Efficienza degli impianti HVAC: studi sul recupero di energia e acqua

Risparmio energetico degli HVAC con recupero di acqua: i sistemi integrati AWG

Un approccio alternativo per la riqualificazione energetica di impianti HVAC (Riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria) esistenti, ma anche per la progettazione di nuovi, si propone lo sfruttamento di più effetti utili a parità di consumo energetico, in modo da massimizzare l’efficienza globale dell’impianto, considerando le interazioni e le integrazioni delle singole parti.

Un altro aspetto interessante è focalizzato su un’inedita sinergia: risparmio energetico degli HVAC combinato con la valorizzazione dell’acqua condensata dall’aria, vista come fonte idrica invece che come prodotto di scarto. Un passo avanti in tale direzione è proposto attraverso sistemi integrati AWG (Air to Water Generator) [1].

Queste apparecchiature sono realizzate per estrarre l’acqua tramite raffreddamento dell'aria atmosferica sotto il suo punto di rugiada attraverso un ciclo inverso di compressione del vapore.

Grazie alla loro concezione polifunzionale, gli AWG integrati permettono di ottenere tre effetti utili a parità di consumo energetico:

1. la condensazione del vapor d’acqua atmosferico,
2. una portata di aria fresca e secca,
3. un flusso di calore.

L'acqua estratta da macchine progettate appositamente per questo compito è di qualità nettamente superiore rispetto al condensato proveniente da comuni impianti HVAC.

Gli AWG integrati possono essere direttamente utilizzati sia per il retrofit di impianti esistenti, per aumentarne le rese, sia per nuove installazioni; in particolar modo, la massima resa è ottenibile in quelle configurazioni di edificio che abbiano necessità di acqua, riscaldamento e raffrescamento allo stesso tempo.

La sostenibilità energetica di tali tipi di macchine può essere incrementata con sistemi che consentono di immagazzinare l'energia termica, per utilizzarla quando maggiormente richiesta e quindi favorendo un uso intelligente dell’energia consumata.

In questo campo, l'impiego dei PCM (Phase Changing Materials) sembra una soluzione molto promettente per ottenere un buon compromesso tra costi e densità di accumulo.

E' importante considerare che l’estrazione di acqua dall’aria dà le massime rese in climi umidi e caldi, mentre il territorio nazionale rientra perlopiù nella categoria di clima temperato.

In questo contesto, è quindi importante considerare la sinergia offerta dall’approccio integrato, che non limita il lavoro del sistema alla sola produzione idrica, ma permette il recupero globale di energia, offrendo, quindi, vantaggi anche in situazioni meteorologiche non ottimali per una AWG standard.

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Il Progetto Wisher

Ciò premesso, nell'ambito del progetto biennale Wisher [2], partito a fine settembre 2023, che vede coinvolte l'Università di Pavia (DICAR) e di Genova (DIME, DAD), saranno sviluppati studi per rispondere alle seguenti domande di ricerca:

• l'approccio integrato, riguardante in particolare la condensazione dell'acqua, può rappresentare una soluzione sostenibile per il miglioramento dei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC)?
• dove e in quali periodi dell'anno l’estrazione dell’acqua, in combinazione con il raffreddamento dell’aria e il riscaldamento dell’acqua, può rappresentare una soluzione vantaggiosa?
• come si può tenere conto della qualità dell'acqua in un sistema di valutazione della sostenibilità?
• in che modo è possibile valorizzare l’acqua ottenuta dall’aria in un contesto di mitigazione di impatto ambientale?
• in quali scenari economici l’integrazione con lo stoccaggio dell’energia potrebbe rivelarsi efficace?
• in che misura i sistemi di accumulo dell’energia con materiali a cambiamento di fase (PCM) possono essere efficaci e quale layout di integrazione e approccio di gestione potrebbero migliorare le prestazioni del sistema con un sistema di accumulo dell'energia che include PCM?

La ricerca prende le mosse da studi preliminari che hanno, tra le altre cose, portato alla realizzazione di applicazioni reali. Di seguito si riportano due esempi particolarmente significativi.

Casi esemplificativi dell'utilizzo di impianti AWG

A) Hotel sito a Villahermosa [3]

Uno degli ambiti ove un impianto AWG può portare particolari vantaggi è quello alberghiero. In tali tipi di edifici vengono spesso richiesti contemporaneamente: acqua potabile, un flusso di calore (almeno per l’acqua sanitaria) ed il condizionamento dell’aria.

Nel caso in esame, dopo varie analisi approfondite di tipo teorico, si è proceduto ad installare sul tetto di un hotel in Messico una macchina integrata (modello AWA 250 della SEAS sa [4]), con capacità di raffrescamento pari a 100 kW e riscaldamento pari a 120 kW. Il sistema funziona nel seguente modo: un flusso d’aria esterna, filtrato in ingresso, compreso tra gli 8’000 ed i 10’000 mc/h ora, viene raffreddato sotto il punto di rugiada nel pacco batterie dell’evaporatore, per espansione diretta del fluido refrigerante; contestualmente, avviene la raccolta del condensato.

