Analisi sperimentale e numerica di un coating adsorbente per il controllo dell’umidità relativa = Experimental and numerical analysis of an adsorbent coating for relative humidity control

Secondo le previsioni attuali, entro il 2050 si verificherà un significativo aumento demografico globale e una rapida urbanizzazione anche di luoghi della Terra caratterizzati da climi caldi e umidi. Ad oggi la refrigerazione è responsabile per il 40 ÷ 60 % dei picchi di consumo elettrico in molte città; nell’Unione europea il settore edilizio è causa del 40 % dei consumi finali di energia e del 36 % delle emissioni totali di carbonio. Questo trend pone un serio ostacolo agli obbiettivi stabiliti nell’Accordo di Parigi per limitare in particolare l’aumento del riscaldamento globale a 2 °C rispetto ai livelli preindustriali. In quest’ottica, all’interno del progetto europeo Horizon 2020 RE-COGNITION, che si incentra sullo sviluppo di tecnologie che abilitino il maggior uso possibile di fonti rinnovabili negli edifici, è stato dedicato un task allo studio di nuovi sistemi di raffrescamento/climatizzazione estiva. L’obiettivo finale è quello di ottenere edifici a energia zero, o meglio ancora, edifici a energia positiva. Il lavoro di questa tesi è volto allo studio di un sistema ibrido di climatizzazione ambientale basato sull’utilizzo ibrido di energia solare, tramite l’uso di silica gel per il controllo dell’umidità relativa. Il sistema sfrutta uno scambiatore di calore alettato su cui viene eseguito un trattamento di coating per aumentare le superfici di scambio in gioco, rispetto ad altre configurazioni scambiatore – materiale adsorbente. Facendo attraversare lo scambiatore da un flusso d’aria umida, il materiale adsorbente si carica di vapore acqueo e deumidifica l’aria. Una volta terminato il processo di adsorbimento e di accumulo d’acqua nel materiale è necessario rigenerare il silica gel per poterlo riutilizzare. Questo si ottiene aumentando la temperatura dello scambiatore per mezzo di fonti di calore di tipo rinnovabile oppure calore di scarto. Inserendo in parallelo due scambiatori uguali, alternandone il funzionamento in adsorbimento e in rigenerazione, è possibile far funzionare senza interruzione il sistema, garantendo continuità di servizio e portando a risparmi energetici rispetto ad un sistema di refrigerazione tradizionale. Nella tesi, dopo una breve trattazione iniziale sui materiali adsorbenti, viene eseguita, supportata da un’analisi sperimentale, la caratterizzazione del silica gel in polvere che si utilizza nel sistema – in parallelo l’analisi viene svolta anche su silica gel in sfere per compararne i risultati. Viene dunque proposta una modellizzazione teorica del comportamento adsorbente del materiale, sia nella fase di deumidificazione sia in quella di rigenerazione. Il modello utilizzato, basato su un approccio di Linear Driving Force (LDF) è stato opportunamente calibrato e corretto con i risultati sperimentali. Successivamente è stata sviluppata una tecnica di coating della polvere di silica gel su superfici lisce in alluminio, in seguito utilizzate come alette di uno scambiatore di calore. Il gel di silice viene disperso come seconda fase in una matrice di polidimetilsilossano (PDMS) che conferisce al coating caratteristiche strutturali. In maniera analoga a quanto fatto in precedenza con la polvere di silica gel, la capacità adsorbente del coating viene testata in termini sia sperimentali sia modellistici.