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Tecnica
ottobre 2014
LA TERMOTECNICA
Rinnovabili & Ambiente
di P. Bonelli, F. Mantega, F. Parozzi
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ARETHA: un collettore solare piano
realizzato con materiali poveri e di recupero
Un prototipo sperimentale di pannello solare piano mostra che è possibile produrre acqua calda per vari usi, impiegando materiali poveri, in luogo di
quelli usati comunemente nei sistemi commerciali, e semplici tecniche costruttive. La tecnologia realizzativa è concepita per impieghi in Paesi in via di
sviluppo o aree rurali, dove, per esempio, vi è necessità di acqua sanitaria per ospedali o per il riscaldamento di serre o abitazioni. L’articolo illustra
le caratteristiche principali del progetto e i primi risultati della sperimentazione.
ARETHA: FLAT SOLAR COLLECTOR MADE WITH POOR AND RECYCLED MATERIALS
An experimental prototype of flat thermal solar panel shows that it is possible to produce hot water for different purposes, using poor materials, instead
of those commonly used in commercial systems, and made with easy building techniques. The manufacturing technology is designed for use in developing countries or rural areas, where, for example, there is need for sanitary water for hospitals or for the heating of greenhouses or homes. This paper
outlines the main features of the project and the preliminary experimental results.
INTRODUZIONE
È superfluo osservare che, quasi ovunque nel mondo, i sistemi che utilizzano
il solare termico possono portare a un risparmio in combustibili. Questo
vantaggio può essere particolarmente evidente soprattutto per le zone rurali
o per i piccoli villaggi isolati di paesi in via di sviluppo, dove ci può essere
spesso necessità di acqua calda sanitaria per gli usi comuni, per impieghi in
piccoli ospedali, per l’essiccazione di frutta nelle serre o altro.
Tuttavia, i collettori solari commerciali sono ancora troppo costosi per queste
comunità e difficilmente costruibili sul posto a causa della complessa tecnologia e dei sofisticati materiali richiesti. I sistemi commerciali possono inoltre
richiedere interventi di manutenzione e disponibilità di pezzi di ricambio che
solo la casa madre è in grado di fornire.
Il tipo di collettore piano di cui si parla in questo articolo è perciò basato
sull’impiego di materiali poveri, reperibili anche in luoghi lontani da contesti
industriali e facilmente trasportabili, e richiede minime competenze tecniche
per la sua costruzione e manutenzione. Questo fatto favorirebbe anche lo
sviluppo di piccole economie locali, spesso ignorate quando si realizzano
opere finanziate da Paesi più ricchi.
L’idea, concepita da un ex ricercatore dello storico centro CISE di Segrate,
Franco Mantega, ha preso corpo a fine 2012 con il fondamentale supporto
logistico di un’azienda alla periferia sud di Milano. Per il nome di questo impianto è stato scelto l’acrostico ARETHA (AiR Exchange THermal Assembly)
perché si basa sull’uso dell’aria per trasferire l’energia del sole all’acqua,
impiegando come scambiatore un comune radiatore d’automobile.
CARATTERISTICHE DEL COLLETTORE SOLARE
Il primo prototipo significativo di ARETHA è di tipo piano e consiste in una
scatola in legno avente funzione di serra-camera d’aria. Questa è costituita
da pareti rivestite di materiale isolante, invece la parte esposta al sole è
chiusa da una finestra trasparente composta da 5 pannelli di policarbonato
alveolare da 16 mm di spessore, fissati alla scatola con profilati di alluminio.
La sezione laterale ha forma trapezoidale, più ampia in alto, dove è installato
lo scambiatore di calore aria-acqua (il radiatore d’auto). La superficie preposta ad assorbire i raggi solari è costituita da una sottile lamina in alluminio,
verniciata di nero opaco, aderente a un pannello di lana di roccia usato
come isolante termico (Figura 1).
