POLITECNICO DI MILANO Scuola di Ingegneria Industriale Corso di laurea in Ingegneria Energetica
“Sviluppo di un innovativo sistema di solar cooling di piccola taglia: verifica sperimentale e ottimizzazione della logica di controllo” Relatore: Prof. Mario MOTTA Co-relatore: Ing. Marcello APRILE
Tesi di laurea specialistica di: Samuele Ambrosini matr. 782874
Anno Accademico 2012-2013
Ringraziamenti
Desidero ringraziare tutti coloro che mi hanno aiutato nella stesura della tesi con suggerimenti, critiche ed osservazioni. Ringrazio anzitutto il Professor Motta, ed l’Ingegner M.Aprile, Co-relatore, per avermi dato l’opportunità di svolgere la tesi su un argomento di particolare interesse. Ringrazio inoltre il personale del laboratorio e del dipartimento di Energetica, per l’aiuto fornitomi in questi mesi, ed in particolare l’Ing.A.Mauro e l’Ing.M.Guerra, senza i quali questo lavoro di tesi non esisterebbe. Un ringraziamento va ai parenti che mi hanno incoraggiato e sostenuto durante questo periodo, e ai miei amici conosciuti grazie all’università, in particolare Luca, Elia, Emma, Claudio, Matteo, Giovanni, Andrea e Simone, con i quali ho condiviso questi anni universitari, di cui conserverò sempre un bel ricordo. Vorrei infine ringraziare le persone a me più care: i miei amici e la mia famiglia, a cui questo lavoro è dedicato.
Indice
Sommario ................................................................................................................ Abstract ................................................................................................................... Introduzione .........................................................................................................3 Capitolo 1 ................................................................................................................ Solar Cooling ........................................................................................................7 1.1 Macchine ad assorbimento .......................................................................... 7 1.1.1 Prestazioni chiller ad assorbimento .................................................... 11 1.1.2 Diagramma di Duhring ....................................................................... 13 1.1.3 Caratteristiche soluzioni ..................................................................... 14 1.1.4 Configurazioni cicli ............................................................................ 17 1.2 Collettori solari .......................................................................................... 23 1.2.1 Collettori piani .................................................................................... 28 1.2.2 Collettori sottovuoto (CPC) ................................................................ 29 1.3 Configurazioni d’impianto ........................................................................ 33 1.3.1 Sistema Solare..................................................................................... 33 1.3.2 Sistema erogazione potenza frigorifera .............................................. 34 1.3.3 Sottosistema Condensatore ................................................................. 35 1.4 Logiche di controllo .................................................................................. 35 1.4.1 Controllo circuito caldo ...................................................................... 36 1.4.2 Controllo circuito freddo .................................................................... 36 1.4.3 Controllo condensatore ....................................................................... 37 1.5 Prestazioni d’impianto ............................................................................... 37 1.5.1 Prestazioni impianti compressione di vapore ..................................... 37 1.5.2 Prestazioni impianti solar cooling....................................................... 38 1.5.3 Esempi impianti solar cooling ............................................................ 40
Capitolo 2 ............................................................................................................... Descrizione Prototipo e Impianto ..................................................................... 45 2.1 Prototipo macchina mezzo effetto auto-adattante ...................................... 45 2.2 Risultati sperimentali Politecnico di Milano.............................................. 47 2.3 Schema impianto ........................................................................................ 52 Capitolo 3 ............................................................................................................... Controllo e Monitoraggio.................................................................................. 57 3.1 Quadro elettrico ......................................................................................... 57 3.1.1 Sensori di temperatura: termoresistenze ............................................. 57 3.1.2 Trasduttori di segnale: DAT4135 ........................................................ 59 3.1.3 Misuratori di portata: Promag 50H15 e Promag 50H08 ..................... 60 3.1.4 Misuratore consumi elettrici: Wattmetro IME Tema Fp ..................... 60 3.2 Controllo .................................................................................................... 63 3.3 Monitoraggio.............................................................................................. 68 3.4 Programma Labview .................................................................................. 70 3.4.1 Front Panel .......................................................................................... 70 3.4.2 Block Diagram .................................................................................... 73 3.4.3 Controllo della pompa del chiller ........................................................ 76 3.4.4 Controllo del ventilatore del condensatore .......................................... 77 3.4.5 Controllo della valvola miscelatrice .................................................... 78 Capitolo 4 ............................................................................................................... Analisi Dati e Modellistica ................................................................................ 85 4.1 Portata circuito solare ................................................................................ 85 4.2 Controllo Ventilatore ................................................................................. 89 4.3 Funzionamento tipico................................................................................. 92 4.4 Estensione e validazione mappatura .......................................................... 98 4.4.1 Type 207 .............................................................................................. 98 4.4.2 File simulazione ................................................................................ 101 4.5 Simulazione stagionale ............................................................................ 107
4.5.1 Logica di regolazione e risultati........................................................ 111 4.5.2 Nuova logica regolazione e risultati ................................................. 113 Capitolo 5 ................................................................................................................ Conclusioni .......................................................................................................119 Bibliografia .......................................................................................................121 Appendice A......................................................................................................125 Strumenti software ...........................................................................................125 A.1 Trnsys ..................................................................................................... 125 A.1.1 Trnbuild............................................................................................ 125 A.1.2 Simulation studio ............................................................................. 126 A.2 Labview .................................................................................................. 128
Figure e Tabelle 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29 2.1 2.2 2.3 2.4
Accoppiamento assorbitore-evaporatore Accoppiamento generatore-condensatore Ciclo continuo ad assorbimento Rappresentazione schematica del ciclo Diagramma temperatura-entropia di un ciclo ad assorbimento monostadio a singolo effetto Diagramma di Duhring di un ciclo ad assorbimento monostadio a singolo effetto Ciclo monostadio singolo effetto con scambiatore rigenerativo Schema componenti macchina doppio effetto generatori in serie Diagramma di Duhring ciclo doppio effetto generatori in serie Schema componenti macchina doppio effetto generatori in parallelo Diagramma di Duhring ciclo doppio effetto generatori in parallelo Schema componenti macchina multi stadio Diagramma di Duhring ciclo multistadio Schema componenti macchina a mezzo effetto Prestazioni per diverse configurazioni chiller Coefficiente riflessione per diverse lunghezze d'onda Rendimento collettori Angolo trasversale e longitudinale Incident angle modifier per collettore solare piano Tubi collettori sottovuoto CPC IAM per collettore solare di tipo CPC Collegamento serie-parallelo sistema di backup Caratteristiche principali impianti Andamento temperature giornata estiva Impianto di Perpignan Andamento temperature e potenza termiche Impianto di Gleisdorf Andamento temperature e potenze termiche Impianto di Reunion Island Riassunto prestazioni impianti d'esempio Consumi elettrici percentuali Gleisdorf Consumi elettrici percentuali Reunion Island Schema componenti macchina a mezzo effetto autoadattante Prototipo macchina a mezza effetto Risultati sperimentali in camera di prova Pressioni di lavoro e potenze scambiate
8 8 9 10 11 13 17 18 18 19 19 20 20 21 23 24 27 29 29 30 32 34 40 41 42 42 43 43 44 45 47 50 50
2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18
Diagramma di Duhring del prototipo e schema componenti Rendimento pannelli Kloben Pannello Kloben SP21 Circuito equivalente termoresistenza (RTD) DAT 4135 e schema collegamento RTD a 4-fili Misuratore di portata Promag 50H Schema collegamento wattmetro per segnale in tensione Collegamenti elettrici quadro di potenza MFD-Titan 80 Diagramma di flusso controllo pompa circuito solare Diagramma di flusso comando chiller e fan coils Front panel "Monitoring and control" Front panel "Charts" Regolazioni comando pompa soluzione Regolazioni comando ventilatore Equazioni di Ziegler-Nichols Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola 1° tentativo Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola 2° tentativo Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola 3° tentativo Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola 4° tentativo Confronto prestazioni delta T 5°C-10°C Confronto prestazioni delta T 5°C-10°C complessivo Andamento temperature Potenze termiche scambiate Prestazioni impianto Prestazioni chiller Regolazioni comando ventilatore versione 2 Andamento temperature Potenze termiche scambiate Prestazioni chiller Prestazioni chiller Consumi percentuali ausiliari Andamento temperature Potenza termiche scambiate Prestazioni impianto Prestazioni chiller Consumi percentuali ausiliari Schema logico type 207
51 53 54 58 59 60 61 62 63 66 67 71 73 77 78 79 80 81 82 83 84 87 88 89 90 90 90 91 92 93 93 93 94 95 96 96 97 97 99
4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.32 4.33 4.34 4.35 4.36 4.37 A.1
Esempio file di testo type 207 Schema Simulation Studio Lista parametri type 9a Collegamenti fra i vari type Tabella confronto dati sperimentali-simulati File simulazione Trnsys Simulation studio Caratteristiche edificio simulazione Consumi ventilatore in funzione del segnale Consumi pompa chiller Caratteristiche impianto solar cooling Andamento temperature Riassunto risultati Consumi percentuali ausiliari Energie termiche scambiate Rendimenti impianto Ore funzionamento e consumi elettrici Percentuale fabbisogno e risparmio EP Riassunto risultati Andamento temperature Schema logico di un type
99 102 103 104 106 107 108 109 110 110 111 112 113 114 115 115 116 117 117 126
Sommario
Il presente elaborato di tesi mostra i risultati ottenuti nell’ottimizzazione dei consumi elettrici per un impianto di solar cooling, realizzato utilizzando un prototipo di macchina ad assorbimento a mezzo-effetto autoadattante. L’interesse per impianti che utilizzino la fonte solare per il raffrescamento degli edifici è cresciuto negli ultimi anni, con l’obbiettivo di ridurre il picco di domanda estiva di energia elettrica e di conseguire un risparmio in termini di energia primaria, limitando di conseguenza le emissioni di gas serra. Lo scopo del lavoro riguarda la costruzione di un impianto di prova di piccola taglia e del programma di controllo e monitoraggio dell’impianto, necessario per la validazione ed estensione della mappatura del funzionamento del prototipo di chiller, tramite la quale è stato possibile svolgere simulazioni, utilizzando un programma di simulazione dinamica, per la valutazione delle prestazioni stagionali offerte dall’impianto per confrontarle con le soluzioni classiche utilizzanti macchine frigorifere a compressione di vapore.
Parole chiave: solar cooling, chiller ad assorbimento, collettori solari, Labview, Trnsys
Abstract
This thesis work shows the results obtained in the optimization of power consumption for a solar cooling system that was built using a prototype of selfadaptive half effect absorption machine. The interest in systems that use solar energy for cooling buildings has grown in recent years, with the aim of reducing the summer peak demand of electricity and to achieve energy saving in terms of primary energy, thus limiting the greenhouse gas emissions . The purpose of this work concerns the construction of a small scale test plant and the control and monitoring system program, necessary for the validation and extension of the map of the prototype performance, by which it was possible to carry out simulations, using a dynamic simulation program, to evaluate the seasonal performance offered by the system to compare them with the classical solutions which use vapor-compression refrigeration machines.
Keywords: solar cooling, absorption chiller, solar collectors, Labview, Trnsys
Introduzione Nei paesi occidentali, i consumi relativi al riscaldamento e al raffrescamento degli edifici, rappresentano circa il 40% di fabbisogno di energia primaria. Nell’Unione Europea, più del 25% dell’energia consumata viene utilizzata per la climatizzazione estiva ed invernale degli edifici. Soprattutto per quanto riguarda il raffrescamento estivo, il mercato possiede un elevato potenziale di crescita. Le maggiori richieste di tecnologie e impianti per il raffreddamento provengono dai paesi del sud Europa, tuttavia negli ultimi anni, a causa del riscaldamento globale e il crescente utilizzo di attrezzature da lavoro in luoghi chiusi, la richiesta sta aumentando anche in paesi del nord Europa. L’utilizzo dell’energia solare per il riscaldamento di edifici è una tecnologia ormai matura e nota, ultimamente è aumentato però l’interesse per tecnologie in grado di sfruttare la fonte solare anche per il raffreddamento degli edifici, realizzando impianti di solar cooling. Una larga diffusione di questi impianti, potrebbe prevenire o comunque mitigare un forte incremento delle emissioni di CO2 dovute all’aumento del consumo di energia elettrica per soddisfare i fabbisogni estivi crescenti degli edifici. In Italia ad esempio, è ormai noto come i picchi di richiesta elettrica avvengano nella stagione estiva (mentre fino a qualche anno fa erano tipici della stagione invernale), a causa del contemporaneo funzionamento di milioni di piccoli condizionatori ad aria. Il solar cooling sfrutta il fatto che le ore della giornata in cui c’è la maggiore richiesta di potenza frigorifera per il condizionamento degli edifici, coincidono o quasi con la massima disponibilità di radiazione solare. L’adozione di questa tecnologia, potrebbe apportare benefici su più fronti. Dal punto di vista del sistema elettrico nazionale, la diffusione su larga scala può contribuire ad allentare la pressione sulla rete elettrica nazionale, evitando i pericolosi picchi estivi. Dal punto di vista di chi sceglie di installare un impianto di solar cooling, ci sono consistenti benefici in termini di risparmio energetico ed economico, determinato anche dal fatto che negli ultimi decreti in materia di risparmio energetico, anche l’utilizzo della tecnologia solare a scopi termici è divenuta oggetto di agevolazione e incentivi fiscali. Inoltre, un altro elemento a favore di questi impianti è il fatto di utilizzare tutta l’acqua calda prodotta da impianti solari di medie e grandi dimensioni, anche nel corso della stagione estiva. L’applicazione del solar cooling è normalmente consigliata in abbinamento a impianti solari “combinati”, progettati quindi sia per riscaldare l’acqua sanitaria
Introduzione
che per il riscaldamento degli ambienti. Per svolgere questo doppio lavoro, gli impianti combinati sono formati tipicamente da superfici di collettori solari abbastanza ampie. In assenza di un utilizzo della potenza termica prodotta nella stagione estiva (ad esempio per riscaldare l’acqua di una piscina), c’è il rischio concreto che gran parte dell’acqua calda prodotta dall’impianto vada sprecata. E’ proprio in questi casi che il solar cooling si configura come la soluzione perfetta, grado di sfruttare al meglio l’energia solare nel corso di tutte le stagioni (solar cooling + solar heating) e di abbattere così i tempi di ammortamento dell’impianto. Il mercato di questa tecnologia tuttavia, potrà svilupparsi pienamente solo puntando alle applicazioni residenziali a livello di singolo edificio. Questo obiettivo è raggiungibile sviluppando macchine frigorifere, a costi competitivi, che abbiano una taglia inferiore ai 20 kW. E’ inoltre importante che le macchine frigorifere possano raggiungere rendimenti e coefficienti di prestazione sempre più elevati, per ridurre al minimo il consumo di energia elettrica necessaria per il loro funzionamento. Infatti, il chiller è il cuore di ogni impianto solar cooling: con questo termine si fa riferimento a macchine in grado di produrre il freddo, utilizzando come input energetico proprio l’energia termica immagazzinata nell’acqua grazie ai collettori solari. Un altro fattore molto importante è la temperatura alla quale questa potenza termica viene fornita, per cui la ricerca da un lato mira a migliorare il rendimento dei collettori al fine di poter produrre acqua a temperature sempre più alte, dall’altro si stanno studiando soluzioni per abbassare la temperatura minima di funzionamento delle macchine frigorifere. Uno schema tipico di impianto, molto utilizzato per sistemi destinati a funzionare sia in inverno sia in estate, prevede l’impiego di due serbatoi d’accumulo: il primo per l’acqua calda prodotta dai collettori e il secondo per l’acqua fredda prodotta dal chiller. Solitamente, per rendere l’impianto completamente indipendente dalla disponibilità di radiazione solare, è presente anche una fonte energetica integrativa di tipo tradizionale, tipicamente una caldaia a gas o un chiller a compressione di vapore di backup. Il presente lavoro di tesi riguarda la sperimentazione di un nuovo prototipo di chiller ad assorbimento, di potenza frigorifera nominale di 3,4 kW, utilizzato in un impianto di solar cooling realizzato sul tetto del dipartimento di Ingegneria Energetica del Politecnico di Milano. Attraverso il monitoraggio dell’impianto, è stata eseguita un ottimizzazione della logica di gestione con l’obbiettivo di migliorare le prestazioni elettriche dell’impianto e una validazione ed estensione della mappatura delle prestazioni del prototipo.
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Introduzione
In seguito, utilizzando un programma di simulazione dinamica, è stato possibile valutare le prestazioni stagionali offerte dall’impianto per confrontarle con le classiche soluzioni impiantistiche. Nel primo capitolo di questo lavoro sono descritte le componenti principali di ogni impianto di solar cooling, ovvero le macchine ad assorbimento e i collettori solari termici, ed in particolare, sono esposte le caratteristiche principali delle varie configurazioni possibili per le macchine ad assorbimento, e le due tipologie di collettori solari normalmente utilizzati nel realizzare impianti di solar cooling di piccola e media taglia. L’ultima parte del capitolo contiene lo stato dell’arte del solar cooling, dove sono esposte le logiche di regolazione e controllo maggiormente utilizzate, ed esempi di alcuni impianti con le relative prestazioni costruiti nel mondo. Nel secondo capitolo sono descritte le caratteristiche principali del prototipo di chiller oggetto della sperimentazione, di cui vengono presentati i risultati ottenuti durante la sperimentazione in camera di prova, precedente a questo lavoro di tesi, e successivamente sono descritti lo schema d’impianto e la logica di dimensionamento seguita per la costruzione dell’impianto di prova sul tetto del dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano. Nel terzo capitolo è descritta la procedura seguita nell’assemblaggio del quadro elettrico di potenza dell’impianto, e dello sviluppo del programma di controllo e monitoraggio. Nel quarto capitolo è descritto il lavoro fatto per l’ottimizzazione delle prestazioni dell’impianto, della validazione ed estensione della mappatura della macchina, e della procedura seguita per eseguire simulazioni stagionali. Nel quinto capitolo sono raccolte le conclusioni finali del lavoro svolto e gli sviluppi futuri.
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Capitolo 1 Solar Cooling In questo capitolo sono descritte le principali caratteristiche dei componenti fondamentali per un impianto di solar cooling: le macchine frigorifere ad assorbimento e i collettori solari termici. Nella terza e quarta sezione sono esposte le possibili configurazioni per gli impianti di solar cooling, con particolare attenzione ai componenti base caratteristici e le logiche di gestione d’impianto maggiormente utilizzate. Infine sono presentati i risultati ottenuti in alcuni impianti costruiti nel mondo.
1.1 Macchine ad assorbimento Concepito alla fine del '700 e studiato sperimentalmente nel 1824 da Michael Faraday, il ciclo frigorifero ad assorbimento è stato messo a punto dal francese Ferdinand Carrè nel 1859, con una macchina di fabbricazione del ghiaccio basata sulla produzione di freddo per evaporazione. Le macchine ad assorbimento sfruttano le caratteristiche delle miscele binarie (formate cioè da due componenti). Le due coppie di composti maggiormente utilizzati per realizzare questo tipo di macchine sono acqua-bromuro di litio e ammoniaca-acqua, dove il refrigerante è nel primo caso l’acqua e nel secondo l’ammoniaca. Il principio dell’assorbimento può essere così espresso: un recipiente è riempito con del refrigerante allo stato liquido mentre un altro è riempito con una miscela di fluido refrigerante e fluido assorbente. Se vengono messi in comunicazione, e la pressione e la temperatura sono adeguate, nel primo recipiente inizierà un processo di evaporazione del fluido refrigerante. La tensione di vapore del refrigerante puro infatti è più alta di quella della soluzione refrigerante-fluido assorbente, per cui si avrà una migrazione di vapore di refrigerante dal primo al secondo recipiente, permettendo quindi la formazione di nuovo vapore nel primo recipiente, che svolge quindi il ruolo di “evaporatore”. Il secondo recipiente invece svolge il ruolo di “assorbitore”, in quanto il vapore viene assorbito all’interno della soluzione; il liquido assorbente perde progressivamente la sua capacità di assorbire vapore, per cui la pressione di vapore nei due refrigeranti tenderà ad eguagliarsi, arrestando quindi il processo.
Capitolo1
1.1 Accoppiamento assorbitore evaporatore L’evaporazione è un processo endotermico, per cui avviene sottraendo calore all’ambiente in cui è posto l’evaporatore, ottenendo quindi un effetto frigorifero. L’energia termica sottratta all’ambiente viene scaricata all’assorbitore, nel quale avviene un processo che è esotermico, infatti viene liberato calore dovuto principalmente alla condensazione del vapore e una parte dovuto alla miscelazione. Per far si che il processo di evaporazione-assorbimento diventi continuo, è necessario provvedere a una rigenerazione del solvente attraverso il suo riscaldamento. In questo caso si hanno ancora due recipienti, dove nel primo è riempito con la soluzione da rigenerare, mentre il secondo è riempito con refrigerante liquido puro. Fornendo energia termica al primo recipiente, che svolge quindi la funzione di “generatore” di vapore di refrigerante, si ha l’evaporazione ed il vapore migra verso il secondo il secondo recipiente dove avviene la condensazione. In questo processo si ha un’energia termica in ingresso al generatore che viene scaricata al condensatore, al quale si deve sottrarre tale energia.
1.2 Accoppiamento generatore condensatore Mettendo in comunicazione quindi le due coppie evaporatore-assorbitore e condensatore-generatore è possibile realizzare un ciclo continuo. Siccome la
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condensazione avviene a temperature maggiori rispetto all’evaporazione, è necessario utilizzare due pressioni diverse: una pressione per il gruppo generatore-condensatore ed una pressione più bassa per la coppia assorbitoreevaporatore. Una schematizzazione del ciclo è riportata nella figura seguente:
1.3 Ciclo continuo ad assorbimento Attraverso la pompa, la soluzione ricca di refrigerante presente nell’assorbitore viene inviata al generatore, dove viene rigenerata. Il vapore di refrigerante prodotto nel generatore viene inviato invece al condensatore dove viene riportato allo stato liquido, passa attraverso una valvola di laminazione che porta il liquido dall’alta alla bassa pressione e viene inviato quindi all’evaporatore. Il vapore prodotto dal processo di evaporazione viene quindi assorbito nell’assorbitore dalla soluzione povera di refrigerante proveniente dal generatore, ed il ciclo può quindi ricominciare. Rispetto ad un ciclo tradizionale a compressione di vapore, formato da compressore, condensatore, valvola di laminazione ed evaporatore, un ciclo ad assorbimento presenta gli stessi componenti, tranne che per il compressore che viene sostituito dal gruppo assorbitore-generatore-pompa. I consumi di energia elettrica risultano quindi drasticamente ridotti, poiché la pompa assorbe molto meno lavoro in quanto, rispetto ad un compressore, lavorando con un fluido a basso volume specifico, dato che . ∫ Il lavoro assorbito dalla pompa risulta, per una macchina ad assorbimento, trascurabile rispetto all’energia termica da fornire al generatore, per cui un fattore discriminante nell’utilizzo di una macchina ad assorbimento rispetto ad una comune macchina a compressione di vapore è il tipo di sorgente termica disponibile. L’energia termica necessaria al funzionamento del ciclo potrebbe derivare da:
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Capitolo1
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Combustione: si utilizza l’energia derivata dalla combustione e si utilizzano i gas caldi di combustione per rigenerare la soluzione; Recupero termico: viene in questo caso sfruttata una sorgente a mediobassa temperatura, che non viene utilizzata per la produzione di energia elettrica in quanto si avrebbero rendimenti di conversione troppo bassi;
E’ quindi intuibile il fatto che soprattutto nel secondo caso le macchine ad assorbimento risultano favorite rispetto a quelle a compressione di vapore. Una macchina ad assorbimento è un sistema tritermo, in quanto il generatore riceve calore da una sorgente ad una temperatura molto maggiore rispetto a quella ambiente, l’evaporatore lavora con temperature minori di quella ambiente, mentre assorbitore e condensatore lavorano ad una temperatura intermedia. Semplificando molto, il ciclo della macchina è schematizzato dall’immagine seguente:
1.4 Rappresentazione schematica del ciclo Dove: - Qc è la potenza estratta dal pozzo freddo; - Qh è la potenza ceduta al pozzo caldo; - Qg è la potenza ceduta dal pozzo alla temperatura Tg del generatore; Applicando il primo e il secondo principio della termodinamica si ha che: [ ]
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[
]
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Dove rappresenta la variazione totale di entropia. Con semplici sostituzioni e passaggi algebrici è possibile ricondurre la seconda equazione alla seguente: (
)
(
) [
]
Il primo termine del secondo membro dell’equazione è sempre minore di zero perché la temperatura è sempre maggiore della temperatura e, dato che la quantità ΔS deve essere sempre maggiore o uguale a zero, se ne deduce affinché la macchina possa funzionare deve essere verificata la seguente condizione: [ ] 1.1.1 Prestazioni chiller ad assorbimento Volendo visualizzare il ciclo ad assorbimento su un diagramma temperaturaentropia, si nota subito come su tale diagramma le trasformazioni ideali del ciclo siano rappresentabili come l’accoppiamento di un ciclo diretto con un ciclo inverso:
1.5 Diagramma temperatura-entropia di un ciclo ad assorbimento monostadio a singolo effetto Le trasformazioni principali sono:
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Capitolo1
-
Da 1 a 2 si ha l’aumento di entropia dovuto alla somministrazione di energia termica al generatore; Da 3 a 4 si ha la trasformazione esotermica dell’assorbitore, con conseguente riduzione di entropia; Da 5 a 6 si ha l’evaporazione del refrigerante nell’evaporatore, dove avviene l’effetto frigorifero; Da 7 a 8 si ha la condensazione del refrigerante, con conseguente diminuzione di entropia;
Le frecce indicano il senso di percorrenza dei due cicli, dove si nota che il ciclo generatore-assorbitore fatto dalla soluzione è percorso in senso orario (ciclo diretto), mentre il ciclo percorso in senso antiorario (inverso), che avviene nella coppia condensatore-evaporatore, è fatto dal solo refrigerante. Le potenze termiche scambiate nel ciclo sono proporzionali alle aree sottese alle linee di trasformazione con l’asse delle ascisse, per cui, ipotizzando perdite nulle all’interno del ciclo il bilancio termico globale del ciclo si riduce a: [ ] Dove: -
Qgen è la potenza termica al generatore; Qevap, potenza termica all’evaporatore; Qcond, potenza termica al condensatore; Qabs, potenza termica all’assorbitore;
Per un ciclo frigorifero a compressione di vapore, le prestazioni di qualsiasi macchina sono misurate calcolando il rapporto fra l’effetto utile e la spesa di energia elettrica fatta per ottenerlo, secondo la relazione:
Per una macchina ad assorbimento la spesa energetica è rappresentata invece dalla potenza termica da fornire al generatore, per cui, per una macchina ad assorbimento il coefficiente di prestazione (COP) è definito come:
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Da queste considerazioni, si evince come non sia corretto confrontare direttamente le prestazioni di una macchina a compressione con una ad assorbimento, in quanto le fonti energetiche al denominatore sono qualitativamente diverse, perché nel caso di macchine a compressione di vapore il ciclo di potenza da cui deriva l’energia elettrica necessaria al funzionamento della macchina non viene preso in considerazione. 1.1.2 Diagramma di Duhring Per un qualsiasi ciclo ad assorbimento, le variabili termodinamiche che sono di interesse per la progettazione sono temperature, pressioni, entalpie, volumi specifici, entropie e concentrazioni. Creare un unico grafico a più dimensioni per rappresentare insieme tutte queste grandezze, non sempre è possibile o comunque risulterebbe di difficile utilizzo. Per questo motivo, normalmente vengono utilizzati dei grafici bidimensionali. Quello più utilizzato per la progettazione e la rappresentazione di cicli ad assorbimento è il diagramma di Duhring. In questo grafico sugli assi sono rappresentati pressione e temperature, mentre le rette rappresentano linee a concentrazione costante. Nel grafico si possono osservare le rette corrispondenti a refrigerante puro, la linea della soluzione ricca di refrigerante (Xr) e della soluzione povera (Xp). E’ possibile distinguere anche i due differenti livelli di pressione del ciclo, ogni punto è determinato da una concentrazione, una temperatura e una pressione.
