Sui collettori solari termici

ENERGIA SOLARE CHE GIUNGE SULLA TERRA
La radiazione solare che giunge sulla terra è caratterizzata da onde di lunghezza compresa tra circa
0,2 e 3 µm (micrometri, cioè milionesimi di metro). L'occhio umano percepisce come luce solo le
radiazioni con lunghezza d'onda compresa mediamente tra 0,38 e 0,76 µm. Le onde di lunghezza
inferiore a 0,38 µm sono denominate ultraviolette, quelle di lunghezza superiore a 0,76 µm sono
dette infrarosse. La potenza della radiazione solare che incide perpendicolarmente su una superficie
posta al di fuori dell'atmosfera terrestre è costante ed è pari a 1,35 kW/m² chiamata appunto
costante solare. La quantità di energia solare che giunge sulla terra varia in funzione della
latitudine del sito per effetto della differente inclinazione con cui giungono al suolo i raggi solari. A
maggiore inclinazione corrisponde una maggiore porzione di atmosfera attraversata e quindi una
minore intensità solare al suolo. L'entità di energia solare (kW/m²) che giunge sulla terra varia
anche in funzione delle condizioni atmosferiche.
L'ATMOSFERA TERRESTRE
L'atmosfera terrestre funge da filtro ai raggi solari, assorbendo e riflettendo verso lo spazio esterno
una buona parte della radiazione solare incidente. Ai fini del calcolo, si considera pari a 1 kW/m² la
potenza solare massima captabile da una superficie al livello del suolo, perpendicolare ai raggi
solari, per sole allo zenit ed in condizioni di atmosfera perfettamente limpida. Ne deriva che più del
25% della radiazione solare extraterrestre non riesce a raggiungere il suolo.
CONVERSIONE DELL'ENERGIA SOLARE IN CALORE
Vi sono vari sistemi di captazione che permettono di realizzare la trasformazione della radiazione
solare incidente in energia termica (calore), con differenti valori di temperatura raggiungibili. Alte
temperature (oltre 500 °C) si ottengono concentrando i raggi solari su un punto ben specifico
mediante eliostati (specchi orientabili) o collettori parabolici a concentrazione, dotati di sistemi di
inseguimento del sole, generalmente a due gradi di libertà (angoli di inclinazione e azimuth
variabili). Questi sistemi, molto complessi, sono generalmente impiegati per la generazione di
potenza impiegabile per la produzione di energia elettrica (cicli solari termodinamici, vedi il
progetto Archimede). Medie temperature (100 - 300 °C) si possono ottenere facendo ricorso ad un
sistema più semplice, dotati magari di un solo grado di libertà,. Tali temperature vengono impiegate
prevalentemente per processi di produzione industriali. Il calore a bassa temperatura (inferiore a 100
°C), del cui impiego è prevalentemente domestico, si ottiene con i collettori piani oppure con i
collettori sotto vuoto a tubi di calore. Il loro impiego è indirizzato prevalentemente alla produzione
di acqua calda o di aria calda per applicazioni domestiche, agricole o per riscaldamento e il
raffrescamento di ambienti. Quest’ultima operazione è possibile ricorrendo a particolari macchine
chiamate “chiller ad assorbimento o adsorbimento” (in base alla sostanza che impiegano) che
utilizzano il calore reso disponibile da una portata di acqua calda per produrre portate di acqua
refrigerata. I chiller ad assorbimento, ad esempio, possono essere a sempli effetto (funzionanti con
temperature dell’acqua calda inferiori a 100°C, ma con COP limitati), oppure a doppio effetto
(migliori COP ma temperature richieste maggiori di 100°C). Oltre alla radiazione diretta,
prevalentemente utilizzata per i collettori a concentrazione o per gli eliostati, i collettori piani
convertono in calore anche la radiazione diffusa. Quest'ultima non è trascurabile raggiungendo
anche il 20 % di quella diretta in giornate serene (quindi con un massimo teorico di 200 W/m²), ed
arrivando a valori anche superiori in una giornata di cielo coperto.
