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Un condizionatore d'aria a risparmio energetico
Mantenere l'aria fresca nelle case e negli uffici quest'estate sarà costoso: circa il 5% dell'energia utilizzata negli Stati Uniti ogni anno va al funzionamento dei condizionatori d'aria. Ma i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) degli Stati Uniti a Golden, CO, hanno escogitato un nuovo design del condizionatore d'aria che, secondo loro, aumenterà notevolmente l'efficienza ed eliminerà i gas che contribuiscono al riscaldamento globale.
Funzionamento freddo: L'ingegnere senior NREL Eric Kozubal esamina un prototipo di canale del flusso d'aria del condizionatore d'aria DEVap. Il grafico mostra come l'aria calda e umida (in rosso) cambia in aria fredda e secca (in blu) mentre l'aria passa attraverso il sistema.
La tecnologia di cui disponiamo oggi ha quasi cento anni, afferma Eric Kozubal, ingegnere senior presso NREL. Kozubal e colleghi hanno ideato un condizionatore d'aria che combina il raffreddamento per evaporazione con un materiale che assorbe l'acqua per fornire aria fresca e secca utilizzando fino al 90% in meno di energia. L'evaporativo potenziato con essiccante, o DEVap, condizionatore d'aria ha lo scopo di affrontare la vecchia lamentela, non è il calore; è l'umidità, in modo più efficiente.
Il raffreddamento evaporativo – soffiare aria su una superficie bagnata per favorire l'evaporazione – è stato a lungo utilizzato nei cosiddetti refrigeratori di palude. Un metodo chiamato raffreddamento evaporativo indiretto migliora questo design, dividendo l'aria in due flussi, separati da una membrana polimerica. L'acqua viene fatta passare attraverso una corrente d'aria, rendendola più fresca e umida; l'aria fredda raffredda la membrana, che a sua volta raffredda l'aria dall'altra parte senza aggiungere acqua.
Ma l'aria può trattenere solo così tanto vapore acqueo, quindi nei climi umidi l'effetto è limitato. In una giornata di 32 ºC a Houston, afferma Kozubal, il raffreddamento per evaporazione può portare la temperatura solo a circa 27 ºC. Idealmente, per fornire un edificio confortevole, un condizionatore d'aria dovrebbe raffreddare l'aria a 13 o 16 ºC.
NREL supera il problema dell'umidità aggiungendo un altro passaggio, l'uso di un materiale noto come essiccante che assorbe l'umidità. NREL utilizza un essiccante liquido, una soluzione sciropposa di cloruro di litio o cloruro di calcio, circa il 44% di sale in volume. In questa configurazione, un'altra membrana separa l'essiccante dall'aria che viaggia attraverso un canale. La membrana polimerica ha pori di circa 1 micrometro a 3 micrometri di diametro, abbastanza grandi da consentire al vapore acqueo di passare facilmente mentre il liquido salato rimane fermo. La membrana è inoltre rivestita con una sostanza simile al teflon per respingere l'acqua liquida. L'essiccante assorbe l'umidità dal flusso d'aria, lasciando aria secca e calda. Quindi si torna al raffreddamento evaporativo indiretto: in un secondo canale, l'acqua evapora per raffreddare un flusso d'aria secondario, che a sua volta raffredda il primo flusso d'aria, e fuoriesce aria fresca e secca.
Penso che sia molto promettente, afferma Anthony Jacobi, condirettore dell'Air Conditioning and Refrigeration Center presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Non credo che l'idea di integrare queste tecnologie sia molto nuova. Farlo con successo potrebbe essere.
La novità, afferma Kozubal, è un design che riesce a fondere il raffreddamento per evaporazione e l'essiccazione ad assorbimento in un sistema conveniente. Rende questo tipo di aria condizionata praticabile per i processi commerciali e residenziali per il raffreddamento, dice.
L'industria sta lavorando a una varietà di metodi per migliorare l'efficienza dell'aria condizionata, afferma Jacobi, dall'uso di scambiatori di calore ai miglioramenti nei sistemi di compressione delle macchine tradizionali. È un'area di grande importanza per la nazione, perché circa un terzo del consumo energetico della nostra nazione è negli edifici.
Gli Stati Uniti utilizzano circa 100 quadrilioni di British Thermal Unit ogni anno, secondo la U.S. Energy Information Administration. Fino al 40% viene utilizzato negli edifici, con circa il 5% destinato all'aria condizionata. Kozubal afferma che il suo sistema potrebbe dimezzarlo nelle aree meno umide e fino al 90% dove l'umidità è alta. Quando si parla di una tecnologia che può far risparmiare dal 2 al 3% dell'intero approvvigionamento energetico della nazione, è parecchio, dice.
L'essiccante utilizzato nel sistema è relativamente innocuo (il cloruro di calcio viene utilizzato nel sale stradale), sebbene la sua corrosività richieda l'eliminazione del metallo dall'hardware. Ciò che è particolarmente interessante è che sostituisce i clorofluorocarburi che vengono utilizzati come refrigerante nei condizionatori d'aria tradizionali. Questi CFC possono facilmente fuoriuscire e ogni chilogrammo di essi fornisce lo stesso effetto serra di circa 2.000 chilogrammi di anidride carbonica.
Kozubal afferma che potrebbero volerci circa cinque anni per sviluppare il sistema fino a un punto in cui NREL può consegnarlo all'industria per la commercializzazione. Il sistema è progettato per sostituire i sistemi esistenti senza molte modifiche, quindi potrebbe essere implementato gradualmente man mano che le persone aggiornano i loro vecchi condizionatori d'aria.
L'essiccante può essere riutilizzato semplicemente scaldandolo per far bollire l'acqua che ha assorbito. In un ambiente industriale, ciò potrebbe essere fatto utilizzando il calore di scarto di un altro processo industriale. In casa funzionerebbe il gas naturale o l'energia solare. In effetti, afferma Kozubal, la configurazione potrebbe rendere più convenienti i sistemi di energia solare termica, che assorbono la luce solare per riscaldare una casa e la sua acqua. Durante le calde giornate estive, l'energia solare che altrimenti potrebbe andare sprecata potrebbe quindi effettivamente aiutare a mantenere fresco un edificio.