FIGURA 1 - Schema di ARETHA e del circuito idraulico primario
L’isolamento termico del fondo e dei lati della camera d’aria è ottenuto con
vari strati di materiale: 40 mm di polistirene, 30 mm di lana di roccia ai quali
si aggiungono 18 mm di legno compensato usato per la struttura. La finestra
di policarbonato alveolare costituisce un buon compromesso tra isolamento
termico e trasparenza ai raggi solari.
Nel suo complesso, la camera d’aria consiste in una scatola di circa
5 x 2 metri, con il lato lungo orizzontale, in modo che la parte interna può
arrivare a una superficie efficace di captazione di circa 9 m2. Nella fase
di sperimentazione le dimensioni della scatola sono facilmente variabili
riducendo il lato lungo.
Nel prototipo costruito a Milano, il pannello ARETHA è stato installato su
una struttura di tavole di legno, appoggiate a un box da cantiere, con
orientamento azimutale fissato verso sud (Figura 2). La struttura di sostegno
permette di variare l’orientamento zenitale del collettore. Il box è stato usato
per l’alloggiamento della strumentazione e come piccolo ufficio/laboratorio.
Tale circuito primario, compresi i due serbatoi, è situato tra il collettore e il
box (non visibili nella Figura 2, perché precedente la loro installazione).
Dott. P. Bonelli, Per. Ind. F. Mantega, Ing. F. Parozzi - Associazione CISE2007
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FIGURA 2 - La struttura di sostegno di ARETHA utilizzata
durante la sperimentazione
RADIATORI D’AUTO
Si stima che ogni anno nella sola Italia si demoliscano circa un milione
e mezzo di autovetture. Da queste si pensa si possano salvare dalla fase
conclusiva della separazione dei materiali qualche centinaio di migliaia di
radiatori ancora efficienti. Il riutilizzo di un tale componente a così alta capacità di scambio in un pannello solare termico si tradurrebbe in un notevole
risparmio economico rispetto alla realizzazione di uno scambiatore ad-hoc.
Nel collettore di ARETHA, l’aria calda all’interno del pannello viene forzata
attraverso uno di questi radiatori di recupero mediante le sue stesse ventole,
in modo da trasferire il calore al fluido termovettore. Nel caso del prototipo
descritto in questo articolo, il radiatore apparteneva a un’auto da 98 kW
(133 CV). Le due ventole del radiatore possono essere accese indipendentemente e ciascuna è alimentata a 12 V cc, assorbendo circa 60 W.
La posizione del radiatore, leggermente più in alto dei serbatoi, consente,
a pompa ferma, lo svuotamento del radiatore, utile nei casi di temperature
sotto lo 0 °C.
LASTRE TRASPARENTI, LANA, LEGNO E PAGLIA
La peculiarità di ARETHA è quella di poter utilizzare materiali molto semplici, soprattutto per le strutture e l’isolamento termico. Il collettore può essere
composto da una struttura fatta da leggeri angolari e sottili laminati plastici
oppure interamente in legno.
Ovviamente la struttura del collettore deve essere rivestita da materiali termicamente isolanti come lana di roccia, lana di vetro o polistirene. Al posto di
questi prodotti potrebbero andare altrettanto bene paglia o lana di pecora.
La lana di pecora, infatti, cardata in modo da avere una densità intorno ai
30 kg/m3, ha un potere isolante paragonabile a quello della lana di vetro
ed è altrettanto resistente alle temperature che si possono raggiungere in
ARETHA. La lana, inoltre, proveniente da allevamenti di razze non di pregio
per il tessile, è considerata prodotto di scarto.
La finestra trasparente, da cui entra la radiazione del sole, potrebbe essere
fatta da una lastra di vetro doppio, che sarebbe eccellente rispetto ad altri
prodotti ma non facilmente recuperabile dall’industria delle demolizioni.
