SPECIALE ENERGIE RINNOVABILI Ospedale di Menaggio Impianto solare a concentrazione Veduta generale dell'impianto GIUSEPPE LA FRANCA architetto A ttivato circa un anno fa, l'impian/ t o solare termico a concentrazione (CSP) presso il Presidio ospedaliero Erba - Renaldi di Menaggio, in provincia di Como, è il primo del genere in un ospedale italiano. L'impianto utilizzala collaudata tecnologia della concentrazione mediante specchi parabolici, che trova larga applicazione nella prodirzione di energia elettrica e termica in grandi impianti di tipo industriale, situati in regioni fortemente soleggiate (fra cui Andalusia, California e, nel nostro Pese, in Sicilia). In questo caso, l'impianto CSP di Menaggio è del tipo "solar coolmg": ha infatti lo scopo di produrre calore dal sole, poi stoccato e impiegato per la climatizzazione degli edifìci del presidio, grazie a un gruppo frigorifero ad assorbimento dotato di sistema di alimeniazione iniegralivo a gas metano. Programmare la sostenibilità Pei" edifici particolarmente energivori quali gli ospedali, il ricorso all'energia solare costituisce una vera e propria sfida tecnologica. La nostra s Leila irraggia uniformemente l'atmosfera terrestre con una quantità enorme di luce, pari a 1.367 W/ m2 (costante solare), ma la maggior parte di questa energia non è, di fatto, utilizzabile. La forma sferica della superfìcie del pianeta, l'alternanza del giorno e della notte causata dalla sua rotazione, l'effetto schermante dell'atmosfera e le variabili condizioni meteorologiche rendono infatti poco concentrata e discontinua la sua disponibilità per i più diffusi sistemi di captazione, situati suila superficie terrestre. Oltre a richiedere ampie aree correttamente esposte ai raggi solari, i sistemi fissi piti semplici e diffusi (colleLLori solari, moduli fotovoltaici) scontano anche le problematiche tecniche connesse alla ridotta efficienza di conversione, sia essa di tipo termico o elettrico. L'impiego di dispositivi mobili, atti a orientare costantemente in modo ottimale le superfici esposte e a concentrare i raggi solari sui terminali di captazione, presenta invece importanti vantaggi tra. cui: • la minore superficie occupata dall'impianto (a parità di potenza installata); • la superiore efficienza (a seconda della tecnologia utilizzata); • la maggiore sicurezza per lo parabole, che possono brandeggiare e disporsi in posizione di sicurezza in caso di eventi atmosferici avversi. Un impianto solare a concentrazione necessita inoltre di adeguaLi sistemi per lo stoccaggio e per l'uso versatile dell'energia. In questo modo è possibile massimizzare la produzione nei periodi più favorevoli e, successivamente, rendere disponibile l'energia accumulata quando richiesta. L'impianto CSP situato presso l'ospedale di Menaggio risponde a tutti questi criteri. È sfato infatti realizzato nel conLesLo del programma per l'efficienza energetica dell'Azienda Ospedaliera Sant'Anna di Como, grazie a un contributo della Regione Lombardia che ha coperto la metà dei 680.000 curo spesi per la realizzazione. 11 tempo di rientro atteso delf'ùiveslimenlo è pari a circa 8 anni Vista dell'impianto Impianto CSP: come è fatto Il presidio ospedaliero è siluaLo ai margini dell'abitato, lungo il versante collinare che digrada verso la riva del la.go. 11 compatto edifìcio principale, dalla concezione tradizionale, e disposto attorno a tre corti. Circondato dal verde, l'ospedale risulta, ben inserito nel movimentato contesto paesaggistico; l'ingresso principale è situato a vaile ed è raggiungibile dalla viabilità locale. L'impianto CSP è stato realizzato in corrispondenza di un preesistente parcheggio a raso, su due terrazze pianeggianti rivolte in direzione sud-est, a monte rispetto al fabbricato principale dell'ospedale. Contestualmente alla sua progettazione è stala studiata la creazione di un secondo ingresso all'area ospedaliera, accessibile direttamente dalla Slrada statale 340. L'impianto è formato da quattro clementi principali. Collettori