1. Fattori che influenzano l'effetto di raffrescamento ottenibile

Nel caso del raffrescamento evaporativo indiretto, l'evaporazione dell'acqua avviene sul lato dell'aria di scarico di un impianto di trattamento dell'aria, il che consente di raffreddare l'aria esterna calda grazie a un sistema di recupero di calore a valle. Il raffrescamento dell'aria esterna ottenibile dipende quindi dalla quantità di acqua evaporata sul lato dell'aria di scarico, nonché dalla progettazione e dall'efficienza del sistema di recupero di calore utilizzato. L’aria di scarico può così essere umidificata fino a un livello prossimo alla saturazione senza che aumenti l’umidità dell’aria in entrata.

Oltre alla velocità dell’aria che attraversa il raffreddatore evaporativo, la quantità di acqua evaporata e quindi il raffreddamento ottenuto dipendono dalle condizioni dell’aria con cui l’aria di scarico entra nel raffreddatore evaporativo.

I fattori determinanti sono i seguenti:

• la temperatura dell’aria prima dell’evaporazione: più è bassa, meno l’aria può assorbire umidità e minore è l’effetto di raffreddamento;
• l'umidità dell'aria prima dell'evaporazione: più l'aria contiene già acqua, meno umidità può assorbire e minore è l'abbassamento di temperatura ottenuto.

Il limite teorico del raffrescamento evaporativo viene raggiunto quando l'aria è completamente satura d'acqua, ovvero a un'umidità relativa del 100%. Negli impianti di ventilazione e climatizzazione, è realistico raggiungere livelli di umidità compresi tra il 92 e il 95% con un investimento economicamente ragionevole, a seconda del tipo di raffreddatore da evaporazione utilizzato.

2.

Il fabbisogno energetico per il raffreddamento sensibile di un edificio è determinato essenzialmente dalla radiazione solare incidente e dai carichi termici interni provenienti da persone, apparecchi e sistemi di illuminazione. Per rispettare il tasso di umidità ammissibile dell’aria ambiente, è necessaria un’energia di raffreddamento latente supplementare in funzione delle condizioni dell’aria esterna e delle fonti di umidità interne.

Il raffrescamento evaporativo indiretto è adatto al raffreddamento sensibile dell’aria mandata. Il raffreddamento latente necessario per la deumidificazione o il raffreddamento sensibile che supera il potenziale del raffrescamento evaporativo deve continuare ad essere garantito da un generatore di freddo meccanico, ma di dimensioni ridotte di conseguenza. Se la progettazione dell'impianto è adeguata, il raffrescamento evaporativo indiretto consente di risparmiare una quantità di energia elettrica per la produzione meccanica di freddo nettamente superiore a quella necessaria per compensare la perdita di carico aggiuntiva sul lato aria dovuta al ventilatore di estrazione.

Se si desidera sapere già in fase di progettazione quale quantità di energia possa essere prodotta in modo rigenerativo ed effettivamente risparmiata grazie al raffrescamento evaporativo indiretto, è opportuno determinarloaiuto di un calcolo di simulazione del funzionamento dell’impianto di ventilazione presso il sito dell’edificio in questione. Tale simulazione deve tenere conto di tutte le condizioni dell’aria esterna che si verificano nel corso dell’anno, nonché dei parametri di progettazione rilevanti dell’impianto di ventilazione.

3. Esempio di calcolo su un impianto di ventilazione e climatizzazione simulato

Simulazione di un impianto di ventilazione e climatizzazione con raffrescamento evaporativo indiretto. Il contributo energetico del raffrescamento evaporativo indiretto (raffrescamento evaporativo) verrà ora illustrato mediante un esempio di calcolo di simulazione per un edificio tipo. In pratica, sulla base dei dati meteorologici del sito, si calcola l'entità effettiva dell'energia frigorifera totale necessaria per il raffreddamento dell'edificio tipo e il contributo del raffrescamento evaporativo a tale energia nel corso dell'anno. I risultati possono quindi fungere da base realistica per il corretto dimensionamento dell’impianto e la valutazione della redditività di questa misura di efficienza energetica nell’ambito della progettazione dell’impianto.

