Solare Termico

Negli edifici residenziali il fabbisogno termico per la produzione di acqua calda rimane costante nel corso dell’anno. Un’indicazione sul fabbisogno di acqua calda è data dal numero di persone che abitano l’edificio. Solitamente il consumo giornaliero pro capite di acqua calda a 45 °C viene stimato intorno a queste cifre:

Nel caso si vogliano collegare all’impianto solare anche la lavatrice e la lavastoviglie, il fabbisogno deve essere aumentato di:

Una famiglia di quattro persone necessita, per avere un comfort medio, di circa (50 litri x 4 =) 200 l/giorno di acqua calda. Considerando anche la lavatrice si calcolano circa 230 l/giorno. Negli edifici con funzione ricettiva il fabbisogno di acqua calda è strettamente dipendente dalla presenza di clienti. Il calcolo del fabbisogno giornaliero viene eseguito sulla presenza media di persone nel periodo compreso tra maggio e agosto, e su questo dato si effettua il dimensionamento dell’impianto. I valori di riferimento per il fabbisogno giornaliero medio pro capite sono qui riportati:

Se la struttura offre anche servizio cucina, il fabbisogno di acqua calda aumenta indicativamente in questo modo:

Un agriturismo viene gestito da una famiglia di quattro persone. Durante il periodo estivo da maggio ad agosto la presenza media di ospiti è di circa 15 pernottamenti al giorno. Per gli ospiti vengono preparati due pasti al giorno. La lavatrice fa cinque lavaggi al giorno.

Se è previsto un circuito di ricircolo per la distribuzione dell’acqua calda nell’impianto, allora anche le sue dispersioni devono essere considerate come fabbisogno di acqua calda. È importante calcolare questo dato perché anche la sua dispersione può essere coperta dall’impianto solare. La quantità di questo surplus di calore dipende strettamente dalla lunghezza del circuito di ricircolo, dalla sua coibentazione e dal tipo di funzionamento (gestione a timer o a temperatura), e deve quindi essere accuratamente stimato caso per caso. Il fabbisogno di acqua calda dipende direttamente dal comportamento individuale. Per un calcolo più preciso si possono utilizzare i dati delle bollette del gas o dell’elettricità. Il fabbisogno può essere calcolato anche montando un semplice contatore di flusso nella tubatura dell’acqua calda.

Per una situazione con orientamento ideale (sud, inclinazione 30°) si utilizzano i valori di riferimento di seguito riportati per dimensionare la superficie del collettore. Questa viene quindi calcolata in relazione al fabbisogno giornaliero di acqua calda. In relazione alle zone d’Italia si possono dare i seguenti riferimenti:

Questi valori di dimensionamento permettono di coprire completamente il fabbisogno durante i mesi estivi, cioè in estate tutta l’acqua calda sanitaria viene riscaldata dall’impianto solare. Calcolato su tutto l’anno, il risparmio energetico ottenuto è di circa 50-80%. I valori in tabella devono essere ridotti del 30 % nel caso in cui si usino colletori a tubi sottovuoto.

– I valori riportati sono valori indicativi. La superficie reale dei collettori è da calcolare effettivamente sulle dimensioni dei moduli esistenti. Differenze di ±20 % possono essere considerate non problematiche.

– I valori di riferimento valgono per collettori piani. Per collettori a tubo sottovuoto sono sufficienti i 2/3 della superficie calcolata.

– Per il dimensionamento dei collettori nelle strutture ricettive bisogna utilizzare il valore medio del fabbisogno giornaliero di acqua calda calcolato nei mesi da maggio ad agosto.

Orientamenti diversi da quello ideale riducono la prestazione dell’impianto molto meno di quanto normalmente si pensi. Nella maggior parte dei casi questo può essere compensato da un minimo aumento della superficie dei collettori. Una struttura di supporto per ottenere un migliore orientamento del collettore è, ove possibile, da evitare per motivi estetici.