Inoltre, la fragilità del vetro creerebbe problemi nei lunghi trasporti e nel
montaggio da parte di maestranze non qualificate. Il policarbonato alveolare, scelto per il prototipo di ARETHA, anche se meno trasparente del vetro,
è molto leggero, robusto e poco costoso.
IL CIRCUITO TERMOVETTORE E L’ACCUMULO
In Figura 1 è schematizzato il circuito primario di ARETHA. Nel prototipo
realizzato a Milano, il circuito dell’acqua che passa nel radiatore si chiude
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su due serbatoi di accumulo della capacità di circa 1.000 litri ciascuno, ben
isolati termicamente: con circa 80 mm di lana di vetro uno e con schiuma
poliuretanica l’altro.
I serbatoi sono dotati di valvole a sfera che permettono l’eventuale esclusione
di uno di loro dal circuito. La pompa di circolazione, recuperata da una
vecchia caldaia casalinga, funziona a 220 V c.a. e ha una potenza di 90 W.
Il sistema di controllo ne comanda l’accensione quando la differenza tra le
temperature dell’aria in prossimità del radiatore e dell’acqua supera i 15 °C.
La stessa logica è usata per l’accensione del ventilatore. Questo tipo di controllo garantisce un consumo minimo di elettricità, che si aggira mediamente
su 8 - 9% del totale dell’energia solare ceduta all’acqua: energia che non
viene perduta in quanto dissipata sotto forma di calore all’interno del sistema.
Il circuito secondario dei collettori ARETHA ha lo scopo, come in altri collettori, di separare fisicamente l’acqua del circuito primario da quella impiegabile nelle varie applicazioni. Questo perché l’acqua del circuito primario
potrebbe essere inquinata da additivi (anticorrosivi o antigelo) o da residui
di altri liquidi contenuti in serbatoi usati. Inoltre, nel circuito primario, se le
temperature non raggiungono livelli elevati, potrebbero svilupparsi colonie
batteriche dannose per la salute.
A scopo dimostrativo, il prototipo è stato dotato di un circuito secondario
costituito da due radiatori da abitacolo, immersi nei serbatoi, e un radiatore
con ventilatore alloggiato nel box con funzioni di “fan coil”. Durante le
campagne di misura citate in questo articolo il circuito secondario non è
stato attivato allo scopo di considerare il solo sistema primario nei calcoli di
bilancio energetico.
SISTEMA DI MISURA E CONTROLLO
Il prototipo ARETHA di Milano è stato monitorato per un anno mediante una
serie di sensori e un sistema elettronico basato sulla scheda open-hardware
1
Arduino . Sono state misurate le temperature dell’aria e dell’acqua in diversi
punti del sistema ed è stato installato un piranometro globale, complanare
al collettore, per misurare l’energia solare entrante. Più in particolare, sono
state misurate:
-- temperatura dell’acqua all’interno dei due serbatoi;
-- temperatura dell’aria esterna al collettore;
-- temperatura dell’acqua in entrata e in uscita del radiatore;
-- temperatura dell’aria in vari punti del collettore, nei punti esposti ai raggi
solari (schermando opportunamente il sensore);
-- temperatura della superficie nera del collettore;
-- temperatura della superficie del radiatore;
-- flusso dell’acqua nel circuito primario;
-- irradianza globale sul piano del collettore.
Per la misura delle temperature sono stati usati sensori digitali DS18B20 della
Maxim Integrated, con una precisione dichiarata di +/- 0,5 °C, ma che in
realtà è risultata di +/- 0,2 °C da prove effettuate sui sensori installati. Il flusso
dell’acqua è stato determinato attraverso un contatore volumetrico dotato di
reed relais che produce un impulso elettrico ogni 10 litri.
L’irradianza globale è stata misurata con un piranometro Kipp & Zonen
CMP6 con un’uscita di 12.32µV/(W/m2). Il segnale di uscita è stato amplificato di 250 volte per portarlo a un intervallo da 0 a 5V compatibile con il
sistema di acquisizione dati di Arduino, che possiede un convertitore A/D
da 10 bit. La sensibilità risulta così di circa 1 W/m2.