La superficie captante consiste in due collettori solari lineari a sezione parabolica, della, medesima lunghezza (sviluppo complessivo del campo pari a 80 m; apertura 4,6 m; superficie totale circa 400 m2). Ognuno dei collettori è composto da 64 specchi, ciascuno realizzato da pannelli sandwich con Funzione strutturale (doppialamiera con struttura corrugata interna, interamente in alluminio), sul cui lato concavo sono sfati depositati sfrati sottilissimi di vapori di alluminio purissimo ad altissima riflessione (99,7%) e materiali protettivi trasparenti, cheli rendono inattaccabili agli agenti esterni. Ricevitori Lungo la linea, focale eh ciascuna fifa di collettori, ovvero lungo la retta che unisce tutti i punti di massima concentrazione dei raggi solari, solare si trovano in totale 40 ricevitori cotermodinamico assiali dalla forma tubolare, collegati fra loro. Il tubo interno (dia- http://www.tecnicao5pedatiera.it/YYpJh metro 70 min) è inacciaio rivestito con un materiale altamente selettivo, caratterizzato da elevataassorbanza della radiazione solare e da bassa emissività del calore nell'infrarosso. Il tubo è sua volta con- SPECIALE ENERGIE RINNOVABILI L'IMPORTANZA DELLA DIAGNOSI L'ospedale di Menaggio dispone di un impianto di riscaLdamento invernale di tipo radiante e tradizionale, con integrazione di aria calda per alcuni settori dell' edificio, alimentato da sistemi di generazione termica convenzionali e, prossimamente, a cogenerazione. Il raffrescamento estivo fa capo a gruppi frigoriferi elettrici raffreddati ad aria. In totale la potenza nominale installata è pari a 2,3 TW. La diagnosi energetica, mirata a individuare la consistenza degli impianti e i relativi consumi, ha interessato l'intero sistema edificio/impianti con l'obiettivo di: analizzare la consistenza e le prestazioni energetiche degli edifici e delle tecnologie, oltre che i relativi consumi anche dal punto di vista storico; valutare diverse ipotesi di intervento tra loro alternative e i rispettivi benefici energetici ed economici; individuare la strategia di intervento più indicata in relazione alle attività ospitate. tenuto dentro un cilindro in vetro con trattamento antiriflesso (diametro 125 min). Per evitare la dispersione termica verso l'esterno, nell'intercapedine che li separa è stalo crealo il vuoto assoluto, garantito nel tempo grazie a un getter a base di bario e zinco. L'insieme consente l'assorbimento e il trasferimento di più del 96% dell'energia solare così raccolta. Struttura Collettori e ricevitori sono montati sopra una struttura di sostegno in carpenteria metallica, dimensionata per garantire le rigidezze flessionali e torsionali necessarie alla precisa, movimentazione del collet- Parabola e tubi collettori CICLO FRIGORIFERO AD ASSORBIMENTO La produzione di fluidi freddi per la climatizzazione degli ambienti può avvenire utilizzando l'energia termica proveniente da un fluido caldo, grazie ai cicli frigoriferi cosiddetti ad assorbimento che, nel caso dell'ospedale di Menaggio, sono del tipo a bromuro di litio (LiBr), un sale fortemente assorbente. In estrema sintesi, queste macchine frigorifere sfruttano la naturale capacità di evaporazione dell'acqua (solvente) a bassissima pressione, che avviene a temperature di qualche grado sopra 0 °C, e le proprietà fisico-chimiche del bromuro di litio (soluto), per produrre acqua refrigerata senza praticamente impiegare energia elettrica. È però necessario fornire calore ad alta temperatura: al crescere di quest'ultima, cresce anche l'efficienza del ciclo frigorifero. tore, anche in condizioni di vento, e per sopportare le notevoli e rapide escursioni termiche alle quali è sottoposto l'impianto. La struttura permette la rotazione rigida dell'insieme attorno ad all'asse orizzontale, mediante un motore elettrico con riduzione meccanica. Sistema di inseguimento solare TI cosiddetto tracker è basato su software di calcolo astronomico che regola la rotazione, orientando i collettori a seconda della