Parametri di progettazione per un edificio di esempio

La simulazione è stata effettuata per la configurazione strutturale dell’impianto di trattamento dell’aria rappresentata nella figura 1, sulla base delle curve di temperatura e dei parametri presentati nella figura 2 per il caso di raffreddamento. Il funzionamento dell’impianto avviene con una compensazione estiva della temperatura dell'aria ambiente e una riduzione progressiva della temperatura dell'aria mandata. Il recupero di calore avviene, a titolo esemplificativo, tramite uno scambiatore di calore a piastre senza trasferimento di umidità dal lato dell’aria estratta a quello dell’aria mandata e senza flusso diaria di dispersione. Si ipotizza che il rapporto tra il flusso d'aria immesso e il flusso d'aria estratto sia di 1:1.

L'apporto energetico totale annuo si ottiene sommando i risultati individuali calcolati dalla simulazione per ogni ora dell'anno. I calcoli si basano su dati statistici locali tratti dalla banca dati meteorologica mondiale Meteonorm versione 6.1 per i seguenti cinque siti: Berlino, Monaco, Stoccarda, Vienna e Bregenz.

Analisi dei risultati della simulazione

La simulazione illustra chiaramente il lavoro di raffreddamento svolto nel corso dell'anno e la sua ripartizione tra la produzione meccanica di freddo, il raffrescamento evaporativo indiretto (raffrescamento evaporativo) e il recupero di calore. La riduzione del carico garantita dal solo recupero di calore dall'aria di scarico dell'edificio è, anche con il coefficiente di recupero di calore scelto pari a 0,75, relativamente modesta a causa della scarsa differenza di temperatura utile in modalità raffreddamento. Tuttavia, se l’ulteriore abbassamento della temperatura dell’aria di scarico viene ottenuto tramite il raffrescamento evaporativo indiretto (raffrescamento evaporativo), ciò comporta un aumento significativo del suo contributo energetico.

I risultati della simulazione basati sui dati di un’estate normale mostrano i contributi energetici medi ottenibili su un lungo periodo difunzionamento dell'impianto, il che li rende adatti a valutare i risparmi energetici realizzabili grazie al raffrescamento evaporativo indiretto e la loro redditività. Se sisi considerano le condizioni dell’aria esterna molto variabili nel corso dell’anno, risulta subito evidente che gli impianti di refrigerazione devono fornire una potenza di raffreddamento adeguata in tutte le condizioni atmosferiche che si presentano. Per questo motivo, per il dimensionamento degli impianti è opportuno utilizzare i risultati delle simulazioni basati sui valori estremi delle estati calde. Se si desidera tenere conto anche dei futuri cambiamenti climatici, è possibile effettuare simulazioni utilizzando serie di dati meteorologici prospettici, a condizione che questi siano sufficientemente rappresentativi.

I risultati della simulazione si riferiscono all'impianto di ventilazione e climatizzazione presentato a titolo esemplificativo in cinque siti selezionati. Il contributo energetico del raffrescamento evaporativo indiretto riduce notevolmente la potenza frigorifera che il gruppo frigorifero deve fornire per raffreddare l’edificio.

Come mostra la simulazione, il raffrescamento evaporativo indiretto apporta un contributo considerevole all'energia rinnovabile. A parità di configurazione dell'impianto, si osservano tuttavia differenze significative in funzione dei dati meteorologici specifici dei siti scelti. Quando l'umidità dell'aria esterna è più elevata a livello regionale eè quindi necessaria una maggiore deumidificazione, il contributo energetico di questa modalità di raffreddamento è proporzionalmente più basso. Ciò è particolarmente evidente a Bregenz, che subisce l’influenza climatica data dalla sua posizione geografica sulla sponda orientale del Lago di Costanza. La quota totale di energia rinnovabile risulta dalla somma dei contributi energetici del raffrescamento evaporativo indiretto e del recupero di calore. Nei siti degli edifici selezionati, tale quota raggiunge una percentuale compresa tra il 40 e il 56,6% dell’energia di raffrescamento totale da fornire ogni anno.

La questione della redditività

Nella pratica, il principale ostacolo all'utilizzo delle energie rinnovabili risiede nella redditività. Le misure di efficienza energetica, come il raffrescamento evaporativo indiretto (raffrescamento evaporativo), devono essere redditizie. I costi aggiuntivi di investimento devono essere compensati dai risparmi ottenuti durante l'esercizio. Questo calcolo deve essere effettuato per ogni singolo edificio interessato. Una simulazione affidabile dell'impianto chiarisce le relazioni e consente un confronto realistico con le misure convenzionali di raffreddamento degli edifici.