1.6 Diagramma di Duhring di un ciclo ad assorbimento monostadio a singolo effetto
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Capitolo1
Dei due livelli di pressione della macchina, quello più alto è della coppia generatore- condensatore e quello più basso di quella evaporatore-assorbitore. Sul diagramma sono segnati attraverso le frecce il verso di percorrenza delle varie trasformazioni, il parallelogramma a sinistra rappresenta le trasformazioni subite dal refrigerante puro mentre l’altro riguarda la soluzione di refrigerante e assorbente. Nota la temperatura di condensazione ed evaporazione desiderate, risultano fissate le pressioni di lavoro. Scelta poi la temperatura di raffreddamento dell’assorbitore (di solito pari alla temperatura di condensazione), si ricava di conseguenza la concentrazione che dovrà avere la soluzione ricca. Il passo successivo è definire la concentrazione della soluzione povera. Più sarà maggiore la differenza tra soluzione ricca e soluzione povera, e più a pari portata di soluzione aumenterà la quantità di vapore prodotta e conseguentemente, l’energia frigorifera utile. Ad esempio per una macchina ad ammoniaca si avrà: [kg/s] Il valore della concentrazione povera è limitato da considerazioni di natura tecnica. Dipende dalla temperatura alla quale viene fornita potenza termica al generatore, dalla temperatura di condensazione del refrigerante e dalla natura della soluzione. Ad esempio per la macchina a bromuro di litio va evitata assolutamente la cristallizzazione del sale. 1.1.3 Caratteristiche soluzioni Le coppie assorbitore-refrigerante delle macchine ad assorbimento, devono presentare alcune caratteristiche fondamentali per essere utilizzate. Ad oggi non esiste una coppia refrigerante-assorbitore che soddisfi contemporaneamente tutte le richieste, tuttavia nel corso degli anni due coppie refrigerante-assorbitore sono diventate prevalenti rispetto ad altre, cioè macchine ad acqua-LiBr e NH3-acqua. Le principali caratteristiche delle soluzioni devono essere: Volatilità relativa E’ necessario che il refrigerante presenti una volatilità molto maggiore rispetto all’assorbente, cioè che le temperature di ebollizione dei due composti siano molto differenti, l’ideale sarebbe avere un assorbente non volatile, e ciò accade con le macchine ad acqua-bromuro di litio, dove refrigerante e solvente sono
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facilmente separabili. Per le macchine invece ad acqua-ammoniaca è necessario introdurre un componente aggiuntivo, il rettificatore, per evitare che del vapor d’acqua circoli nella parte condensatore-valvola-evaporatore. Assenza fase solida La coppia refrigerante-solvente deve possedere un ampio campo di solubilità. La formazione di fase solida infatti porterebbe all’ostruzione del flusso con conseguente blocco della macchina. Per una macchina ad ammoniaca tale problema non sussiste, mentre per una macchina a bromuro di litio rappresenta uno dei punti critici della macchina, per cui è fondamentale che essa lavori all’interno del campo di solubilità. Stabilità chimica Dato che le soluzioni sono soggette a condizioni severe per molti anni di funzionamento, la stabilità chimica e quindi la purezza dei composti utilizzati permette di evitare problemi di formazione di gas, solidi e altre sostanze corrosive che potrebbero inficiare la vita utile della macchina. Corrosione E’ necessario utilizzare materiali resistenti ed inibitori di corrosione, in quanto spesso i composti utilizzati risultano corrosivi per molti materiali. Ad esempio per le macchine ad ammoniaca non è possibile utilizzare la maggior parte dei metalli, in quanto tale metallo verrebbe corroso in poco tempo, pe questo motivo per tali macchine viene impiegato l’acciaio. Tossicità/Infiammabilità Per quanto possibile bisognerebbe cercare di utilizzare composti che non siano né tossici, né infiammabili. Il bromuro di litio non è né tossico né infiammabile, mentre l’ammoniaca sì, per cui da questo punto di vista le macchine a bromuro di litio (LiBr) risultano favorite. Punto di congelamento Più il punto di congelamento del refrigerante è basso, più aumenta il campo di utilizzo della macchina riguardo la sorgente fredda. La macchina a LiBr, utilizzando acqua come refrigerante, è evidente che non possa scendere come temperatura di evaporazione sotto gli 0°C, dove avverrebbe la formazione di ghiaccio con conseguente blocco della macchina, mentre la macchina ad
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ammoniaca raggiunge temperature molto inferiori agli 0°C senza particolari problemi. Viscosità Una bassa viscosità favorisce oltre allo scambio termico il trasporto di massa, per cui permette di ridurre le perdite di carico e il lavoro della pompa. Il fatto di avere poche perdite di carico è un fattore di grande importanza per le macchine a bromuro di litio, in quanto una variazione di pochi Pascal produce significative differenze nelle temperature di condensazione ed evaporazione dell’acqua, per cui per questo tipo di macchina è necessario adottare particolari accorgimenti per limitare le cadute di pressione, ed il dimensionamento degli scambiatori risulta quindi più oneroso. Pressioni di lavoro Le pressioni operative, determinate dalle caratteristiche del refrigerante una volta scelte le temperature di lavoro desiderate, ed in particolare la pressione di evaporazione, è preferibile che siano superiori a quella atmosferica, per evitare ingressi di aria dall’esterno. La macchina a bromuro di litio risulta penalizzata da questo punto di vista, in quanto sia la pressione di evaporazione che quella di condensazione sono minori dell’atmosferica, mentre sono normalmente maggiori dell’atmosferica per una macchina ad ammoniaca. Calore latente di evaporazione/Calore specifico E’ necessario che il calore latente di evaporazione sia alto, in modo tale che a pari effetto la portata circolante sia ridotta, riducendo di conseguenza il lavoro della pompa e le perdite di carico. Per il calore specifico invece è preferibile che sia basso, in modo da non dover operare un dimensionamento troppo ampio degli scambiatori di calore.
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1.1.4 Configurazioni cicli Il ciclo ad assorbimento più semplice utilizzato, viene chiamato ciclo ad assorbimento semplice a singolo effetto, ed una sua rappresentazione schematica è riportata nella figura seguente:
1.7 Ciclo monostadio singolo effetto con scambiatore rigenerativo Al fine di migliorare le prestazioni fornite dalla macchina, vengono adottati alcuni accorgimenti. Innanzitutto, visto che la soluzione povera di refrigerante ha una temperatura maggiore di quella ricca che dall’assorbitore viene inviata al generatore attraverso la pompa, praticamente in tutte le macchine ad assorbimento, viene inserito uno scambiatore rigenerativo, con lo scopo di preriscaldare la soluzione ricca, in modo da ridurre la potenza termica richiesta dal generatore. Un altro accorgimento, molto meno utilizzato, sta nel sottoraffreddare il liquido in uscita dal condensatore. In questo modo infatti, durante la laminazione si ottiene una minore evaporazione quando il liquido attraversa la valvola di espansione. Perciò nell’evaporatore ci sarà una maggiore disponibilità di liquido da evaporare ottenendo a parità di potenza termica entrante al generatore un effetto frigorifero maggiore. E’ possibile migliorare ulteriormente le prestazioni delle macchine ad assorbimento attraverso sistemi costruttivi più elaborati, quali ad esempio le macchine multi-effetto, dove la potenza termica del generatore viene utilizzata più volte per produrre vapore di refrigerante.
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Capitolo1
Macchine multieffetto Nelle macchine multieffetto sono presenti più generatori, che possono essere collegati in serie oppure in parallelo; la configurazione serie e il rispettivo diagramma di Duhring sono (per semplicità non viene rappresentato lo scambiatore rigenerativo tra soluzione ricca e soluzione povera):
1.8 Schema componenti macchina doppio-effetto generatori in serie
1.9 Diagramma di Duhring ciclo doppio effetto generatori in serie In questa configurazione il vapore in uscita dal generatore di alta pressione del punto 7 viene utilizzato per produrre altro vapore nel generatore di bassa pressione. Questa macchina ha prestazioni migliori di una macchina a singolo effetto, tuttavia la presenza di due generatori in serie necessita di avere
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temperature più alte al generatore. Per la configurazione con generatori in parallelo invece si ha:
1.10 Schema componenti macchina doppio effetto generatori in parallelo
1.11 Diagramma di Duhring ciclo doppio effetto generatori in parallelo Queste tipologie vengono normalmente impiegate per macchine a bromuro di litio, dato che più diminuisce la concentrazione del refrigerante più aumenta il rischio di cristallizzazione del sale, mentre per le macchine ad ammoniaca, dove non c’è rischio di cristallizzazione e si può arrivare tranquillamente a concentrazioni di refrigerante molto basse, si preferisce utilizzare una configurazione multistadio.
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Capitolo1
Macchine multistadio Un sistema multistadio è composto da più sistemi di assorbimento semplici generatore-assorbitore, come l’esempio in figura:
1.12 Schema componenti macchina multistadio
1.13 Diagramma di Duhring ciclo multistadio Con questa tipologia è possibile ottenere un recupero termico interno al ciclo aggiuntivo, in quanto la potenza termica che viene ceduta dall’assorbitore 2 può essere utilizzata come potenza termica in ingresso al generatore 1. Le macchine che utilizzano questa configurazione sono anche chiamate macchine GAX (generator-absorber heat exchanger).
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Macchine mezzo-effetto Esiste anche un altro tipo di configurazione, dove sono presenti un solo generatore e due assorbitori, che viene chiamata a mezzo effetto, in quanto non tutto il vapore prodotto dal generatore viene utilizzato per produrre un effetto frigorifero ma viene diviso in due parti; lo schema dei componenti del ciclo è il seguente:
1.14 Schema componenti macchina a mezzo effetto In una macchina a mezzo effetto il liquido refrigerante viene diviso in due rami; una parte circola nell’evaporatore della macchina dando l’effetto utile frigorifero, mentre l’altra parte viene utilizzata per raffreddare uno dei due assorbitori. In questo tipo di macchina è fondamentale controllare la quantità di refrigerante da inviare all’assorbitore, perché se questa non è esattamente la quantità richiesta, viene persa dell’efficienza. In regime dinamico tale situazione risulta ancora più critica, poiché il valore ottimo di split del liquido refrigerante da inviare all’assorbitore di bassa pressione varia continuamente.
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Capitolo1
Il controllo di tale macchina viene fatto decidendo come dividere la portata di refrigerante proveniente dal condensatore, approssimativamente 42% all’evaporatore e 58% all’assorbitore, con variazioni del 20%, in funzione di determinati parametri come la potenza termica del generatore Qgen, i livelli di pressione e il carico termico all’evaporatore Qevap. In condizioni diverse da quelle di progetto, potrebbe capitare che la portata di refrigerante venga divisa in modo errato, causando dei problemi. Infatti, se si riscontra una portata di refrigerante insufficiente per eguagliare il carico termico da asportare dall’assorbitore, esso non viene raffreddato a sufficienza e quindi non sarà in grado di assorbire tutto il vapore proveniente dall’evaporatore e in caso contrario, un eccesso di portata provoca un sottoraffreddamento dell’assorbitore, che non ha alcuna utilità, con una conseguente riduzione di effetto frigorifero utile reso dall’evaporatore. Questo problema in regime dinamico potrebbe portare a condizioni di funzionamento instabili e a fluttuazioni dei carichi indesiderate. Tuttavia il motivo per cui tali cicli sono interessanti risiede nel fatto che possono essere accoppiati con sistemi che forniscono potenza termica a temperature relativamente basse, quali ad esempio la potenza termica di scarto dei motori, di radiatori di auto o anche sistemi di solar cooling. Prestazioni configurazioni avanzate La tabella seguente riassume alcune delle caratteristiche principali delle configurazioni descritte precedentemente:
Tipo di chiller
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COP
Tgen °C
Tcond °C
Acqua-LiBr singolo effetto
0,75
90
30
Acqua-LiBr doppio effetto
1,2
150
30
Acqua-LiBr mezzo effetto
0,4
65
30
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Acqua-NH3 singolo effetto
0,7
120
50
Acqua-NH3 doppio effetto
1,1
170
50
Acqua-NH3 mezzo effetto
0,35
80
50
1.15 Prestazioni per diverse configurazioni chiller Dalla tabella è possibile notare come il condensatore delle macchine ad ammoniaca può esser tranquillamente raffreddato ad aria vista l’elevata temperatura di condensazione, mentre quelle a bromuro di litio, avendo una temperatura di condensazione bassa, devono essere raffreddate ad acqua, utilizzando ad esempio una torre evaporativa, con i conseguenti problemi dovuti alla proliferazione di batteri (legionella), ai maggiori costi di manutenzione, ai consumi di acqua e complicazioni impiantistiche rispetto ad un raffreddamento ad aria.
1.2 Collettori solari Un collettore solare è un tipo speciale di scambiatore di calore, che trasforma l’energia della radiazione solare in potenza termica utile. Tale scambiatore differisce dai comuni scambiatori dove lo scambio termico avviene tra due fluidi, infatti per un collettore solare il trasferimento di energia avviene tra una sorgente di energia radiante distante (il sole) e un fluido termovettore che scorre al suo interno, tipicamente acqua addizionata con glicole propilenico per evitare problemi di congelamento nei mesi invernali. Le principali parti che costituiscono un collettore solare sono: - una superficie assorbente con il ruolo di catturare il più possibile l’energia della radiazione solare incidente e trasferirla al fluido termovettore; - una copertura il più possibile trasparente (vetro) con il ruolo di ridurre le perdite termiche per convezione e radiazione verso l’ambiente esterno; - uno strato di materiale isolante per ridurre le perdite per conduzione tra il collettore e l’ambiente;
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Capitolo1
Al fine di aumentare il più possibile l’energia assorbita dalla piastra assorbente del collettore, è comune l’impiego di materiali e vernici selettive. Per materiale selettivo si intende un materiale che presenti un elevato valore di assorbanza α (>0,9) per le frequenze d’onda tipiche della radiazione solare, nel range quindi di 0,3 e 3 micrometri, e per lunghezze d’onda maggiori avere un assorbanza α bassa. Per un corpo grigio per cui si consideri il valore di assorbanza indipendente dalla lunghezza d’onda, il valore dell’assorbanza coincide con il valore dell’emissività, confrontando gli spettri di emissione del sole e di un collettore solare si può facilmente notare come l’utilizzo di materiali selettivi riduca di molto le perdite termiche radiative di un collettore solare. Per migliorare ulteriormente le caratteristiche radiative della piastra assorbente si ricorre all’utilizzo di vernici speciali, quali ad esempio quelle composte da ossidi di titanio (TiNOX), che riducono ulteriormente l’emissività alle frequenze d’onda alte, in modo da ridurre ancor di più le perdite radiative.
1.16 Coefficiente riflessione per diverse lunghezze d’onda In stato stazionario, l’energia utile fornita dal collettore è fornito dalla seguente equazione: [ Dove: - Acoll è l’area del collettore; - Gtot è la radiazione totale incidente;
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] [W]
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-
Ul è il coefficiente globale di scambio termico; Tpan è la temperatura del pannello; Tamb è la temperatura ambiente;
Per quanto riguarda il termine Ul, cioè il coefficiente globale di scambio termico per il collettore, la procedura per la sua determinazione sfrutta l’analogia tra la resistenza allo scambio termico e la resistenza elettrica al passaggio di corrente, che nei fenomeni termici corrisponde in analogia al flusso di potenza termica. La procedura quindi, utilizzando le resistenza termiche conduttive, convettive e radiative del pannello solare, porta a disegnare un circuito equivalente dello scambio termico del pannello, dove le temperature dell’aria, della piastra assorbente e del vetro di copertura sono i nodi del circuito, e di cui la conduttanza totale equivalente coincide con il valore di Ul cercato. Infatti tra la piastra alla temperatura Tp e il vetro di copertura di un collettore alla temperatura Tc, gli scambi termici sono sia di tipo convettivo che di tipo radiativo, per cui vi saranno nel circuito elettrico dell’analogia, due resistenze in parallelo che collegano questi due nodi. La stessa cosa avviene tra il vetro di copertura ed il cielo, dove il nodo dello scambio convettivo è la temperatura ambiente, mentre per quello radiativo ci si riferisce alla temperatura radiante del cielo Tr. La piatra assorbente scambia potenza termica con l’ambiente anche attraverso il materiale isolante posto sotto di essa, attraverso un fenomeno conduttivo, per cui ci sarà un'altra resistenza termica che collega direttamente il nodo della temperatura della pastra con quello della temperatura ambiente. L’equazione della potenza termica utile fornita dal pannello presenta però una difficoltà, infatti, la temperatura media del pannello non è di facile determinazione, perché dipendente dalla temperatura di ingresso del fluido termovettore, dal valore di irraggiamento e dalle caratteristiche costruttive del collettore. Per risolvere il problema, attraverso un’analisi dello scambio termico tra piastra assorbente e fluido termovettore è possibile giungere a un’equazione strutturalmente simile alla precedente, ma dove al posto di Tpan compare il termine Tf, che rappresenta la temperatura media del fluido tra ingresso e uscita: [
(
)]
[W]
Il termine τα rappresenta il prodotto tra la trasmittanza del vetro di copertura e l’assorbanza della piastra selettiva del collettore. Rappresenta quindi le cosidette
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Capitolo1
“perdite ottiche”, cioè quella perdita di efficienza dovuta alle caratteristiche ottiche dei materiali costituenti il collettore. Il termine Fr invece viene chiamato “fattore di rimozione del calore”, e rappresenta il rapporto tra l’energia utile attuale fornita dal collettore e l’energia utile che si avrebbe se tutta l’area del collettore fosse alla temperatura di ingresso del fluido termovettore, quindi esso risulterà sempre <1.Il calcolo del valore di Fr viene eseguito facendo delle considerazioni di scambio termico sul pannello, e l’introduzione di tale coefficiente è giustificata dal fatto che tale termine permette di utilizzare nel calcolo della potenza utile la temperatura del fluido, facilmente misurabile rispetto ad una temperatura media del pannello. Risulta a questo punto utile calcolare un valore di rendimento che misuri l’efficienza istantanea di un collettore solare, rapportando l’effetto utile ottenuto rispetto all’energia incidente sulla sua superficie: [
(
)]
Se la maggior parte della radiazione incidente è costituita da radiazione diretta e i fattori Fr ed Ul non variano di molto nel range di temperaure di funzionamento: -
Fr*(τα) è un parametro che rappresenta come la radiazione viene assorbita; FrUl è un parametro che rappresenta come l’energia viene persa attraverso le “perdite termiche”;
Questi due parametri costituiscono il più semplice modello di collettore. I cotruttori infatti forniscono curve di rendimento dei collettori del tipo:
Dove: - η0 coincide con il prodotto Fr*(τα); - a1 coincide con il prodotto FrUl; - a2, non sempre presente, è un altro parametro che tiene conto della non linearità delle perdite termiche in funzione della temperatura; Il termine Tf* rappresenta la “temperatura ridotta”, data dalla seguente equazione:
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Solar Cooling
[
]
Per cui, dato un certo valore di temperatura ambiente e di irraggiamento G, per ogni collettore esiste una temperatura del fluido per la quale si ottiene un rendimento nullo, ovvero tutta l’energia assorbita viene dissipata in perdite termiche, tale temperatura è chiamata “temperatura di stagnazione”. In commercio sono disponibili varie tipologie di collettori solari, che pur partendo da principi generali simili, differiscono fra loro per alcune caratteristiche, ad esempio una prima scelta preliminare che determina quale tipo di pannello dovrà essere utilizzato, è la temperatura alla quale deve essere fornito il fluido termovettore. I principali tipi di collettori sono: -
collettori piani scoperti; collettori piani coperti; collettori sottovuoto;
1.17 Rendimento collettori Nei paragrafi successivi verranno analizzati in modo più dettagliato le ultime due tipologie di collettore.
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Capitolo1
1.2.1 Collettori piani I collettori piani vengono utilizzati per quelle applicazioni che richiedono un fluido termovettore a moderate temperature, fino al massimo circa 100°C al di sopra della temperatura ambiente. Sfruttano come sorgente di energia sia la radiazione diretta sia la radiazione diffusa, sono di più semplice costruzione e richiedono meno manutenzione rispetto ai collettori a concentrazione. I collettori piani sono normalmente montati su strutture fisse con un orientamento ottimizzato per la località d’installazione. La loro applicazione comune è quella per la produzione di acqua calda sanitaria, oppure anche quella di sistemi combinati, ovvero sistemi in cui l’energia utile fornita dai collettori viene utilizzata sia per la produzione di acqua calda sanitaria sia per coprire una quota parte dell’energia necessaria al riscaldamento degli edifici. Nella determinazione del rendimento di un collettore attraverso l’utilizzo della temperatura ridotta e dei coefficienti a1 e a2, è utile introdurre un terzo parametro che consideri il comportamento del collettore al variare dell’angolo di incidenza della radiazione solare. Tale parametro, chiamato IAM (Incident Angle Modifier), influisce sul rendimento ottico del collettore, per cui il rendimento risulta espresso dalla seguente equazione:
Il valore di K misura la dipendenza del prodotto τα dall’angolo di incidenza della radiazione, e varia da collettore a collettore, per cui i principali test standard includono una stima sperimentale di questo effetto. Un espressione tipica per K è la seguente: (
)
Dove: - θ è l’angolo di incidenza; - b0 è il cosidetto incident angle modifier coefficient;
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1.18 Angolo trasversale e longitudinale Altra soluzione adottata dai costruttori è fornire il valore di K per un angolo di incidenza di 50° da cui ottenere gli altri valori per interpolazione lineare, sapendo che K(0°)=1 e K(90°)=0. La figura seguente mostra l’andamento dell’incident angle modifier calcolato secondo la formula precedente e la sua linearizzazione:
1.19 Incident angle modifier per collettore solare piano 1.2.2 Collettori sottovuoto (CPC) Per alcune applicazioni si rende necessario fornire un fluido in uscita dai collettori a temperature più alte di quelle che un collettore piano selettivo rende disponibili. A parità di condizioni, un modo per aumentare la temperatura è quello di ridurre le perdite termiche. Per fare ciò è quindi necessario ridurre il più possibile il valore del coefficiente globale di scambio termico U l. Una prima soluzione adottata è di utilizzare dei collettori sottovuoto, in questo modo vengono completamente annullate le perdite di scambio termico convettivo tra la
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piastra assorbente e il vetro di copertura. A causa di problemi di sollecitaizoni meccaniche, i collettori di tipo sottovuoto non hanno un vetro di copertura piano ma sono costituiti da cilindri di tubi evacuati dove all’interno è inserito un tubo cui scorre il fluido termovettore.