Il serbatoio serve a equilibrare la differenza temporale tra la presenza dell’irraggiamento e l’utilizzo dell’acqua calda. Serbatoi dall’ampio volume permettono di superare periodi anche lunghi di brutto tempo, tuttavia causano anche maggiori dispersioni di calore. Il volume del serbatoio corrisponderà circa a 50 - 70 l/(m² superficie di collettore piano). Negli impianti con riscaldamento ausiliare integrato nel serbatoio il volume in temperatura, cioè la parte di serbatoio che viene mantenuta sempre alla temperatura desiderata per l’acqua calda, viene sempre calcolato secondo il fabbisogno giornaliero di acqua calda. Dovrebbe aggirarsi sui 20l/persona. Quando si effettua il dimensionamento di grandi impianti, bisogna calcolare il volume da tenere in temperatura tenendo conto anche della potenza della caldaia.

Negli impianti semplici, come di norma sono quelli delle case unifamiliari, si preferisce solitamente impiegare all’interno del serbatoio scambiatori di calore a tubi lisci o corrugati. Negli impianti più grandi si utilizzano scambiatori di calore esterni a piastre o a fasci di tubi. La superficie dello scambiatore di calore dovrebbe essere circa 0,4 m2/(m2 superficie del collettore). Per gli impianti più grandi si calcola la potenza massima che i collettori possono trasmettere e a seconda di questa potenza si sceglie un adeguato scambiatore di calore esterno. Dove non vi è pericolo di gelo si utilizza l’acqua come liquido termovettore all’interno del circuito solare. In questo caso per evitare corrosioni bisogna aggiungere gli inibitori indicati dal produttore. Nelle zone a rischio di gelo si usa invece una miscela di acqua e di propilenglicolo atossico.

La portata del flusso all’interno del circuito solare deve essere abbastanza grande da garantire una buon asporto del calore dal collettore. Se la portata del flusso è troppo alta, però, aumenta di conseguenza la perdita di pressione nelle tubature e quindi anche l’impegno di energia che deve essere fornito da parte della pompa di circolazione.

La portata del flusso deve essere di circa 30 – 40 l/(mq/h) per ogni metro quadrato di collettore solare. Se si impiegano prefiniti collettori bisogna seguire le indicazioni del produttore.

Negli impianti di dimensioni maggiori è possibile, con un montaggio continuo in serie delle strisce di assorbimento all’interno del collettore, ottenere da una parte che in ognuna delle strip passi una quantità sufficiente di acqua per garantire un buon asporto del calore, e dall’altra che il flusso specifico attraverso tutto il collettore possa essere tenuto piuttosto basso (per esempio 12 –20 l/(m2 h)) riducendo così decisamente le spese per le tubature del circuito solare e per la pompa.

Caratteristiche di un impianto solare a pannelli solari a circolazione forzata.

Questi tipi di impianti solari utilizzano, a differenza degli impianti a circolazione naturale, per fare circolare il fluido riscaldato dai raggi solari, una pompa elettrica, governata da una centralina solare e da alcune sonde. In estrema sintesi il funzionamento di un impianto solare a circolazione forzata è questo: i pannelli solari sono collegati ad una serpentina contenuta in un serbatoio; il fluido contenuto nei pannelli solari si riscalda e fa scattare una sonda installata in prossimità dei pannelli stessi, la sonda comunica con una centralina elettronica solare che a sua volta governa una pompa elettrica. Questa pompa quindi si innesta e spinge il fluido caldo all'interno della serpentina contenuta nel serbatoio, dove lo stesso va a scaldare l'acqua che utilizzeremo per lavarci.

In pratica esistono in realtà due circuiti distinti all'interno del nostro impianto solare: un primo circuito è di tipo 'chiuso' e collega i pannelli solari alla serpentina nel serbatoio.

In questo circuito la circolazione del fluido riscaldato dal sole avviene tramite una pompa elettrica che interviene solo quando scattano determinate differenze di temperatura tra la temperatura del fluido contenuto nei pannelli solari e quello contenuto nel serbatoio. Questo viene fatto per non fare funzionare a tempo pieno la pompa che potrebbe danneggiarsi, ma soprattutto per impedire che durante la notte i pannelli solari diventino un dissipatore del calore faticosamente accumulato durante la giornata.

In questo circuito chiuso è sconsigliato immettere acqua pura, in quanto si corre il rischio che la stessa ghiacci durante i mesi invernali e che quindi rovini l'impianto solare stesso.

Per ovviare ai rischi del ghiaccio si utilizza una miscela di acqua e glicole, un pò come succede per gli impianti tradizionali di riscaldamento, dove si immette nel circuito un anti-congelante.