Al fine di poter visualizzare i dati in locale e a distanza è stata allestita una
seconda scheda Arduino configurata come server internet che restituisce, a
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seguito di una chiamata da un browser, una semplice pagina HTML con gli
ultimi dati rilevati (Figura 3).
FIGURA 4 - Esempio di analisi fluidodinamica della camera d’aria
di ARETHA nella zona del radiatore eseguita al Politecnico di
Milano mediante il codice FLUENT
FIGURA 3 - Esempio di misure istantanee su ARETHA, visualizzate
in una pagina WEB (a sinistra) e grafico ottenuto elaborando su
PC i dati rilevati dal sistema di acquisizione (a destra)
L’accensione di pompa e ventilatori avviene sulla base delle differenze di
temperatura misurata tra l’aria in prossimità del radiatore e l’acqua circolante. Questo al fine di limitare il consumo di energia elettrica e mantenere il
calore immagazzinato nei serbatoi durante i periodi di insolazione bassa o
nulla. L’elettrovalvola, per l’immissione di acqua fredda esterna nel circuito
primario, viene accesa quando la temperatura dell’acqua supera i 65 °C.
Per il periodo invernale, onde evitare il pericolo di gelo nelle parti del circuito primario, soprattutto nel radiatore, il sistema di controllo provvede a
far circolare acqua quando la temperatura dovesse scendere sotto i +2 °C.
I RISULTATI PRELIMINARI DELLA SPERIMENTAZIONE
Il primo anno di funzionamento del prototipo milanese di ARETHA
ha permesso di raccogliere dati in varie condizioni climatiche. L’inclinazione zenitale è stata modificata due volte per adattarla alle
differenti condizioni stagionali e la complanarità del piranometro ha
permesso di rilevare sempre la radiazione solare in arrivo sul piano
del collettore: misura fondamentale per determinare le prestazioni
energetiche del sistema.
ARETHA ha funzionato sia con uno sia con due serbatoi, portando l’acqua a temperature fino a circa 60 °C. Temperatura che non è stata oltrepassata solo per non danneggiare il materiale plastico del serbatoio.
I dati raccolti sono stati utilizzati per studiare il comportamento del
sistema e i fenomeni di trasporto al suo interno, dalla turbolenza causata dal ventilatore alle perdite di calore verso l’esterno. A tal proposito
sono state svolte alcune tesi e tesine di laurea in Ingegneria Energetica
presso il Politecnico di Milano, nell’ambito delle quali, in particolare,
sono state allestite soprattutto simulazioni termo-fluidodinamiche per
analizzare i fenomeni di scambio termico che interessano ARETHA e
quindi ottimizzarne la configurazione (Figura 4).
Una preliminare valutazione delle prestazioni energetiche del sistema
è stata effettuata facendo riferimento agli standard europei emessi dal
CEN (European Committee for Standardization) e adottati da Institut für
Solartechnik di Rapperswil (Svizzera), per confrontare le caratteristiche
2
dei vari collettori in commercio .
3
Per ciò che riguarda l’efficienza energetica del sistema , sono state
considerate le grandezze misurate nei test, eseguiti in accordo con la
normativa europea:
•
-- portata acqua nel circuito primario: m (kg/s);
-- irradianza solare globale esterna sul piano del pannello: G (W/m2);
-- salto termico acqua tra entrata e uscita dal radiatore: DT (°C)
in modo da calcolare l’efficienza come:
•
η=
m c p ΔT
AG
(1)
in cui:
cp è il calore specifico dell’acqua;
A è la superficie captante del pannello (m2).