1.20 Tubi collettori sottovuoto CPC Un secondo accorgimento per ridurre ulteriormente le perdite e quindi migliorare le prestazioni del collettore è ridurre l’area attraverso cui avvengono le perdite. Questo viene fatto inserendo un componente ottico riflettente tra la sorgente solare e la superficie assorbente, che concentri la radiazione incidente su un area minore. In questo modo a parità di area del collettore e di temperatura dell’assorbitore, il collettore con un area assorbente più piccola rispetto ad un collettore piano presenterà delle perdite termiche minori. Un primo parametro che permette di distinguere fra diversi collettori a concentrazione è il fattore di concentrazione, definito come:
Dove: - Acoll è l’area totale del collettore; - Aass è l’area dell’assorbitore; L’inserimento di un altro componente ottico, rispetto ad un collettore piano, introduce perdite ottiche aggiuntive rispetto ad un collettore piano, in quanto la riflettanza del componente non è unitaria. Questo fa si che i collettori piani presentino un rendimento ottico migliore, ma la diminuzione di rendimento con temperatura del fluido crescente è più marcata rispetto ai collettori sottovuoto e a concentrazione. I collettori a concentrazione hanno proprietà ottiche che
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dipendono molto dalla geometria dei componenti. Tuttavia è possibile definire alcune relazioni generali. Ad esempio, la radiazione assorbita viene fornita da questa equazione: [
]
Dove: - Gbeam è il valore di radiazione diretta, tranne per concentratori con FC<10 in cui parte della radiaizone diffusa viene riflessa verso l’assorbitore; - ρ rappresenta la riflettanza speculare del concentratore. Per riflettori diffusi utilizzzti con assorbitori cilindrici, coincide con la riflettanza diffusa; sono valori che dipendono dall’angolo di incidenza e vengono combinati tra di loro a formare un incident angle modifier (IAM); è il coefficiente di intercettazione, è definito dal rapporto tra la radiazione che incide effettivamente sull’assorbitore e la radiazione riflessa dal concentratore (valori tipici di ϒ>0,9); Per cui la potenza termica utile fornita dal collettore sarà: [
(
)]
[ ]
Ed il rendimento di un collettore a concentrazione sarà dato da:
Dove i termini
e a1 sono definito come:
Un tipo di collettore cilindrico evacuato è il tipo CPC (compound parabolic concentrator), dove il vuoto è mantenuto tra due ubi di vetro concentrici, la superficie cilindrica assorbente è posta sulla parte esterna del tubo interno o su di una aletta cilindrica nel tubo interno. Un terzo tubo, posto nel tubo interno, viene utilizzato per far scorrere il fluido termovettore. Come concentratore utilizza un
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concentratore parabolico. Valori tipici di di un collettore con un riflettore diffuso sono compresi tra 0,65-0,7. Anche per i collettori solari sottovuoto viene introdotto un incident angle modifier al fine di considerare le variazioni dell’angolo di incidenza della radiazione sul pannello. Per sistemi cilindrici, quali ad esempio i collettori di tipo CPC, è richiesto l’utilizzo di fattori IAM biassiali, che riguradano uno il piano longitudinale e uno il piano trasversale. Questo è dovuto al fatto che rispetto ai collettori piani, l’utilizzo di cilindri permette di sfruttare meglio la radiazione per un range di angoli di incidentza maggiore, come mostrato dalla figura seguente:
1.21 IAM per collettore di tipo CPC La fattorizzazione dello IAM viene fatta secondo l’equazione:
L’assorbitore cilindrico presenta un picco del valore di IAMT per angoli di incidenza trasversali di 50-60°. Questo è dovuto al fatto che finchè l’angolo trasversale non supera i 60°, non si ha ombreggiamento tra i tubi e la proiezione dell’assorbitore rispetto alla radiaizone rimane sempre pari al diamtero del tubo, ottenendo quindi una sorta di solar tracking “passivo”. Per ottenere lo stesso risultato con assorbitore piano, gli assorbitori dovrebbero muoversi in modo da rimanere perpendicolari alla radiazione diretta.
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1.3 Configurazioni d’impianto In ogni sistema di solar cooling, il componente principale di tutto l’impianto è la macchina frigorifera ad assorbimento. Essendo queste macchine dei sistemi tritermi, l’impianto risulterà quindi composto da tre sottosistemi: -
Il primo sottosistema è rappresentato dal sistema solare, che ha lo scopo di fornire l’energia termica al generatore del chiller; Il secondo sottosistema è rappresentato dal circuito freddo e dai terminali di erogazione della potenza frigorifera utile prodotta; Il terzo e ultimo sottosistema è rappresentato dal condensatore e assorbitore del chiller che devono essere raffreddati, utilizzando ad esempio una torre evaporativa;
Sul mercato per ogni sottosistema è possibile scegliere tra diverse alternative tecniche, in modo da poter adattare l’impianto in base alle richieste e alle prestazioni che si vogliono ottenere. 1.3.1 Sistema Solare Ogni sistema solare, è formato da alcuni componenti standard, quali collettori solari, scambiatori, serbatoi d’accumulo, generatori ausiliari, valvole ecc. Durante la progettazione di un impianto di solar cooling, il primo passo consiste nella scelta del tipo di collettore da utilizzare. In linea di principio, tranne i collettori scoperti, tutte le altre tipologie di collettori solari sono applicabili. L’utilizzo di collettori a tubi evacuati o collettori a concentrazione, permette rispetto ai collettori piani di estendere il periodo di funzionamento del sistema nei periodi con scarso irraggiamento, avendo questi collettori dei rendimenti termici migliori alle alte temperature. Il passo successivo è scegliere il tipo di collegamento tra circuito solare e serbatoio di accumulo. Esistono in commercio diverse soluzioni: -
Collegamento diretto tra circuito solare e accumulo: questa scelta è applicabile solo nel caso sia risolto per i mesi invernali il problema del congelamento, utilizzando come fluido termovettore una miscela di acqua e glicole propilenico, o un sistema di tipo drain back, dove i collettori solari nel caso vi sia rischio di congelamento sono svuotati;
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Collegamento attraverso scambiatore di calore: questa è la soluzione maggiormente utilizzata, per due motivi: l’utilizzo di elevate quantità di glicole aumenterebbe il costo d’impianto, in più in questo modo il circuito solare e l’accumulo termico sono idraulicamente separati; Utilizzo diretto dell’energia termica prodotta dai collettori: con questa soluzione, il generatore della macchina ad assorbimento è direttamente collegato al circuito solare;
Per il serbatoio d’accumulo invece sono disponibili le seguenti configurazioni: -
Serbatoio aperto senza scambiatore di calore; Serbatoio con uno scambiatore interno; Serbatoio con due scambiatori interni; Accumulo termico utilizzando materiali in transizione di fase;
Un ultimo componente classico è rappresentato dal sistema di backup, ovvero un sistema in grado di aiutare e al limite sostituire la fonte energetica solare quando questa non è disponibile o non è sufficiente a soddisfare la richiesta di potenza termica del generatore del chiller ad assorbimento. Sono possibili tre casi distinti: -
Assenza del sistema di backup; Sistema di backup in parallelo; Sistema di backup in serie;
1.22 Collegamento serie-parallelo sistema di backup 1.3.2 Sistema erogazione potenza frigorifera Per l’erogazione della potenza frigorifera all’interno dell’ambiente, sono disponibili fondamentalmente tre tipologie di terminale ambiente:
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Raffrescamento radiante, dove l’acqua fredda viene fatta circolare all’interno di pannelli installati nel pavimento o nel soffitto delle zone da climatizzare; Fan coils, dove l’acqua è fatta circolare nei tubi di scambiatori allettati investiti da un flusso d’aria con l’utilizzo di un ventilatore; Impianti tutt’aria HVAC;
Anche sul circuito freddo all’occorrenza, è possibile installare un serbatoio di accumulo, in alternativa l’ingresso e l’uscita dell’evaporatore della macchina ad assorbimento possono essere collegate direttamente ai terminali di erogazione. Nel caso sia necessario soddisfare in ogni caso la richiesta frigorifera dell’edificio servito, è possibile installare come sul circuito caldo un sistema di backup sul circuito freddo, ad esempio un classico chiller a compressione di vapore, in parallelo o in serie al circuito principale. 1.3.3 Sottosistema Condensatore L’ultimo sottosistema rappresenta dal punto di vista della progettazione una delle parti più onerose. Infatti, la scelta di un sistema di smaltimento del calore rispetto ad un altro provoca negli impianti di solar cooling notevoli differenze sia in termini di costi sia di prestazioni. Per le macchine ad assorbimento, la soluzione più utilizzata è rappresentata dalle torri evaporative, a circuito aperto o a circuito chiuso, che rappresentano però costi operativi elevati. Infatti, come si vedrà in seguito, l’energia consumata dai ventilatori della torre evaporativa è la componente più rilevante dei consumi elettrici totali di un impianto. Altre alternative sono l’utilizzo di scambiatori alettati con un ventilatore, il riscaldamento di piscine o l’utilizzo di scambiatori interrati.
1.4 Logiche di controllo Le logiche di regolazione e controllo per un impianto di solar cooling, svolgono un ruolo fondamentale nell’ottenere le prestazioni desiderate minimizzando al tempo stesso i consumi di energia. Gli obbiettivi da perseguire nella definizione della strategia di controllo sono: - Sicurezza; - Controllo automatico del sistema;
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Individuazione e correzione dei guasti; Massimo comfort per gli occupanti riducendo al minimo i consumi;
In questa sezione per ogni sottosistema sono brevemente descritte le logiche di regolazione più utilizzate negli impianti realizzati. 1.4.1 Controllo circuito caldo L’obbiettivo del circuito dei collettori solari è quello di fornire la potenza termica necessaria ad un livello di temperatura sufficientemente elevato, in modo tale da poter far lavorare la macchina ad assorbimento in modo efficiente. Nel caso sia presente nell’impianto un sistema di backup, la strategia di controllo deve essere orientata in modo da massimizzare l’utilizzo della fonte solare. Nella pratica, le logiche seguite per l’accensione e il controllo della parte solare sono principalmente due: - Vengono misurate la temperatura di uscita dai collettori e la temperatura alla base dell’accumulo, la pompa del circuito solare viene accesa quando la differenza tra queste due supera un certo valore; - Viene misurato il livello di irraggiamento sul collettore solare, quando viene superato un certo valore di soglia la pompa solare entra in funzione; Nel caso sul circuito solare sia installata una pompa a giri variabili, la velocità della pompa può essere regolata in modo da ottenere una temperatura desiderata all’uscita dai collettori. 1.4.2 Controllo circuito freddo Per quanto riguarda il circuito freddo, anche qui sono possibili due diverse logiche di regolazione: - “free floating strategy”, dove il chiller viene fatto funzionare ogni volta che è disponibile potenza termica al generatore, con lo scopo di massimizzare la produzione di potenza frigorifera al costo di non avere un controllo sulla temperatura dell’acqua fredda. Questa logica viene utilizzata soprattutto nei sistemi autonomi, dove non è presente un sistema di backup, o negli impianti dove è presente un volume d’accumulo adeguato;
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“costant chilled water temperature strategy”, dove utilizzando ad esempio una valvola a tre vie, la temperatura di ritorno/mandata dell’acqua viene mantenuta costante. Tipicamente gli impianti che utilizzano questa logica sono pensati per lavorare con temperature dell’acqua basse, ad esempio per fan coils con lo scopo di deumidificazione. In molti casi, per mantenere la temperatura costante in ogni caso, in questi impianti sono installati dei sistemi di backup.
1.4.3 Controllo condensatore Per il sottosistema di smaltimento del calore, la strategia di controllo deve essere orientata in modo da massimizzare l’efficienza energetica dell’impianto. Ad esempio, l’aumento della temperatura dell’acqua di raffreddamento per una torre evaporativa, è giustificato se permette una diminuzione dei consumi agendo sulla velocità del ventilatore attraverso un sistema di controllo retro azionato.
1.5 Prestazioni d’impianto Lo scopo principale dell’utilizzo di impianti di solar cooling è quello di ridurre il consumo di energia elettrica per la climatizzazione estiva degli edifici. Per cui, definire un metodo per valutare le prestazioni di un impianto è fondamentale per poter poi confrontarle con gli impianti classici che utilizzano macchine frigorifere a compressione di vapore. 1.5.1 Prestazioni impianti compressione di vapore Per queste macchine, le prestazioni sono misurate attraverso l’”Energy Efficiency Ratio” (EER), definito come il rapporto tra il carico frigorifero reso disponibile e la potenza elettrica totale assorbita dalla macchina: ̇ ̇ I consumi elettrici di una macchina a compressione di vapore dipendono da molti fattori quali: il tipo di compressore utilizzato (es. scroll, centrifugo), la potenza frigorifera nominale, il fluido di lavoro utilizzato, il fattore di carico della macchina e le condizioni ambientali in cui la macchina si trova a lavorare. Le reali prestazioni offerte da queste macchine quindi, variano molto durante il
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periodo di raffrescamento e in base alla località in cui sono installate, per cui è necessario introdurre un nuovo coefficiente, il “Seasonal Energy Efficiency Ratio”, definito come: ̇ ∫ ∫
̇
Dove t0 e t1 sono rispettivamente l’inizio e la fine della stagione di raffrescamento. 1.5.2 Prestazioni impianti solar cooling Per ragioni tecniche ed economiche, negli impianti di solar heating e cooling il sottosistema solare non è dimensionato per coprire completamente il fabbisogno energetico dell’edificio, ma solo una sua frazione. Se nell’impianto è presente un sistema di backup, l’energia utile annuale per il funzionamento del chiller ad assorbimento per il raffrescamento è data dalla seguente equazione: [kWh] Dove: -
è l’energia totale annuale richiesta dal generatore della macchina ad assorbimento; è l’energia fornita dal sistema di backup durante tutta la stagione;
Per cui, la frazione solare di energia per il raffrescamento fornita dalla fonte solare è ricavata utilizzando quest’equazione:
Come descritto precedentemente, non è possibile confrontare direttamente le prestazioni di macchine ad assorbimento con quelle a compressione di vapore, in quanto per funzionare utilizzano fonti energetiche qualitativamente diverse. Una possibile soluzione per questo problema è di misurare i consumi elettrici di un impianto di solar cooling durante la stagione di raffrescamento, e definire quindi un “Coefficient Of Performance” elettrico dell’impianto, utilizzando la
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Solar Cooling
stessa relazione utilizzata per il calcolo dell’SEER, per cui queste quantità sono direttamente confrontabili. Un altro parametro utile per confrontare impianti classici e impianti di solar cooling, è il calcolo dell’energia primaria utilizzata per produrre la stessa quantità di energia frigorifera utile. Per un impianto con macchina a compressione di vapore, il consumo di energia primaria è calcolato come: [kWh] Dove: -
, fattore di conversione tra energia elettrica della rete ed energia primaria, valore standard 0,45;
Mentre per un impianto che sfrutti l’energia solare per la climatizzazione estiva, il consumo di energia primaria è calcolato come: [ Dove: -
]
energia fornita dal sistema di backup; , rendimento del sistema di backup; , fattore di conversione per il combustibile utilizzato; , consumi elettrici dell’impianto;
A questo punto, è possibile definire un fattore di risparmio di energia primaria rispetto ad un sistema tradizionale, utilizzando la seguente equazione:
39
Capitolo1
1.5.3 Esempi impianti solar cooling Nella tabella seguente sono riportate le caratteristiche principali dei componenti di cinque impianti di solar cooling: Perpignan (sud Francia)
Garching (Germania)
Gleisdorf (Austria)
Gleisdorf (Austria)
Sup. condizionata
180 m2
400 m2
1000 m2
1321 m2 + 1212 m2
Reunion Island (Francia) 4 aule
Capacità nominale macchina Tipo di macchina Terminale ambiente
7,5 kW
10 kW
19 kW
35 kW
30 kW
Assorbimento NH3-acqua Pannelli radianti soffitto Torre evaporativa circuito chiuso Piani con doppio vetro 64 m2
Assorbimento NH3-acqua + DEC Fan Coils + Pannelli radianti soffitto Torre evaporativa Circuito aperto
Assorbimento acqua-LiBr Fan Coils
34° Est 40° Acqua + glicole
Adsorbimento Assorbimento silicagel-acqua acqua-LiBr Fan Coils Pannelli radianti soffitto Condensatore Aria con water Aria + spray ausiliario PCM Tipo collettori Piani con Piani doppio vetro Superficie 25 m2 57,4 m2 collettori Orientamento 45° Ovest 10° Ovest inclinazione 30° 40° Fluido Acqua (drain Acqua + termovettore back system) glicole Accumulo caldo Accumulo freddo Backup caldo Backup freddo
40
Piani
Torre evaporativa circuito aperto Piani
134 m2+168 m2
90 m2
30° Ovest, 22° 30° Est, 30° Acqua + olio di teflon
0° Nord 0° Acqua
0,3 m3
2x1m3 in serie 10 m3
4,6 m3
1,5 m3
0,3 m3
No
1 m3
1 m3
No
Pompa di Caldaia pellet 3 unità Teleriscaldamento calore elettrica cogenerative Chiller Acqua di Split in ogni No elettrico pozzo stanza 1.23 Caratteristiche principali impianti
No No
Solar Cooling
Le prossime tre figure riportano l’andamento delle temperature in una tipica giornata estiva per l’impianto situato a Perpignan, a Gleisdorf e a Reunion Island:
1.24 Andamento temperature giornata estiva Impianto di Perpignan Dal grafico si nota come l’impianto fornisca potenza frigorifera utile dalle 10:30 del mattino fino alle 5 del pomeriggio, l’andamento delle temperature dal lato del generatore segue molto bene la curva dell’irraggiamento mentre le temperature del condensatore si mantengono stabili. Durante tutta la stagione di raffrescamento quest’impianto ha ottenuto un risparmio di energia primaria del 39% rispetto ad un sistema classico a compressione di vapore, con un COP elettrico medio pari a 4,6.
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Capitolo1
1.25 Andamento temperature e potenza termiche Impianto di Gleisdorf Come nel caso precedente, l’impianto fornisce potenza frigorifera utile dalle 10:30 del mattino alle 5 del pomeriggio, con condizioni di funzionamento molto stabili. Il COP termico stagionale è stato pari a 0,52, con una frazione solare molto alta pari all’86%, mentre il COP elettrico medio stagionale è risultato pari a 5,7.
1.26 Andamento temperature e potenze termiche Impianto di Reunion Island
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Solar Cooling
In questo caso il COP termico stagionale è stato pari a 0,46. Dato che nell’impianto non è presente alcun tipo di backup né caldo né freddo, la frazione solare è pari al 100%. Questo fa si che non sempre sia possibile raggiungere le condizioni di comfort interne desiderate, il COP elettrico è risultato pari a 2,7. Il rendimento stagionale del campo di collettori solari è risultato pari al 32%. La tabella seguente riporta in breve i risultati termici ed elettrici per i cinque impianti precedentemente descritti:
COPth
Perpignan Garching Gleisdorf Gleisdorf Reunion Island / 0,76 0,54 0,52 0,46
COPel
4,6
6,6
5,5
5,7
2,7
39%
60%
/
/
/
1.27 Riassunto prestazioni impianti d’esempio Per gli ultimi due casi, le figure seguenti mostrano i consumi elettrici percentuali degli ausiliari dell’impianto: Pompa solare 5%
12%
3% 17%
63%
Pompa boiler-hot storage Pompa hot storage to chiller+Chiller+Pompa chiller to cold storage Ventilatore torre+pompa chiller to torre evaporativa Trattamento acqua per torre evaporativa
1.28 Consumi elettrici percentuali Gleisdorf
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Capitolo1
Pompa solare 10%
42%
17% Pompa hot storage to chiller+Chiller+Pompa chiller to cold storage 31%
Ventilatore torre
Pompa torre
1.29 Consumi elettrici percentuali Reunion Island Guardando i grafici, è possibile notare come la maggior parte dei consumi, tra il 60 e il 70% del totale, sono imputabili al ventilatore della torre evaporativa e la rispettiva pompa di circolazione, mentre solo il 20% dei consumi comprende i consumi della macchina frigorifera e le relative pompe di alimento. Per questo la progettazione del sistema di smaltimento calore e la relativa logica di funzionamento risulta la più onerosa per un impianto di solar cooling. Ad esempio, per l’impianto di Reunion Island, semplicemente modificando la logica di controllo del sottosistema condensatore, è stato possibile ottenere una diminuzione dei consumi della torre evaporativa fino a un 31% del totale. In conclusione quindi, la tecnologia per l’utilizzo della fonte solare per il raffrescamento è abbastanza matura, tuttavia essendo una tecnologia giovane sussistono ampi margini di miglioramento. Spesso le prestazioni ottenute dagli impianti sono risultate inferiori alle aspettative iniziali, a causa principalmente di una logica di gestione non ottimizzata con la conseguenza di un eccessivo consumo di energia elettrica da parte degli ausiliari. Soprattutto per il sotto sistema del condensatore, una buona progettazione e un sistema di controllo ottimizzato possono influire molto sulle prestazioni del sistema globale. Un'altra peculiarità che emerge dagli esempi di impianti proposti, è che spesso essi risultano avere un alto grado di complessità a livello idraulico, con la conseguenza di non ottenere un controllo ottimizzato e le performance volute, per cui anche la semplificazione degli schemi idraulici e funzionali può apportare dei miglioramenti agli impianti di solar cooling, sia da un punto di vista tecnologico (controllo più semplice, minor consumi elettrici) sia economico (costi di investimento e manutenzione ridotti).
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Capitolo 2 Descrizione Prototipo e Impianto In questo capitolo è descritto il prototipo di macchina ad assorbimento a mezzo effetto auto-adattante, di cui sono presentate le caratteristiche principali e risultati ottenuti durante la sperimentazione in camera di prova al Politecnico di Milano. Nella sezione successiva sono esposte le scelte progettuali fatte per il dimensionamento d’impianto e la descrizione dello schema d’impianto di prova.
2.1 Prototipo macchina mezzo effetto auto-adattante Per risolvere i problemi di instabilità del ciclo dovuti ad un’errata ripartizione del refrigerante liquido tra evaporatore e assorbitore, si è pensato di modificare la configurazione classica con lo scopo di ottenere una macchina a mezzo effetto in grado di adattarsi autonomamente nella ripartizione al variare delle condizioni operative. Lo schema del ciclo è rappresentato nella figura seguente:
2.1 Schema componenti macchina a mezzo effetto autoadattante
Capitolo2
Dove: -
ABS assorbitore raffreddato ad aria; COND condensatore raffreddato ad aria; EVP evaporatore; GEN generatore; PMP pompa della soluzione; RCA/MPE assorbitore raffreddato dalla proveniente dal condensatore; RCTF rettificatore; RHE scambiatore di calore del refrigerante; SEP separatore liquido-vapore; SHP scambiatore di alta pressione; SHX scambiatore di media pressione;
portata
di
refrigerante
In questa macchina tutta la portata di refrigerante liquido proveniente dal condensatore viene prima laminata fino alla pressione intermedia del ciclo, poi inviata all’assorbitore di bassa pressione RCA. Qui, la parte di liquido che evapora è solo ed esattamente quello che viene richiesto dall’assorbitore per poter assorbire sull’altro lato tutto il vapore in ingresso. La fase liquida e la fase vapore in uscita dall’assorbitore vengono poi facilmente separati utilizzando un semplice separatore, dove la fase liquida viene inviata all’evaporatore per ottenere l’effetto frigorifero utile, mentre la fase vapore viene mandata all’assorbitore di media pressione raffreddato ad aria. Quindi questo ciclo è “autoadattante”, e dovrebbe quindi fornire un effetto utile stabile per un ampio range di condizioni operative. Per valutare i miglioramenti nelle prestazioni generate da queste modifiche, è stato realizzato un prototipo con capacità nominale di potenza frigorifera di 3,4 kW. Di seguito sono riportate le principali caratteristiche dei suoi componenti: -
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GEN: scambiatore verticale di tipo shell&tube, con distributore di liquido, con modalità di distribuzione a film cadente; SHP, SHX, RCA, RHE: scambiatore tubo in tubo con flusso orizzontale; EVP: scambiatore verticale di tipo shell&tube; ABS e COND: tubi in acciaio con alettatura in alluminio, flusso d’aria orizzontale; Rettificatore RCTF;
Descrizione Prototipo e Impianto
-
Pompe: pompe a diaframma con un singolo motore elettrico comandato da un inverter; Ventilatore: assiale, 50 cm di diametro della pala, velocità variabile;
Tutti i componenti sono stati assemblati per formare una macchina compatta di dimensioni 1000 mm di larghezza, 1100 mm di altezza e 500 mm di profondità.
