Area tecnica

 

Parliamo di impianti solari...

FUNZIONAMENTO GENERALE DI UN IMPIANTO
TIPOLOGIE DI IMPIANTO
TECNOLOGIA COLLETTORI
SOLUZIONI IMPIANTISTICHE

FUNZIONAMENTO GENERALE DI UN IMPIANTO

Vorrei sapere qualcosa sugli impianti solari termici...
Bene, parliamone allora. Sono la mia passione!
Come funziona un impianto solare?
Un impianto solare termico ha la funzione di convertire la radiazione solare in energia termica che viene utilizzata per riscaldare dell'acqua oppure dell’aria.
La soluzione tecnologica più diffusa utilizza i pannelli solari per riscaldare l'acqua per uso sanitario, cioè quella utilizzata per fare la doccia ad esempio, ma le applicazioni possono essere estese a tutti quegli utilizzi caratterizzati da un elevato consumo di acqua calda a temperature comprese tra i 30-90°C ed anche oltre.
Altre applicazioni tipiche per i pannelli solari sono infatti il riscaldamento di acqua per la climatizzazione invernale degli ambienti, per il riscaldamento di piscine, per processi industriali a bassa temperatura, come lavanderie industriali, etc.
Un'altra applicazione meno diffusa perchè ancora costosa e poco sperimentata è il “solar cooling”, ovvero l’utilizzo dell’energia solare in abbinamento a speciali macchine frigorifere  per generare acqua refrigerata che si può poi utilizzare ad esempio per raffrescare gli edifici. In Italia vi sono alcuni impianti sperimentali, mentre in Germania dove vi è uno specifico sistema di incentivazione questo sistema si sta diffondendo maggiormente.

Potresti spiegarmi come funziona un impianto solare con un esempio?
Guardiamo questo schema:
Schema di principio di un impianto a circolazione forzata

esso illustra il funzionamento di un impianto solare termico a circolazione forzata. I pannelli (1), posizionati in copertura, raccolgono la radiazione solare e la trasferiscono al circuito solare primario. Il circuito primario, a sua volta, trasporta l'energia termica mediante un circolatore (3) fino al bollitore solare (5) posizionato in centrale termica. Il fluido che circola nel circuito primario è generalmente una miscela di acqua e glicole (7), ed è previsto un vaso d’espansione (4) per permetterne l’espansione quando esso si riscalda durante il funzionamento. Nella parte bassa del bollitore è posizionato uno scambiatore di calore a serpentino che consente di trasferire il calore dal circuito all'acqua sanitaria contenuta nel bollitore stesso. Se vi fossero condizioni atmosferiche non ideali, con basso irraggiamento solare, allora potrà intervenire la caldaia inviando acqua calda nel serpentino superiore per integrare l'energia termica che i pannelli solari non sono riusciti a fornire. Il controllo dell’intero sistema è affidato ad un apposito regolatore solare (6).

TIPOLOGIE DI IMPIANTO

Come faccio a capire che l'impianto è a circolazione forzata?
In generale possiamo avere impianti a circolazione naturale o forzata. Nel caso della circolazione naturale, il fluido termovettore del circuito primario..
Cosa intendi per circuito primario?
Il circuito primario è quello che collega i collettori solari con il bollitore solare.
E per fluido termovettore?
Il fluido termovettore è il fluido che trasporta il calore immagazzinato nei collettori solari e lo porta nel bollitore, quindi è il fluido contenuto nel circuito primario. Dato che dovrà sopportare forti sbalzi termici, non potrà essere semplice acqua ma dovrà essere additivato con una sostanza che ha  funzione di antigelo, come il glicole propilenico.

E' vero che il glicole abbassa le prestazioni dell'impianto?
Sì, l'acqua avrebbe una migliore capacità di accumulo del calore, ma per questioni di sicurezza dobbiamo utilizzare questa sostanza che ci consentirà di proteggere l'impianto nel suo funzionamento nel tempo, evitando problemi di surriscaldamento e congelamento delle tubazioni.