posizione del sole nel cielo, con una precisione pari a 0,3 mrad. Per garantire il corretto funzionamento dell'inseguimento solare, l'algoritmo di calcolo è basato su clie- ci parametri esterni (dati geofisici, astronomici, meteorologici e temporali) ed è poi corretto da un solarimetro. Una centralina elettronica, verifica le condizioni ambientali e lo sialo delle apparecchiature compresi serbatoio di accumulo, pompa e circuili, scambiando informazioni con la centrale di controllo mediante una normale connessione dati. Il sistema è in grado di autocontrollarsi: al raggiungimento della temperatura desiderata l'impianto si dispone in condizioni di stand-by e in caso divento forte, pioggia o grandine, i collettori si sistemano automaticamente in posizione di sicurezza. D'inverno e d'estate Qualsiasi sia la posizione assunta dal Sole durante il suo moto apparente, i collettori vengono fatti ruotare automaticamente in modo che la luce solare incidente sulle suporfici speculari sia riflessa sempre verso il tubo ricevitore. Nell'arco di pochi minuti dalla comparsa del Sole all'orizzonte, l'impianto raggiunge rapidamente la propria temperatura operativa, normalmente superiore a 180 °C (T min.: 110 °C). 11 fluido Lermoveltore uli- COLLETTORE 1 ACQUA 7 ° C ACQUA 1 2 ° C - - ""I Jx. lizzato è l'olio minerale diatermico, un liquido impiegalo nei processi industriali che richiedono il trasporto di calore a temperature più elevate rispetto a quelle di evaporazione dell'acqua (fino a 300 °C), anche a pressione atmosferica.. L'olio diatermico non è tossico né corrosivo: e caratterizzato da una riddila viscosità, che ne facilita lo scorrimento e permette l'avviamento a freddo dei circuiti (condizioni operative: -10 -f +50 °C), oltre che da potere lubrificante e da un'azione protettiva nei confronti dei meccanismi (pompe, valvole ecc.). L'olio surriscaldato (7001), che circola, nell'impianto a velocità comprese tra f e 2,5 m/s, è inviato al serbatoio di stoccaggio (1.300 I), con funzione eli volano termico e opportunamente isolato per minimizzare le dispersioni, dal quale viene poi inviato agli scambiatori di calore (acqua calda per riscaldamento, acqua calda sanitaria) e al gruppo frigorifero ad assorbimento (acqua refrigerata). Nel primo caso, l'acqua calda prodotta integra il contributo termico appannaggio dcUc caldaie e del nuovo gruppo di cogenerazione, che sarà installato presso il presidio entro la fine del w ACCUMULO Q U O CALDO ^V 2014. Nella, stagione calda, l'impiego di un gruppo frigorifero ad assorbimento (potenza 230 kW) permette lo sfruttamento dell'energia solare termica per la produzione di acqua fredda a 7 "C (solar cooling). L'elevata temperatura disponibile consente infatti l'utilizzazione di un cicli frigoriferi a doppio stadio, con valori di efficienza per il raffrescamento (COP) pari a quasi il 200% rispetto a un gruppo frigorifero ad assorbimento mono-stadio, operante con acqua calda. Si realizza così un significativo incontro Ira la. domanda di freddo e l'offerta energetica solare: maggiore è l'irraggiamento solare e, di conseguenza, la temperatura atmosferica, maggiore è la quantità di frigorie che si riesce a produrre. Nel caso ette rimpianto CSP (rendimento campo solare > 50%) non sia in grado di fornire il contributo termico richiesto dal ciclo frigorifero ad assorbimento, il gruppo è equipa.ggiato con un bruciatore modulante a gas, che entra in funzione automaticamente per incrementare la potenza, termica, fino a raggiungere temperature necessarie. In gran parte formato da componenti prodotti in Italia, rimpian- to CSP ha. una. potenza, di picco di 233 lcW: è in grado di coprire circa il 30% dei consumi annuali di energia termica dell'ospedale, if cui fabbisogno energetico nel 2008 è risultato pari a 2.080 MWh. Il punto di lavoro dell'impianto CSP si situa a +40 °C dal limite di infiammabilità dell'olio diatermico: per garantire la sicurezza nel funzionamento a regime è stato perciò necessario inertizzare il sistema. La parola