2.2 Prototipo macchina mezzo effetto Come detto in precedenza, la caratteristica principale di questa macchina è la capacità di auto-adattarsi al variare delle condizioni operative. Ad esempio, se una perturbazione esterna riduce il carico di raffreddamento richiesto dall’assorbitore di bassa pressione, aumenterà la quantità di liquido inviata all’evaporatore. Di conseguenza poi successivamente aumenterà la quantità di vapore proveniente dall’evaporatore che deve essere assorbita, per cui aumenterà il carico dell’assorbitore, fino a che non verrà raggiunta una nuova condizione stabile di funzionamento.
2.2 Risultati sperimentali Politecnico di Milano Per valutare le prestazioni della macchina sono stati eseguiti dei test nel laboratorio del Dipartimento di Energia, mantenendo le portate all’evaporatore e al generatore costanti, ma variando le temperature di ingresso negli scambiatori. Per eseguire i test, si è seguita la procedura descritta nello IEA SHC Task 48Quality Assurance and Support Measure for Solar Colling, basata sulle
47
Capitolo2
procedure descritte in standard preesistenti per test di chiller e pompe di calore alimentati termicamente o elettricamente, principalmente la EN14511 e EN12309. Il prototipo è stato testato al carico massimo in condizioni stazionarie. Per quanto riguarda l’acquisizione delle misure e la durata dei test, il tempo di campionamento tra due misure è stato di 6 secondi, con prove della durata complessiva di 20 minuti. Durante i test sono stati valutati sia il COP termico sia quello elettrico. Nel calcolo dei consumi elettrici sono state considerate anche le potenze elettriche consumate dalle pompe “virtuali” interne, necessarie per vincere le perdite di carico degli scambiatori di calore della macchina. Per fare ciò, si è utilizzata la seguente formula: ̇ Dove: ̇ , portata volumetrica espressa in m3/s; , perdite di carico dello scambiatore, espresse in Pa; - ηoel, rendimento organico elettrico della pompa; Per il calcolo delle potenze termiche effettive scambiate all’evaporatore e al generatore e per la potenza elettrica consumata dalla macchina, sono stati utilizzati i valori medi delle misure effettuate durante ogni test, con le seguenti correzioni: ̇ ̇ [kW] ̇
[kW] [kW]
Dove: -
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̇ , portata fluido; , differenza di temperatura tra ingresso e uscita dello scambiatore; , potenza elettrica consumata dal ventilatore del condensatore e dalla pompa della soluzione;
Descrizione Prototipo e Impianto
Il COP termico e il COP elettrico sono stati calcolati come:
Per simulare differenti condizioni operative e ambientali, la macchina è stata posta in una stanza dotata di un sistema riscaldamento ad aria in grado di ottenere aria fino a 50°C con una portata massima di 7100 m3/h. Dal lato del generatore è stato utilizzato un boiler elettrico da 500 litri con potenza di 15kw mentre dal lato dell’evaporatore un accumulo da 1000 litri connesso a un circuito scaldante esterno, per contrastare il carico di raffreddamento dato dalla macchina. La macchina è stata testata utilizzando acqua in ingresso lato generatore alle temperature di 85, 90 e 95 °C, e con temperature dell’acqua in uscita dall’evaporatore di 7°C e 10°C. I grafici seguenti riportano sinteticamente i risultati delle prove effettuate, a sinistra sono rappresentati i risultati con temperatura di uscita dall’evaporatore di 7°C e sulla destra quelli con 10°C.
49
Capitolo2
2.3 Risultati sperimentali in camera di prova Osservando i grafici si possono notare alcune caratteristiche del funzionamento della macchina. Ad esempio, con una temperatura di uscita dall’evaporatore di 10°C, la massima temperatura ambiente per cui si hanno condizioni stabili di funzionamento con alimentazione a 95°C è 40°C. Si può notare anche una certa diminuzione di capacità frigorifera all’aumentare della temperatura ambiente, e l’effetto è più marcato con una temperatura di uscita dall’evaporatore di 7°C. Dai grafici riguardanti il COP termico, è possibile notare l’influenza della temperatura dell’evaporatore sulle prestazioni della macchina. Infatti, si nota come avendo una temperatura di 10°C in uscita, i valori di COP rimangano sempre superiori a 0,3 per un ampio intervallo di temperature fino a 37°C. Per quanto riguarda il COP elettrico si riscontra la stessa dipendenza di tale valore dalla temperatura di uscita dall’evaporatore, tuttavia il COP elettrico rimane molto al di sopra di 6 praticamente per tutte le condizioni operative testate. I seguenti due grafici mostrano invece gli andamenti delle pressioni del ciclo e le potenze termiche scambiate al variare delle temperatura ambiente.
2.4 Pressioni di lavoro e potenze scambiate
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Descrizione Prototipo e Impianto
Si nota come le pressioni operative aumentino al crescere della temperatura ambiente. Tale comportamento è dovuto al fatto che aumentando la temperatura esterna, la pressione del condensatore deve aumentare per raggiungere la nuova temperatura di condensazione. Anche la pressione intermedia aumenta per far fronte all’incremento della temperatura dell’assorbitore raffreddato ad aria. Conseguentemente la capacità di assorbimento dell’assorbitore di bassa pressione raffreddato dal refrigerante diminuisce, quindi una minor quantità di vapore viene assorbita, la capacità frigorifera dell’evaporatore diminuisce e la pressione comincerà ad aumentare. Le figura seguente riporta sul diagramma di Duhring come si modifica il ciclo della soluzione in due differenti condizioni operative:
2.5 Diagramma di Duhring del prototipo e schema componenti
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Capitolo2
2.3 Schema impianto Con l’obbiettivo di testare le reali prestazioni fornite dal chiller ad assorbimento a mezzo effetto, alimentato da fonte solare, si è deciso di realizzare un impianto di prova sul tetto del dipartimento di energetica del Politecnico di Milano. Data la potenza nominale della macchina, l’impianto risultante simula quello che potrebbe essere un impianto di solar cooling domestico per piccole utenze. Per mantenere lo schema idraulico il più semplice possibile, si è deciso di realizzare un impianto senza un serbatoio di accumulo, per cui vi sarà un accoppiamento diretto tra i collettori solari ed il generatore del chiller. Lo schema dell’impianto è riportato in allegato. Di seguito se ne riporta una breve descrizione delle parti principali, oltre al chiller, descritto nelle sezioni precedenti: Collettori solari: Kloben SP21 I collettori solari scelti per fornire la potenza termica necessaria al chiller ad assorbimento sono pannelli di tipo CPC. La scelta è ricaduta su questa tipologia di collettore solare in quanto dovendo lavorare a temperature alte, i collettori sottovuoto di tipo CPC pur partendo da un rendimento ottico inferiore rispetto a un collettore piano coperto, presentano rendimenti migliori alle alte temperature rispetto ai collettori piani. Ogni collettore è costituito da tubi in vetro borosilicato a doppia intercapedine, dove all’interno è praticato il vuoto. Sulla faccia interna vi è una speciale verniciatura metallica a base ceramica che svolge la funzione di rendere la superficie selettiva, denominata CERMET. L’unità di assorbimento è costituita tubi di rame a “U”, a contatto con appositi assorbitori di calore in alluminio in modo da aumentarne la superficie di scambio. Ogni unità è poi collegata ad un collettore sulla testata del pannello. Al di sotto dei tubi è posizionato un laminato riflettente appositamente studiato per riflettere con percentuali superiori al 90% della luce totale. Le principali caratteristiche del pannello sono: - Rendimento η0= 0,632 - Coefficiente perdita termica a1= 0,936 - Coefficiente perdita termica a2= 0,0076 - Portata ottimale = 0,6 lt/min m2 - Superficie totale = 3,76 m2 - Superficie netta = 3,3 m2
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Descrizione Prototipo e Impianto
La figura sottostante mostra il valore di rendimento del pannello in funzione della differenza tra il valor medio di temperatura del fluido termovettore e la temperatura ambiente, con due diversi valori di irraggiamento (G). Tutti i valori sono calcolati attraverso la formula:
Kloben SP21 0,7
Rendimetno
0,6 0,5 0,4 0,3
G=1000 W/m2
0,2
G=800 W/m2
0,1 1 17 33 49 65 81 97 113 129 145 161 177 193 209 225
0 ΔT= (Tm-Tamb)
2.6 Rendimento pannelli Kloben Per quanto riguarda le perdite di carico all’interno del pannello, è stata fornita dal costruttore la seguente formula empirica: [mbar] Dove con x si intende la portata in kg/hr. La scheda tecnica completa del pannello è riportata in allegato. Guardando la curva di rendimento, si nota come il pannello, quando produce acqua con una differenza di temperatura attorno 6070°C rispetto alla temperatura ambiente, abbia un rendimento attorno al 50%. Ricordando quindi che il chiller oggetto della sperimentazione ha una potenza frigorifera media di 3,03 kW ed un COP frigorifero medio che si aggira attorno a 0,3, la potenza termica entrante dal lato generatore, proveniente dal campo solare, si aggira attorno ai 10 kW. Per cui con un irraggiamento ad esempio di 1 kW/m2, per produrre tale potenza e fornire un fluido ad una temperatura
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Capitolo2
accettabile, l’impianto necessita di un campo solare di circa 20 m2, per cui si è scelto di installare 6 collettori Kloben SP21 disposti in due serie da tre collettori ciascuna.
2.7 Pannello Kloben SP21 Gli altri elementi che costituiscono il circuito caldo dell’impianto sono il circolatore solare, la valvola di sicurezza tarata a 6 bar, il vaso di espansione da 80 litri, per assorbire le dilatazioni del fluido quando si riscalda, ed un misuratore di portata. Il circuito caldo è stato riempito con semplice acqua, in modo da avere una maggiore capacità termica rispetto a una miscela di acqua e glicole propilenico e un miglior coefficiente di scambio termico, questa scelta quindi corrisponde ad avere un impianto che utilizzi una logica di tipo drain back. Per quanto riguarda il circuito freddo dell’impianto, oltre il relativo misuratore di portata, è stato installato un piccolo accumulo da 100 lt di capacità, in modo che la parte fredda possieda una piccola inerzia termica, in modo da evitare all’avviamento della macchina la formazione di brina sull’evaporatore con il rischio di congelamento all’interno dei tubi. E’ stata installata inoltre sul ramo di ritorno una valvola miscelatrice comandata dall’esterno attraverso un segnale analogico, con lo scopo di poter modificare la temperatura di ingresso dell’acqua nell’evaporatore, in modo da poter valutare il funzionamento del chiller con differenti set point di temperatura di ingresso all’evaporatore, utilizzando quindi una logica del tipo “costant chilled water temperature strategy”. Come terminali di erogazione della potenza frigorifera resa dal chiller, sono stati installati due fan coils che, con alimentazione a 7°C in ingresso, 12 °C in uscita ed aria a 27°C
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Descrizione Prototipo e Impianto
presentano una potenza frigorifera di circa 2 kW l’uno. Essendo stati installati all’esterno, la condizione di funzionamento in cui andranno a lavorare sarà con temperature dell’aria maggiori, per cui saranno sempre in grado di smaltire tutta la potenza frigorifera fornita dalla macchina. Da un punto di vista idraulico quindi lo schema d’impianto risulta molto meno complesso rispetto agli esempi riportati nel capitolo precedente, il numero degli ausiliari è ridotto al minimo e quindi anche la logica di regolazione risulterà semplificata.
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Capitolo 3 Controllo e Monitoraggio In questo capitolo è descritta la procedura seguita nell’assemblaggio del quadro elettrico di potenza dell’impianto, e dello sviluppo del programma di controllo e monitoraggio. I dati sperimentali verranno poi confrontati con i valori mappati durante le prove svolte in camera di prova, con l’obbiettivo di validare ed estendere la mappatura del chiller.
3.1 Quadro elettrico Per l’alimentazione elettrica dell’impianto, è stato installato in sito un quadro elettrico, da cui viene fornita alimentazione elettrica a tutte le utenze dell’impianto, cioè: -
Pompa circuito solare; Pompa circuito freddo; 2 misuratori di portata; Valvola miscelatrice; 2 fan coil; Ventilatore chiller; Pompa della soluzione del chiller;
All’interno dello stesso quadro sono stati inseriti tutti quei componenti necessari per poter eseguire un controllo automatico sull’impianto, quali ad esempio sensori di temperatura, trasduttori di segnale ecc. ed ogni elemento è descritto nei prossimi paragrafi. 3.1.1 Sensori di temperatura: termoresistenze Il principio di funzionamento dei termometri a resistenza metallica, comunemente chiamati termoresistenze, si basa sulla variazione della resistenza elettrica di un metallo al variare della temperatura a cui è sottoposto. In ambito industriale i materiali maggiormente utilizzati sono il nichel ed il platino, che grazie alla loro elevata stabilità e resistività, permettono di realizzare termoresistenze con ottime caratteristiche dinamiche e di piccole dimensioni. Le
Capitolo3
misure effettuate con la termoresistenza sono più precise ed affidabili rispetto a quelle fatte con altri tipi di sensori quali termocoppie o termistori. Normalmente i termometri a resistenza vengono identificati con la sigla del materiale utilizzato (platino=Pt, Nichel=Ni), seguito dal valore della resistenza nominale alla temperatura di 0°C. Le sonde utilizzate nell’impianto sono tutte Pt100 a 4 fili, cioè termoresistenze in platino che presentano una resistenza a 0°C di 100 Ω. Il loro campo di applicazione è per misure da -200 fino a 850°C. Per tali termoresistenze esiste un legame lineare crescente tra il valore di temperatura e il valore di resistenza elettrica misurata, per cui: [ ] Dove: -
RT è il valore di resistenza ad una temperatura generica T; R0 è il valore di resistenza a 0°C; T è la temperatura espressa in gradi Celsius; α è il coefficiente medio dimensionale, solitamente pari a 3,853,91*10^(-3)°C-1;
Esistono diversi metodi di collegamento dei termometri a resistenza con gli apparecchi di misura, la scelta di utilizzo di un metodo rispetto ad un altro dipende essenzialmente dalla precisione nella misura che si vuole ottenere. I metodi principali sono a 2,3 o 4 fili (voltamperometrica). La tecnica a quattro fili fornisce la miglior precisione possibile. Nella figura sottostante è riportato il circuito elettrico equivalente da cui si evince che con un collegamento a quattro fili la misura dipende solo dalla resistenza del termoelemento.
3.1 Circuito equivalente termoresistenza (RTD)
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Controllo e Monitoraggio
3.1.2 Trasduttori di segnale: DAT4135
Per convertire il valore di resistenza elettrica dei sensori di temperatura Pt100, viene utilizzato un componente che, misurando in ingresso il valore di resistenza del sensore, produce in uscita un segnale in tensione o in corrente. Per i segnali in tensione tipicamente si utilizza un segnale 0-10 Volt, mentre per quelli in corrente 4-20 mA. Il trasduttore di segnale utilizzato in questo caso, il DAT4135, deve essere alimentato in corrente continua con una tensione di 24V, può essere configurato in molti modi in base al sensore che sarà collegato in ingresso ed al tipo di segnale in uscita desiderato. Per configurarlo è sufficiente collegare il trasduttore al pc con un cavo apposito e con un programma specifico configurare il componente, oppure vengono fornite delle configurazioni standard da parte dell’azienda produttrice. La configurazione utilizzata, fornita direttamente dal produttore, è la seguente: DAT4135 / Pt100/-30-350°C / L.S: / 4-fili / 0-10V / Fuoriscala alto Questo significa che il convertitore lavorerà con un sensore Pt100, in un campo di temperatura tra -30-350°C, con una linearizzazione standard, il tipo di collegamento è a 4-fili, l’uscita del segnale è in tensione 0-10 V e con allarme di sensore interrotto a fuoriscala alto.
3.2 DAT 4135 e schema collegamento RTD a 4-fili Il segnale di uscita dei convertitori di segnale, sono utilizzati come ingressi dal sistema automatico di controllo dell’impianto, che viene gestito da un processore programmabile della Moeller Electric.
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Capitolo3
3.1.3 Misuratori di portata: Promag 50H15 e Promag 50H08 Sia dal lato del generatore sia dal lato dell’evaporatore, sono stati istallati dei misuratori di portata magnetici. Il principio di funzionamento è il seguente: si fa passare un corpo conduttore attraverso un campo magnetico, in questo modo viene generata una forza elettromotrice nel corpo conduttore, e questa forza è proporzionale alla velocità di spostamento. Quindi, se si sottopone ad un campo magnetico trasversale un tubo attraversato da un fluido, se questo fluido è conduttore ci sarà un passaggio di corrente. Due elettrodi isolati posti a contatto del fluido, posti ad una certa distanza l'uno dall'altro, misurano una differenza di potenziale proporzionale alla velocità del fluido; nota quindi la sezione, si conosce così la portata volumetrica. Le limitazioni sull’utilizzo di un misuratore di portata magnetico sono la necessità di avere una alta conduttività del fluido, e il fatto di essere tanto più preciso quanto maggiore è la densità del fluido; è quindi inutilizzabile per misure di portata volumetriche di gas. Si noti che gli elettrodi devono stare in contatto col fluido di processo. Se questo dovesse lasciare un deposito isolante su di loro, lo strumento non funzionerebbe più, o darebbe delle misure sbagliate. Per ovviare a tale inconveniente sono stati prodotti misuratori magnetici nei quali gli elettrodi sono isolati dal fluido. Il segnale in uscita dai misuratori utilizzati nell’impianto è un segnale in corrente 4-20mA. Una volta impostato dall’utente il valore di fondoscala, vi sarà una relazione lineare tra la portata di fluido e segnale in uscita dal misuratore.
3.3 Misuratore di portata Promag 50H 3.1.4 Misuratore consumi elettrici: Wattmetro IME Tema Fp Il wattmetro è uno strumento per la misura della potenza elettrica attiva che transita su una sezione di una linea elettrica. Con lo scopo monitorare i consumi elettrici del chiller ad assorbimento oggetto della sperimentazione, è stato
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Controllo e Monitoraggio
inserito nel quadro elettrico un wattmetro marca IME. In particolare, il modello utilizzato oltre ad avere un display sul quale è possibile leggere il valore di potenza elettrica istantanea, presenta anche collegandolo come in figura un’uscita analogica con un segnale in tensione 0-10 V, in modo che sia possibile tener memoria dei consumi durante tutto il periodo di funzionamento della macchina. La misura del wattmetro comprende: - I consumi elettrici del ventilatore del chiller; - I consumi della pompa della soluzione; - I consumi della pompa del circuito solare; Sono misurati i consumi di questi tre componenti in quanto rappresentano da un punto di vista elettrico la differenza tra l’avere un sistema per la climatizzazione classico utilizzante una macchina a compressione di vapore, e un impianto di solar cooling, per cui tramite questa misura sarà possibile calcolare il COPel dell’impianto durante il funzionamento.
3.4 Schema collegamento wattmetro per segnale in tensione Attraverso il collegamento 2-11 il wattmetro misura il valore di tensione efficace, mentre con il collegamento 1-3 misura il valore di corrente efficace. Inoltre questo wattmetro permette l’impostazione manuale del fondo scala e del segnale in uscita, per l’impianto in questione si è deciso di impostarlo con fondo scala 1 kW e segnale in uscita di tipo lineare 0-10 Volt. Per comodità, all’interno del quadro sono stati installati anche degli interruttori manuali, in modo tale da avere la massima flessibilità, sulla gestione dell’impianto. Utilizzando in modo opportuno tali interruttori, si può facilmente passare da un controllo di accensione automatica dell’impianto a un controllo manuale. L’immagine seguente riporta in modo sintetico i collegamenti elettrici fra i vari componenti:
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Capitolo3
3.5 Collegamenti elettrici quadro di potenza
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Controllo e Monitoraggio
3.2 Controllo Per quanto riguarda la parte di controllo, è stato installato un controllo automatico per gestire il funzionamento dei componenti dell’impianto, utilizzando un sistema PLR (Programmable Logic Relays). Un sistema PLR è molto simile a un sistema PLC (Programmable Logic Controller), e viene utilizzato negli ultimi anni nell’industria leggera o dove per il controllo d’impianto sono sufficienti pochi valori ON/OFF, o dove è necessario mantenere un costo basso per il sistema di controllo. Molti controllori di questo tipo presentano da 8 a 12 ingressi, di cui solo una parte di tipo analogico, da 4 a 8 uscite, e da 2 a 4 uscite analogiche. Alcuni di essi inoltre prevedono la possibilità di collegare al dispositivo CPU un piccolo schermo LCD in modo tale che sia possibile immediatamente vedere lo stato delle uscite e il valore degli ingressi. Per il sistema PLR dell’impianto di solar cooling sono stati utilizzati i seguenti componenti: -
-
-
MFD CP-8-NT, scheda CPU sulla quale viene caricato il programma di controllo attraverso il cavo seriale che permette il collegamento diretto tra il computer e il dispositivo; MFD T-16, dispositivo che riguarda gli ingressi e le uscite, viene collegato al dispositivo CPU, in questo caso questo modello possiede 12 ingressi (I1-I12) di cui 4 di tipo analogico (I7, I8, I11, I12), mentre per quanto riguarda le uscite presenta 4 uscite digitali di cui solo una in alternativa ad un contatto ON/OFF può essere usata come uscita analogica; MFD Titan 80-B, modulo display con tasti, dove oltre visualizzare lo stato d’ingresso e uscita, è possibile anche programmare direttamente il modulo CPU utilizzando la tastiera;
3.6 MFD-Titan 80
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Capitolo3
Gli ingressi al sistema di controllo automatico sono le uscite dei trasduttori di segnale DAT 4135, che convertono il valore della resistenza dei sensori Pt100 in un segnale analogico, più un segnale sempre analogico che viene fornito dall’Agilent collegato al PC utilizzato per il monitoraggio. Gli ingressi sono stati cablati nel seguente modo: -
I7: temperatura dell’acqua nel pannello solare; I8: temperatura in ingresso al generatore del chiller; I11: temperatura d’ingresso all’evaporatore del chiller; I12: segnale proveniente dall’Agilent;
Attraverso le uscite del sistema PLR vengono comandate le accensioni e gli spegnimenti dei seguenti componenti dell’impianto: -
Pompa del circuito solare, uscita Q4; Pompa della soluzione del chiller, uscita Q3; Ventilatore del condensatore, uscita Q2; Pompa del circuito freddo+ Fan Coil, uscita Q1;
Le uscite del dispositivo sono quindi collegate a dei relè, quando la bobina presente al loro interno viene eccitata, perché il sistema PLR chiude il contatto del circuito a 24 V/DC, i relè chiudono i contatti del circuito 220 V/AC, accendendo quindi il componente collegato a valle del relè stesso. Per la scrittura del programma di controllo, l’azienda produttrice dei moduli programmabili, fornisce insieme ai dispositivi un utile software di programmazione, l’EASY SOFT PRO. Questo software aiuta l’utente nel definire, configurare e programmare i parametri e la logica del sistema di controllo, e nel crearne una visualizzazione per il modulo display MFD-Titan. Il programma possiede anche un interfaccia di simulazione off-line, che permette all’utente di poter testare e verificare il corretto funzionamento del programma prima di eseguire il download sul dispositivo, simulando manualmente il valore degli ingressi. Una volta che il software viene aperto, per scrivere il programma di controllo è necessario per prima cosa trascinare all’interno della finestra di programmazione i vari modelli dei moduli di controllo utilizzati, fatto ciò si passa alla fase successiva dove è necessario disegnare collegamenti e impostare i valori di riferimento di ogni singola parte del programma.
