Autore: reparto tecnico Mycond
I moderni sistemi di condizionamento dell’aria affrontano un serio problema ingegneristico: il raffreddamento tradizionale con condensazione dell’umidità richiede di portare l’aria sotto il punto di rugiada con successivo postriscaldamento (reheat), con conseguenti perdite energetiche significative. Tali perdite dipendono dai parametri iniziali dell’aria, dalla profondità di deumidificazione richiesta e dall’efficienza degli scambiatori di calore, e possono arrivare al 25-40% dei consumi energetici complessivi del sistema di condizionamento.
Il raffreddamento desiccante è una tecnologia che adotta un approccio radicalmente diverso. Invece di raffreddare e deumidificare simultaneamente, si separano i processi di trattamento del carico sensibile (temperatura) e di quello latente (umidità): prima avviene la deumidificazione per adsorbimento dell’aria tramite un desiccante, e poi il raffreddamento dell’aria già deumidificata. Questo approccio consente non solo di utilizzare l’energia in modo più efficiente, ma anche di ottenere livelli di umidità più bassi senza un eccessivo sovraraffreddamento.
Basi fisiche del processo di deumidificazione per adsorbimento
Alla base del raffreddamento desiccante c’è il processo di adsorbimento, fenomeno fisico in cui le molecole di vapore acqueo si legano alla superficie di un materiale solido (adsorbente o desiccante). L’adsorbimento avviene per differenza di pressione parziale del vapore tra l’aria e la superficie del desiccante. Desiccanti efficaci, come gel di silice, zeolite o ossido di alluminio attivato, hanno una superficie specifica estremamente elevata (fino a 600-800 m²/g), che garantisce un’elevata capacità di adsorbimento.
Quando il desiccante si satura di umidità è necessaria la rigenerazione, che si effettua riscaldandolo a una determinata temperatura. Per diversi tipi di desiccanti i range di rigenerazione variano: per il gel di silice 80-120°C, per i setacci molecolari (zeoliti) 150-200°C, per il cloruro di litio 70-90°C. I valori specifici dipendono dal punto di rugiada obiettivo e dai parametri del produttore.
Un effetto termodinamico importante nell’adsorbimento è il rilascio del calore di sorzione, costituito dal calore latente di condensazione del vapore acqueo (circa 2500 kJ/kg in condizioni normali) più il calore chimico di legame (ulteriori 10-20% a seconda del tipo di desiccante). Ciò significa che il processo di deumidificazione comporta un aumento della temperatura dell’aria di 10-25°C a seconda della quantità di umidità rimossa.
Componenti del sistema di raffreddamento desiccante
L’elemento principale di un sistema di raffreddamento desiccante è la ruota rotante rivestita di materiale adsorbente. La ruota è suddivisa in due zone: la zona di processo (di solito 75% della superficie), attraverso cui passa l’aria da deumidificare, e la zona di rigenerazione (circa 25% della superficie), attraversata dal flusso caldo di rigenerazione. Il diametro della ruota è determinato dalla portata d’aria e dalla velocità del flusso attraverso la sua sezione (di solito 2.5-3.5 m/s), mentre profondità e velocità di rotazione sono selezionate per garantire la massima efficienza di adsorbimento.
Il sistema di rigenerazione include un riscaldatore dell’aria di rigenerazione, che assicura la temperatura necessaria alla desorbimento dell’umidità. Le portate dell’aria di rigenerazione sono in genere pari al 30-50% del flusso di processo, a seconda della temperatura di rigenerazione, dei parametri dell’aria esterna e del punto di rugiada obiettivo. Il consumo energetico per la rigenerazione è approssimativamente di 3000-4500 kJ per chilogrammo di umidità rimossa.
Per aumentare l’efficienza energetica del sistema si utilizza una ruota entalpica, che recupera energia tra i flussi. L’efficienza di tale scambiatore è in genere del 65-80%, a seconda della costruzione e della velocità di rotazione. Inoltre, i sistemi di raffreddamento desiccante includono spesso un componente di raffrescamento evaporativo indiretto, la cui efficacia dipende dall’umidità dell’aria esterna e può raggiungere il 60-85%.
Gruppi frigoriferi ad assorbimento e la loro integrazione con i sistemi desiccanti
Un gruppo frigorifero ad assorbimento è una macchina frigorifera termica che utilizza l’acqua come refrigerante e una soluzione di bromuro di litio (LiBr) come assorbente. Il principio di funzionamento si basa su un ciclo a quattro componenti:
1. Nell’evaporatore l’acqua evapora a bassa pressione (0.8-1.2 kPa) e bassa temperatura (4-9°C), sottraendo calore all’acqua da raffreddare.
2. Nell’assorbitore il vapore acqueo viene assorbito dalla soluzione concentrata di LiBr, rilasciando calore di assorbimento che deve essere smaltito.