Il secondo circuito è di tipo 'aperto' e collega il serbatoio con il nostro impianto idrico, e quindi sfrutta la normale pressione dello stesso, per fare circolare l'acqua calda ottenuta dal Sole così da poter essere utilizzata.

Questi tipi di impianti solari utilizzano, a differenza degli impianti a circolazione naturale, per fare circolare il fluido riscaldato dai raggi solari, una pompa elettrica, governata da una centralina solare e da alcune sonde. In estrema sintesi il funzionamento di un impianto solare a circolazione forzata è questo: i pannelli solari sono collegati ad una serpentina contenuta in un serbatoio; il fluido contenuto nei pannelli solari si riscalda e fa scattare una sonda installata in prossimità dei pannelli stessi, la sonda comunica con una centralina elettronica solare che a sua volta governa una pompa elettrica. Questa pompa quindi si innesta e spinge il fluido caldo all'interno della serpentina contenuta nel serbatoio, dove lo stesso va a scaldare l'acqua che utilizzeremo per lavarci.

In pratica esistono in realtà due circuiti distinti all'interno del nostro impianto solare: un primo circuito è di tipo 'chiuso' e collega i pannelli solari alla serpentina nel serbatoio.

In questo circuito chiuso è sconsigliato immettere acqua pura, in quanto si corre il rischio che la stessa ghiacci durante i mesi invernali e che quindi rovini l'impianto solare stesso.

Per ovviare ai rischi del ghiaccio si utilizza una miscela di acqua e glicole, un pò come succede per gli impianti tradizionali di riscaldamento, dove si immette nel circuito un anti-congelante.

Pannelli solari: uno o più pannelli solari. I pannelli possono essere sia di tipo piano che di tipo sotto vuoto, a seconda delle prestazioni che si vogliono ottenere.

Serbatoio per la circolazione forzata: particolare tipo di serbatoio normalmente verticale, può contenere già al suo interno eventuali valvole di sicurezza e un vaso di espansione per evitare danni in caso di sovrariscaldamento. Il serbatoio contiene anche la serpentina per il trasferimento del calore dalla miscela di acqua e glicole all'acqua sanitaria, e a volte contiene anche una resistenza elettrica per scaldare l'acqua nel caso la stessa non sia sufficientemente calda per l'uso, oppure, sempre per questo scopo, può contenere una seconda serpentina collegata alla propria caldaia o scaldabagno, in modo da tenere sempre ad una buona temperatura l'acqua calda. Ricordiamo che il serbatoio può venire installato in qualsiasi luogo all'interno dell'abitazione.

kit di fissaggio dei pannelli per tetti a tegola: piccole staffe in acciaio da utilizzare per fissare i pannelli solari alla struttura del tetto. Nel caso si disponga di un tetto piano esiste un'altra struttura per il fissaggio su tetto piano dei pannelli solari.

pompa elettrica: pompa elettrica controllata da una centralina solare. La pompa permette la circolazione della miscela acqua-glicole dai pannelli solari al serbatoio e viceversa, ovunque il serbatoio sia installato all'interno dell'abitazione.

centralina elettronica solare: questa centralina, normalmente fornita di processore e di display per le programmazioni, controlla il funzionamento della pompa facendola partire solo quando è necessario, grazie ai dati forniti da due o più sonde inserite in vari punti del circuito solare.

I lati positivi di questo tipo di impianto sono legati principalmente al fatto che la circolazione, avvenendo in maniera forzata, permette di posizionare il serbatoio in qualsiasi posizione all'interno dell'abitazione, quindi da un punto di vista estetico dall'esterno della casa si vedranno solo i pannelli solari adagiati comodamente sul tetto.

Senza quindi gli inestetismi possibili con gli impianti solari a circolazione naturale che spesso richiedono il posizionamento del serbatoio sopra i pannelli solari in maniera a volte antiestetica o sporgente.
Non è richiesta una particolare robustezza del tetto o del sottotetto, che non deve più necessariamente ospitare un pesante serbatoio (fino a 300 - 500 Kg. ).

La circolazione forzata offre comunque un rendimento leggermente superiore di quello di un impianto a circolazione naturale, in quanto il fluido termo-vettore circola in maniera più rapida e fluida all'interno del circuito solare.