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Controllo e Monitoraggio
Il software possiede al suo interno una serie di “blocchi” già programmati per svolgere una determinata funzione, quali ad esempio temporizzatori, moduli d’ingresso uscita, comparatori di valori, contatori, comunicazioni con altri dispositivi ecc. Per l’impianto controllato, sono stati utilizzati i seguenti “blocchi”: -
-
-
Comparatore di ingressi analogici (A), questo componente confronta due valori analogici, cambia il proprio stato quando la condizione discriminante al suo interno è verificata. Perciò se il contatto è di tipo normalmente aperto (NA), al verificarsi della condizione esso verrà chiuso e nel caso sia un contatto normalmente chiuso si avrà l’apertura, per evitare chiusure e aperture troppo ravvicinate dovute a oscillazioni poco significative dell’ingresso analogico, è possibile aggiungere un isteresi; Temporizzatore (T), questo componente utilizzando i due modi di funzionamento “ritardato all’eccitazione” e “ritardato alla diseccitazione”, permette di ritardare l’avviamento o posticipare lo spegnimento dei componenti a valle del temporizzatore stesso; Uscita apparecchio base (Q), rappresenta le uscite del sistema di controllo, nel caso in esame vengono utilizzati nella funzione di semplici contattori, per cui quando viene attivata un uscita essa provoca l’eccitazione del relè ad essa collegata;
Una volta scritto il programma e dopo averlo simulato utilizzando l’apposita interfaccia di simulazione offline, attraverso la pagina di comunicazione dispositivo-pc, va eseguito il download del programma sul dispositivo, utilizzando l’apposito cavo che consente il collegamento diretto tra il dispositivo ed il PC, sfruttando direttamente una porta COM o una porta USB. La risoluzione del dispositivo è di 10 bit, per cui con un segnale in ingresso di tipo analogico 0-10 Volt, avrà una risoluzione pari a 10/1024=10 mV, per cui il controllore sentirà variazioni del segnale in ingresso di un centesimo di volt. Lo schema di flusso logico con cui viene controllato il sottosistema solare, è riportato nella figura seguente e viene spiegato successivamente:
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Capitolo3
3.7 Diagramma di flusso comando pompa circuito solare L’accensione della pompa del circuito solare è controllata dalla temperatura della sonda inserita nel collettore solare e dalla temperatura in ingresso al generatore. All’inizio, quando la temperatura nel pannello raggiunge i 70 °C, la pompa solare entra in funzione e l’acqua inizia a circolare nei collettori, ed inserendo un’opportuna isteresi questo circuito mantiene attiva la pompa una volta accesa fino a che la temperatura del pannello non scende sotto i 65 °C, in quanto alla prima accensione giornaliera, dopo poco tempo dall’accensione la sonda del pannello viene a contatto con l’acqua contenuta nei tubi in prossimità della macchina che, essendo fredda, tende a raffreddare il pannello e ciò porterebbe a continue accensioni e spegnimenti ravvicinati finche la temperatura dell’acqua all’interno dei tubi non viene uniformata. Quando poi la temperatura in ingresso al generatore raggiunge gli 80 °C, si attiva il circuito secondario e il parametro da cui dipende la pompa diventa la temperatura in ingresso al generatore. Anche su questo circuito è stata inserita un isteresi, per cui fino a
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Controllo e Monitoraggio
quando la temperatura in ingresso al generatore non scende al di sotto dei 70 °C, il circuito rimane attivo e conseguentemente la pompa solare rimane in funzione.
3.8 Diagramma di flusso comando chiller e fan coils Per quanto riguarda invece il chiller ed il circuito freddo dei fan coils, qui è presente come prima cosa un parametro discriminante rappresentato dal segnale in ingresso proveniente dall’Agilent, per cui se non vi è un segnale di consenso al funzionamento, l’impianto anche se si raggiungono le condizioni per essere
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Capitolo3
acceso, non entra in funzione. In serie a questo segnale è stato posto un controllo di sicurezza, che monitora la temperatura di ritorno dell’acqua dai fan coil, se questa temperatura scende sotto i 6°C, il chiller viene spento per evitare il congelamento dell’acqua nei tubi. Se anche questo controllo dà il consenso al funzionamento, il programma legge la temperatura di ingresso al generatore, se risulta maggiore di 80 °C inizia la procedura di accensione di tutto il resto dell’impianto. Per prima cosa viene accesa la pompa del circuito freddo e i ventilatori dei fan coil, successivamente dopo un minuto di ritardo viene acceso il ventilatore del condensatore, e dopo ancora un minuto viene accesa la pompa della soluzione del chiller. L’effetto frigorifero viene reso dalla macchina dopo 3 minuti dalla sua accensione, per cui da quando viene raggiunta la temperatura soglia al generatore a quando la macchina raggiunge una condizione di regime passano all’incirca 5 minuti. Anche qui il circuito che comanda questi dispostivi è stato dotato di un’isteresi, per cui anch’esso rimane attivo finché la temperatura in ingresso al generatore non scende al di sotto dei 70°C, valore soglia al di sotto del quale il programma inizia la procedura di spegnimento. Durante la procedura di spegnimento, per prima cosa viene spenta la pompa della soluzione del chiller, poi, dopo due minuti viene spento il ventilatore del condensatore, in modo tale che tutto il vapore di ammoniaca presente al momento dello spegnimento della pompa venga condensato. Dopo altri due minuti infine viene spento il circuito freddo formato i fan coils, in modo da far evaporare tutto il liquido residuo presente nell’evaporatore allo spegnimento della pompa della soluzione.
3.3 Monitoraggio Per quanto riguarda la parte di monitoraggio, essa viene svolta interamente attraverso l’utilizzo del software Labview e dell’interfaccia hardware Agilent. Questa parte risulta fondamentale per la sperimentazione in quanto permetterà di valutare la corrispondenza tra le prestazioni della macchina in camera di prova e le reali prestazioni fornite dal chiller in condizioni reali. Gli aspetti importanti da valutare sono monitorare quelle quantità e parametri che permettono di calcolare il COP elettrico e il COP frigorifero della macchina. Per farlo, le quantità misurate sono: -
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Temperatura di ingresso al generatore;
Controllo e Monitoraggio
-
Temperatura di uscita dal generatore; Temperatura di ingresso all’evaporatore; Temperatura di uscita dall’evaporatore; Portata fluido lato generatore; Portata fluido lato evaporatore; Temperatura ambiente; Consumi elettrici;
Per la misura delle temperature, come per la parte di controllo, sono state utilizzate delle termoresistenze Pt100, per le misure di portata i misuratori di portata descritti precedentemente, e per i consumi elettrici viene preso il segnale in uscita dal wattmetro. L’Agilent utilizzato per il monitoraggio presenta 6 slot in cui è possibile inserire delle schede di acquisizione e delle schede di uscita di segnali sia analogici sia digitali. I comandi ON/OFF vengono gestiti dal sistema PLR, mentre la gestione dei segnali viene fatte attraverso l’Agilent. In questo modo, la parte Labview rappresenta quello che potrebbe essere un controllo montato sul chiller, e la parte PLR rappresenta il controllo dell’impianto come se dovesse essere installato presso una reale utenza. Attraverso i segnali analogici dell’Agilent, vengono controllate le seguenti grandezze: -
-
-
Segnale di consenso al sistema PLR: questo segnale viene letto dal sistema PLR per dare o meno il consenso al chiller e al circuito freddo per avviare la procedura di accensione o di spegnimento, in questo modo è possibile accendere l’impianto quando la temperatura in ingresso al generatore raggiunge il valore voluto; Giri della pompa del chiller: questo componente è dotato di inverter, agendo manualmente sulle impostazioni dell’inverter, è stato configurato in modo tale da ricevere in ingresso un segnale 0-10 Volt con un fondo scala di 100 Hz, per cui ad esempio con un segnale di 6 Volt l’inverter avrà in uscita una frequenza di 60 Hz; Giri del ventilatore del condensatore: durante le prove eseguite in camera di prova al Politecnico, i giri del ventilatore erano controllati manualmente attraverso l’utilizzo di un reostato montato sulla macchina, per cui questo controllo è stato modificato sostituendo al reostato un segnale analogico 0-10 Volt, dove a 0 corrisponde ventilatore fermo e a 10 Volt velocità massima;
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Capitolo3
-
Segnale alla valvola miscelatrice: questo segnale controlla il grado di apertura/chiusura della valvola, quando il segnale è pari a 0 Volt la valvola esegue il by-pass dei fan coil mentre con segnale 10 Volt risulta tutta aperta e tutta la portata del lato freddo circola all’interno dei fan coils;
La fase successiva è stata quella di cablare tutto il sistema di monitoraggio e controllo. La scheda Agilent per l’acquisizione possiede 40 collegamenti +/disponibili, per cui è possibile collegare fino a 80 fili per ogni scheda. Per l’impianto di solar cooling sono stati forniti due cavi di segnale schermati da 20 fili ciascuno, per cui 40 fili disponibili per il collegamento di tutti i sensori dall’impianto al sistema di acquisizione, che sono stati cosi utilizzati: -
6x4= 24 fili per il collegamento delle termoresistenze; 2x2= 4 fili per il collegamento dei due misuratori di portata; 2 fili per il collegamento del wattmetro; 4x2= 8 fili per il collegamento dei segnali analogici in uscita dall’Agilent verso i componenti dell’impianto;
Per un totale quindi di 38 fili utilizzati su 40 disponibili.
3.4 Programma Labview Sfruttando la capacità di Labview nell’interfacciarsi con molti dispositivi hardware, una volta scaricati i driver dal sito della National Instruments per permettere la comunicazione tra il pc e l’Agilent, la fase successiva è stata quella di scrivere il programma per l’acquisizione dei dati e il controllo/monitoraggio dell’impianto. 3.4.1 Front Panel Nella figura seguente è rappresentato il front panel del software di monitoraggio che appare all’utente quando viene avviato il programma:
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Controllo e Monitoraggio
3.9 Front panel “Monitoring and Control”
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Capitolo3
All’interno della scheda denominata “Monitoring and control” sono inseriti: -
-
-
-
-
-
-
-
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indicatori led che permettono di visualizzare immediatamente lo stato delle pompe del circuito caldo e del circuito freddo, ed il relativo indicatore di portata, in kg/hr; indicatori visivi e numerici riguardanti la potenza elettrica assorbita, la potenza termica al generatore, la potenza termica all’evaporatore ed il loro deltaT tra ingresso e uscita; indicatori delle temperature misurate; indicatori numerici del COP termico e del COP elettrico; nella parte destra sono invece inseriti controllori e indicatori della parte riguardante il controllo, infatti qui è possibile selezionare la modalità di utilizzo dei segnali in uscita, se manuale/automatico e nel caso si selezioni la modalità manuale nel controllore accanto si inserisce il valore di tensione in uscita desiderato; nel controllore “Tin evap set” va impostato dall’utente quale deve essere la temperatura di ingresso dal lato evaporatore, in modo che la valvola regoli la propria apertura/chiusura in modo da raggiungere e mantenere il più costante possibile tale valore; i controlli T sicurezza evaporatore e T sicurezza generatore sono stati inseriti in modo che se la temperatura di ingresso dell’acqua nell’evaporatore risulti troppo bassa o la temperatura di ingresso dal lato generatore diventi troppo alta a causa di qualche malfunzionamento, il programma attiva in automatico la procedura di spegnimento dell’impianto e segnala all’utente quale sia stata la causa dell’attivazione della procedura di autospegnimento; i due controllori sul lato sinistro denominati “File Name” e “Scanning Time” si riferiscono al nome del file in cui verranno salvati i dati acquisiti e al tempo espresso in millisecondi che intercorre tra un’acquisizione e la successiva; il controllo denominato “numeric” serve per poter fare una prima separazione dei dati acquisiti, ad esempio cambiando il suo valore una volta terminato il transitorio di avviamento della macchina e di tutto l’impianto o il raggiungimento di condizioni stabili di funzionamento, in questo modo la fase di analisi dei dati sarà di più facile gestione; nella parte alta del front panel infine sono inseriti infine il pulsante di stop per interrompere l’acquisizione dei dati ed arrestare il programma,
Controllo e Monitoraggio
oltre al pulsante di controllo “Control of PLC” che ha la funzione di dare il consenso al PLC per eseguire la procedura di accensione;
3.10 Front panel “Charts” All’interno della scheda “Charts” invece sono stati inseriti i grafici in modo da poter visualizzare l’andamento delle temperature lato evaporatore, generatore e anche della temperatura ambiente, durante un certo periodo di tempo. Un grafico importante è soprattutto quello che rappresenta la temperatura di ingresso all’evaporatore, in quanto verrà utilizzato per la taratura della valvola a 3 vie per il controllo automatico della valvola stessa. 3.4.2 Block Diagram All’interno del block diagram è stata eseguita la programmazione vera e propria, sfruttando per prima cosa i driver per l’Agilent scaricati da internet, quelli utilizzati, che devono essere eseguiti in quest’ordine, sono:
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Capitolo3
-
-
-
-
-
-
-
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AG34980A INITILIAZE: questo VI serve ad inizializzare ed aprire la comunicazione tra l’Agilent e il pc attraverso una porta usb, per aprire la connessione è necessario fornire come input l’indirizzo della porta usb a cui è collegato l’hardware; AG34980A RESET: resetta lo strumento, il reset è obbligatorio altrimenti il programma restituisce un warning di errore; AG34980A CONFIGURE DC VOLTAGE: questo VI serve a configurare i canali di lettura della scheda di acquisizione, in questo caso si configura il canale per leggere un valore di tensione, come input bisogna inserire il numero del canale da cui si vuole leggere, ad esempio al canale 1013 (slot1 canale 13) sono stati collegati i due fili del segnale in uscita dal wattmetro; AG34980A CONFIGURE DC CURRENT: questo VI configura invece i canali per leggere dei valori di corrente, infatti ai canali 1042 e 1043 della scheda di acquisizione sono collegati i segnali provenienti dai misuratori di portata del circuito caldo e del circuito freddo; AG34980A CONFIGURE FRTD: con questo VI si configurano i canali per poter collegare le termoresistenze a 4 fili, il VI converte già al suo interno il valore di resistenza elettrica misurata in un valore di temperatura, per cui le letture da questi canali forniscono già il valore di temperatura in gradi centigradi. Dato che ad ogni canale è possibile collegare solo due fili, per ogni termoresistenza sono necessari due canali, per esempio se due fili sono collegati al canale 1001, gli altri due fili della termoresistenza vanno collegati al canale 1021, tuttavia come input è sufficiente fornire soltanto il canale 1001 e l’Agilent in automatico legge anche dal canale 1021; AG34980A CONFIGURE SCAN: a questo VI come input va fornito l’ordine e il numero di tutti i canali da cui si vuole effettuare la lettura; AG34980A CONFIGURE TRIGGER: questo VI fa partire l’acquisizione dei dati una volta verificata una certa condizione, se gli viene fornito un 1 come input l’acquisizione è immediata; AG34980A SCAN STATUS: con questo VI è possibile controllare se l’acquisizione sta procedendo in modo corretto, infatti come output è possibile visualizzare l’ora e il numero di canali da cui viene fatta la lettura; AG34980A INITIATE: questo VI attende un segnale proveniente dal VI del trigger, quando riceve il segnale fa partire l’acquisizione delle letture;
Controllo e Monitoraggio
-
-
-
-
AG34980A FETCH: questo VI trasferisce i dati dalla memoria volatile dell’Agilent al pc, infatti come output fornisce un array contenente i valori numerici delle misure; AG34980A VOLTAGE: questi VI è utilizzato per scrivere sui canali della scheda Agilent delle uscite analogiche il valore di tensione 0-10 Volt per il controllo dei vari componenti dell’impianto; AG34980A ERROR QUERY: questo VI controlla dal filo dell’errore se durante tutte le fasi precedenti per un qualsiasi motivo si sia generato un errore, nel caso ci fosse un errore fornisce all’utente il codice e la spiegazione del tipo di errore; AG34980A CLOSE: questo VI chiude la connessione tra Agilent e pc;
Questi sono i subVI minimi necessari per poter creare un programma in grado di campionare delle misure utilizzando l’Agilent. Per salvare i dati, in modo che sia possibile aprire il file contenente le misure utilizzando Microsoft Excel, è necessario inserire all’interno del block diagram un’altra serie di subVI, quali: -
-
-
-
FILE DIALOG: questo VI è stato configurato in modo tale che una volta lanciato il programma d’acquisizione, esso richiede all’utente in quale cartella e con quale nome salvare il file che conterrà le misure; TDMS OPEN: crea un file in formato .tdms, che è compatibile con Excel, l’utente può scegliere se creare un nuovo file ogni volta che viene lanciato il programma oppure di scrivere sempre sullo stesso file senza cancellare le misure precedenti; TDMS WRITE: scrive sul file .tdms i valori numerici provenienti dal subVI dell’Agilent AG34980A FETCH, inoltre è possibile dare ad ogni canale un nome in modo da riconoscere poi a quale grandezza si riferisce ogni colonna di misura; TDMS CLOSE: chiude il file .tdms, se quest’operazione non viene eseguita in modo corretto, il file .tdms restituisce un errore e verrebbero perse tutte le misure effettuate;
Alcune misure tuttavia prima di essere salvate in Excel devono essere processate, infatti il segnale di tensione proveniente dal wattmetro e i segnali in corrente provenienti dai due misuratori di portata devono essere convertiti in valori di consumi elettrici e di portata. Per fare ciò, sono stati creati ad hoc tre subVI.
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Capitolo3
-
-
Convertion volt to power.VI : dato che il fondo scala del wattmetro è stato impostato su 1 kW con un segnale 0-10 Volt lineare, per convertire il segnale è sufficiente moltiplicare per 100 il segnale di tensione per ottenere la potenza elettrica totale assorbita dalla pompa solare, dal ventilatore e dalla pompa della soluzione del chiller e il suo valore è visualizzato nell’indicatore posto sul front panel. Convertion to flow.VI: utilizzando delle semplici operazioni matematiche, dato che i misuratori di portata presentano una segnale in uscita lineare, attraverso questi VI il valore di corrente in mA proveniente dai misuratori è convertito in una portata in kg/hr e inviata al corrispettivo indicatore sul front panel.
Completata la conversione, utilizzando il subVI REPLACE ARRAY SUBSET, i valori dell’array di misure contenenti i valori dei segnali vengono sostituiti con quelli convertiti. Infine, un ultimo subVI è stato creato per utilizzare le misure effettuate per calcolare il COP elettrico, il COP termico, la potenza termica assorbita al generatore e la potenza termica frigorifera resa all’evaporatore, e salvare i risultati ottenuti nel file .tdms insieme alle altre misure. Per farlo, sono stati utilizzati il subVI INDEX ARRAY, che permette di estrarre il valore numerico contenuto nell’array delle misure specificando l’indice in cui il dato richiesto è inserito, ed il subVI BUILD ARRAY, che scrive i risultati ottenuti aggiungendoli a quelli presi dalle letture dell’Agilent. Nei prossimi paragrafi è descritta la logica adottata per programmare all’interno del block diagram la gestione dei segnali in uscita dall’Agilent verso l’impianto, escluso il segnale di consenso al funzionamento del PLC che è stato descritto precedentemente. 3.4.3 Controllo della pompa del chiller Per il controllo della pompa della soluzione, è stata fornita una correlazione, sulla base delle prove fatte al Politecnico nella camera di prova, tra la temperatura ambiente in cui la macchina si trova a lavorare e la frequenza dell’inverter della pompa della soluzione:
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Controllo e Monitoraggio
Temp. Ambiente (°C) Frequenza inverter (Hz) Segnale inverter (V) <27
88
8,8
27
92
9,2
>33
96
9,6
3.11 Regolazioni comando pompa soluzione In Labview quindi è stato creato un subVI che riceve come input il valore di temperatura ambiente misurato grazie alla termoresistenza e l’Agilent, e fornisce come output il valore di tensione da scrivere sul canale 5002, dove è collegato il segnale da inviare all’inverter della pompa. Questo subVI è stato quindi inserito in una “Case Structure” all’interno del block diagram, in questo modo l’utente può scegliere dal front panel se utilizzare la modalità automatica o fornire in modalità manuale il valore di tensione da inviare all’inverter. 3.4.4 Controllo del ventilatore del condensatore
Per il controllo del ventilatore, è stata seguita la stessa logica utilizzata per l’inverter della pompa della soluzione, per cui anche qui è stata fornita una correlazione tra la temperatura ambiente e il valore del segnale da inviare al ventilatore, di cui purtroppo non è stato possibile recuperare la scheda tecnica che correlasse il valore del segnale al numero di giri o ai consumi elettrici:
Temp. Ambiente (°C) Segnale Ventilatore (V) <27
6
27
6,5
30
7
77
Capitolo3
32
8
35
8,5
>38
8,5
3.12 Regolazioni comando ventilatore Anche qui come per la pompa è stato creato un analogo subVI per scrivere sul canale 5003 il valore di tensione. Anche questo subVI è stato poi inserito in una case structure per permettere all’utente di scegliere tra la modalità automatica/manuale. 3.4.5 Controllo della valvola miscelatrice Per quanto riguarda la valvola miscelatrice, con lo scopo di controllare e mantenere il più costante possibile la temperatura di ingresso dal lato dell’evaporatore, è stato utilizzato un subVI già esistente nelle librerie di Labview, che simula un controllo PID che agisce sul segnale di tensione da inviare alla valvola, regolandone il grado di apertura/chiusura. Il PID.vi di Labview riceve come ingressi la temperatura misurata di ingresso all’evaporatore che rappresenta la “process variable”, e la temperatura di set point desiderata dall’utente, inoltre l’utente deve configurare il range del valore di output (in questo caso 0-10 volt). Per ultimo, vanno impostati i valori dei parametri del controllo PID, ovvero il K proporzionale, il tempo integrale e il tempo derivativo, questi ultimi due espressi in minuti. Come negli altri casi, anche qui il subVI è stato inserito in una case structure per permettere all’utente di scegliere tra un controllo manuale o automatico. Taratura dei coefficienti Prima di poter iniziare con le acquisizioni vere e proprie, è necessario operare una taratura dei coefficienti del PID della valvola. L’obbiettivo della procedura è trovare quella combinazione dei tre parametri (proporzionale, integrale, derivativo), che porta ad una regolazione della temperatura di ritorno all’evaporatore ritenuta accettabile. Per valutare le prestazioni della macchina, è ritenuta accettabile una oscillazione di massimo 0,5 °C attorno al valore di set
78
Controllo e Monitoraggio
point impostato. La procedura seguita per la taratura è quella suggerita dall’utilizzo delle equazioni di Ziegler-Nichols. Utilizzare un approccio matematico preciso per la determinazione dei coefficienti è la strada preferibile, tuttavia quando non è possibile eseguire tale approccio per mancanza di tempo o difficoltà nell’ottenere l’esatta funzione di trasferimento tra input e output del sistema, l’utilizzo di questo approccio empirico porta comunque ad ottenere dei buoni risultati. La prima cosa da fare seguendo questo metodo è, una volta assegnato il valore di set point di temperatura in ingresso, nell’assegnare al parametro proporzionale un valore tale da portare il sistema al limite della stabilità (K*), e porre a zero il tempo integrale e il tempo derivativo. Fatto questo, durante il funzionamento della macchina sono stati registrati su un file Excel i valori del set point, della temperatura misurata e del segnale in tensione inviato dall’Agilent alla valvola. Essendo presente solo il parametro proporzionale, la variabile controllata inizierà a ad avere dei pendolamenti attorno al set point, quando le oscillazioni e il tempo tra due massimi o due minimi risulta circa costante, il passo successivo del metodo di Ziegler-Nichols consiste nell’inserire il tempo espresso in secondi tra due massimi/minimi (T*) e il valore della costante proporzionale utilizzato in semplici equazioni, che forniscono come risultato i parametri proporzionale, integrale e derivativo del controllo voluto, sia esso un controllo P, PI o PID. Le equazioni da utilizzare sono riportate nella tabella seguente: Tipo Controllore
Kp
Ti
P
0,5K*
PI
0,4K*
0,8T*
PID
0,6K*
0,5T*
Td
0,125T*
3.13 Equazioni Ziegler-Nichols La prima prova è stata fatta con un parametro proporzionale di 6 e con una temperatura di set point di 21°C. La figura seguente mostra l’andamento della temperatura misurata rispetto al set point e il valore di tensione da inviare alla valvola calcolato dal controllore automatico:
79
Capitolo3
22,5 22 21,5 21
20,5 20 19,5 Tinevap
Tset
Segnale Valvola 12 10 8 6 4 2 0
3.14 Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola Dai grafici non è facile stabilire quale sia esattamente il tempo tra due picchi, soprattutto perché durante la prova non si sono mai raggiunti dei pendolamenti stabili. Questo è dovuto al fatto che difficilmente la macchina si trova a lavorare in condizioni di funzionamento stabili, infatti la temperatura al generatore dipende dall’irraggiamento incidente sul campo solare, se questo aumenta, con un certo ritardo aumenterà la potenza termica disponibile al generatore, questo poi con un altro ritardo farà aumentare la potenza frigorifera disponibile e così via, non raggiungendo mai una condizione stabile. La valvola montata sull’impianto ha una corsa di 6 mm e presenta un tempo caratteristico di chiusura/apertura di 18 s/mm, per cui per passare da completamente aperta a completamente chiusa impiega ben 108 secondi. Tentando comunque un primo approccio utilizzando le equazioni fornite dal metodo, i valori dei parametri ottenuti sono stati:
80
Controllo e Monitoraggio
Kp= 3,6 Ti= 1,04 min e Td = 0,26 min 14,5 13,5 12,5 11,5 10,5 Tinevap
Tset
Segnale Valvola 12 10 8 6 4 2 0
3.15 Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola 1° tentativo Con questo tipo di regolazione non si riesce a raggiungere un livello di oscillazione attorno al set point accettabile, infatti la temperatura pendola attorno al set con un range di circa +-1,5 °C. La valvola inoltre è ancora soggetta a brusche variazioni del segnale, per cui essendo molto lenta nel movimento non è in grado di regolare in modo adeguato. E’ stato fatto quindi un secondo tentativo utilizzando la stessa procedura, questa volta con un parametro proporzionale di 7,5, ottenendo come parametri per il PID i seguenti valori: Kp= 4,8 Ti= 1,08 min e Td= 0,27
81
Capitolo3
15 13 11 9 7 Tinevap
Tset
Segnale Valvola 12 10 8 6 4 2 0
3.16 Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola 2° tentativo Anche se con un numero minore di misure, è evidente come con questa terna di parametri i pendolamenti si siano ampliati di grandezza ed inoltre il segnale alla valvola presenta variazioni ancora più marcate, per cui si è ottenuta una regolazione peggiore rispetto al caso precedente. A questo punto, con l’obbiettivo di ridurre le brusche variazioni del segnale della valvola dovute alla presenza del parametro derivativo, si è scelto di eliminarlo, e di avere quindi una regolazione di tipo proporzionale-integrale. Infatti spesso il tempo derivativo provoca grandi sforzi sugli attuatori, questo effetto è acuito inoltre dal fatto che la valvola è “lenta”. Da un primo tentativo si sono ottenuti i seguenti valori: Kp = 1,3 e Ti= 0,8 min
82
Controllo e Monitoraggio
12,6 12,4 12,2 12 11,8 11,6 11,4 Tinevap
Tset
Segnale Valvola 5 4 3 2 1 0
3.17 Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola 3° tentativo Dai grafici è evidente come con questi parametri si ottenga una buona regolazione, molto migliore rispetto ai casi precedenti, inoltre con l’eliminazione del tempo derivativo le variazioni di segnale della valvola sono molto minori, in questo modo l’attuatore è chiamato ad eseguire piccole variazioni e risulta quindi molto meno sollecitato rispetto ai casi precedenti. Partendo quindi da questa regolazione, si è cercato di fare un ultimo affinamento della regolazione, ottenendo i seguenti parametri: Kp= 1,2 e Ti= 0,75 min
83
Capitolo3
12,4 12,2 12
11,8 11,6 11,4 Tinevap
Tset
Segnale Valvola 5 4 3 2 1 0
3.18 Temperatura ingresso evaporatore e segnale valvola 4° tentativo Utilizzando questi due parametri la regolazione risulta migliorata e anche il segnale mandato alla valvola varia molto lentamente nel tempo, permettendo quindi alla valvola di regolare in modo adeguato. Un’importante variabile da tenere in considerazione durante tutta questa fase di taratura della valvola, è il tempo di campionamento. Infatti tutta la parte di lettura delle misure e della scrittura del segnale da inviare alla valvola dipende dal valore impostato dall’utente sul front panel nel controllore denominato “scanning time”. Per esempio, con uno scanning time di 5000 millisecondi il valore di tensione alla valvola viene aggiornato ogni 5 secondi, quindi una regolazione del PID ritenuta accettabile per un tempo di scansione di 5 secondi, potrebbe non essere sufficiente per un tempo di scansione maggiore. La regolazione trovata è stata fatta per un tempo di scansione di 2000 millisecondi, per cui durante la sperimentazione il tempo tra due scansioni è stato posto pari a 2 secondi. Durante la fase di sperimentazione al Politecnico la macchina è stata monitorata con un tempo di scansione tra 6 e 10 secondi, tuttavia non è possibile ottenere una regolazione accettabile sulla temperatura di ingresso all’evaporatore con un tempo di scansione così ampio.
