Aspetti generali

Testo di Paola Rochira

Principi di base e componenti principali dell'impianto
I sistemi solari termici convertono l'energia solare in energia termica mediante lo sfruttamento dell'effetto serra, il calore così prodotto viene trasportato grazie al fluido termovettore circolante nei pannelli al serbatoio di accumulo dal quale in seguito viene distribuito. I componenti principali comuni a tutte le tipologie di impianto solare termico sono:
- Collettori solari
- Serbatoio di accumulo
- Circuito distributivo
- Centralina di controllo e dispositivi di integrazione termica

Collettori solari
Il collettore solare è la parte dell'impianto direttamente esposta alla radiazione solare, che converte l'energia solare in energia termica. Attualmente sono presenti sul mercato una vasta gamma di tipologie di collettori caratterizzate da livelli di rendimento e condizioni di impiego differenti:
pannelli solari vetrati semplici, pannelli solari vetrati selettivi, pannelli solari sottovuoto, pannelli solari scoperti, pannelli con serbatoio d'accumulo integrato, pannelli solari ad aria.

Pannelli solari vetrati semplici - Questi pannelli sono composti da un assorbitore costituito da una lastra metallica all'interno della quale è presente un fascio di tubi in cui scorre il fluido termovettore che viene scaldato. Tale fluido è costituito normalmente da acqua addizionata con antigelo propilenico atossico, per tollerare il freddo invernale senza congelarsi; da una lastra di vetro posta al di sopra dell'assorbitore con funzione di protezione dagli agenti atmosferici e di captazione dei raggi solari, l'assorbitore scaldandosi produce radiazione infrarossa che viene trattenuta dal vetro provocando l'effetto serra; un'isolante termico in fibra di vetro o in poliuretano espanso posto al di sotto del pannello per ridurre la dispersione di calore; una scocca in lamiera per assemblare le varie parti e conferire al pannello rigidità e stabilità.
Questo tipo di pannello rappresenta la soluzione più economica e attualmente più diffusa per le installazioni destinate a coprire il fabbisogno domestico annuale, in particolare in quelle aree geografiche in cui vi sia abbondanza di radiazione diretta anche nei mesi invernali e condizioni climatiche abbastanza miti.

Pannelli solari vetrati selettivi - Rappresentano l'evoluzione dei pannelli tradizionali ai quali viene aggiunto un trattamento elettrochimico della superficie dell'assorbitore, ciò consente di ottenere una superficie di colore nero, con alto coefficiente di assorbimento e basso coefficiente di riflessione, permettendo così di raggiungere un buon rendimento anche durante i mesi invernali.
L'installazione dei pannelli a superficie selettiva, per il loro elevato rendimento e per il loro maggior costo, è consigliata quando si prevede di utilizzarli tutto l'anno e in zone con condizioni climatiche meno favorevoli.

Pannelli solari sottovuoto (heatpipe)- Sono composti da una serie di tubi nei quali singoli assorbitori e tubazioni sono isolati mediante il vuoto, lo scopo della loro progettazione è di ridurre le dispersioni di calore verso l'esterno. Le elevate prestazioni di questo tipo di isolamento consentono un'efficienza complessiva non raggiungibile con i collettori prima descritti (possono essere superati i 100°C di temperatura), anche in condizioni climatiche severe. II costo è notevolmente elevato e può superare il 150% della spesa di acquisto dei collettori piani, per questo la scelta di applicare questi dispositivi deve essere attentamente valutata, può essere valido utilizzarli in località climaticamente rigide, in campo industriale dove occorrano elevate temperature o dove vi sia scarsità di spazio per l'esposizione del pannello; infatti questa tipologia può essere orientata con una posizione perfettamente orizzontale dei tubi a formare parapetti di terrazzi e balconi, caratteristica questa che li facilita per l'integrazione in architettura.