ai tecnici Abbiamo chiesto all'ing. Flavio Marzoraii, Responsabile del Lio Servizi Tecnici e Patrimonio dell'Azienda Ospedaliera Sant'Amia di Corno, come è nato il progetto per SPECIALE ENERGIE RINNOVABILI L'ospedale del Lario centrale http://www.tecnicaospedaliera.it/APAS1 l'impianto CSP. «La scelta di optare per la tecnologia CSP è stata motivata principalmente dalla, possibilità di evitare l'acquisto di nuovi gruppi frigoriferi e delle relative torri di raffreddamento. Abbiamo potuto così manienere la cabina elettrica esistente, che non permetteva integrazioni di potenza erogabile, ed evitare le problematiche di installazione in spazi ristretti delle nuove macchine. A oggi, l'impianto garantisce la copertura del fabbisogno di raffrescamento di un terzo circa dell'ospedale. Il migliore risultato conseguito è costituito dalla considerevole riduzione dei consumi complessivi di gas per il riscaldamento invernale. Per aumentare l'efficienza e i recuperi energetici sono stati studiati accumuli maggiorati eli acqua refrigerata, in modo da utilizzarla anche nelle ore in cui il sole è mdisponibile. Questo accorgimento ha inoltre comportato una migliore gestione del furi- COS'È IL SOLAR COOLING? Letteralmente significa "raffrescamento solare": si tratta di una tecnologia ancora poco diffusa, che abbina dispositivi solari termici e gruppi frigoriferi ad assorbimento. Il suo principale vantaggio consiste nella possibilità di sfruttare la concomitanza, nel periodo estivo, tra la maggiore disponibilità di energia solare e la domanda di energia per il raffrescamento. La variabilità delle condizioni atmosferiche rende discontinua la raccolta dell'energia solare, perciò guesti sistemi dispongono normalmente di dispositivi di accumulo. Il solar cooling consente perciò il migliore impiego della fonte rinnovabile solare, riducendo di conseguenza i consumi di energia elettrica in capo ai gruppi frigoriferi tradizionali, normalmente demandati alle funzioni di integrazione e riserva. Quando viene attivato, l'impianto raggiunge la temperatura operativa in 10 minuti pertutto il giorno zionamento delle pompe». Quali soluzioni avete allo studio per ottimizzare ulteriormente il funzionamento dell'impianto? «Stiamo valutando la possibilità dello "scrollainento" delle utenze servite, così da poter privilegiare il funzionamento in solar cooling e riservare gli altri gruppi frigoriferi per l'integrazione, qualora l'impianto CSP non riuscisse a. garantire il carico. Per massimizzare il rendimento, mi ulteriore provvedimento attuabile sarebbe l'impiego della produzione eccedente di calore per produrre elettricità - forma di energia sempre richiesta d'estate conte d'inverno, giorno e notie. In questo caso la macchina pensala funzionerebbe con "effetto Stiriing". Al momento, siamo alla ricerca di soluzioni tecnicamente compatibili con quest'ultima ipotesi». L'ing. Matteo Palazzetti (Nova Engineering Project) ha progettato e diretto i lavori di realizzazione dell'impianto CSP: «L'energia solare costituisce la fonte rinnovabile che, al momento, presenta il maggior potenziale di sviluppo e sfruttamento, a liveUo europeo e mondiale. Il progetto coniuga diverse tecnologie innovative in un sistema coordinato di produzione del calore e del freddo, che si propone come esempio nel settore delta termotecnica applicala alle strutture sanitarie, vocale a un futuro sostenibile negli impianti di climatizzazione, in grado di definire una sorta di linea guida, anche per quanto attiene altri aspetti rilevanti tra cui quelli connessi alla sicurezza antincendio e alla, prossimità con l'eli-piattaforma al servizio dell'ospedale. L'impianlo è sialo studialo per soddisfare il fabbisogno energetico dell'edifìcio e, nonostante il suo carattere fortemente innovativo, a poco meno di un anno dalla sua, attivazione rappresenta, un indubbio successo sia in termini di efficacia, sia per quanto attiene gli aspetti di riduzione dei consumi e di compatibilità ambientale». SRIFRvDUZlMNr. FIIJLFiv'ATA