84
Capitolo 4 Analisi Dati e Modellistica In questo capitolo sono riportati i risultati ottenuti durante il monitoraggio dell’impianto di solar cooling descritto nel Capitolo 2.Nel primo paragrafo viene fatto un confronto tra due regolazioni differenti per il circuito solare. Nel secondo paragrafo è descritta l’ottimizzazione della regolazione del ventilatore del condensatore, nella terza sezione sono inseriti i grafici di due giornate di funzionamento dell’impianto, in modo da poter confrontare le prestazioni dell’impianto monitorato con gli esempi di impianti descritti nel Capitolo 1. Nella quarta sezione è esposto il modello matematico sottostante al type utilizzato per simulare il funzionamento della macchina, con il quale la mappatura delle prestazioni è stata estesa e validata per permettere poi di eseguire simulazioni per valutare le prestazioni stagionali teoriche fornite dall’impianto.
4.1 Portata circuito solare Per il sottosistema solare, una scelta progettuale importante è definire il valore di portata d’acqua per il circuito solare. Questa decisione influisce sui seguenti aspetti dell’impianto: - Avere un elevato valore di portata circolante nel campo solare, nel caso il generatore della macchina sia direttamente collegato al circuito solare, da un lato aumenta la prevalenza che la pompa solare deve fornire per vincere le perdite idrauliche, conseguentemente aumenteranno anche i consumi elettrici della pompa, dall’altro, a pari potenza scambiata al generatore il delta T tra le temperature in ingresso e uscita dal generatore sarà ridotto, per cui sia il chiller che i collettori solari si troveranno a lavorare con una temperatura media del fluido termovettore maggiore; - Un valore di portata basso invece, riduce la prevalenza e i consumi della pompa solare, tuttavia di conseguenza vi saranno salti termici maggiori tra ingresso e uscita del generatore e quindi chiller e collettori solari lavoreranno con temperature medie inferiori rispetto al caso precedente. Le prestazioni dei singoli componenti sono influenzate in questo modo:
Capitolo4
-
-
-
Chiller ad assorbimento: per questo componente la scelta migliore sarebbe quella di avere un alto valore di portata sul generatore, in questo modo, a pari temperatura in ingresso, la maggiore temperatura media favorisce lo scambio termico e a parità delle altre condizioni rende disponibile una potenza frigorifera maggiore; Pompa solare: qui sarebbe meglio preferire un valore di portata basso, in modo da ridurre la prevalenza utile necessaria e conseguentemente i consumi elettrici; Collettori solari: è preferibile in questo caso un valore di portata basso, perché avendo un delta T sul generatore maggiore, la temperatura media tra ingresso e uscita dai collettori del fluido risulta minore, per cui il rendimento dei collettori a parità delle altre condizioni risulta maggiore;
Per ogni impianto di solar cooling quindi è necessario eseguire un trade-off tra queste due soluzioni. Nell’impianto oggetto di questo lavoro di tesi, per il circuito solare sono stati testati due valori di portata: - 860 kg/hr, in modo tale che se la potenza termica scambiata al generatore sia di 10 kW, si avrebbe un salto termico tra ingresso e uscita di 10°C; - 1600 kg/hr, in modo tale che se la potenza termica scambiata al generatore sia di 10 kW, si avrebbe un salto termico tra ingresso e uscita di circa 5°C; Dai dati di monitoraggio ottenuti è stato fatto un confronto tra le due soluzioni, andando a ricercare le stesse condizioni di lavoro nei due casi valutando le prestazioni ottenute. Le seguenti tabelle riportano i valori delle grandezze misurate e le variazioni percentuali tra le due soluzioni:
Tgen Tamb COPth COPel Qevap Power Mhot Mcold
86
DeltaT 5°C
15°C DeltaT 10°C
%
71,4 26,9 0,265 7,825 1,615 206,329 1603,832 517,871
72,1 27,3 0,267 7,110 1,488 209,206 868,224 520,042
1,0% 1,8% 0,9% -9,1% -7,9% 1,4% -45,9% 0,4%
DeltaT 5°C
12°C Deltat 10°C
%
72,4 26,4 0,272 8,861 1,745 196,900 1592,145 514,643
70,9 24,0 0,289 9,303 1,732 186,156 876,995 520,681
-2,2% -8,9% 6,1% 5,0% -0,7% -5,5% -44,9% 1,2%
Analisi Dati e Modellistica
Tgen Tamb COPth COPel Qevap Power Mhot Mcold
73,3 22,8 0,306 11,907 2,333 195,954 1592,379 499,883
73,6 22,6 0,318 12,081 2,217 183,499 874,314 522,235
0,4% -1,0% 4,2% 1,5% -5,0% -6,4% -45,1% 4,5%
72,4 26,4 0,272 8,861 1,745 196,900 1592,145 514,643
72,8 23,5 0,297 10,575 1,994 188,580 879,064 519,507
0,5% -10,7% 9,3% 19,3% 14,3% -4,2% -44,8% 0,9%
Tgen Tamb COPth COPel Qevap Power Mhot Mcold
74,8 27,8 0,281 8,343 1,948 233,478 1607,268 512,894
74,4 27,0 0,283 8,929 1,785 199,874 869,324 520,528
-0,6% -2,8% 0,8% 7,0% -8,4% -14,4% -45,9% 1,5%
75,6 24,6 0,301 12,120 2,357 194,464 1624,047 504,298
75,7 23,4 0,313 12,436 2,335 187,779 880,743 519,712
0,1% -4,9% 4,0% 2,6% -0,9% -3,4% -45,8% 3,1%
Tgen Tamb COPth COPel Qevap Power Mhot Mcold
76,3 25,9 0,295 11,377 2,260 198,635 1592,739 510,038
76,4 26,7 0,295 10,293 2,022 196,453 870,622 521,145
0,0% 3,2% 0,2% -9,5% -10,5% -1,1% -45,3% 2,2%
82,5 29,3 0,302 12,499 2,681 214,501 1563,166 470,492
82,5 28,6 0,300 10,668 2,455 230,144 858,792 454,979
0,0% -2,4% -0,7% -14,6% -8,4% 7,3% -45,1% -3,3%
Osservando i dati in tabella, si nota come a pari condizioni di temperatura in ingresso al generatore, temperatura di set point per l’evaporatore e temperatura ambiente, la potenza termica resa dalla macchina, come previsto, sia maggiore nel caso con portata maggiore. Questo si traduce in un COP elettrico maggiore della macchina, a parità di consumi elettrici del chiller. Tuttavia, inserendo nei consumi elettrici per il calcolo del COPel la misura dei consumi della pompa solare, si ottengono i seguenti risultati:
87
Capitolo4
Tgen Tamb COPth COPel Qevap Power Mhot Mcold
15°C DeltaT 5°C DeltaT 10°C 71,4 72,1 26,9 27,3 0,265 0,267 4,873 6,167 1,615 1,488 331,329 241,206 1603,832 868,224 517,871 520,042
% 1,0% 1,8% 0,9% 26,6% -7,9% -27,2% -45,9% 0,4%
Tgen Tamb COPth COPel Qevap Power Mhot Mcold
73,3 22,8 0,306 7,270 2,333 320,954 1592,379 499,883
73,6 22,6 0,318 10,287 2,217 215,499 874,314 522,235
Tgen Tamb COPth COPel Qevap Power Mhot Mcold
74,8 27,8 0,281 5,434 1,948 358,478 1607,268 512,894
Tgen Tamb COPth COPel Qevap Power Mhot Mcold
76,3 25,9 0,295 6,983 2,260 323,635 1592,739 510,038
88
DeltaT 5°C 72,4 26,4 0,272 5,420 1,745 321,900 1592,145 514,643
12°C Deltat 10°C 70,9 24,0 0,289 7,939 1,732 218,156 876,995 520,681
% -2,2% -8,9% 6,1% 46,5% -0,7% -32,2% -44,9% 1,2%
0,4% -1,0% 4,2% 41,5% -5,0% -32,9% -45,1% 4,5%
72,4 26,4 0,272 5,420 1,745 321,900 1592,145 514,643
72,8 23,5 0,297 9,041 1,994 220,580 879,064 519,507
0,5% -10,7% 9,3% 66,8% 14,3% -31,5% -44,8% 0,9%
74,4 27,0 0,283 7,697 1,785 231,874 869,324 520,528
-0,6% -2,8% 0,8% 41,7% -8,4% -35,3% -45,9% 1,5%
75,6 24,6 0,301 7,378 2,357 319,464 1624,047 504,298
75,7 23,4 0,313 10,625 2,335 219,779 880,743 519,712
0,1% -4,9% 4,0% 44,0% -0,9% -31,2% -45,8% 3,1%
76,4 26,7 0,295 8,851 2,022 228,453 870,622 521,145
0,0% 3,2% 0,2% 26,8% -10,5% -29,4% -45,3% 2,2%
82,5 29,3 0,302 5,964 2,681 449,501 1563,166 470,492
82,5 28,6 0,300 9,260 2,455 265,144 858,792 454,979
0,0% -2,4% -0,7% 55,3% -8,4% -41,0% -45,1% -3,3%
Analisi Dati e Modellistica
Dato che l’impianto di prova ha pochi componenti ausiliari, il peso relativo di ogni componente è elevato. Dall’analisi dei dati sui consumi elettrici, emerge che la pompa solare nel caso nel circuito solare la portata sia di circa 860 kg/hr, consuma mediamente 35 W, mentre nel secondo caso i consumi medi salgono a 125 W. Per cui, guardando al potenza termica frigorifera fornita dalla macchina la soluzione migliore risulterebbe essere quella con portata alta, ma da un punto di vista elettrico la soluzione con portata bassa è la migliore, in quanto mentre i COPth nei due casi rimangono praticamente inalterati salvo piccole variazioni, il COPel globale risulta maggiore dal 30 al 40% rispetto al primo caso. Inoltre, come detto precedentemente, con questa soluzione anche il rendimento dei collettori solari migliora in quanto la temperatura media di lavoro risulta minore.
4.2 Controllo Ventilatore Per quanto riguarda la velocità del ventilatore del condensatore, anche qui è stata fatta un’ottimizzazione mirata a ridurre il più possibile l’assorbimento di potenza elettrica da parte di questo componente ausiliario. La figura seguente riporta l’andamento delle temperature, delle potenze scambiate e delle prestazioni ottenute utilizzando la correlazione tra temperatura ambiente e segnale del ventilatore descritta nella sezione 3.4.4:
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Toutgen Tingen Tamb Tinevap Toutevap
4.3 Andamento Temperature
89
Capitolo4
12 10 8 Qevap
6
Qgen
4 2 0
4.4 Potenze termiche scambiate 8 6 4 2
0 COPel
4.5 Prestazioni impianto 0,6 0,5 0,4
0,3 0,2 0,1 0 COPth
4.6 Prestazioni Chiller Le misure contenute nei grafici riguardano un periodo di funzionamento di circa 6 ore, dalle 11 e 30 alle 17 e 15. Si può notare come la temperatura di ingresso al generatore presenti variazioni molto lente, permettendo un funzionamento stabile
90
Analisi Dati e Modellistica
della macchina, finché le temperature non scendono sotto gli 80°C: questa temperatura di ingresso al generatore unita alla temperatura ambiente elevata (35°C), porta ad avere un marcato decadimento delle prestazioni, in quanto la macchina si trova in una condizione di funzionamento instabile. Il COPth della macchina rimane attorno agli 0,3 salvo nella parte finale della giornata, ed anche il COPel dell’impianto presenta un valore medio attorno a 5. Questo valore risulta minore rispetto alle aspettative; questo è dovuto al fatto che la regolazione del ventilatore iniziale, porta ad avere elevati consumi elettrici, ed inoltre si è notato che la differenza di temperatura tra ingresso e uscita del condensatore era abbastanza piccola. Modificando il programma di Labview, si è cercato di ottenere una differenza di temperatura maggiore, il valore del segnale inviato al ventilatore in funzione della temperatura ambiente è stato modificato nel seguente modo:
Temp. Ambiente (°C) Segnale Ventilatore (V) <27
4,5
27
5
30
5,5
32
5,75
35
6
>38
6,25
4.7 Regolazioni comando ventilatore versione 2 Nella prossima sezione sono presentati i grafici di altre due giornate di prova e le prestazioni ottenute utilizzando la nuova regolazione del ventilatore.
91
Capitolo4
4.3 Funzionamento tipico Nei grafici seguenti sono riportati gli andamenti caratteristici delle temperature e prestazioni del chiller durante una tipica giornata estiva (1 agosto): 120 100 Tamb
80
Toutcond Tingen
60
Toutgen
40
Tinevap Toutevap
20 0
4.8 Andamento Temperature L’impianto entra in funzione alle 9 del mattino circa, iniziando a far circolare l’acqua all’interno dei collettori solari, la cui temperatura sale rapidamente. Una volta dato il consenso all’accensione del chiller, in poco tempo la temperatura in ingresso al generatore decresce fino a quando non viene raggiunto un punto di equilibrio tra la potenza richiesta dal generatore e quella resa disponibile dai collettori. Successivamente, le variazioni delle temperature sono molto lente ed in particolare le temperature del lato generatore seguono la disponibilità di irraggiamento solare, raggiungendo ovviamente un picco nelle ore centrali. La temperatura ambiente invece aumenta costantemente durante la giornata, partendo da un valore minimo di 28°C e raggiungendo punte di 38°C. Questo è dovuto al fatto che la macchina è stata installata all’esterno, in una posizione esposta al sole durante il pomeriggio riparata con delle lastre semi trasparenti, creando un piccolo effetto serra che fa aumentare la temperatura ambiente in cui la macchina si trova a lavorare. Variando sul programma di monitoraggio il valore di set point, sono stati testati durante il funzionamento diversi valori di temperatura in ingresso all’evaporatore.
92
Analisi Dati e Modellistica
14 12 10 8
Qgen
6
Qevap
4 2 0
4.9 Potenze termiche scambiate Durante la giornata, la macchina fornisce potenza frigorifera utile dalle 9 e 30 circa del mattino, rimanendo in funzione fino alle 17 e 15. Anche qui, una volta raggiunta una condizione di equilibrio dopo il transitorio di avviamento, le potenze termiche scambiate al generatore e all’evaporatore seguono l’andamento delle temperature. Le variazioni lente di queste grandezze portano ad avere un regime di funzionamento piuttosto stabile durante tutto il periodo di attività della macchina. 20 15 10 5 0 COPel
4.10 Prestazioni chiller 0,6 0,4 0,2
0 COPth
4.11 Prestazioni chiller
93
Capitolo4
Dal grafico del COPth, si può notare come la nuova regolazione del ventilatore non provochi variazioni significative sulle prestazioni termiche del chiller; inoltre, anche la variazione del set point di temperatura non provoca fondamentali cambiamenti nelle prestazioni. Nel pomeriggio, il ridursi della disponibilità di energia solare, unita a un peggioramento dell’angolo d’incidenza della radiazione solare, riduce la temperatura in ingresso e la disponibilità di potenza termica per il generatore della macchina ad assorbimento. Questo fatto, unito all’aumento della temperatura ambiente, riduce la potenza frigorifera resa disponibile dalla macchina, e aumenta allo stesso tempo i consumi elettrici del ventilatore, riflettendosi quindi su un rapido decadimento delle prestazioni offerte dal chiller, sia da un punto di vista termico che elettrico. Nel grafico del COPel sono stati considerati i soli consumi del ventilatore e della pompa della soluzione, fino a quando la temperatura ambiente non sale a valori sopra i 34-35°C, il chiller presenta un COPel medio che si aggira attorno ad 8, aggiungendo i consumi della pompa solare, il valore medio risulta pari a 7,3. Questi valori di COPel sono molto buoni, e risultano molto incrementati rispetto al caso presentato nella sezione precedente, questo conferma il fatto che per un impianto di solar cooling l’ottimizzazione della logica di gestione del sistema di smaltimento del calore porta notevoli miglioramenti sulle prestazioni elettriche dell’impianto. I consumi percentuali per gli ausiliari per questa giornata sono riportanti nel grafico seguente:
41%
11%
Pompa Solare 48%
Ventilatore Cond Pompa chiller
4.12 Consumi percentuali ausiliari Come per gli esempi proposti nel Capitolo 3, si nota come anche per l’impianto oggetto della sperimentazione i consumi elettrici maggiori siano associati al ventilatore del condensatore, mentre la pompa solare è responsabile solo dell’ 11% dei consumi totali. Rispetto agli esempi proposti aumenta di molto la parte percentuale dei consumi associata al chiller. Questo aumento è giustificato dal
94
Analisi Dati e Modellistica
fatto che rispetto agli impianti descritti nel Capitolo 1, il ridotto consumo elettrico generale e il ridotto numero di ausiliari fa aumentare il peso percentuale dei singoli componenti. I prossimi grafici rappresentano invece le stesse quantità del caso precedente, ma per una giornata che potrebbe rappresentare un giorno del periodo iniziale o finale della stagione di raffrescamento (23 settembre): 120 100
Tamb
80
Toutcond Tingen
60
Toutgen
40
Tinevap Toutevap
20 0
4.13 Andamento temperature Rispetto ad una giornata della parte centrale del periodo di raffrescamento, la macchina entra in funzione più tardi al mattino, e rimane accesa per un minor numero di ore. In questa giornata d’esempio, l’impianto e la macchina vengono accesi attorno alle 10 e 30 del mattino e spenti alle 16 e 20. Dopo l’accensione, molto rapidamente le temperature del generatore decrescono portando ad un primo spegnimento, senza riuscire a raggiungere una condizione di equilibrio stabile, producendo comunque potenza frigorifera che raffredda parzialmente il piccolo accumulo freddo installato. Al successivo avviamento, attorno alle 11 e 30, le temperature del generatore decrescono ma l’aumento di disponibilità solare e il miglior angolo di incidenza sui pannelli permettono di raggiungere condizioni di funzionamento stabili, con temperature che, seguendo la disponibilità di fonte solare, si mantengono tra i 75°C e gli 80 °C in ingresso al generatore. Per quanto riguarda il condensatore, la differenza di temperatura tra ingresso e uscita si mantiene costante per tutto il periodo di funzionamento attorno a 7-9 °C, mentre la temperatura ambiente raggiunge un massimo di 27°C.
95
Capitolo4
16
14 12 10
Qgen
8
Qevap
6 4 2 0
4.14 Potenze termiche scambiate Per quanto riguarda le potenze termiche scambiate, una volta raggiunta la condizione di equilibrio, la potenza frigorifera fornita dal chiller rimane molto costante durante tutto il periodo di funzionamento, verso la fine della giornata si possono notare dei pendolamenti sia dal lato delle temperature che per le potenze termiche scambiate, in quanto la bassa temperatura di ingresso al generatore rende instabile il ciclo termodinamico della macchina, producendo delle oscillazioni periodiche. 25 20 15 10 5 0 COPel
4.15 Prestazioni impianto
96
Analisi Dati e Modellistica
0,6 0,4 0,2 0 COPth
4.16 Prestazioni chiller Dal grafico delle prestazioni, è possibile notare come il COPth rimanga molto stabile durante tutto il funzionamento dell’impianto, salvo il primo avviamento mattutino, con un valore medio di 0,32. La potenza frigorifera prodotta quindi risulta legata all’andamento della potenza termica fornita dai collettori, mentre i consumi del ventilatore rimangono costanti durante il funzionamento, la riduzione del carico termico all’evaporatore si riflette su un decadimento del COPel dell’impianto. Tuttavia, includendo all’interno dei consumi elettrici anche i consumi della pompa del circuito solare, come si può osservare dal grafico, il COPel rimane per molto tempo superiore a 10, la media durante questa giornata è risultata pari ad un ottimo 9,8. I consumi percentuali per gli ausiliari per questa giornata sono riportanti nel grafico seguente:
45%
15% Pompa Solare 40%
Ventilatore Cond Pompa chiller
4.17 Consumi percentuali ausiliari Rispetto al caso precedente, i consumi percentuali del ventilatore sono ridotti in quanto la machina si trova a lavorare con temperature ambiente più favorevoli. Riducendo i consumi totali dell’impianto, aumenta di conseguenza la percentuale di consumi associati alla pompa solare e alla pompa del chiller.
97
Capitolo4
Riassumendo, la macchina e l’impianto in generale presenta per il COPel valori molto interessanti per un ampio range di condizioni al contorno di funzionamento. Nel periodo centrale della stagione di raffrescamento le prestazioni elettriche dell’impianto sono in linea o maggiori rispetto agli impianti descritti nel Capitolo 1, inoltre, nei periodi iniziali e finali delle stagioni di raffrescamento, quando le temperature esterne non sono troppo elevate ma è comunque presente una buona disponibilità di fonte solare ed i carichi termici di un edificio sono quindi ridotti rispetto al picco, l’impianto ottiene delle ottime prestazioni in termini di consumi elettrici, maggiori rispetto a tutti gli esempi proposti nel Capitolo 1.