TIPI DI CIRCUITO IDRAULICO
I circuiti possono essere del tipo diretto o indiretto. Nel circuito diretto il fluido vettore è lo stesso di
quello di utilizzazione. Il circuito è unico. Si tratta di impianto semplice ed economico.
Nel circuito indiretto il fluido vettore cede calore a quello di utilizzazione in uno scambiatore. Vi
sono così due distinti circuiti idraulici. Nelle località dove esiste la possibilità di congelamento
dell'acqua circolante nel collettore la scelta è limitata al circuito indiretto, che è il solo a consentire
il ricorso a miscele anticongelanti (esempio, acqua-glicole). Il circuito indiretto si presta inoltre ad
una più precisa regolazione al fine della migliore utilizzazione dell'energia solare captata.
Per tali motivi si sceglie, nella maggior parte dei casi, la soluzione del circuito indiretto, benché
risulti più complessa e costosa. Per quanto concerne la circolazione del fluido vettore, essa può
essere:
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naturale (o a termosifone) per differenza di densità fra colonna ascendente e quella
discendente (in tal caso l'accumulatore deve essere ad altezza superiore rispetto al
collettore).
forzata, a mezzo di pompa di circolazione (più propriamente detta "circolatore").
SCHEMI DI PRINCIPIO DELL'IMPIANTO
Gli impianti a circuito idraulico indiretto possono essere realizzati secondo due schemi
fondamentali: lo scambiatore è posto nel serbatoio di accumulo dal quale si preleva l'acqua calda
per l'utilizzazione oppure lo scambiatore è collocato in un contenitore distinto, dove l'acqua viene
preriscaldata prima di essere immessa nello scaldacqua tradizionale. Il primo sistema è più semplice
e meno costoso del secondo, il quale però consente l'utilizzazione di una quota maggiore
dell'energia solare captata. Infatti la trasmissione del calore dal fluido vettore all'acqua avviene
soltanto se la temperatura di quest'ultima è inferiore: tale circostanza si verifica più frequentemente
nel secondo sistema, dato che l'acqua preriscaldata può avere anche una temperatura di poco
superiore a quella dell'acquedotto e non vincolata alla temperatura richiesta dall'utilizzazione (35-50
°C). Si comprende pertanto come l’ultima configurazione impiantistica consenta di fruire anche
dell'energia termica captata dal collettore nelle condizioni atmosferiche meno favorevoli (cielo
nuvoloso, ore meno calde del giorno).
PANNELLI SOLARI: il rendimento
Si definisce rendimento istantaneo di un collettore solare il rapporto tra la potenza utile
effettivamente ceduta al fluido termovettore e il flusso solare incidente per la superficie di
captazione disponibile. Il rendimento, oltre che della radiazione solare incidente, è funzione anche
della differenza tra la temperatura media di utilizzazione dell’acqua calda e la temperatura dell’aria
esterna. Ciò spiega come, a parità di condizioni climatiche, regolando temperature di
funzionamento più basse si riescono ad ottenere efficienze migliori. Questo è il motivo per cui un
collettore solare per il riscaldamento degli ambienti funziona meglio con un pannello radiante
(temperature richieste di 35-40°C) che con un impianto a radiatori (in cui occorrono 80°C).