Parlavamo di impianti a circolazione naturale...
Sì, infatti... prima che tu mi interrompessi. Dicevo appunto che nel caso di impianti a circolazione naturale, il movimento del fluido termovettore nel circuito primario è dato esclusivamente dalla diminuzione di densità che si verifica nel fluido stesso quando viene riscaldato dalla radiazione solare. Il fluido riscaldato si muoverà verso la parte superiore del pannello, e da qui poi verso il bollitore che dovrà quindi essere posizionato ad una altezza superiore rispetto a quella dei pannelli. Entrando nel bollitore il fluido primario cede calore all’acqua sanitaria che vi è contenuta, si raffredda, si appesantisce e quindi “ricade” e rientra nella parte bassa del pannello  solare per ricominciare il ciclo. Si innesca quindi una vera e propria circolazione.


Schema di principio di un impianto a circolazione naturale  

Riguardo la circolazione forzata invece?
La circolazione del fluido negli impianti a circolazione forzata è data da una pompa. La pompa a sua volta viene accesa o spenta da una centralina di regolazione quando si verificano determinate condizioni di temperatura nel circuito. Quando il fluido all'interno dei collettori avrà una temperatura più elevata (di almeno 5-10°C) di quella dell'acqua contenuta nel bollitore, verrà attivata la pompa di circolazione finché permangono queste condizioni. Si fissa anche la temperatura massima che si desidera raggiungere nel bollitore, ad esempio 60°C, oltre la quale il sistema di circolazione del fluido primario non entra in funzione. Le temperature nell'impianto vengono rilevate mediante sonde collegate alla centralina di regolazione. In generale si avranno tre sonde, una nei collettori, una presso lo scambiatore di calore nel bollitore, ed una nella parte centrale o alta del bollitore. Come già detto, quando le sonde immerse nel bollitore segnalano alla centralina che è stata  raggiunta la temperatura impostata, la centralina ferma il circolatore.
Un impianto a circolazione forzata è più complesso di uno a circolazione naturale...
Sì, l'impianto è leggermente più complesso, e la scelta tra una soluzione impiantistica e l'altra deve essere fatta a seconda dell'utilizzo che verrà fatto dell'impianto e del sito di installazione. A volte ad esempio, per questioni di ingombro non è possibile installare internamente il bollitore.
In generale si può dire che l'impianto a circolazione naturale ha un uso prevalentemente estivo, è caratterizzato da un costo di impianto leggermente inferiore, ha un impatto estetico più forte, nel senso che è molto visibile sulle coperture degli edifici o nelle installazioni a terra proprio per la necessità di dover posizionare il bollitore al di sopra dei pannelli...
Gli impianti a circolazione forzata consentono invece applicazioni più flessibili in quanto è possibile avere un maggior controllo sull'impianto, infatti possono essere realizzati impianti più complessi. Ad esempio il sistema di regolazione consente di evitare problemi di surriscaldamento, inoltre il sistema di accumulo posizionato all'interno consente minori dispersioni termiche, si può collocare in posizione verticale e permettere la stratificazione dell'acqua calda accumulata. E' possibile integrare l'impianto nel contesto architettonico, e complessivamente si ha una maggiore efficienza nel funzionamento.

Scheda: Sistema solare a circolazione naturale

Scheda: sistema solare a circolazione forzata
Mi chiedevo, come devono essere orientati i pannelli per una buona installazione?
La parte principale del sistema solare sono proprio i collettori solari. Per garantire una buona producibilità bisogna rispettare alcune regole, conoscere la radiazione solare, evitare gli ombreggiamenti ed avere esperienza per valutare la migliore integrazione architettonica dell'impianto nel contesto in cui vengono inseriti.  I collettori vanno preferibilmente orientati verso sud, si rendono accettabili discostamenti di più o meno 30° dal sud, oltre questo discostamento bisogna valutare se aumentare la superficie di captazione.