4.4 Estensione e validazione mappatura Tramite i dati di monitoraggio, è stato possibile effettuare una validazione e un’estensione della mappatura delle prestazioni della macchina ad assorbimento creata durante le prove sperimentali in camera di prova al Politecnico di Milano. Analizzando i dati monitorati durante il funzionamento della macchina, sono state testate le prestazioni offerte in un ampio range di condizioni operative, con diversi set point di temperatura di ingresso nell’evaporatore, unica condizione al contorno controllabile. Per la taratura ed estensione del modello sono stati utilizzati solo tratti di funzionamento stabile della macchina, dove le oscillazioni di temperatura in ingresso all’evaporatore sono minori di 0,5 °C e la temperatura di ingresso al generatore e la temperatura ambiente si mantengono abbastanza stabili. 4.4.1 Type 207 Per modellizzare il funzionamento della macchina utilizzando Trnsys Simulation Studio, è stato utilizzato con le opportune modifiche un type preesistente che simula il comportamento di un chiller ad assorbimento. In questo type, il modello matematico sottostante può esser rappresentato come un “black box”, dove i dati sperimentali ottenuti durante le prove sono utilizzati per valutare la risposta del funzionamento della macchina al variare delle condizioni operative. I parametri principali di questo type, che devono essere impostati dall’utente, sono: - Capacità frigorifera media di riferimento; - Calore specifico del fluido lato generatore, in questo caso acqua; - Calore specifico del fluido refrigerato, in questo caso sempre acqua;
98
Analisi Dati e Modellistica
-
Potenza elettrica assorbita dagli ausiliari, ovvero dalla pompa della soluzione e dal ventilatore; Temperatura minima di uscita del fluido refrigerato;
Per quanto riguarda invece gli input da fornire al type, questi sono rappresentati dagli output di altri type di Simulation studio, e sono: - Portata in kg/hr del fluido lato generatore; - Temperatura in ingresso lato generatore; - La temperatura ambiente , fornita da un type contenente un file meteo in formato standard TMY2; - Temperatura in ingresso lato evaporatore; - Portata in kg/hr del fluido lato evaporatore;
4.18 Schema logico type 207 Questo type inoltre necessita di un file esterno, tipicamente un file di testo, compilato seguendo la standard definito dalla funzione di trnsys DYNAMIC DATA, in cui sono stati inseriti, estrapolandoli dai dati sperimentali ottenuti attraverso le prove eseguite al Politecnico di Milano, il valore del COPth e del rapporto tra la potenza frigorifera resa disponibile dalla macchina e la potenza media, per ogni combinazione della temperatura dell’aria esterna e delle temperature di ingresso al generatore e all’evaporatore ( , .
4.19 Esempio file di testo type 207
99
Capitolo4
Da tutti questi input e parametri, il type fornisce una serie di output, tra i quali i più utili per valutarne le prestazioni fornite sono: -
Temperatura di uscita del fluido lato generatore; Temperatura di uscita del fluido lato evaporatore; Potenza termica ceduta all’ambiente ; Potenze termiche del generatore e all’evaporatore Il COP della macchina; Il fattore di carico della macchina ;
;
Il funzionamento ai carichi parziali di questo chiller dipende solo dalla temperatura di set point del fluido refrigerante. In questo modello infatti, se il carico termico frigorifero richiesto risulta minore della capacità frigorifera resa disponibile dalla macchina, tutta la potenza frigorifera disponibile viene ceduta comunque al fluido da refrigerare, fino a che la temperatura rimane al di sopra del valore minimo di set point. Se la temperatura diventa minore del valore minimo, la pompa del chiller viene spenta e conseguentemente la potenza frigorifera viene adattata al carico richiesto, e quindi anche la potenza termica assorbita al generatore viene proporzionalmente diminuita. L’accensione e lo spegnimento della macchina è regolato da un segnale di controllo in ingresso, la macchina viene accesa se il segnale in ingresso è ON e se la portata di fluido lato generatore risulta maggiore di zero. Per prima cosa il type calcola la potenza frigorifera resa disponibile dalla macchina, moltiplicando semplicemente la potenza frigorifera media data per il coefficiente derivante dal file di testo esterno corrispondente alle condizioni operative di input. (
)
[
]
Il carico richiesto lato evaporatore è calcolato con la seguente formula: (
)[
]
Per il fattore di carico della macchina viene eseguito un semplice rapporto tra la potenza frigorifera richiesta e quella resa disponibile dalla macchina in quelle condizioni operative:
100
Analisi Dati e Modellistica
Se il fattore di carico è minore di 1, la temperatura di uscita del fluido refrigerato sarà pari alla temperatura , e la potenza frigorifera sarà pari a Nel caso invece che il fattore di carico risulti maggiore di 1, la temperatura di uscita del fluido refrigerato viene calcolata imponendo un bilancio di potenza sul fluido lato evaporatore, attraverso la formula: [
]
La potenza termica richiesta al generatore, è calcolata utilizzando il COP che viene letto dal file esterno di testo, mentre la temperatura di uscita del fluido dal generatore è calcolata attraverso un bilancio di potenza, utilizzando quindi le seguenti equazioni: [
]
[
]
Infine, come ultima cosa viene calcolata la potenza termica ceduta all’ambiente, imponendo il bilancio di potenza a tutto il chiller: [
]
4.4.2 File simulazione Dato che il file di testo richiesto dal type 207 richiede, per ogni combinazione di temperatura ambiente, temperatura ingresso generatore e temperatura ingresso evaporatore, un valore di COPth e di rapporto tra potenza frigorifera resa in quelle condizioni e la potenza media, per le combinazioni mancanti è stata eseguita un’interpolazione lineare tra le prove sperimentali. Per eseguire l’interpolazione, utilizzando una regressione lineare multivariata, è stata creata
101
Capitolo4
utilizzando i dati di monitoraggio una funzione che calcola il valore di potenza frigorifera resa in funzione della temperatura di ingresso al generatore e all’evaporatore, e della temperatura ambiente. La seguente equazione riporta la funzione trovata e il relativo valore del coefficiente statistico R2: [kW]
La stessa procedura è stata seguita per il calcolo del COPth, ottenendo la seguente funzione:
Successivamente, per aumentare l’affidabilità del modello, questo è stato affinato utilizzando Trnsys Simulation Studio, la procedura seguita è decritta di seguito. All’interno di Simulation Studio, è stato creato il seguente schema di type:
4.20Schema Simulation Studio All’interno del file sono presenti i seguenti type: -
102
Type 207: descritto precedentemente; Type 3b: questo componente modellizza il funzionamento di una pompa a singola velocità, la temperatura del fluido circolante o il valore della
Analisi Dati e Modellistica
-
-
-
portata, espresso in kg/hr, può essere fornito dall’utente come parametro oppure come input proveniente da un altro type; Calcolatrice: il type 207 fornisce potenza termica del generatore e potenza frigorifera dell’evaporatore come output in kJ/hr, questo componente esegue la conversione da kJ/hr a kW; Type 65c: svolge la funzione di una stampante, permettendo all’utente di visualizzare direttamente i risultati sfruttando l’interfaccia grafica di Trnsys, inoltre salva tutti i valori degli input in un file con un formato compatibile con Microsoft Excel; Type 9a: questo componente permette a Simulation Studio di interfacciarsi con un file di dati esterno, quale ad esempio un file di testo, in cui sono inseriti suddivisi in colonne i valori numerici di vari input, in questo caso nel file di testo esterno saranno inseriti il valore di temperatura in ingresso al generatore con la relativa portata di fluido, la temperatura in ingresso all’evaporatore e relativa portata di fluido, e la temperatura ambiente;
Per l’ultimo type descritto, è molto importante impostare in modo corretto alcuni parametri:
4.21 Lista parametri type 9a Nella riga 3 è necessario specificare quante sono le colonne di input che il type deve leggere dal file esterno, in questo caso 5. Inoltre per ogni colonna, è necessario specificare di non interpolare fra due valori consecutivi, ma di considerare i valori letti come valori istantanei.
103
Capitolo4
L’immagine seguente riassume tutti i collegamenti fra i vari type:
4.22 Collegamenti fra i vari type Eseguendo quindi la simulazione, attraverso un foglio di calcolo Excel è possibile confrontare i valori simulati con i dati sperimentali e calcolarne gli errori percentuali. Il modello precedente era composto nel seguente modo: -
Temperature ingresso generatore: 85, 90, 95 °C; Temperature ambiente: da 27 a 41°C; Temperature ingresso evaporatore: da 10 a 18 °C;
Anche nel modello precedente alcuni punti di funzionamento sono stati trovati per interpolazione, tuttavia, nel caso i dati di input coincidano con una condizione intermedia tra due set di input tabulati, il type 207 esegue in automatico un interpolazione lineare, per cui il modello è stato esteso e modificato nel seguente modo: -
Temperature ingresso generatore: 70, 75, 80, 85, 90, 95 °C; Temperature ambiente: da 22 a 41°C; Temperature ingresso evaporatore: 10, 12, 15, 18 °C;
Nella tabella seguente sono riportati i risultati ottenuti delle prove sperimentali e degli errori percentuali tra valore sperimentale e valore simulato dal type 207:
104
Analisi Dati e Modellistica
Tevap Tingen Tamb COPel COPth Qevap 12 70,9 24,0 9,165 0,289 1,732 15 72,1 27,3 6,387 0,267 1,488 12 72,8 23,5 10,553 0,297 1,994 15 73,6 22,6 11,731 0,318 2,217 15 74,4 27,0 7,663 0,283 1,785 12 75,0 24,1 11,313 0,302 2,138 15 75,3 25,0 11,213 0,304 2,119 15 75,5 23,7 12,189 0,312 2,303 12 75,7 23,4 12,357 0,313 2,335 15 76,3 24,2 12,276 0,310 2,320 15 76,4 26,7 9,584 0,295 2,022 15 77,1 27,8 9,160 0,299 2,133 15 78,2 25,9 12,275 0,308 2,320 15 78,3 26,0 12,208 0,305 2,307 15 78,4 25,1 12,852 0,310 2,429 15 78,8 26,6 10,918 0,304 2,304 12 79,3 28,8 9,248 0,285 2,154 12 79,6 27,7 9,743 0,295 2,269 15 80,3 23,6 14,893 0,335 2,814 12 80,8 34,8 5,143 0,246 1,566 15 80,9 29,2 10,153 0,301 2,365 15 81,2 34,2 5,790 0,257 1,690 15 81,4 29,5 9,754 0,299 2,272 12 81,6 35,1 5,330 0,248 1,623 15 81,7 37,9 4,755 0,250 1,559 15 82,4 35,6 5,273 0,249 1,606 15 82,5 28,6 11,473 0,320 2,672 15 82,7 32,1 7,700 0,277 2,108 12 82,8 37,2 5,723 0,255 1,743 15 83,0 30,0 9,533 0,303 2,535 15 83,7 34,0 7,136 0,280 2,082 12 83,8 34,3 6,891 0,273 2,011 15 84,3 30,2 10,059 0,308 2,675 12 84,5 33,5 7,376 0,279 2,153 12 84,5 37,0 6,446 0,267 1,963 12 84,9 30,0 9,894 0,301 2,631
COP CHW ErCOP Er Qevap 0,30 1,85 2,6% 6,6% 0,28 1,57 4,4% 5,1% 0,31 2,11 2,9% 5,4% 0,32 2,27 -0,1% 2,5% 0,29 1,84 2,0% 2,9% 0,31 2,26 2,2% 5,5% 0,31 2,17 0,7% 2,1% 0,32 2,32 1,0% 0,9% 0,32 2,42 1,0% 3,3% 0,31 2,34 1,1% 0,7% 0,30 2,08 0,7% 2,7% 0,29 2,02 -2,4% -5,7% 0,31 2,36 0,4% 1,5% 0,31 2,35 1,3% 2,0% 0,31 2,47 1,3% 1,7% 0,31 2,33 0,7% 1,3% 0,30 2,15 4,2% -0,3% 0,31 2,31 3,5% 1,6% 0,32 2,68 -4,6% -5,2% 0,26 1,68 4,2% 6,6% 0,30 2,35 -0,5% -0,5% 0,26 1,70 2,5% 0,8% 0,30 2,39 1,1% 5,1% 0,26 1,74 3,3% 6,7% 0,23 1,49 -7,8% -4,6% 0,26 1,73 2,6% 7,0% 0,32 2,69 -0,5% 0,6% 0,29 2,22 3,3% 5,2% 0,26 1,73 0,7% -1,0% 0,31 2,61 3,4% 2,7% 0,28 2,01 1,0% -3,5% 0,28 2,14 2,1% 5,8% 0,32 2,80 4,6% 4,4% 0,29 2,32 5,0% 7,3% 0,27 2,06 1,5% 4,7% 0,32 2,85 4,8% 7,5%
105
Capitolo4
15 12 15 15 12 12 12 12 12 15 12 12 15 12 12 15 12 15 15 15 12 15 12 12 15 15 12 15 15 12 15 12 12 12 12 15 15
106
85,2 85,3 85,4 85,5 86,0 86,0 86,0 86,4 86,6 86,7 86,9 86,9 87,2 87,3 87,3 87,6 87,7 87,7 87,8 88,0 88,3 88,4 88,4 88,6 88,8 88,9 89,0 89,1 89,4 89,6 90,0 90,1 90,5 90,5 90,6 90,7 91,2
32,6 31,2 33,4 30,7 30,9 33,0 30,6 37,0 34,8 32,9 31,7 30,8 33,2 32,9 34,9 32,7 33,0 32,2 37,4 36,2 34,7 31,5 34,4 31,9 33,2 31,5 33,6 35,4 33,9 32,4 33,8 34,5 33,6 33,4 32,7 36,7 30,9
8,227 9,784 8,080 10,115 10,294 8,304 9,957 7,432 7,413 8,764 10,219 10,455 8,724 8,901 7,281 9,133 9,117 10,051 5,928 6,876 7,719 10,295 8,730 10,268 8,848 11,275 8,785 7,883 8,856 9,757 8,987 8,746 9,514 9,502 9,662 7,313 11,340
0,293 0,298 0,292 0,306 0,308 0,291 0,301 0,281 0,279 0,299 0,300 0,304 0,296 0,296 0,274 0,302 0,296 0,305 0,250 0,269 0,279 0,293 0,292 0,301 0,295 0,313 0,290 0,287 0,292 0,291 0,293 0,290 0,291 0,291 0,291 0,268 0,316
2,401 2,601 2,358 2,690 2,737 2,423 2,648 2,263 2,258 2,557 2,717 2,780 2,546 2,598 2,217 2,665 2,660 2,752 1,805 2,094 2,351 2,737 2,548 2,812 2,582 2,998 2,564 2,401 2,584 2,672 2,623 2,663 2,776 2,773 2,820 2,227 3,015
0,30 0,32 0,30 0,32 0,32 0,31 0,32 0,27 0,28 0,31 0,31 0,32 0,31 0,31 0,28 0,31 0,31 0,31 0,26 0,28 0,29 0,30 0,29 0,31 0,31 0,32 0,30 0,30 0,31 0,31 0,31 0,30 0,31 0,31 0,30 0,28 0,33
2,43 2,65 2,31 2,81 2,73 2,52 2,78 2,09 2,34 2,48 2,72 2,80 2,46 2,63 2,38 2,57 2,66 2,66 1,83 2,12 2,51 2,79 2,57 2,80 2,57 2,82 2,72 2,29 2,51 2,83 2,57 2,70 2,85 2,86 2,90 2,25 3,03
2,6% 5,6% 1,8% 4,5% 2,8% 5,0% 5,1% -4,2% 0,8% 2,4% 4,4% 4,4% 3,7% 3,9% 2,8% 3,1% 3,7% 2,8% 2,0% 5,0% 2,6% 1,7% 0,1% 4,1% 6,1% 3,1% 4,7% 4,7% 5,8% 6,4% 6,4% 1,7% 5,0% 5,4% 3,5% 4,7% 4,2%
1,2% 2,0% -2,3% 4,2% -0,3% 3,8% 4,9% -8,3% 3,5% -3,2% 0,1% 0,7% -3,4% 1,4% 6,9% -3,7% -0,2% -3,3% 1,6% 1,1% 6,3% 1,9% 1,0% -0,5% -0,6% -6,5% 5,9% -4,6% -3,0% 5,5% -2,2% 1,5% 2,7% 3,2% 2,9% 0,8% 0,3%
Analisi Dati e Modellistica
Dove l’errore medio per il calcolo del COPth e di Qevap risulta pari rispettivamente a 3,1% e 2,4 %. Una volta ottenuto un modello accettabile per la simulazione dinamica delle prestazioni offerte dal chiller, a questo punto risulta utile utilizzare Trnsys, per calcolare le prestazioni stagionali termiche ed elettriche che l’impianto dovrebbe fornire se fosse installato per servire un utenza domestica.
4.5 Simulazione stagionale Per valutare le prestazioni dell’impianto durante tutta la stagione di raffrescamento, è stata creata una simulazione dinamica che rispecchi il più fedelmente possibile i componenti e le logiche di regolazione seguite nell’impianto di prova. Per fare questo, è necessario inserire nel file di Trnsys tutti quei type indispensabili per la modellizzazione di un edificio, e dei type rappresentanti i componenti e gli ausiliari dell’impianto di solar cooling.
4.24 File simulazione Trnsys Simulation studio
107
Capitolo4
Di seguito si riporta una breve descrizione dei type utilizzati: -
-
-
-
Type 109: permette di leggere dati meteo da un file esterno in formato standard TMY2, contiene dati relativi a temperatura, umidità e irraggiamento per una data località, in questo caso Milano; Controllo RAFFR: segnale di raffrescamento, quando all’interno della casa viene superata la temperatura di set, questo componente invia un segnale di accensione per l’impianto di raffrescamento; Type 56: simula il comportamento di un edificio; Type 34: calcola il fattore di schermatura solare dei serramenti dell’edificio; Type 71: modellizza il comportamento di collettori solari sottovuoto; Hot tank: dato che esiste un accoppiamento diretto tra circuito solare e chiller, il volume di questo accumulo coincide semplicemente con il volume totale di acqua contenuto nei pannelli e nel circuito; Cold tank: accumulo freddo con volume pari a quello dell’impianto sperimentale; Type 207: descritto nella sottosezione 4.3.1; Solar Ctrl: sistema di controllo del circuito solare; Ctrl CH+FC: sistema di controllo dell’accensione del chiller e dei terminali ambiente; Type 33e, 33f: contengono dati psicrometrici, servono per calcolare temperatura di bulbo umido e umidità dell’aria; Type 32: simula il comportamento di un fan coil;
L’edificio utilizzato per la simulazione ha le seguenti caratteristiche: Milano Località Edificio uso abitativo Destinazione d’uso 102 m2 Superficie utile 112 m2 Sup. disperdente 2 N° Piani 15/04-15/10 Periodo raffrescamento 3,03 kW Picco max 2857 kWh/anno Fabbisogno en. frigorifera 4.25 Caratteristiche edificio simulazione
108
Analisi Dati e Modellistica
Le calcolatrici, denominate “Volt To Fan” e “Chiller power”, inserite nel file di simulazione, calcolano i consumi elettrici della macchina. Nella prima calcolatrice è stata inserita la stessa logica di regolazione descritta nella sezione 2 del Capitolo 4, per cui ricevendo come ingresso la temperatura ambiente fornisce come output il valore del segnale inviato al ventilatore. Attraverso l’analisi dei dati di monitoraggio, in cui è stato misurato anche il valore di tensione inviato al ventilatore, è stata ricavata una funzione che correlasse i consumi elettrici del ventilatore con il segnale inviato dal sistema di monitoraggio. La figura seguente mostra su un grafico a dispersione le misure ottenute durante il funzionamento dell’impianto:
Consumi elettrici ventilatore 250 200 150 100 50 0 4,4
4,6
4,8
5
5,2 Consumi
5,4
5,6
5,8
6
6,2
6,4
Poli. (Consumi)
4.26 Consumi ventilatore in funzione del segnale Utilizzando una linea di tendenza polinomiale di grado due, la funzione ottenuta e il valore del coefficiente statistico R2 è riportato nell’equazione seguente: [W]
Il coefficiente R2 ha un valore molto buono, per cui questa funzione è stata inserita nella calcolatrice “Chiller power” per calcolare i consumi del ventilatore durante la simulazione. Nella stessa calcolatrice è stata inserita anche una funzione che, utilizzando come ingresso la temperatura ambiente esterna, calcola i consumi elettrici della pompa della soluzione del chiller. Infatti, dai dati di monitoraggio sono state ricavate le seguenti informazioni:
109
Capitolo4
Temp. Ambiente (°C) Segnale (V) Consumi (W) 8,8 100 <27 27
9,2
122
>33
9,6
140
4.27 Consumi pompa chiller Una volta calcolati i consumi della macchina, sarà possibile poi utilizzando un foglio di calcolo Excel, calcolare il valore di COPel della macchina, e, aggiungendo i consumi elettrici della pompa del circuito solare, calcolare le prestazioni elettriche globali dell’impianto di solar cooling. La tabella seguente riassume le caratteristiche principali dell’impianto simulato:
Sup. condizionata
Milano 102 m2
Capacità nominale macchina Tipo di macchina Terminale ambiente Condensatore Tipo collettori
3,4 kW Assorbimento NH3-acqua Fan Coils Aria Sottovuoto CPC
Superficie collettori Orientamento inclinazione Fluido termovettore
20 m2 0° Sud 20° Acqua (drain back system)
Accumulo caldo Accumulo freddo Portata circuito caldo
No 0,1 m3 900 kg/hr
Portata circuito freddo
500 kg/hr
Backup caldo Backup freddo
110
No No 4.28 Caratteristiche impianto solar cooling
Analisi Dati e Modellistica
4.5.1 Logica di regolazione e risultati La logica implementata nella simulazione è la stessa descritta nel Capitolo 3. E’ presente solo una differenza rispetto all’impianto monitorato, infatti, affinché il chiller ed il circuito freddo possano essere accesi, è necessario che si verifichino contemporaneamente le seguenti condizioni: -
Temperatura ingresso generatore >80°C; Segnale controllo raffrescamento ON;
Per cui nel caso vi sia disponibilità di energia solare ma non ci sia richiesta di climatizzazione da parte dell’edificio, la temperatura del circuito solare aumenta, in modo da ottenere all’avvio della macchina una temperatura in ingresso maggiore, con i conseguenti benefici sulla potenza resa dalla macchina. Il controllo “RAFFR” è stato impostato in modo tale da dare segnale 1 (acceso), quando la temperatura interna dell’edifico supera i 26,5 °C, e rimane in questo stato finché la temperatura non raggiunge i 24,5°C. La figura seguente riporta l’andamento della temperatura ambiente e della temperatura interna della casa durante tutto il periodo di raffrescamento: 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Tamb
Tzt
4.29 Andamento temperature Analizzando tramite un foglio di calcolo Excel i dati ottenuti dalla simulazione, i risultati ottenuti sono riassunti nella seguente tabella:
111
Capitolo4
COPth
0,306
COPel Qgen kWh Qevap Q fan coil Rendimento accumulo Irraggiamento su pannelli kWh/m2 Sup pannelli Rendimento pannelli Consumi elettrici kWh COPel stag.