3. Nel generatore la soluzione diluita viene riscaldata a 80-95°C per le macchine a singolo stadio (130-160°C per quelle a doppio stadio), provocando la liberazione del vapore e il ripristino della concentrazione della soluzione.
4. Nel condensatore il vapore condensa, cedendo calore all’acqua di raffreddamento.
Il coefficiente di prestazione (COP) dei gruppi ad assorbimento è in genere 0.6-0.75 per le macchine a singolo stadio e 1.1-1.3 per quelle a doppio stadio. Sebbene questi valori siano inferiori rispetto ai gruppi a compressione di vapore (COP 3.5-5.0), i sistemi ad assorbimento utilizzano energia termica a basso costo invece della più costosa energia elettrica, con conseguenze rilevanti sulla valutazione economica.
Esistono tre schemi principali di integrazione della deumidificazione desiccante con i gruppi ad assorbimento:
1. Schema in serie: l’aria attraversa prima la ruota desiccante, dove viene deumidificata e riscaldata dal calore di sorzione, quindi viene raffreddata dal gruppo ad assorbimento fino alla temperatura impostata. Vantaggio: controllo indipendente di temperatura e umidità, che consente di mantenere un punto di rugiada basso indipendentemente dalla temperatura dell’ambiente.
2. Schema in parallelo: il desiccante tratta solo l’aria esterna di rinnovo, rimuovendo l’umidità prima dell’immissione nell’ambiente, mentre il gruppo ad assorbimento tratta l’aria di ricircolo gestendo il carico sensibile. Vantaggio: riduzione del carico complessivo sul gruppo frigorifero, con possibilità di diminuirne la taglia.
3. Schema di cogenerazione: un’unica fonte di energia termica alimenta sia la rigenerazione del desiccante, sia il generatore del gruppo ad assorbimento tramite un sistema di distribuzione. Vantaggio: massima valorizzazione dell’energia primaria del combustibile; il rendimento globale del sistema può raggiungere il 70-85%.
Efficienza energetica e indicatori di prestazione
Il coefficiente di prestazione (COP) dei sistemi di raffreddamento desiccante è definito come il rapporto tra la potenza frigorifera utile e la somma di tutte le spese energetiche. I valori tipici di COP per i sistemi desiccanti dipendono dalla configurazione e possono andare da 0.8 a 1.5 per lo schema base, e fino a 2.5 per gli schemi con recupero di calore.
Rispetto ai sistemi tradizionali di raffreddamento con deumidificazione, i sistemi desiccanti presentano vantaggi nelle seguenti condizioni:
1. Alta quota di carico latente (rapporto di calore sensibile, sensible heat ratio, inferiore a 0.7).
2. Esigenza di un punto di rugiada basso (inferiore a 7-10°C), dove i sistemi a condensazione diventano inefficaci.
3. Disponibilità di energia termica a basso costo, che rende economicamente conveniente la rigenerazione termica.
Per migliorare l’efficienza energetica dei sistemi desiccanti si adottano approcci innovativi come la rigenerazione a due stadi. In tale schema il primo stadio utilizza calore a temperatura più bassa (50-70°C) per rimuovere una quota dell’umidità, mentre il secondo impiega calore a temperatura più alta (80-120°C) per eliminare l’umidità residua. Ciò consente di risparmiare il 25-40% di energia ad alta temperatura.
Applicazioni tipiche dei sistemi desiccanti
I sistemi di raffreddamento desiccante trovano ampia applicazione in vari settori:
Supermercati: Le vetrine refrigerate aperte generano un carico latente significativo. I sistemi desiccanti mantengono l’umidità al 40-45%, riducendo la condensazione sugli evaporatori e i consumi delle apparecchiature frigorifere. Ulteriore vantaggio è la possibile utilizzazione del calore di scarto dei condensatori (35-45°C) per la rigenerazione dei desiccanti a bassa temperatura.
Hotel: L’aria di rinnovo, che rappresenta il 20-30% del volume totale di ventilazione secondo le norme, porta il principale carico latente. Il sistema desiccante riduce l’umidità, consentendo di ridurre la taglia del gruppo frigorifero del 15-30% e di abbassare il picco di consumo elettrico, fattore critico per gli hotel, dove il picco mattutino coincide con la tariffa massima.
Piscine: L’evaporazione dalla superficie dell’acqua genera un carico latente elevato con rapporto di calore sensibile (sensible heat ratio) intorno a 0.3-0.4, indicativo della prevalenza della componente latente. I sistemi desiccanti sono ideali in tali condizioni.
Sistemi con raffrescamento radiante: Le superfici fredde a 15-18°C richiedono che il punto di rugiada dell’aria sia più basso di 2-3°C per evitare la condensazione. Il sistema desiccante mantiene stabilmente un punto di rugiada basso, necessario per il funzionamento sicuro dei sistemi radianti.