COLLETTORI SOLARI PER LA PRODUZIONE DELL'ACQUA CALDA
Quella dei collettori solari per il riscaldamento dell'acqua è una tecnologia, a tutti nota ma ancora,
almeno nel nostro Paese, poco utilizzata. Si tratta, tuttavia, di un sistema che, negli ultimi anni, ha
raggiunto livelli di durata e affidabilità certamente paragonabili a quelli degli altri impianti
convenzionali (caldaia a gas). Anche dal punto di vista dei costi, in considerazione di un discreto
abbassamento dei prezzi, il sistema si propone ormai come valida e conveniente alternativa agli
impianti tradizionali ed in particolare al boiler elettrico, alla luce anche delle incentivazioni statali
che consentono di detrarre il 55% dei costi sostenuti per l’installazione di pannelli solari termici. La
possibilità di un abbattimento dei costi effettivi del 55% rende l'intervento davvero conveniente,
poiché il ritorno dell’investimento grazie all’energia risparmiata è di 2-3 anni. Il funzionamento è
fra i più semplici ed ecologici: i collettori solari "intrappolano l'energia proveniente dal sole
realizzando al loro interno una sorta di “effetto serra” (quello che succede quando si lascia
l’automobile al sole). Ciò avviene perché il vetro del collettore è trasparente ai raggi solari, i quali
penetrano attirati da una superficie captante verniciata di colore scuro, riscaldandola. Tale
superficie, a seguito del suo riscaldamento superficiale, emette energia radiante ma nel campo
dell’infrarosso, quindi con una lunghezza d’onda maggiore della radiazione solare. Lo stesso vetro
di ricoprimento è opaco alla radiazione infrarossa (vale a dire la blocca) intrappolando il calore
all’interno del collettore. Il calore è poi asportato dal fluido termovettore (l’acqua glicolata, in
genere) che lambisce inferiormente la superficie captante. L'acqua può essere utilizzata, nel campo
civile, per la produzione dell'acqua calda sanitaria necessaria in casa, per il riscaldamento di piscine,
o anche per il preriscaldamento o l'integrazione di impianti di riscaldamento degli ambienti.
In quest'ultimo caso, l'accoppiamento ai normali sistemi radianti a serpentina, disposta sotto il
pavimento, a soffitto o anche a parete, può rendere davvero significativo il contributo solare al
raggiungimento in casa della temperatura di comfort. Visti anche i costi dell'intervento, in fase di
ristrutturazione di un edificio, l'installazione di un impianto solare di riscaldamento invernale è da
considerare con molta attenzione. Fornire col sole l'energia per riscaldare una struttura edilizia,
convenzionale dal punto di vista della progettazione energetica, implica l'adozione di tutti quei
provvedimenti atti a limitarne le dispersioni termiche e a sfruttare gli altri contributi solari passivi.
Tutto ciò, come si intuisce, risulta di più semplice ed economica realizzazione solo in fase di prima
costruzione di un edificio. Anche nelle giornate invernali in cui l'insolazione è insufficiente e la
temperatura dell'acqua non raggiunge i valori ottimali i collettori garantiscono, comunque, un
risparmio di energia. L'acqua del serbatoio avrà, infatti, una temperatura superiore a quella
dell'acqua corrente e per renderla utilizzabile consumeremo meno energia. Proprio a motivo di ciò,
il serbatoio d'accumulo è provvisto, in molti casi, di una resistenza elettrica che, solo in caso di
necessità, si attiva automaticamente nelle giornate più fredde o nuvolose. In ogni caso il
collegamento idraulico dell'impianto a collettori e a boiler elettrico o alle comuni caldaie
monofamiliari o condominiali, ci assicurerà l'eventuale integrazione (vedi schemi precedenti).
COLLETTORI PER USO ESTIVO
Le soluzioni tecniche ed impiantistiche sono numerose e rendono gli impianti a collettori solari di
semplice installazione adattabili alle diverse esigenze. In commercio si trovano sistemi a collettori
scoperti (strisce in polipropilene prive di copertura trasparente, collettori copri falda) o integrati
(sistemi in cui il collettore fa anche da serbatoio), per un uso prevalentemente estivo e diurno o per
riscaldamento dell'acqua di una piscina. Se possediamo una casa al mare, che utilizziamo due o tre
mesi, conviene certamente l'installazione di tali sistemi in sostituzione del boiler elettrico che
funzionano bene solo in presenza di temperature elevate dell’aria esterna.
