La tecnologia solare termica (o eliotermica) permette la conversione diretta dell’energia elettromagnetica proveniente dal Sole in energia termica, ossia in calore.
Il principio di funzionamento è caratterizzato dalla capacità di un assorbitore di catturare il calore sotto forma di radiazione solare e cederlo, per mezzo di un fluido termovettore e uno scambiatore di calore, all’acqua accumulata in un serbatoio, per essere utilizzata successivamente per gli usi domestici quotidiani oppure come integrazione al riscaldamento ambientale, per riscaldare le piscine o per servire le esigenze di alberghi, scuole, camping, impianti di balneazione, ecc.

Come abbiamo visto per il fotovoltaico, l’Italia gode di un buon livello di irraggiamento, pari mediamente a 5-6 kWh/m2/giorno, vale a dire che l’energia solare disponibile su 4 m2 di pannelli solari è in grado di soddisfare il 70% circa del fabbisogno di acqua calda di una famiglia di 4 persone durante tutto l’anno.

A seconda della tipologia, si possono distinguere due macrocategorie atte alla trasformazione dell’energia da solare a termica, a seconda che si ricorra o meno, a livello impiantistico, di sistemi elettromeccanici:

  • sistemi a circolazione naturale
  • sistemi a circolazione forzata

 

Gli impianti solari termici a circolazione naturale o forzata

Circ.NaturaleNegli impianti a circolazione naturale il movimento del fluido tra collettore e serbatoio di accumulo viene determinato dal principio di gravità, senza bisogno di energia addizionale.
Il fluido termovettore riscaldandosi all’interno del collettore, cede il suo calore all’acqua contenuta nel serbatoio e, grazie alla differenza di densità, ricade nel punto più basso del circuito del collettore, instaurando così una circolazione naturale.
Per questo motivo, il serbatoio deve trovarsi sempre in un punto più alto rispetto al collettore e generalmente il mercato offre sistemi monoblocco destinati esclusivamente alla produzione di acqua calda sanitaria.Collettore_Accumulo
Se il fluido vettore è lo stesso di quello utilizzato per l’uso finale (acqua sanitaria), il sistema viene definito a circuito diretto, mentre se il fluido vettore e l’acqua sanitaria sono separati da uno scambiatore di calore, il sistema è detto a circuito indiretto.
Quest’ultimo risulta più adatto ed efficiente, la dove c’è la possibilità di congelamento delle acque circolanti nel collettore perché consente l’uso di miscele anticongelanti come fluido termovettore.

Nei sistemi a circolazione forzata è necessario, per la regolazione del flusso, l’inserimento di un sistema automatico, per sopperire all’impossibilità di collocare il serbatoio in posizione sopraelevata rispetto al collettore.Circ.Forzata
A fronte di ciò, bisogna dotare il circuito di alcuni dispositivi aggiuntivi: una pompa di circolazione (anche detta circolatore) che movimenti il fluido nel giusto verso (dal serbatoio, collocato in basso, al collettore, collocato in alto), una valvola di non ritorno che non permetta, in nessun caso, l’inversione della circolazione, ed una centralina di controllo, corredata da appositi sensori della temperatura, che intervenga in maniera automatica sul circolatore al fine di regolare la circolazione del fluido termovettore ottimizzando il rendimento del sistema.
Gli impianti a circolazione forzata sono più complessi, più costosi e sono soggetti ad una più accurata manutenzione ma d’altra parte garantiscono prestazioni più efficienti, si integrano meglio nelle coperture dei tetti e non sono vincolati al rispetto di una pendenza minima per il funzionamento.
I componenti principali di un sistema eliotermico sono:

  • il collettore solare, dove circola il fluido termovettore;
  • il serbatoio di accumulo dell’acqua calda;
  • gli scambiatori di calore;
  • la pompa di circolazione dell’acqua e una centralina di controllo;
  • il vaso di espansione;
  • i collegamenti idraulici ed elettrici.

Collettori solari

Tra i dispositivi che concorrono alla realizzazione di un sistema solare, il collettore rappresenta il componente principale, da cui dipendono in larga misura il tipo di funzionamento e la qualità prestazionale dell’intero impianto.

Collettore_Solare

Il collettore solare, nonostante possa differenziarsi per forma, dimensione, caratteristiche tecniche e rendimenti, consiste di fatto, in un particolare scambiatore di calore in grado di trasferire l’energia elettromagnetica proveniente dal Sole al fluido termovettore che circola al suo interno, che a sua volta lo cede all’acqua per scopi di varia natura.
Come si può vedere dalla figura precedente, il collettore è composto da una superficie assorbente, generalmente in rame, saldata ad ultrasuoni sulle serpentine contenenti il fluido termovettore per assicurare un efficiente trasferimento del calore. La superficie (piastra selettiva) viene generalmente “colorata” di nero, in modo da esaltarne le caratteristiche d’assorbimento. Il fluido termovettore che scorre nei tubi è costituito da una soluzione di glicole o d’acqua addizionata con antigelo per non compromettere il buon funzionamento dell’impianto nel caso di temperature invernali particolarmente rigide.
Una lastra di vetro, posta sopra l’assorbitore, protegge il sistema dagli agenti esterni e trattiene la radiazione infrarossa prodotta dall’assorbitore. Il vetro è trasparente alla luce del Sole in entrata, ma risulta opaco all’infrarosso; per ridurre le dispersioni di calore viene contapposto un isolante termico, di norma realizzato con lana minerale o poliuretano espanso.
Infine il tutto è inserito all’interno di una struttura di contenimento (telaio) ed di una scocca in lamiera affinchè venga conferita la giusta robustezza e sui cui vengono collocati appositi attacchi e tralicci per il fissaggio su tetto.