Quest’ultimo, tramite una pompa, viene portato al sistema di trattamento che, per mezzo di vari stadi di filtrazione, sanificazione e mineralizzazione, lo porta a diventare acqua potabile. Nel frattempo, il fluido refrigerante continua il ciclo inverso, venendo aspirato in un compressore a vite e quindi rilasciato in un condensatore a piastre, ove cede il calore assorbito dall’aria all’acqua calda sanitaria (figura 1). L’aria fresca e deumidificata, proveniente dal ciclo ed uscente dal pacco batterie dell’evaporatore, viene canalizzata e può essere veicolata in un’UTA (Unità di Trattamento Aria) oppure direttamente nei locali da raffrescare, come aria di rinnovo, (figura 1).

L’albergo, ove è stato fatto l’intervento, conta 154 camere doppie ed è a pianta rettangolare. Prima dell'installazione dell'AWG, l’acqua potabile, consumata dagli ospiti, veniva fornita dai gestori, in forma gratuita, tramite bottigliette. Per il fabbisogno delle cucine, invece, venivano utilizzati dei boccioni, acquistati presso fornitori locali, e recapitati in loco tramite trasporto su ruote. L’hotel è dotato di una caldaia a GPL per il riscaldamento dell’acqua sanitaria (proveniente da acquedotto) di potenza pari a 820 kW, efficienza del 70%, collegato ad un sistema d’accumulo di 12’000 litri.

La macchina integrata è stata collegata alle cucine, sia per fornire l’acqua per la preparazione degli alimenti (incluso il ghiaccio per le bibite), sia per consentire il riempimento di brocche da distribuire agli ospiti. In questo modo si è evitato l’acquisto di bottigliette e boccioni. L’impianto integrato è stato, inoltre, collegato al sistema di accumulo dell’acqua calda e al condotto di aerazione dei locali lavanderia. Durante il periodo di test del sistema (che lavorava, come previsto, 24h/24h), l’intero fabbisogno idrico potabile e l’intera richiesta di calore per l’acqua sanitaria sono stati coperti dall’AWG integrato. Alle lavanderie è stata fornita una portata d’aria fresca e deumidificata che ha permesso migliori condizioni si confort per i lavoratori. La valutazione del risparmio energetico ed idrico ottenuti hanno permesso di effettuare delle analisi su base annuale e di quantificare il risparmio annuale in 80'000 dollari.

B) Worker Village a Dubai [5]

Un altro caso di studio reale per la ristrutturazione energetica di impianti esistenti ha riguardato un villaggio di residenze per lavoratori ubicato a Dubai. Gli worker village sono modelli di edilizia diffusi in varie parti del mondo ed in particolare negli Emirati. A Dubai esiste una regolamentazione legislativa che sancisce l’obbligo di fornire agli ospiti, tra le altre cose: spazi adeguati, acqua potabile sufficiente, acqua sanitaria riscaldata ed aria condizionata. Il villaggio operaio preso in considerazione aveva, in dotazione, boiler elettrici, asserviti ai bagni delle palazzine abitate, una caldaia a GPL ed un sistema di condizionamento realizzato tramite split per le necessità dell’edificio ospitante le cucine. In questo caso, è stata installata una macchina integrata, di caratteristiche analoghe a quella utilizzata per l’hotel in Messico, a terra, su un supporto di cemento. Nella fase di test, è stata collegata agli impianti dell’edificio ospitante le cucine (figura 2).



I dati sperimentali raccolti hanno permesso di effettuare delle analisi che sono state estese all’intero anno. In base ad esse si è potuto calcolare che la macchina è in grado di soddisfare la richiesta di acqua potabile di 800 ospiti (attualmente coperta da bottiglie), può sopperire al 100% del fabbisogno di riscaldamento di acqua sanitaria di due palazzine ed al 70% di quello richiesto dalle cucine, consentendo un risparmio annuo di circa 634'500 kWh elettrici e di circa 54'400 litri di gasolio. Inoltre può fornire l’87% di aria primaria nei locali considerati, evitando l’impiego di ulteriori 190'500 kWh elettrici. Sulla base dei risultati delle analisi, è stato poi effettuato un calcolo del ritorno dell’investimento considerando, come voci di spesa, il costo dell’impianto, dei suoi consumi, dell’installazione, della manutenzione del trasporto e dei possibili pezzi di ricambio, mentre, come voci di incasso, i risparmi precedentemente elencati, tradotti in moneta sulla base dei prezzi reali. Si è calcolato che il sistema si ripaga in circa due anni e consente di ottenere un Valore Netto Attualizzato di circa 958'000 Euro in 10 anni. Occorre anche aggiungere che la qualità dell’acqua ottenuta è stata giudicata comparabile a quella delle acque in bottiglia.

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