ESEMPIO IMPIANTO PER USO ESTIVO
Tipo
Superficie necessaria
Volume accumulo
Disposizione
Periodo d'utilizzazione ottimale
Acqua calda prodotta giornalmente
Costo
Detrazione IRPEF
Costo effettivo
Tempo di rientro della spesa
scoperto striscia polipropilene
(sistemi integrati collettoreserbatoio)
2,5 - 3,5 m²
100 - 150 litri
Superficie piana
Superficie poco inclinata
rivolta a sud
Da maggio - giugno
a settembre - ottobre
200 - 300 litri
350,00 – 700,00 €
192,50- 385,00 €
157,50 – 315,00 €
1 - 2 anni
Come riportato nella tabella precedente, i costi di questi tipi di impianto sono abbastanza bassi ed è
possibile realizzarli col "Fai da te". La produzione di un impianto di queste dimensioni è di circa
200 - 300 litri al giorno di acqua calda. Considerato un costo dell'energia elettrica, alle tariffe della
seconda casa, di 20 c€/KWh, nel caso di nuclei familiari di 3 -5 persone e di un periodo d'utilizzo
compreso trai 2 e i 4 mesi l'anno, con il 55 % d'abbattimento IRPEF l'impianto si ripaga in 1 – 2
anni. Anche nei condomini, dove sono disponibili ampie terrazze di copertura, la semplicità
d'installazione e lo sconto fiscale rendono questa soluzione sicuramente interessante se non
addirittura irrinunciabile, soprattutto nei casi in cui la produzione dell'acqua calda sia già
centralizzata.
COLLETTORI PER USO ANNUALE
Per un'utilizzazione annuale si usano, invece, i sistemi ad elementi (collettore-sebatoio) separati a
circolazione sia naturale che forzata o i sistemi, ed è il caso più comune, compatti (monoblocco) nei
quali il collettore ed il serbatoio sono distinti ma assemblati in un unico telaio che fa supporto. In
questi ultimi sistemi l'acqua sanitaria, presente nel serbatoio situato nella parte alta del monoblocco,
viene riscaldata, attraverso una serpentina, dal liquido che, per moto naturale a termosifone, senza
bisogno di pompe, circola continuamente fra collettori e serbatoio d'accumulo del calore. Questa
separazione dei due fluidi consente l'impiego, nel circuito dei collettori, di una soluzione antigelo
d'acqua e glicole che, cosa importantissima, protegge i collettori dal rischio congelamento.
I sistemi compatti sul mercato hanno superfici captanti che vanno da 1 a 4 m² e serbatoi di capacità
compresa fra i 100 e i 300 litri. Sono modulari (si possono collegare insieme per formare sistemi più
grandi) e normalmente forniti completi di Kit - "Fai da te", comprendenti supporti metallici, staffe e
raccordi, per l'installazione ed il collegamento idraulico. Gli impianti possono essere unifamiliari o
anche condominiali. In particolare nei condomini in cui la distribuzione dell'acqua calda sanitaria
sia à centralizzata e specie quando l'acqua calda sia prodotta dalla stessa grande caldaia
dell'impianto termico invernale (in estate la caldaia sarà costretta a funzionare a bassissimi
rendimenti), l'installazione di impianti solari può risultare più che mai semplice e conveniente.
Gli impianti si possono installare nei terrazzi, in giardino e, nel rispetto di eventuali vincoli
urbanistici, anche in verticale su muri esterni (uso invernale) e anche sui tetti a falde e con tegole.
Importantissime in ogni caso l'esposizione a sud dei collettori e l'assenza d'ombre create da altri
edifici, da vegetazione o da montagne. Gli elementi da considerare per orientare la scelta del
sistema sono:
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Utilizzo: (permanente - stagionale);
Clima (possibilità di gelate, presenza di vento);
Vincoli d'installazione (spazi disponibili, disposizioni urbanistiche, limitazione costruttive);
Rivenditore (garanzia, servizio d'assistenza tecnica)
REGOLE PRATICHE PER L'INSTALLAZIONE
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Orientamento dei collettori: pieno sud, ove ciò risultasse impossibile, sono accettabili
scostamenti, ad est od ovest, di 15- 20 gradi;
Inclinazione dei collettori rispetto all'orizzontale: per un impiego annuale del collettore deve
essere pari alla latitudine del luogo (variabile dai 37° gradi di Ragusa ai 46° di gradi di
Bolzano); Inclinazioni minori sono tollerabili (da 25 a 30 gradi) per ragioni architettoniche o
addirittura consigliate nel caso di impieghi prevalentemente estivi nel qual caso
l'inclinazione è da ridurre di 15 gradi. Nel caso d'uso prevalente invernale dell'acqua calda
sanitaria l'inclinazione va aumentata di 15 gradi, mentre nel caso di collettori per il
riscaldamento degli ambienti, sono richieste inclinazioni anche maggiori (fino a70°).