I lati negativi sono difatto legati ad un aumento dei costi di acquisto, e di eventuale assistenza in caso di guasto, della pompa, della centralina solare o delle sonde, oltre al fatto che comunque, pur consumando poca energia elettrica, l'impianto solare diminuisce la sua resa energetica in quanto dobbiamo prevedere comunque un minimo di spreco energetico per garantire la circolazione forzata del fluido caldo proveniente dai pannelli solari.

Comunque questa perdita di rendimento va a compensare con la maggiore resa di questo tipo di impianto vista nel punto precedente.

Impianti solari termici per acqua calda sanitaria ed integrazione al riscaldamento degli ambienti

Storicamente gli impianti solari termici sono stati installati per soddisfare il fabbisogno di acqua calda sanitaria durante tutto l'anno o per riscaldare piscine nel periodo estivo, dal momento che la richiesta di calore si manifesta nei periodi con maggiore irradiazione.

Negli ultimi anni, tuttavia, si sta diffondendo l'abitudine a progettare ed installare impianti combinati, ossia atti a soddisfare il fabbisogno di acqua calda sanitaria e integrare parzialmente il riscaldamento degli ambienti interni. Il reale interesse verso questa applicazione del solare termico è partito, come spesso accade, dal Nord Europa e sta trovando ampia diffusione anche in Italia.

Un impianto combinato, dunque, deve confrontarsi con due tipologie diverse di fabbisogno: quello di acqua calda sanitaria, all'incirca costante durante l'anno, e quello di riscaldamento, presente solo nei mesi invernali. Da qui nascono le modifiche da apportare in fase di progettazione, rispetto ad un impianto per la sola produzione di acqua calda sanitaria:

- aumento della superficie captante e quindi del numero di pannelli

- aumento dell'angolo di inclinazione dei pannelli per sfruttare maggiormente il sole in inverno e limitare la produzione energetica estiva. L'inclinazione di ottimo supera i 50°;

- necessità di un sistema in grado di garantire acqua a due temperature differenti per due circuiti indipendenti.

I vantaggi di questa tipologia impiantistica sono notevoli. La possibilità di soddisfare due utenze garantisce una certa flessibilità: se, ad esempio, non c'è richiesta di acqua calda sanitaria, il calore fornito dai pannelli sarà riversato verso i corpi scaldanti. Inoltre, rispetto ad un impianto per sola acqua calda sanitaria, alcune voci di costo (centralina di controllo, liquido antigelo, tubazioni del circuito primario, isolamento) rimangono invariate mentre altre (struttura di supporto, installazione) sfruttano interessanti economie di scala.

Un impianto combinato ben si adatta ad abitazioni dove già sia stato curato il risparmio energetico con un buon livello di coibentazione delle superfici disperdenti e un sistema di distribuzione del calore a bassa temperatura (riscaldamento a pavimento, a parete, a battiscopa). L'impianto solare crea un effetto sinergico rispetto a questi interventi per due motivi:

- la riduzione del fabbisogno energetico della casa;

- aumento dell'incidenza del risparmio energetico realizzato tramite l'impianto solare;

Dal punto di vista impiantistico le soluzioni maggiormente utilizzate dono due:

1. Impianto combinato con accumulo di tipo “tank in tank”. Il serbatoio per l'acqua calda sanitaria (di volume inferiore) si trova all'interno di quello destinato all'acqua del circuito di riscaldamento (fig. 1).

La forma caratteristica del serbatoio per l'acqua calda sanitaria è quella di 'fungo', in modo tale da poter sfruttare il moto convettivo dell'acqua calda che sale naturalmente verso l'alto ed è disponibile per il prelievo.

Tale soluzione è molto vantaggiosa dal punto di vista energetico, in quanto le dispersioni termiche vengono ridotte al minimo e, allo stesso tempo, si rivela molto compatta, consentendo di convogliare tutte le fonti di energia verso un unico elemento, semplificando il circuito idraulico.