Pannelli solari scoperti - Sono costituiti da un semplice fascio tubiero e realizzati in materiale plastico (polipropilene, neoprene o PVC). II principio di funzionamento è quindi ridotto all'irraggiamento diretto e l'assorbimento è favorito solo dal colore nero dei pannelli. L'uso di questa tipologia è ridotta alle utenze stagionali in quanto consentono la produzione di acqua calda ad una temperatura non superiore ai 40°C. I vantaggi di questi pannelli sono legati al costo notevolmente più basso rispetto agli altri collettori solari e alla semplicità d'uso e di configurazione dell'impianto. Essi vengono percorsi direttamente dall'acqua da riscaldare che può quindi essere utilizzata senza necessità di accumulo.
Nel caso di pannelli scoperti in polipropilene, la pressione massima di circolazione dell'acqua può essere di 6 atmosfere, consentendo rendimenti più elevati e una ampia possibiltà di applicazioni (stabilimenti balneari, camping, strutture turistiche estive) rispetto ai collettori in PVC e neoprene, in cui la pressione massima consentita è di 1 atmosfera, e quindi l'uso si limita al riscaldamento delle piscine scoperte.

Pannelli con serbatoio d'accumulo integrato - Nei pannelli con serbatoio integrato l'assorbitore di calore ed il serbatoio di accumulo sono compresi in un unico oggetto e l'energia solare giunge direttamente a scaldare l'acqua accumulata. L'acqua dalla superficie esposta trasferisce il calore verso l'interno grazie ai moti convettivi, favorendone una distribuzione uniforme che minimizza le stratificazioni. Questi collettori solari, sono di facile trasportabilità e di altrettanto facile installazione ed hanno un costo relativamente basso.
II loro ambito di applicazione è comunque limitato all'utenza estiva o alle località caratterizzate da inverni miti, perché la collocazione esterna dell'accumulo può comportare il rischio di gelo invernale o comunque un abbassamento consistente delle prestazioni. Per questi pannelli quindi non è possibile la previsione di una integrazione stabile nella struttura architettonica in quanto sono piuttosto ingombranti e devono comunque poter essere riposti nel periodo invernale.

Pannelli solari ad aria - Sono pannelli solari simili per forma e funzionamento ai collettori piani sopra descritti in cui il fluido termovettore utilizzato è l'aria. In questo caso I'assorbitore è una semplice piastra metallica alettata in modo da aumentare la superficie di contatto e in prossimità della quale viene fatta scorrere aria proveniente dall'esterno, questa una volta riscaldata viene immessa negli ambienti attraverso bocchette superiori. Questi collettori presentano sicuramente minori problemi nell'installazione e nella manutenzione (assenza di perdite o incrostazioni calcaree nei circuiti, nessun problema di gelo invernale), ma di contro registrano rendimenti molto ridotti a causa della scarsa efficienza dell'aria come fluido termovettore. Questa tecnologia, integrata con un generatore termico tradizionale che entra in funzione quando l'insolazione non è sufficiente è adatta, oltre che per il riscaldamento degli ambienti domestici, anche per l'essiccazione dei prodotti alimentari.