impianto solare integrato

SOLUZIONI IMPIANTISTICHE

Devono essere inclinati rispetto al piano orizzontale?
Diciamo che questo dipenderà dalla tipologia di impianto e se il suo funzionamento è ottimizzato per l'inverno o per l'estate. Per ricordarci quale sia l'inclinazione corretta dobbiamo far riferimento all'altezza del sole nei vari periodi dell'anno e ricordarci che verrà captata una maggior radiazione se i pannelli solari sono perpendicolari alla radiazione stessa. Quindi se un impianto ha un funzionamento annuale come un impianto per la produzione di acqua calda sanitaria allora sarà ottimale una inclinazione pari alla latitudine del luogo,  ovvero in Nord Italia circa 45°. Se l'utilizzo sarà prettamente estivo, come per un impianto che scalda l'acqua calda per un campeggio al mare, allora l'inclinazione potrà essere di circa 30°. Infine se l'impianto ha anche una funzione invernale, come l'integrazione del riscaldamento degli ambienti l'inclinazione dovrà essere molto elevata per arrivare a circa 55-60°.
Quali sono le modalità di installazione più consuete?
I pannelli solari possono essere installati sulla copertura dell'edificio, piana o inclinata, su una struttura dedicata, o anche a terra, con la cura di evitare distanze troppo elevate tra pannelli e utenza per evitare perdite termiche nel trasporto dell'energia termica.

TECNOLOGIA COLLETTORI

Interessante...e quali tipologie di pannelli solari sono più comuni?
I pannelli solari sono principalmente di due tipologie. Da una parte abbiamo i collettori piani, e dall'altra i collettori a tubi sottovuoto. Parliamo prima dei collettori piani. Il cuore del pannello è la piastra assorbente dove viene captata la radiazione solare. La radiazione solare deve poi essere trasferita nella tubazione saldata sul retro della piastra captante.

caratteristiche tecniche di un pannello solare piano

Un pannello di elevata qualità deve ottimizzare il “lavoro” della piastra captante, ovvero deve far sì che la maggior parte della radiazione raccolta venga effettivamente immagazzinata, non persa e venga trasmessa al fluido termovettore. Per questo la piastra captante e la tubazione sottostante vengono realizzate con un materiale che abbia un'elevata conducibilità termica come il rame. La piastra inoltre, nella parte superiore viene trattata affinché possa aumentare la capacità di assorbimento della radiazione e diminuire l'emissività. Questo significa che sarà un materiale caratterizzato dalla capacità di raggiungere temperature elevate senza disperdere il calore assorbito. Il trattamento di cui stiamo parlando viene realizzato ad esempio con la deposizione di un sottilissimo strato di ossido di titanio sopra la piastra, detto anche Tinox, facilmente riconoscibile perchè conferisce un tipico colore blu metallizzato.
La piastra captante viene quindi inserita in un contenitore in alluminio o in legno, isolato sul fondo e sulle pareti laterali con della lana minerale, o altro isolante capace di resistere ad elevati stress termici. Nella parte superiore infine il pannello viene chiuso con una lastra di vetro caratterizzata da elevata trasparenza, a basso contenuto di ferro e a volte con trattamento antiriflesso mediante texturizzazione, che visivamente si riconosce perchè conferisce un tipico effetto di ruvidità, anche se al tatto la superficie rimane liscia.

I collettori sottovuoto invece come sono realizzati?
I collettori a tubi sottovuoto funzionano esattamente come i pannelli piani, ovvero convertono l'energia solare in energia termica, ma utilizzano il vuoto per isolare il pannello dall’ambiente esterno, consentendo di migliorare il rendimento nei periodi in cui vi è scarso irraggiamento e vi sono bassi valori della temperatura ambiente. Sono le condizioni tipiche della stagione invernale.

pannello solare a tubi sottovuoto “heat pipe”

I tubi sottovuoto si dividono  a loro volta in varie tipologie.
Nella maggior parte dei tipi il fluido primario entra ed esce da un tubo vetro a doppia parete, con il vuoto creato tra le due sottili pareti di vetro. E’ una tecnologia molto semplice, la stessa tecnologia del “thermos” da campeggio.
In altri ancora il fluido primario viene fatto scorrere all’interno di un tubo di vetro a singola parete completamente evacuato, come una lampadina con una serpentina all’interno, giusto per intenderci. Infine vi è la tecnologia detta “heat pipe”, o tubo di calore, quando il tubo di vetro evacuato costituisce un sistema isolato, come si vede da questa immagine. Dal tubo di vetro evacuato fuoriesce un’ampolla di rame che viene inserita nella testata del collettore, dove scorre il fluido primario.

