Analisi termodinamica ed exergoeconomica di un sistema di refrigerazione a assorbimento LiBr/H₂O assistito da energia solare con ejector e accumulo termico a triplo strato

Perché gli edifici più freschi hanno bisogno di un uso più intelligente del sole

Con estati più calde e standard di vita in aumento che spingono la domanda di aria condizionata — soprattutto nelle regioni soleggiate — mantenere il comfort senza sovraccaricare le reti elettriche è diventata una sfida urgente. Questo studio esplora un modo brillante per trasformare l’abbondante luce solare in raffrescamento affidabile, utilizzando un sistema di refrigerazione che consuma poca elettricità ma sfrutta intensamente il calore. Combinando collettori solari, un serbatoio di acqua calda stratificato e un dispositivo simile a un getto, i ricercatori mostrano come fornire raffreddamento agli edifici in modo più efficiente e a costi inferiori rispetto a un chiller solare ad assorbimento convenzionale.

Un modo diverso per produrre freddo

La maggior parte dei condizionatori si basa su compressori elettrici, che gravano notevolmente sulla rete e, indirettamente, sui combustibili fossili. Il sistema esaminato qui funziona in modo diverso: utilizza il calore invece dell’elettricità come forza motrice principale. Una miscela di bromuro di litio e acqua funge da fluido di lavoro in un ciclo di refrigerazione ad assorbimento che può essere alimentato da acqua calda proveniente da collettori solari. Gli autori vanno oltre aggiungendo un ejector supersonico — un componente senza parti in movimento che usa un getto ad alta velocità per aspirare e comprimere un altro flusso. Questo ejector recupera energia che altrimenti andrebbe sprecata, contribuendo a ridurre il calore necessario per far funzionare il ciclo. Un serbatoio di accumulo termico a triplo strato, alimentato da collettori solari a tubi evacuati, immagazzina il calore solare in zone calde, tiepide e fredde separate, così il sistema può continuare a funzionare in modo regolare mentre l’irraggiamento cambia nel corso della giornata.

Come lavorano insieme sole, accumulo ed ejector

Nella configurazione proposta, la luce solare riscalda l’acqua nei collettori installati sul tetto, che poi alimentano un serbatoio di accumulo verticale diviso in tre strati di temperatura. L’acqua più calda si accumula in alto, dove fornisce calore costante al generatore del chiller ad assorbimento; lo strato intermedio funge da tampone e l’acqua più fredda si deposita in basso. Questa stratificazione riduce le oscillazioni di temperatura e sfrutta meglio la risorsa solare. La soluzione di bromuro di litio assorbe e rilascia vapore d’acqua mentre circola tra generatore, assorbitore, condensatore ed evaporatore, producendo acqua refrigerata per il raffrescamento degli edifici. L’ejector è inserito al posto di una semplice valvola di espansione in modo che, invece di lasciar cadere la pressione e dissipare energia, un flusso ad alta velocità aiuti ad aspirare il vapore a bassa pressione e a ricomprimerlo parzialmente, alleggerendo il carico sugli altri componenti e migliorando l’efficienza complessiva.

Misurare prestazioni e costi

Per quantificare i benefici, i ricercatori hanno costruito un modello informatico dettagliato che traccia massa, energia e qualità dell’energia in ogni parte del sistema. Hanno usato dati meteo orari reali di Kabul, Afghanistan, una città caratterizzata da forte irraggiamento estivo e alta domanda di raffrescamento, per vedere come si comporterebbe il sistema in una tipica giornata estiva serena. Oltre a valutare misure ordinarie di efficienza come il coefficiente di prestazione (quanto raffreddamento viene fornito per unità di calore immessa), hanno esaminato anche l’exergia, che riflette quanta parte dell’energia in ingresso rimane realmente utile dopo le perdite, traducendo questi aspetti tecnici in termini economici. Assegnando costi agli impianti e alla qualità dell’energia che scorre nel sistema, hanno potuto valutare non solo quanto bene il sistema raffreddi, ma anche quanto sia economico nel corso della sua vita utile.

Cosa rivelano i numeri

I risultati mostrano che la combinazione di collettori solari, accumulo stratificato ed ejector aumenta significativamente le prestazioni rispetto a un chiller solare ad assorbimento più semplice. Con irraggiamento solare intenso a circa 973 watt per metro quadrato a mezzogiorno, una configurazione ottimizzata raggiunge un coefficiente di prestazione di 0,74 e una misura di prestazione solare di 0,58. L’aggiunta dell’ejector aumenta l’efficienza di raffreddamento di circa il 12–13% e migliora la qualità dell’uso dell’energia di circa l’11%, riducendo al contempo il costo complessivo dell’investimento di circa il 9%. Il serbatoio di accumulo a triplo strato mantiene una netta differenza di temperatura di oltre 20 gradi Celsius tra le zone più calde e quelle più fredde a mezzogiorno, fornendo una fonte di calore stabile per il generatore anche con condizioni esterne variabili. Studi di ottimizzazione identificano ulteriormente la temperatura del generatore e il comportamento di aspirazione dell’ejector come leve chiave per bilanciare efficienza e costo.

Cosa significa per il raffrescamento futuro

Per i non specialisti, il messaggio principale è che una progettazione attenta di come trasferiamo il calore in un sistema di raffreddamento può rendere la climatizzazione solare notevolmente più pratica e conveniente. Immagazzinando il calore solare in un serbatoio stratificato e riciclando le cadute di pressione tramite un ejector, questo concetto fornisce più raffreddamento dalla stessa quantità di luce solare riducendo al contempo i costi di impianto e di esercizio. Se sviluppati e implementati su larga scala, tali sistemi potrebbero aiutare le regioni soleggiate e con reti elettriche sotto stress a soddisfare la crescente domanda di raffrescamento con minori emissioni e una minore dipendenza dai condizionatori convenzionali ad alto consumo elettrico.

Citazione: Chammam, A., Abbood, R.S., Majid, S.H. et al. Thermodynamic and exergoeconomic analysis of a solar-assisted LiBr/H₂O ejector–absorption refrigeration system with triple-layer thermal storage. Sci Rep 16, 9435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41158-2

Parole chiave: raffreddamento solare, refrigerazione ad assorbimento, accumulo di energia termica, tecnologia a ejector, efficienza energetica