Soluzioni progettuali e ottimizzazione dei sistemi
Nella progettazione dei sistemi di raffreddamento desiccante è necessario considerare i seguenti fattori:
Calcolo delle portate d’aria: La portata dell’aria di processo si determina dal bilancio dell’umidità come rapporto tra l’emissione di umidità e la differenza di contenuto di umidità. Ad esempio, per rimuovere 20 kg/ora di umidità con una variazione di contenuto di 6 g/kg occorrono circa 3300 m³/ora di aria. Le portate dell’aria di rigenerazione sono in genere pari al 30-50% del flusso di processo.
Scelta della temperatura di rigenerazione in funzione del tipo di desiccante e del punto di rugiada obiettivo. Regola generale: un aumento di 10-15°C della temperatura di rigenerazione migliora la profondità di deumidificazione di 3-5°C in termini di punto di rugiada, ma incrementa i consumi energetici del 15-20%.
Posizionamento ottimale degli scambiatori per il recupero energetico. Esistono varie opzioni: ruota rotativa (efficienza 65-80%, compattezza, ma lieve trasferimento di umidità), recuperatore a piastre (efficienza 50-70%, nessun trasferimento di umidità) oppure pompa di calore (COP 3-4.5, costo più elevato ma possibilità di ulteriore raffreddamento).
Minimizzazione delle perdite d’aria tra le zone: anche piccole perdite (3-5% del flusso di processo) possono peggiorare significativamente le prestazioni del sistema. Per controllarle si raccomanda di mantenere la zona di processo in pressione positiva rispetto a quella di rigenerazione.
Aspetti economici e metodologia di valutazione
I costi in conto capitale dei sistemi desiccanti con gruppi ad assorbimento sono superiori rispetto ai sistemi tradizionali. Tuttavia, tali costi aggiuntivi sono in parte compensati dalla riduzione della taglia del gruppo frigorifero e dal risparmio sugli allacci elettrici grazie alla diminuzione della potenza di picco.
I costi operativi dipendono dal rapporto tra le tariffe dell’energia termica ed elettrica. Per un sistema desiccante, i costi principali includono l’energia termica per la rigenerazione (2.5-4 kWh termici per kg di umidità rimossa) più l’energia elettrica per i ventilatori (0.2-0.5 kWh elettrici per kg di umidità rimossa). Per un sistema tradizionale: energia elettrica del compressore più reheat (complessivamente 1.2-2 kWh elettrici per kg di umidità rimossa).
La metodologia di calcolo del tempo di ritorno si basa sulla formula:
Tempo di ritorno (anni) = (Costi in conto capitale sistema desiccante - Costi in conto capitale sistema tradizionale) / (Costi operativi sistema tradizionale - Costi operativi sistema desiccante)
Sulla convenienza economica influiscono i seguenti fattori:
1. Rapporto delle tariffe tra elettricità ed energia termica: al di sotto di un valore soglia (2.5-3) i sistemi desiccanti diventano vantaggiosi.
2. Zona climatica: in climi caldo-umidi (come in molte regioni italiane in estate) il carico latente è una quota rilevante, rendendo i sistemi desiccanti più efficienti.
3. Profilo di esercizio: per strutture con lungo periodo di raffrescamento (oltre 2500-3000 ore/anno) il risparmio sui costi operativi ripaga più rapidamente i maggiori costi in conto capitale.
4. Disponibilità di calore a basso costo: la presenza di calore di scarto può ridurre i costi operativi del 30-60%, migliorando drasticamente l’economia del sistema.
Domande frequenti (FAQ)
In cosa il raffreddamento desiccante differisce sostanzialmente dal condizionamento tradizionale e quando è consigliabile?
Il condizionamento tradizionale utilizza un unico processo per ridurre contemporaneamente temperatura e umidità, raffreddando l’aria al di sotto del punto di rugiada con successivo postriscaldamento (reheat). Ciò richiede notevoli consumi energetici, la cui entità dipende dai parametri dell’aria e dalla profondità di deumidificazione. Ad esempio, per deumidificare l’aria da 14 g/kg a 7 g/kg con l’approccio tradizionale è necessario raffreddarla a 7-8°C, quindi riscaldarla a 18-22°C, perdendo il 25-40% di energia.
Il raffreddamento desiccante separa il trattamento dell’umidità da quello della temperatura, consentendo di controllare in modo indipendente questi parametri. La convenienza è determinata da tre fattori:
- Alta quota di carico latente (rapporto di calore sensibile, sensible heat ratio, inferiore a 0.7)
- Necessità di bassa umidità (punto di rugiada inferiore a 7-10°C)
- Disponibilità di energia termica a basso costo (calore di scarto, energia solare, gas economico)
Per valutare la convenienza in un progetto specifico si raccomanda un calcolo comparativo dei costi operativi annuali, tenendo conto delle tariffe locali dell’energia e delle peculiarità dell’impianto.