Tuttavia, poiché ∆T è dell’ordine di decimi di grado e i sensori, montati per
ragioni di semplicità sulle pareti dei tubi anziché essere immersi nel fluido,
non garantivano misure significative, si è preferito valutare l’efficienza sulla
base dell’energia effettivamente immagazzinata nei serbatoi, attraverso la
formula:
η=
ms c p (T2 − T1 )
AGΔt
(2)
dove:
-- ms è la massa d’acqua contenuta nel circuito primario (kg);
-- T1 e T2 sono le temperature dell’acqua nel circuito, rispettivamente all’inizio
e alla fine del periodo di misura (°C);
-- Ḡ è l’irradianza mediata sul periodo di misura (W/m2);
-- Δt è il periodo di misura (3.600 s), centrato sul momento di massima
irradianza solare.
Quest’ultima formula ha portato a risultati accettabili e allineati a quanto
descritto nella stessa normativa, col vantaggio di non richiedere una misura
precisa della portata nel circuito primario e delle temperature dell’acqua in
ingresso e in uscita dal radiatore, che rendono la (1) molto sensibile agli errori
di misura. La rappresentatività delle misure di temperatura nei serbatoi è garantita dall’inerzia termica della massa d’acqua e dal rimescolamento della
stessa per opera della pompa, così come i tempi lunghi di campionamento
consentono di attenuare le fluttuazioni dell’irradianza.
Per contro, l’efficienza così calcolata si deve intendere globale, cioè di tutto
il sistema collettore + serbatoi, e quindi inferiore a quella del solo collettore,
in quanto le perdite termiche dei serbatoi contribuiscono alle perdite totali.
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FIGURA 5 - Efficienza del sistema collettore-serbatoio, calcolata
come rapporto tra la potenza termica acquisita dall’acqua del
serbatoio e la potenza radiativa incidente sul pannello, in funzione
della differenza di temperatura ridotta, che consente l’accostamento
di risultati ottenuti con condizioni climatiche e di irradianza diversi
Il grafico di Figura 5 riporta l’efficienza totale del sistema collettoreserbatoio nei due casi di superficie captante di 9 e di 5 m2 calcolata
secondo la (2) in funzione della differenza di temperatura ridotta Tm*.
Questa grandezza, suggerita dalla stessa normativa, tiene conto sia
della differenza tra la temperatura media del circuito e la temperatura
dell’aria esterna sia dell’irradianza misurata in ciascun test:
Tm* = (Tm − Ta ) / G
È evidente dal grafico un incremento dell’efficienza nella versione da
5 m2 dovuto a un migliore rimescolamento dell’aria all’interno della
camera. Il radiatore, infatti, è posizionato in uno spazio ristretto che
non garantisce una circolazione ottimale dell’aria, coinvolgendo poco
le zone più lontane del collettore.
Nel grafico di Figura 5, i valori limite dell’efficienza, per Tm tendente a
0, dedotti dalle due curve, si stabiliscono sul 50% per la versione da 5
m2 e sul 35%, per la versione da 9 m2. A titolo di confronto, i pannelli
commerciali piani, esclusi quelli con tubi a vuoto, danno valori limite,
per la sola parte di collettore, fino a 75%.
È da ricordare che l’efficienza di ARETHA è stata calcolata considerando le perdite su tutto l’impianto, compreso il serbatoio di accumulo e il
circuito primario, invece per i pannelli commerciali viene usualmente
indicata solo l’efficienza del collettore.
Se si considera che i pannelli commerciali hanno una copertura in vetro,
con trasparenza intorno all’80-90%, invece per il policarbonato questa
è di circa il 66%, la più limitata efficienza di ARETHA è attribuibile
soprattutto a questo fattore.
STATO ATTUALE E PROSPETTIVE
Il prototipo di ARETHA ha permesso di verificare alcune ipotesi di partenza e sperimentare alcune varianti ideate e messe in pratica durante
il periodo di sperimentazione. Da maggio 2013 a maggio 2014 sono
stati raccolti molti dati che sono stati usati per valutare l’efficienza di
conversione dell’energia da solare a termica per mezzo dello scambio
aria-acqua.
