento dell’aria ad adsorbimento solare nelle applicazioni residenziali e nelle piccole applicazioni commerciali è in costante aumento.

Sia le tecnologie di raffreddamento ad assorbimento solare che quelle di raffreddamento ad adsorbimento solare occupano posizioni distinte e complementari all’interno del più ampio mercato dei condizionatori solari. La scelta tra i due è in definitiva determinata dalla qualità delle risorse solari disponibili, dalla scala di carico dell'edificio, dalle condizioni spaziali e dalla struttura dei costi totali del ciclo di vita di ciascun progetto specifico.