Caratteristiche tecniche di un pannello solare sottovuoto di tipo “heat pipe”

Entro il tubo sottovuoto è alloggiata la piastra captante realizzata con un materiale avente elevata conducibilità termica, solitamente rame, rivestito con trattamento tipo ossido di titanio (Tinox), che garantisce un elevato assorbimento della radiazione solare ed una bassa emissività della radiazione captata. Sul retro della piastra è saldato un tubo di rame entro cui scorre un fluido, che può essere acqua, alcool, oppure miscela di acqua e glicole, che essendo in condizioni di bassa pressione compie cicli di evaporazione e condensazione. Il calore viene prelevato dalla piastra grazie all’evaporazione del fluido bassobollente, e poi rilasciato per condensazione all’interno dell’ampolla immersa. Il calore viene poi ceduto dall’ampolla per conduzione all'acqua del circuito primario che passa proprio nella testata del collettore e trasporta l'energia termica nel bollitore. Nonostante la complessità del ciclo e lo scambio “a secco” nella testata, l’efficienza di questi tubi è molto elevata in quanto sfruttano il principio della pompa di calore, cioè del trasporto di calore mediante un ciclo di evaporazione-condensazione. Il fluido che circola nel sottovuoto non è quindi in contatto diretto con il fluido del circuito primario. Il movimento del circuito primario viene regolato da una pompa e da una centralina di regolazione.

Un collettore piano ed un collettore sottovuoto hanno le stesse prestazioni?
Dipende. Le performance di un collettore piano e di uno sottovuoto differiscono principalmente nel periodo invernale, quando si hanno grandi differenze di temperatura tra l'ambiente ed il collettore. E poi dipende dal tipo di sottovuoto, come abbiamo appena visto.
Quindi per un'applicazione ottimizzata per il periodo invernale il collettore sottovuoto è consigliato...
Quello che dici è vero, ma si ottengono ottimi risultati anche con i collettori piani valutando correttamente la quantità di superficie da installare. Non esistono regole assolute, ma ogni installazione va valutata in funzione del sito geografico, del contesto in cui l'impianto viene inserito e dell'utilizzo che si intende fare del calore prodotto.
In generale si può dire che un sistema solare con collettori sottovuoto di buona qualità ha un costo iniziale di investimento leggermente superiore ad un equivalente sistema con collettori piani. Nel caso dei collettori piani si ha una maggiore versatilità nell'integrazione architettonica dell'impianto, inoltre nonostante entrambi siano realizzati con vetri antigrandine il collettore piano ha una maggiore resistenza. Ripeto, ogni applicazione deve essere valutata secondo le condizioni del caso.

Scheda: pannelli solari piani

Scheda: pannelli solari sottovuoto

Esistono collettori specifici per piscina?
Esistono delle tipologie di collettori non vetrati realizzati in EPDM, di colore scuro che vengono utilizzati esclusivamente nel periodo estivo per il riscaldamento di acqua di piscina.