2. Impianto combinato con accumulo per acqua calda sanitaria e scambiatore di calore per il circuito di riscaldamento. Adottando questa soluzione, l'energia raccolta dai pannelli viene indirizzata principalmente verso il serbatoio.
Quando l'acqua sanitaria raggiunge la temperatura desiderata dall'utenza, la centralina di controllo provvederà a deviare l'energia termica, tramite una valvola a 3 vie, verso il riscaldamento (fig. 2).

In questa configurazione il volume dell'accumulo si riduce e parallelamente i costi di impianto si abbassano.
Gli ingombri sono ridotti, ma allo stesso tempo la superficie captante risulta notevole rispetto all'accumulo, aumentando i rischi di sovratemperature nei mesi estivi.

In alternativa si può ricorrere ad uno scambiatore istantaneo per l'acqua calda sanitaria e utilizzare l'accumulo per il riscaldamento, ma gli aspetti tecnici prima evidenziati non cambiano.

fig.1. Schema idraulico semplificato di un impianto solare termico per la produzione di acqua sanitaria e integrazione al riscaldamento con serbatoio “tank in tank”.

fig. 2. Schema idraulico semplificato di un impianto solare termico per la produzione di acqua sanitaria e integrazione al riscaldamento con scambiatore di calore per il circuito di riscaldamento

Particolare attenzione va posta nella gestione dell'energia termica prodotta nei mesi in cui il riscaldamento è spento. Durante i mesi estivi, infatti, la superficie dei pannelli risulta eccessiva rispetto al fabbisogno di acqua calda sanitaria, per cui sarebbe opportuno trovare una modalità di utilizzo dell'energia prodotta, come il riscaldamento di una piscina esterna.

Qualora questo non sia possibile, si può verificare il ristagno del fluido termovettore contenuto nei pannelli che evapora e di conseguenza si espande. Questa condizione non rappresenta in sé un problema dal momento che ogni componente dell'impianto deve essere garantito per le alte temperature e soprattutto il vaso di espansione deve essere dimensionato correttamente, in modo tale da poter accogliere il volume eccedente.

Il monitoraggio degli impianti combinati richiede un livello di dettaglio molto alto per poter stabilire quanto calore viene utilizzato per la produzione di acqua calda sanitaria e quanto per il circuito di riscaldamento. Analizzando i dati disponibili finora, la copertura del fabbisogno di acqua calda sanitaria arriva fino al 90 %, mentre per il riscaldamento si può arrivare al 30 % se l'edificio è ben progettato dal punto di vista energetico. Un esempio: consideriamo una famiglia di 5 persone che vive in una casa con 140 m2 di superficie riscaldabile. Possiamo ipotizzare un fabbisogno energetico per acqua calda sanitaria corrispondente a 4.600 kWh/anno a cui vanno sommati circa 12.000 kWh/anno corrispondenti al fabbisogno di riscaldamento. Per realizzare le percentuali di copertura di cui sopra, si può pensare ad un impianto da 14 m2 di superficie captante con un accumulo complessivo di 1.000 litri che permette un risparmio annuale di circa 8.400 kWh/anno (1.000 €/anno). A fronte di un investimento iniziale complessivo di 9.000 € (considerando le attuali agevolazioni fiscali per questo tipo di interventi, IVA del 10% e detrazione IRPEF del 50%, da ripartire in 10 anni o, qualora possibile, usufruire della detrazione fiscale del 65%) il tempo di ritorno risulta quindi di 5 anni circa, un buon valore nell'ambito dell'utilizzo delle fonti rinnovabili. Se si inserisce questo esempio in un contesto ove siano presenti finanziamenti a fondo perduto statali o regionali, l'interesse e la convenienza economica di questo tipo di impianti cresce ancor più.

LA NOSTRA FILOSOFIA SUL TERMICO SOLARE

Perché abbiamo scelto di installare pannelli solari termici del tipo sottovuoto?

Il pannello solare sottovuoto ha una resa maggiore al pannello tradizionale di 30-40%. Tale performance permette di installare meno pannelli e, quindi, di far risparmiare il cliente, nonché permette in periodi invernali rigidi di avere una maggiore resa termica dell’impianto. Consigliamo di installare il pannello solare sottovuoto allorquando si utilizzano sistemi di riscaldamento radianti (parete, pavimento, ecc.).

Si consiglia inoltre di installare dei pannelli solare sottovuoto per riscaldare l’acqua della piscina, sia estiva che invernale.

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