Per il calcolo dell’efficienza energetica di ARETHA sono state considerate sia normative europee, adottate per la maggior parte dei collettori
solari piani, sia un diverso sistema di calcolo, basato su grandezze più
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stabili, come l’incremento della temperatura dell’acqua nei serbatoi.
Quest’ultimo è risultato più indicato per il sistema di misura adottato.
Sulla base di analisi fluidodinamiche eseguite in collaborazione con il
Politecnico di Milano, la superficie captante del prototipo è stata ridotta
da 9 a 5 m2, lasciando invariate tutte le altre caratteristiche costruttive.
La versione più piccola ha mostrato efficienze più alte, confermando
che il rimescolamento dell’aria all’interno del collettore è un elemento
critico che deve essere tenuto in considerazione nella fase progettuale.
A questo riguardo, potrebbero essere sperimentate altre soluzioni
costruttive, anche se leggermente più complesse, in cui l’aria viene incanalata su un percorso ad-hoc in cui è posto lo scambiatore di calore,
eventualmente anche all’esterno del collettore.
Si può ragionevolmente ritenere che un collettore con caratteristiche
geometriche come quelle del prototipo, dotato di radiatore di circa
100 kW, avrebbe prestazioni ottimali con una superficie captante di
circa 5 m2 e un serbatoio da 500 - 1.000 litri, in funzione ovviamente
del tipo di utilizzo e quindi della dinamica di impiego dell’acqua calda. Dal punto di vista della facilità costruttiva, sembrerebbero perciò
interessanti soluzioni con più collettori da 5 m2 collegati allo stesso
sistema di accumulo.
Per quanto riguarda i materiali, vale la pena citare la sperimentazione,
tuttora in corso in Sicilia, di un altro prototipo da 5 m2 costituito da
una struttura di bancali riciclati e lana di pecora come isolante termico,
atta a dimostrare la facilità nella costruzione e nella reperibilità dei
materiali, mentre un altro ARETHA di circa 8 m2 è stato costruito in una
fattoria nei pressi di Piacenza, impiegando una tettoia come struttura
portante. Ci si propone naturalmente di proseguire la sperimentazione
presso quegli insediamenti isolati in nazioni povere per cui è stato
effettivamente concepito.
RINGRAZIAMENTI
Il Progetto Aretha è stato cofinanziato dalla Regione Lombardia (Legge
Reg. 1/08 capo III 2012-2013) e ha avuto il sostegno e il supporto
tecnico di GREEM (Gruppo Ecologico Est Milano), CISE2007 (Centro
Italiano per la Sostenibilità e l’Energia), RSE (Ricerca sul Sistema Energetico) e inoltre di Associazione Nocetum, Associazione Ingegneri Senza Frontiere, Milano Depur, Vettabbia Scarl, Henkel Italia, Politecnico
di Milano - Dipartimento di Energia.
Per le analisi termo-fluidodinamiche eseguite dal Dipartimento di
Energia del Politecnico di Milano vengono ringraziati l’ing. Riccardo
Mereu, l’ing Matteo Celada, l’ing Ferruccio Miglietta e la (neo) dott.
ing. Michela Battaglia.
Un ringraziamento particolare va agli organizzatori e artefici dell’attività sperimentale che non sono esplicitamente tra gli autori di questo
articolo: Gianni Pampurini, Piero Borroni e Bruno Riva.
Note
1
2
www.arduino.cc
European Standard EN-12975-2:2006 (E) “Thermal solar systems and components -
Solar collectors - Part 2: test methods”.
3
L’efficienza energetica di questi sistemi è definita come il rapporto tra l’incremento
di energia immagazzinata nell’acqua che passa nel collettore e l’energia solare che
cade sul collettore (irradianza integrata sulla superficie captante).