collettore non vetrato in gomma EPDM per piscina
 

collettore non vetrato in gomma EPDM per piscina SOLUZIONI IMPIANTISTICHE

Quali applicazioni vengono quindi tipicamente realizzate con gli impianti solari?
Vediamo alcuni esempi. Questo è un tipico esempio di impianto solare a circolazione forzata per la produzione di acqua calda sanitaria. Il calore assorbito dai pannelli viene trasmesso al bollitore e quindi all'acqua in esso contenuta per uso sanitario. Il bollitore può essere collocato in un apposito vano tecnico, nel sottotetto o in centrale termica. Il posizionamento in verticale favorisce la stratificazione della temperatura che consente una maggiore efficienza del sistema in quanto evita fenomeni di miscelazione, riducendo le perdite termiche del sistema. Il bollitore può inoltre contenere due scambiatori di calore. Il primo posizionato nella parte bassa è collegato ai pannelli solari, e permette ai pannelli di lavorare su valori di temperatura bassi, e quindi efficienti per l'impianto solare; nella parte più alta invece è situato il serpentino di integrazione della caldaia che lavora con temperature più elevate senza alterare la stratificazione e riscaldando solo una parte del bollitore. Un buon sistema è in grado di fornire un'autonomia del 70-80% sui fabbisogni annui di energia termica per usi sanitari.
E’ da notare che viene sempre installato un miscelatore termostatico che ha la funzione di regolare la temperatura in uscita dal bollitore mantenendola ad un valore di circa 40°C, miscelandola all’occorrenza con l’acqua della linea fredda.

Impianto solare termico a circolazione forzata per riscaldamento acqua calda sanitaria

E' possibile anche integrare il riscaldamento degli ambienti, giusto?
Sì certo. Un impianto dimensionato correttamente ed installato con tutti gli accorgimenti del caso è in grado di integrare il 40-50% del consumo totale di energia termica per uso sanitario e riscaldamento di una utenza. In questo schema è rappresentato un tipico esempio di impianto a circolazione forzata per riscaldamento acqua sanitaria e integrazione riscaldamento ambienti.
A differenza dell'impianto precedente, per accumulare il calore viene utilizzato un accumulatore inerziale, detto anche puffer, posizionato di solito nella centrale termica. Esso contiene l'acqua dell'impianto di riscaldamento alla quale si vuole cedere calore.
Nella parte inferiore è collocato il serpentino solare (disegnato in viola) collegato ai pannelli, che funziona come abbiamo appena visto cedendo il calore all’acqua.
L'accumulatore è dotato di numerosi attacchi grazie ai quali è possibile effettuare i prelievi per l’impianto di riscaldamento, che è meglio sia del tipo a bassa temperatura. Sono quindi indicati gli impianti a pavimento, a parete, a soffitto, con ventilconvettori, ecc.
Si nota poi il circuito di integrazione collegato alla caldaia, in quanto a causa della aleatorietà della radiazione solare, è sempre necessario fornire calore anche da altre fonti, meglio se rinnovabili come caldaie a legna, pompe di calore,ecc.
L'acqua sanitaria invece viene riscaldata grazie ad un serpentino istantaneo, graficamente rappresentato di colore blu, in cui avviene il suo riscaldamento alla temperatura di utilizzo mediante il semplice passaggio nella serpentina. Entra nello scambiatore istantaneo nella parte bassa del puffer ed esce riscaldata dalla sommità dell'accumulo. Anche qui deve essere montato un miscelatore termostatico.

impianto a circolazione forzata per riscaldamento istantaneo acs e integrazione del riscaldamento ambienti.

E se ci fosse una piscina?
Ecco un esempio di impianto che integra il riscaldamento di una piscina. In questo caso l'impianto è simile a quello che abbiamo appena visto, cioè è un impianto a circolazione forzata per il riscaldamento dell'acqua per usi sanitari, per l'integrazione del riscaldamento degli ambienti e per il riscaldamento di una piscina. Il riscaldamento ambienti è alimentato anche da una caldaia a legna a sua volta integrata da una caldaia a gas. L'energia termica viene immagazzinata nell'accumulatore inerziale, e all'interno vi è un serpentino per il riscaldamento istantaneo dell'acqua sanitaria.
L'impianto solare funziona con priorità sul riscaldamento dell'acqua sanitaria, quando non vi è richiesta per il sanitario l'energia verrà inviata alla piscina o allo stesso puffer per integrare il riscaldamento degli ambienti. Se immaginiamo che la piscina sia di tipo coperto, potremo avere contemporaneità di tutti e tre i carichi termici.

impianto per riscaldamento istantaneo dell’acqua sanitaria, integrazione del riscaldamento ambienti e della piscina.





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