Distanza dal punto d'utilizzo: la minore possibile, per ridurre le perdite termiche nei tubi di
collegamento che, in ogni caso, devono essere ben coibentati.
Altro: facilità d'accesso per la pulizia e la manutenzione, favorevole la presenza d'ostacoli al
vento che non creino ombre (muretti, vetrate)
INDIVIDUAZIONE DELLA TAGLIA
Il dimensionamento ottimale di un impianto si effettua in base a:
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fabbisogno medio giornaliero d'acqua calda;
condizioni d'irraggiamento locale (latitudine, necessità di uno scostamento dell'orientamento
dei collettori dalla direzione sud, altitudine e temperatura media del posto, brevi periodi
d'ombra);
caratteristiche d'impianto.
Sulla base dell'esperienza acquisita in questi anni e del numero di impianti installati in tutta
l'Europa, le ditte costruttrici hanno ormai individuato le dimensioni di più largo impiego per
collettori e serbatoi d'accumulo e gli installatori sono in grado di adattare al meglio gli impianti alle
esigenze dell'utenza. Per una prima individuazione della taglia dell'impianto e quindi dei costi, si è
ritenuto utile riportare nella tabella che segue alcuni valori indicativi che possono aiutare nella
scelta del sistema compatto adatto alle esigenze. I dati sono stati calcolati sulla base di un consumo
giornaliero stimato di 60 - 70 litri d'acqua calda a 45 °C per persona.
Clima di riferimento
Superficie collettori (m²/persona)
Inclinazione collettore (°)
Milano
1 -1,2
45 - 50
Roma
0,7 - 0,8
41 - 45
Cosenza
0,65 - 0,70
38 - 40
Per l'individuazione della capacità del serbatoio d'accumulo si possono prevedere dai 50 a 60 litri
per persona.
PRESTAZIONI
Gli impianti attuali, con davvero piccole attenzioni e manutenzioni, possono superare i 20 anni di
vita. Le deludenti prestazioni dei primi sistemi artigianali installati negli anni 70 hanno creato,
almeno in Italia, un clima di sfiducia verso gli impianti solari. Come sempre, però, l'esperienza
accumulata, gli accorgimenti tecnici, la migliore qualità dei materiali utilizzati (vedi le vernici
selettive, la coibentazione del carter, la tecnologia sottovuoto) e delle tecniche di lavorazione hanno
fatto sì che la durata media dei sistemi solari sia ormai quasi triplicata rispetto a quella dei primi
sistemi.
Una conferma di ciò arriva dai paesi del centro e del nord Europa nei quali, nonostante condizioni
climatiche meno generose delle nostre e quindi maggiori tempi di ritorno dei costi degl'impianti, il
mercato del solare ha avuto in questi anni una rapida crescita. In Grecia hanno avuto un rapidissimo
successo per la messa al bando degli scaldatori elettrici per la produzione di acqua calda sanitaria.
Nell'arco dell'anno, con uno scalda acqua solare ben dimensionato ed evitando, cosa che andrebbe
fatta in ogni caso, inutili sprechi d'acqua si può, con facilità, risparmiare dal 50 al 70 % e più, del
costo dell'energia necessaria alla produzione dell'acqua calda sanitaria.
COSTO E CONVENIENZA
Il costo medio degl'impianti solari, in lenta diminuzione già da alcuni anni è di circa 750,00 –
1000,00 € per m² installato per gli impianti unifamiliari e di circa 400,00-500,00 € per m² installato,
nel caso trasformazione di impianti centralizzati (un impianto nuovo per un palazzo di 50
appartamenti costa un centinaio di milioni). I prezzi si intendono I.V.A. compresa.