10,451 7199,73 2351,80 2281,11 0,96
Ore funz. solare Ore funz. chiller Tzt media °C Tzt max °C Ore discomfort %ore discomfort
2874,50 946,50 25,06 30,93 349,5 7,9%
977,25 20 36,8% 290,107 7,85
4.30 Riassunto risultati Dall’analisi dei dati emerge che il rendimento del campo solare è pari a circa il 37%, fornendo al generatore della macchina un’energia termica utile pari a 7199 kWh. Il rendimento d’accumulo freddo è molto alto principalmente per due motivi, da una parte il volume ridotto si traduce in perdite termiche ridotte, inoltre l’utilizzo immediato dell’energia frigorifera prodotta dal chiller riduce le possibili perdite. Dato che non è presente nessun sistema di backup, né caldo né freddo, la frazione solare è pari al 100%, ed è in grado di coprire circa l’80% del fabbisogno di energia dell’edificio. Con questa configurazione non è possibile mantenere sempre le condizioni di comfort interne, infatti la temperatura interna della casa risulta per circa l’8% della stagione di raffrescamento superiore a 27°C, con un picco massimo di 30,9 °C. Per la valutazione delle prestazioni elettriche, sono stati considerati i consumi del chiller e della pompa del circuito solare. Calcolando il COPel quando la macchina è in funzione, la media stagionale risulta pari a 10,4, mentre se si considerano i consumi globali durante la stagione, considerando anche quei
112
Analisi Dati e Modellistica
periodi in cui la pompa solare viene accesa ma non vi è richiesta di climatizzazione da parte dell’edificio, il COPel stagionale scende a circa 7,9. Questi consumi aggiuntivi sono dovuti al fatto che, come si può notare dalla tabella, le ore di funzionamento del circuito solare sono molto maggiori rispetto alle ore di funzionamento della macchina, perché soprattutto nei periodi iniziali e finali della stagione, la pompa solare viene accesa ma l’energia termica prodotta non viene utilizzata per la produzione di energia frigorifera utile. Il prossimo grafico mostra i consumi percentuali di energia elettrica stagionali per gli ausiliari dell’impianto simulato: Consumi Pompa Solare
Consumi Pompa Chiller
31%
Consumi Ventilatore
35%
34%
4.31 Consumi percentuali ausiliari Dal grafico si nota come, a differenza degli esempi proposti nel Capitolo 3, i consumi della pompa solare coprono la percentuale maggiore. Andando a calcolare il risparmio di energia primaria rispetto ad un impianto con macchina a compressione di vapore (considerando un SEER pari a 3,5), dalla simulazione emerge un risparmio di energia primaria pari al 55%. 4.5.2 Nuova logica regolazione e risultati Per ultimo, è stato simulato un impianto che prevedesse l’introduzione di un accumulo freddo di diversa grandezza, modificando quindi la logica di regolazione dell’impianto. Rispetto al caso precedente, è presente una pompa per collegare l’evaporatore del chiller con l’accumulo, e una seconda pompa per far circolare l’acqua tra l’accumulo e i terminali di erogazione. La logica del sottosistema solare non è stata modificata rispetto al caso precedente, mentre il chiller e la pompa dell’evaporatore, sono messi in funzione al verificarsi contemporaneo delle seguenti condizioni:
113
Capitolo4
-
Temperatura ingresso generatore >80°C; Temperatura accumulo > 6°C;
kWh
Il controllo dell’accensione della pompa del circuito freddo e dei fan coil viene fatto tramite il controllo “RAFFR”, impostato come nel caso precedente. In questo modo, la temperatura dell’accumulo aumenterà nei casi in cui non sia disponibile potenza termica al generatore sufficiente ad accendere la macchina o a soddisfare le richieste. Utilizzando come passo temporale 0,5hr, sono state eseguite diverse simulazioni, modificando il volume del serbatoio d’accumulo freddo, i risultati ottenuti sono riportati nei seguenti grafici: 2800
9000
2700
8800
2600
8600 8400
2500
8200
2400
8000
2300
7800
2200
7600
2100
7400 150
300
400
500
750
Qevap Qfc Qgen
900
4.32 Energie termiche scambiate Da questo grafico è possibile notare come l’aumento del volume d’accumulo si traduce in un aumento dell’energia termica frigorifera totale prodotta, mentre l’energia termica utile al generatore raggiunge un picco con un accumulo di 400 litri.
114
Analisi Dati e Modellistica
14
0,5
12
0,45
10
0,4
8
0,35
6
0,3
4
0,25
2 0
0,2 150
300
400
COPelCHon
500
COPelimp
750 COPth
900 Rend Coll
4.33 Rendimenti impianto Per quanto riguarda le prestazioni offerte dall’impianto, si nota che, mentre il rendimento dei collettori raggiunge il massimo con un accumulo di 400 litri, i rendimenti termici ed elettrici della macchina quando è in funzione raggiungono un minimo. Il COPth dell’impianto rimane attorno agli 0,3, mentre quello elettrico dell’impianto rimane costante attorno a 8, questo è dovuto al fatto che se da una parte aumentando il volume d’accumulo aumenta l’energia frigorifera prodotta, dall’altro aumentano le ore di funzionamento del chiller e conseguentemente i consumi elettrici, come mostrato dal grafico seguente, mentre per quanto riguarda le ore di funzionamento del circuito solare esse rimangono costanti. 315,000 310,000 305,000 300,000 295,000 290,000 285,000 280,000 275,000
1100 1050 1000 950 900 850 150
300
400 ConsEl kWh
500
750
900
OreFunzChiller
4.34 Ore funzionamento e consumi elettrici
115
Capitolo4
Dal grafico che riporta il numero di ore di funzionamento del chiller si nota inoltre che, con un volume di accumulo maggiore o uguale a 400 litri, le ore di funzionamento rimangono praticamente costanti, raggiungendo cioè un limite di ore utili in cui la macchina può essere accesa con la superficie di collettori simulata. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 150
300
400 %Fab
500
750
900
Fpe
4.35 Percentuale fabbisogno e risparmio EP Dal grafico precedente, che riporta la percentuale di fabbisogno di energia frigorifera coperta dall’impianto di solar cooling, è possibile notare che, come ovvio, la percentuale aumenta con la crescita del volume di accumulo, tuttavia calcolando la percentuale di risparmio di energia primaria, la percentuale rimane costante attorno al 60%, questo andamento è giustificato dal fatto che ad un aumento di energia frigorifera prodotta aumentano contemporaneamente i consumi elettrici globali. La tabella riassume i risultati ottenuti con un volume di accumulo di 300 litri: Volume accumulo lt COPth COPel Qgen kWh Qevap kWh Q fan coil kWh Rendimento accumulo Irraggiamento su pannelli W/m2
116
300 0,297 11,370 8470,586 2618,864 2448,827 0,935 977,249
Analisi Dati e Modellistica
Sup pannelli m2 Rendimento pannelli Consumi elettrici kWh COPel stag. Ore funz solare Ore funz chiller Tingen °C Ore discomfort %ore Discomfort FAB kWh % coperta Ep conv Ep SC Fpe
20,000 0,433 301,580 8,120 2980,000 994,500 77,313 117,000 2,68% 2857 86% 1626,623 670,178 59%
4.36 Riassunto risultati In questo caso, l’86% del fabbisogno di energia viene coperto dall’impianto di solar cooling, in questo modo solo per il 2,7% delle ore del periodo di raffrescamento non si riesce a mantenere una condizione di comfort all’interno dell’abitazione. Rispetto ad un impianto tradizionale, questo impianto ottiene un risparmio di energia primaria pari al 59% con un COPel stagionale pari a 8,12. 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00
5,00 0,00 Tamb
Tzt
4.37 Andamento temperature
117
Capitolo4
Dal grafico che riporta l’andamento della temperatura ambiente e della temperatura interna della zona termica, si nota come rispetto al caso precedente la massima temperatura raggiunta durante la stagione di raffrescamento è di 29 °C.
118
Capitolo 5 Conclusioni Lo scopo di questo elaborato è stato di valutare, attraverso la costruzione e l’utilizzo di un impianto sperimentale di prova, le prestazioni termiche ed elettriche di un impianto di solar cooling utilizzando il prototipo di macchina ad assorbimento a mezzo effetto autoadattante, alimentato da fonte solare. Il lavoro svolto durante il periodo di sperimentazione dell’impianto di piccola taglia illustrato nel presente elaborato, ha permesso di ottenere, attraverso la misura delle prestazioni offerte dal chiller, un’ottimizzazione della logica di regolazione mirata ad incrementare il coefficiente di prestazione elettrico dell’impianto. Da un primo confronto fatto tra due differenti salti termici tra ingresso e uscita del generatore, emerge che da un punto di vista termico operare con un salto termico di 10°C, a pari condizioni, porta ad una diminuzione della potenza frigorifera fornita dell’8-10% rispetto al caso con salto termico 5°C. Tuttavia la scelta di avere un salto termico maggiore risulta molto più conveniente dal punto di vista delle prestazione elettriche, in quanto i consumi della pompa del circuito solare sono ridotti, ottenendo rispetto al caso con salto termico minore un aumento percentuale del COPel mediamente attorno al 30-35%. Per il ventilatore del condensatore invece, è stato ottimizzata la logica di funzionamento in modo tale da mantenere una differenza di temperatura tra ingresso e uscita dal condensatore tra 7 e 9°C. Questa modifica ha permesso di ottenere un incremento molto alto delle prestazioni in termini elettrici dell’impianto, mentre dal punto di vista termico le prestazioni non hanno subito variazioni significative, mantenendosi stabili attorno a 0,3 per un vasto range di condizioni operative. Attraverso i dati di monitoraggio poi, è stato validata ed estesa una mappatura delle prestazioni del chiller, ottenendo un errore medio della stima, in diverse condizioni operative, del COPth del 3,1% e della potenza frigorifera del 2,4% rispetto alle misure sperimentali. Questa nuova mappatura, è stata poi inserita in un programma di simulazione dinamica per poter valutare le prestazioni stagionali ottenibili se l’impianto di solar cooling fosse installato a servizio di un edificio ad uso abitativo. Grazie a Trnsys, è stato possibile eseguire diverse
Capitolo5
simulazioni, modificando la logica di gestione dell’impianto e il volume di accumulo freddo. Confrontando le due diverse logiche di regolazione simulate, è possibile notare come l’introduzione di un volume di accumulo con una logica di regolazione appropriata, permette di ottenere un aumento della percentuale di fabbisogno di energia frigorifera coperta dall’impianto di solar cooling, ed una diminuzione delle ore in cui non è possibile mantenere all’interno dell’abitazione condizioni di comfort adeguate, non essendo presente in nessuno dei casi simulati un sistema di backup. L’utilizzo di collettori solari di tipo CPC permette inoltre di ottenere rendimenti stagionali del campo di collettori di poco superiori al 40%, valore maggiore rispetto agli esempi di impianti presentati nel Capitolo 1, dove vengono utilizzati collettori piani. Le prestazioni termiche stagionali risultano per l’impianto oggetto di questo elaborato minori rispetto agli esempi proposti, questo perché utilizza un tipo di macchina ad assorbimento differente, mentre dal punto di vista elettrico il ridotto numero di ausiliari, l’utilizzo di un condensatore ad aria e la logica di regolazione ottimizzata, permette di ottenere prestazioni elettriche superiori a tutti gli esempi proposti, dove i COP elettrici si attestano al massimo attorno a 5-6, permettendo di risparmiare mediamente il 60% di energia primaria per la produzione della stessa quantità di energia frigorifera, rispetto ad un impianto tradizionale che utilizzi macchine frigorifere a compressione di vapore. Questo conferma il fatto che larga diffusione di questi impianti, potrebbe mitigare un forte incremento delle emissioni di CO2 e ottenere un consistente risparmio di energia primaria per la climatizzazione estiva degli edifici.
120
Bibliografia Manuale TRNSYS 16.1, Mathematical Reference Manuale TRNBUILD Manuale LABVIEW Labview CORE1, manuale del corso Manuale Easy Soft Pro Decreto legislativo 19 agosto 2005 n.192 , Attuazione della direttiva 2002/91/CE relativa al rendimento energetico nell’edilizia Decreto legislativo 29 dicembre 2006 n.311, Disposizioni correttive ed integrative al decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 192, recante attuazione della direttiva 2002/91/CE, relativa al rendimento energetico nell'edilizia UNI 12309-2002, Apparecchi di climatizzazione e/o pompe di calore ad assorbimento e adsorbimento, funzionanti a gas, con portata termica nominale non maggiore di 70 kW UNI 14511-2011, Condizionatori, refrigeratori di liquido e pompe di calore con compressore elettrico per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti UNI EN ISO 10349 –1994, riscaldamento e raffrescamento degli edifici, dati climatici UNI EN ISO 10351 – 1994, conduttività termica e permeabilità al vapore dei materiali da costruzione Dispensa macchine ad assorbimento, Prof. Joppolo, Prof. Molinaroli, Politecnico di Milano Ingegneria dei processi solari termici, appunti del corso
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Bibliografia
Ingegneria dei processi solari termici, aspetti costruttivi dei collettori solari termici Henning, Motta, Mugnier, Solar Cooling Handbook (3rd), Ambra V Duffie, Beckman, Solar Engineering Of Thermal Processes (3rd), JohnWiley and son Gli impianti a pannelli solari. IDRAULICA- Pubblicazione periodica di informazione tecno-professionale, 12.04 n°29 Caleffi Ziegler, Nichols, 1942. Optimum settings for automatic controllers, Rochester NY Mostofizadeh C., Butz E., 1996. Use of low temperature heat to produce deeper temperature refrigeration by means of a new type absorption refrigeration plant,ISHPC Montreal, Canada, 633-638. Srikhirin, Aphornratana,, Chungpaibulpatana; A review of absorption refrigeration technologies, 2011 Kim D.S., Infante Ferreira C.A., 2005. Air Cooled Solar Absorption Air Conditioning Final Report, Delft University of technology, Delft, The Netherlands. 15-18, 110-113. L. Mattarolo - "Tecnologia del freddo e impatto ambientale" - Condizionamento dell'aria Riscaldamento Refrigerazione No. 8, Agosto 1994 Richter K. H., 1962. Multi Stage Absorption Refrigeration Systems. J. Of Refrigeration Sept/Oct 1962, 165-170 Citterio M., Corallo G., Avitabile M., Lodi A., 2005, “Technical-economical evaluation of a Solar Cooling plant based on water ammonia absorption heat pump and parabolic solar collectors in different Italian climates”
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Bibliografia
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Appendice A Strumenti software In questa appendice sono esposte brevemente i programmi a cui ci si è riferiti per svolgere il lavoro di sperimentazione e di analisi dei dati. Sono descritti i software utilizzati per lo sviluppo del programma di controllo e monitoraggio dell’impianto di solar cooling e del programma utilizzato per la validazione della mappatura della macchina ad assorbimento e le simulazione delle prestazioni stagionali offerte dall’impianto di solar cooling.
A.1 Trnsys Per la validazione della mappatura delle prestazioni offerte dal chiller e per la valutazioni delle prestazioni stagionali dell’impianto, è stato utilizzato un pacchetto software chiamato Trnsys. Questo pacchetto, sviluppato dal Solar Energy Laboratory dell’università del Winsconsin, contiene al suo interno una serie di sottoprogrammi che permettono di modellizzare e poi simulare il comportamento di un edificio in regime dinamico. Le simulazioni dinamiche permettono di eseguire un’analisi molto più realistica e completa rispetto a un’analisi statica, permettendo di valutare nel dettaglio gli effetti di più fattori nel tempo. Infatti, il comportamento di un edificio non dipende solo dalle sue caratteristiche d’involucro, ma risulta strettamente dipendente dal modo in cui viene gestito l’impianto, dalla funzione svolta dall’edificio (ufficio o abitazione), e anche ovviamente dalle condizioni climatiche che si verificano all’esterno dell’edificio. All’interno del pacchetto software sono contenuti diversi programmi, nei prossimi paragrafi sono esposte le caratteristiche principali di due software in particolare, Trnbuild e Simulation studio. A.1.1 Trnbuild All’interno del pacchetto Trnsys, il programma che si deve utilizzare per definire l’edificio sul quale eseguire delle simulazioni dinamiche, è Trnbuild. In questo software, attraverso una serie di schermate di interfaccia, all’utente è richiesto di inserire tutti quei dati di input necessari a modellizzare in modo appropriato il
Appendice A
sistema edificio/impianto. Per prima cosa è necessario inserire le stratigrafie e le aree delle superfici disperdenti con il rispettivo orientamento, successivamente i dati riguardanti i carichi termici interni, gli eventuali schermi solari e inoltre la logica di gestione degli impianti a servizio dell’edificio stesso, tipicamente impianti di riscaldamento, raffrescamento e ventilazione. Il file creato con questa interfaccia verrà poi utilizzato dal software Simulation Studio, dove ricevendo dati in ingresso riguardanti temperature e radiazione solare da un file meteo esterno in formato TMY2, il programma fornirà vari dati di output riguardanti temperatura e carichi termici dell’edificio. Per la parte di simulazione stagionale, è stato utilizzato come edificio un file di Trnbuild tratto da una articolo, che simula un edificio che presenta un picco di raffrescamento inferiore ai 3,4 kW, potenza nominale del chiller oggetto della sperimentazione. A.1.2 Simulation studio Una volta modellato l’edificio utilizzando Trnbuild, si può passare alla fase di simulazione vera e propria. Tramite Simulation studio, ogni componente del sistema edificio impianto viene definito e simulato attraverso i type, i quali sono la caratteristica peculiare di questa interfaccia di simulazione. I type possono essere considerati come dei “black box”, dove dei dati di input vengono processati all’interno del type stesso seguendo gli algoritmi definiti nella libreria corrispondente, e i risultati di tale processo sono resi disponibili all’utente come output. I componenti modellizzati possono essere ad esempio pompe, collettori solari, chiller, controllori, terminali, caldaie, serbatoi di accumulo ecc., dove l’utente è chiamato a inserire una serie di parametri per caratterizzare in modo appropriato ogni componente. Infine, sfruttando la funzione di collegamento, gli output forniti da un type possono essere collegati agli input di un altro type, con lo scopo di creare una simulazione che rispecchi il più fedelmente possibile i reali collegamenti e relazioni intercorrenti fra i vari componenti di un sistema edificio-impianto.
A.1 Schema logico di un type
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Strumenti Software
Un altro parametro molto importante per la simulazione è il passo temporale con cui viene discretizzato il calcolo; di default il programma è impostato per eseguire un calcolo su base oraria, ma all’utente viene data la possibilità di scegliere un time step personalizzato, e definire inoltre quale sia l’ora iniziale della simulazione e l’ora finale in cui la simulazione viene arrestata. Ad ogni time step, il programma partendo dai parametri fissati nei type e dal valore assunto dalle variabili nel time step precedente, seguendo un flusso dettato dai collegamenti, esegue in sequenza tutti i calcoli necessari a ottenere i valori di output desiderati. Facendo partire quindi la simulazione è possibile visualizzare i risultati prima di tutto attraverso una comoda interfaccia grafica, la quale permette di visualizzare immediatamente possibili andamenti anomali dovuti ad errori che vengono così facilmente individuati, ed inoltre è possibile far esportare dal programma i risultati come file di testo che possono essere gestiti e analizzati in seguito utilizzando altri programmi di calcolo. Il file creato con l’interfaccia Trnbuild è utilizzato in Simulation studio all’interno del type 56. Bilancio energetico trnsys Il calcolo del fabbisogno termico di un edificio in Trnsys viene eseguito utilizzando un’equazione di bilancio del tipo:
[kW] Dove: -
rappresenta le variazioni dell’energia interna della zona; rappresenta il fabbisogno energetico utile invernale dell’edificio; rappresenta il fabbisogno energetico utile estivo per il raffrescamento dell’edificio; rappresenta la quantità di energia dovuta agli apporti per infiltrazione; rappresenta la quantità di energia dovuta agli apporti per ventilazione; rappresenta l’apporto per convezione del flusso d’aria che va da una zona all’altra; rappresenta la quantità di energia termica scambiata per trasmissione dai componenti edilizi opachi; rappresenta la quantità di energia dovuta agli apporti interni;
127
Appendice A
-
rappresenta l’energia interna dei componenti edilizi; rappresenta la quantità di energia fornita dagli apporti solari tramite pareti opache e trasparenti;
A.2 Labview Labview è un ambiente di programmazione grafico, creato dalla National Instruments, utilizzato per creare in modo veloce ed efficiente applicazioni software che si possano interfacciare facilmente con l’utente. Viene utilizzato per sviluppare applicazioni di misura, test e controllo utilizzando icone e collegamenti intuitivi. Inoltre, la piattaforma Labview è compatibile con diversi obiettivi e sistemi operativi, e permette un’integrazione con migliaia di dispositivi hardware, fornendo centinaia di driver di comunicazione tra pc e dispositivo, e librerie integrate, utili per analisi e visualizzazione dati avanzate. Labview è costituito da un ambiente di programmazione di tipo grafico ad oggetti, chiamato codice G, che permette di realizzare programmi in forma di diagrammi a blocchi. Le librerie messe a disposizione contengono sia funzioni di uso comune, quali funzioni matematiche e aritmetiche, e anche funzioni specializzate per l’acquisizione di dati e misure da un hardware esterno, controllo di strumentazione, elaborazione e trasmissione dati. Labview mantiene comunque molte similitudini con i linguaggi di programmazione tradizionali: infatti, presenta tutti i tipi di dati di uso comune come stringhe, variabili booleane e numeri con precisione diversa. Inoltre, permette di controllare l’esecuzione dei programmi, utilizzando un’esecuzione a flusso di dati, dove l’ordine di esecuzione non è determinato dall’ordine di inserimento del codice, come avviene invece negli ambienti classici a programmazione testuale. Infine, Labview permette il debug delle applicazioni create attraverso modalità di esecuzione opportune per la ricerca di eventuali errori, quali il “single-step”, dove viene eseguita un’operazione alla volta e il passaggio successivo viene eseguito solo dopo che l’utente da il consenso all’avanzamento, o l’”highlight execution”, che mostra all’utente il flusso di dati mentre il codice viene eseguito. L’ambiente Labview permette di creare programmi che prendono il nome di “virtual instruments”, o più semplicemente, VI. Sono chiamati strumenti virtuali, in quanto le icone di Labview imitano l’aspetto e il funzionamento di strumenti fisici, quali oscilloscopi, multimetri, led, tasti e indicatori. I vantaggi principali dell’utilizzo di Labview per creare applicazioni di misura e controllo sono:
128
Strumenti Software
-
Utilizzare una modalità di programmazione a blocchi, essendo di tipo visivo ed intuitivo, risulta di facile apprendimento; Permette di dividere il programma in strutture modulari e sottoprogrammi, riutilizzabili successivamente; Consente di raccogliere i VI in librerie; Fornisce un insieme di librerie utili per la comunicazione e la manipolazione di dati;
All’interno di ogni VI, l’utente può modificare il valore di alcune grandezze agendo su delle icone, quali interruttori e manopole, che vengono visualizzate dal programma, ed inoltre l’utente può visualizzare il risultato delle elaborazioni su display grafici simili a quelli utilizzati dagli strumenti di misura. Le parti principali che costituiscono ogni VI, sono: -
Front panel (pannello frontale); Block diagram (diagramma a blocchi); Icon/connector (icone/connettori);
Front panel Il Front panel rappresenta l’interfaccia tra il programma e l’utente; viene così chiamato in quanto è strutturato in modo da ricordare il pannello frontale di uno strumento. Infatti, presenta a disposizione dell’utente display, manopole, indicatori ecc. Nel pannello frontale sono infatti inseriti i controllori e gli indicatori del VI: i controllori sono variabili in ingresso che possono essere modificate dall’utente, mentre gli indicatori sono variabili in uscita dal programma per cui il loro valore non può essere modificato dall’utente. Sono accettati vari tipi di dati in ingresso e in uscita, ad esempio dati numerici, stringhe e variabili booleane. Block diagram All’interno del Block diagram è contenuto il codice G del VI. Pur avendo una forma grafica, esso presenta una serie di strutture e funzioni molto simili a quelle fornite da un linguaggio di programmazione testuale. Le sue parti principali sono
129
Appendice A
i nodi e i collegamenti, dove i nodi sono gli elementi di elaborazione elementare ed i collegamenti uniscono i nodi, in modo che possa avvenire lo scambio di dati. Gli elementi fondamentali di elaborazione dati e le strutture di base offerte dal programma, raccolte in un menù chiamato “controls palette”, sono: -
-
For loop: ripete l’esecuzione della porzione di codice al suo interno per un determinato numero di volte; While loop: ripete l’esecuzione della porzione di codice al suo interno fino a che è verificata una certa condizione; Case structure: contiene molteplici porzioni di codice e sotto diagrammi, di cui viene eseguito uno solo a seconda del valore passato dal terminale selettore al ciclo, che può essere di tipo numerico, testuale o booleano; Sequence structure: esegue il codice nell’ordine numerico dei suoi sotto diagrammi;
Icon/connector L’icona è un simbolo grafico di piccole dimensioni che rappresenta sinteticamente i nodi di elaborazione dati e i sub-VI, mentre i collegamenti, fatti attraverso lo strumento “wiring”, permettono la corretta elaborazione dati per fornire gli output desiderati. Al fine di semplificare la visualizzazione di programmi estesi che contengono molto codice grafico, è possibile raggruppare parti di codice in subVI all’interno di un VI principale, creando icone con immagini dedicate in modo che all’utente risulti di facile intuizione quali siano gli ingressi e quali le uscite di tale subVI.
130
CREATO CON LA VERSIONE DIDATTICA DI UN PRODOTTO AUTODESK LEGENDA SCHEMA DI MONITORAGGIO Sonda di temperatura ad immersione PT100 a quattro fili - Monitoraggio
Sonda di temperatura ad immersione PT100 a quattro fili - Controllo
h = 0,632 a1=0.936 W / m2 K
a2= 0.0076 W / m2 K2
Misuratore di portata magnetico - Monitoraggio
LEGENDA IMPIANTO SOLAR COOLING
CREATO CON LA VERSIONE DIDATTICA DI UN PRODOTTO AUTODESK
CREATO CON LA VERSIONE DIDATTICA DI UN PRODOTTO AUTODESK
0a
CREATO CON LA VERSIONE DIDATTICA DI UN PRODOTTO AUTODESK