Serbatoio di accumulo
II serbatoio di accumulo è un contenitore di forma cilindrica, con rivestimento esterno coibente o con intercapedine, nel quale avviene lo scambio di calore tra il fluido termovettore e l'acqua da riscaldare. Nel caso di impianti a circolazione forzata, iI serbatoio ospita due circuiti idraulici distinti, uno relativo alla circolazione dei fluido termovettore nel pannello solare e il secondo per l'impianto di distribuzione ai punti di presa.
II serbatoio può avere configurazioni diverse, a seconda che l'impianto sia destinato a produrre acqua calda per il solo riscaldamento o anche per usi sanitari. In quest'ultimo caso l'accumulo per l'acqua sanitaria boiler solare, di dimensioni ridotte, è collocato nella parte superiore del serbatoio.
Il posizionamento in verticale dell'accumulatore consente l'ottenimento di una utile stratificazione termica, l'acqua riscaldata sarà sempre nella parte più alta del serbatoio, proprio dove avviene il prelievo, consentendo in tal modo un significativo miglioramento del rendimento energetico globale del sistema. Nella parte più bassa dei serbatoio sono collocate due serpentine, scambiatori termici, che riscaldano gli strati d'acqua più freddi e migliorano il rendimento complessivo dei sistema, una è collocata nella parte più bassa dell'accumulatore e fa parte del circuito solare in quanto vi scorre il liquido termovettore, l'altra nella parte più alta è collegata alla caldaia di integrazione. Così, nel periodo in cui il collettore non riesce a portare l'acqua alla temperatura desiderata, si può aggiungere del calore tramite la caldaia, in questo caso il collettore serve per il preriscaldamento dell'acqua.
Maggiore è la capacità di accumulo e maggiore è il risparmio energetico conseguibile, perché nella maggior parte dei casi il consumo dell'acqua calda avviene quando non c'è più sole e quindi è bene poter disporre di una riserva soddisfacente. Se il serbatoio è destinato solo all'acqua di alimentazione dell'impianto di riscaldamento, la sua struttura è semplificata in quanto viene meno il boiler solare. In questo caso però bisogna considerare che la maggiore richiesta di energia si avrà nel periodo in cui la radiazione solare sarà minima, per cui occorrerà dimensionare opportunamente la superficie dei collettori e la capacità dell'accumulo. Bisogna attentamente valutare la fattibilità dell'intervento, in quanto il costo finale dell'impianto giustifica la sua realizzazione se si riesce ad ottenere una copertura, rispetto al fabbisogno termico globale dell'utenza, che non sia inferiore al 30 - 40%. Tale risultato è ottenibile se l'abitazione è bene isolata ed è dotata di un sistema di riscaldamento a pannelli radianti, che permette di "lavorare" a basse temperature, intorno ai 30°C. La dimensione dei serbatoio dipende dalla superficie dei collettori solari a cui è collegato, in genere per ogni metro quadrato di pannello solare piano corrisponde un volume di serbatoio di 60-70 litri.
Per i serbatoi degli impianti a circolazione naturale, la loro collocazione in copertura impone il posizionamento orizzontale e volumi limitati.

Circuito distributivo
Il circuito distributivo comprende: le tubazioni, la pompa di circolazione, le valvole, il vaso di espansione per contenere le dilatazione del liquido solare quando sale la temperatura. È realizzato con tubazioni in materiale plastico dello stesso tipo di quello utilizzato per gli impianti tradizionali, ai quali viene applicato esternamente una protezione coibente in schiume espanse o lana di roccia. Per minimizzare le dispersioni termiche è consigliabile ridurre la percorrenza esterna del circuito e collocare il serbatoio di accumulo il più vicino possibile ai collettori in modo da limitare la lunghezza delle tubazioni.

Centralina di controllo e dispositivi di integrazione termica
II circuito solare è supportato da una centralina per il monitoraggio del sistema e la sua gestione automatizzata che comanda l'avvio e lo spegnimento di una o più pompe di circolazione del fluido termovettore.
Il funzionamento dell'impianto nel suo complesso è demandata alla centralina, che attraverso una rete di termostati collocati nell'accumulo e nei punti significativi del circuito (es. punti di mandata e ritorno dei singoli componenti) è in grado di rilevare le temperature di esercizio e, confrontandole con eventuali soglie predefinite, definire autonomamente eventuali azioni correttive. II termostato dell'accumulo viene impostato per una temperatura critica compresa tra i 40-50°C al di sotto della quale viene azionata la circolazione del fluido termovettore attraverso i collettori solari. Se l'apporto energetico proveniente dal circuito solare è insufficiente (cattivo tempo), oppure si verifica un elevato consumo di acqua calda, la temperatura nella parte superiore dell'accumulatore scende sotto un certo livello e allora la centralina elettronica comanda l'inserimento del sistema di riscaldamento ausiliario, attraverso la serpentina posta più in alto.
I vantaggi legati ad una gestione automatizzata sono evidenti. In primo luogo l'utente è sollevato dall'onere di dover prestare attenzione in prima persona alle condizioni di funzionamento del sistema, inoltre l'automazione garantisce una risposta tempestiva del sistema stesso all'alterazione delle condizioni ottimali anche in caso di assenza degli utenti, minimizzando il rischio di dispersioni imputabili a correzioni tardive.

Fonti:
A. Magrini e D. Ena, Tecnologie solari attive e passive. Pannelli fotovoltaici e applicazioni integrate in edilizia, EPC Libri, Quaderni per la progettazione, Roma 2002

https://www.minambiente.it
https://www.enerpoint.it

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