Come funziona un gruppo frigorifero ad assorbimento e perché si combina efficacemente con il desiccante?
Il gruppo ad assorbimento funziona su un ciclo termochimico in cui l’acqua è il refrigerante e la soluzione di LiBr è l’assorbente. Nell’evaporatore l’acqua evapora a bassa pressione (0.8-1.2 kPa), sottraendo calore all’acqua da raffreddare. Il vapore è assorbito dalla soluzione concentrata di LiBr nell’assorbitore, con rilascio di calore di assorbimento. La soluzione diluita viene riscaldata nel generatore (80-95°C per le macchine a singolo stadio, 130-160°C per quelle a doppio stadio), provocando l’evaporazione dell’acqua e il ripristino della concentrazione. Il vapore condensa nel condensatore, chiudendo il ciclo.
Il COP dei gruppi ad assorbimento (0.6-0.75 per i monostadio, 1.1-1.3 per i bistadio) è inferiore a quello degli elettrici (3.5-5.0), ma la possibilità di alimentazione da fonti termiche a basso costo compensa l’efficienza inferiore. La sinergia con il desiccante si manifesta in tre aspetti:
- Entrambi i sistemi consumano energia termica, consentendo di spostare il carico dalla rete elettrica
- La pre-deumidificazione con desiccante consente di aumentare la temperatura dell’acqua refrigerata da 6-7°C a 12-15°C, migliorando il COP della macchina ad assorbimento del 10-20%
- La possibilità di usare un’unica fonte di calore per entrambi i processi massimizza l’utilizzo dell’energia primaria
Quali sono gli errori tipici nella progettazione dei sistemi di raffreddamento desiccante?
Nella progettazione dei sistemi desiccanti si riscontrano spesso i seguenti errori:
- Sottovalutazione del calore residuo: si dimentica che la rimozione dell’umidità rilascia calore di sorzione (circa 2500-3000 kJ/kg di umidità), che richiede ulteriore capacità frigorifera. Soluzione: calcolare il carico totale includendo il calore di sorzione.
- Scelta errata del rapporto tra flussi: il rapporto ottimale tra flusso di processo e di rigenerazione dipende dalla temperatura di rigenerazione, dai parametri dell’aria esterna e dal punto di rugiada obiettivo. Soluzione: eseguire calcoli basati sulle isoterme di adsorbimento per le condizioni specifiche.
- Trascurare le perdite d’aria: anche piccole perdite (3-5%) riducono sensibilmente le prestazioni. Ad esempio, una perdita del 5% di aria con contenuto di umidità di 14 g/kg nel flusso con 7 g/kg innalzerà il contenuto in uscita a 7.35 g/kg, peggiorando nettamente le caratteristiche. Soluzione: tenute di qualità, verifica della tenuta, mantenimento di pressione positiva.
- Filtrazione dell’aria insufficiente: le impurità riducono la capacità adsorbente del desiccante del 5-15% all’anno, a seconda del tipo e della concentrazione degli inquinanti. Soluzione: installare filtri della classe adeguata (minimo F7), effettuare controlli periodici della qualità dell’aria.
Conclusioni
Il raffreddamento desiccante con gruppi ad assorbimento rappresenta una tecnologia ad alta efficienza energetica che separa il trattamento del carico sensibile e di quello latente, utilizzando energia termica al posto di quella elettrica. Questa tecnologia è particolarmente efficace nelle condizioni climatiche italiane, caratterizzate da elevata umidità estiva.
Per ottenere la massima efficienza dei sistemi di raffreddamento desiccante si raccomanda di:
- Scegliere lo schema di integrazione in base alla struttura del carico: in serie con alto carico latente, in parallelo con alta quota di aria esterna, cogenerativo per esigenze energetiche complesse.
- Valorizzare al massimo il calore di scarto o rinnovabile come principale fattore di convenienza economica.
- Considerare il calore residuo di adsorbimento nel calcolo della capacità frigorifera necessaria del sistema.
I sistemi desiccanti sono più convenienti quando il carico latente supera il 30-40% del totale, quando è richiesto un punto di rugiada basso e quando è disponibile energia termica a basso costo. Il tempo di ritorno di tali sistemi dipende dal rapporto tra le tariffe energetiche, dal profilo di esercizio e dalla possibilità di recupero del calore.
Al contempo, è necessario comprenderne i limiti. Il raffreddamento desiccante può essere inefficiente con carico latente basso, in assenza di accesso a energia termica, in climi molto secchi, nonché per impianti di piccola scala, dove la complessità del sistema non è giustificata dagli elevati costi specifici in conto capitale.