Quello appena descritto viene classificato come collettore solare piano vetrato, il più diffuso in commercio e utilizzato nell’installazioni civili perché garantisce un’ottimo compromesso tra prestazioni energetiche, affidabilità nel tempo e costi di produzione.Collettore_NON_Vetrato
Parliamo invece di di collettori solari piani non vetrati quando appunto non è presente la barriera fornita dal vetro e per questo sono realizzati di norma da materiale sintetico affinché resistano agli attacchi degli agenti esterni, quali pioggia, vento ecc.
Nella maggior parte dei casi sono privi d’isolamento termico poiché funzionano a temperatura ambiente e vengono attraversati direttamente dall’acqua sanitaria. Riescono dunque ad avere elevati rendimenti anche a basse temperature sebbene, non essendo coibentati, il loro funzionamento sia vincolato da temperature esterne superiori a 20º C.
Tale soluzione viene normalmente adottata per il riscaldamento nella stagione estiva di piscine scoperte e per il riscaldamento dell’acqua nei campeggi, negli stabilimenti balneari e simili.
Il principio di funzionamento è abbastanza semplice, l’acqua passa, infatti, direttamente all’interno dei tubi del pannello, dove viene riscaldata dai raggi solari ed è pronta all’uso.

Collettore_Sottovuoto2Nei casi in cui è necessario un livello prestazionale superiore rispetto alle due tipologie di collettori precedenti, per via del clima particolarmente freddo caratterizzato da bassi valori di irraggiamento e temperatura dell’aria o la dove si devono integrare con l’impianto di riscaldamento, possiamo ricorrere a soluzioni più sofisticate e performanti come i collettori solari sottovuoto (o evacuati tubolari).
Sono composti da tubi di vetro speciale dove le estremità di un tubo vetro interno e di uno esterno vengono fuse tra loro e l’aria è estratta dall’intercapedine. L’assorbitore di calore è di forma circolare ed è alloggiato all’interno della cavità sottovuoto dei tubi stessi; in questo modo il fluido termoconvettore evapora e, cedendo il suo calore all’estremità superiore del tubo, si condensa e ritorna in basso. Collettore_SottovuotoGeneralmente sono forniti con concentratori a specchio retrostanti i tubi sottovuoto, in modo da sfruttare al massimo la radiazione solare.
A differenza dei pannelli piani, questa tipologia di collettori sottovuoto non conduce calore, essendo l’aria il migliore isolamento, per cui non si verificano perdite per convezione e conduzione e pertanto il loro rendimento è superiore. Inoltre, vista la loro maggiore resa, richiedono una minore superficie espositiva rispetto alle altre tipologie di pannelli.

Tab1

Serbatoi di accumulo

Negli impianti solari non sempre vi è contemporaneità tra produzione di energia termica e utilizzo. E’ quindi necessario accumulare il calore in eccesso prodotto dai collettori solari nei periodi di maggior insolazione per poi utilizzarlo in tempi successivi, quando vi è domanda termica ma scarsa o nulla radiazione solare.
La capacità e le caratteristiche dell’accumulo variano a seconda dell’applicazioni e delle esigenze specifiche: acqua calda sanitaria, riscaldamento ambientale, piscine, ecc.; tuttavia un buon serbatoio di accumulo deve possedere i seguenti requisiti:

  • elevata capacità termica del mezzo utilizzato (l’acqua soddisfa questo requisito);
  • efficace isolamento termico affinchè vengano ridotte le perdite;
  • buona stratificazione termica del fluido;
  • elevata durata e bassi costi;
  • compatibilità ambientale e salvaguardia delle condizioni igienico-sanitarie.

SerbatoioAltra caratteristica da considerare è sicuramente il materiale di fabbricazione. La maggior parte dei bollitori in commercio sono realizzati in acciaio e protetti internamente contro la corrosione, mediante trattamenti al carbonio, smaltatura, verniciatura ecc., oppure in altri casi realizzati completamente in acciaio inossidabile. Generalmente poi viene introdotta all’interno del bollitore un’ulteriore protezione attiva costituita da un anodo di magnesio, necessario per assorbire le correnti galvaniche e prevenire eventuali forature del serbatoio. L’anodo di magnesio consumandosi necessita di periodica sostituzione per cui almeno una volta ogni due anni con opportuna ispezione, se consumato, va sostuito.
Come già detto, inoltre, l’isolamento termico verso l’esterno del serbatoio ricopre un requisito necessario per ridurre al minimo le perdite di calore. In quest’ottica anche le tubature che arrivano e partono dal serbatoio devono essere adeguatamente coibentate; infatti la mancanza di isolamento termico del serbatoio e delle tubature si traduce sia in minor resa nella stagione fredda che in un eccesso di riscaldamento dei locali in cui si trova l’impianto ed a quelli adiacenti.
La forma verticale allungata dell’accumulo termico, permette di accentuare il fenomeno della stratificazione termica dell’acqua grazie alla differente densità del fuido a diverse temperatura, dando luogo a moti convettivi che distribuiscono l’acqua a temperatura maggiore verso la sommità del serbatoio.
Infine bisogna prestare particolare attenzione negli accumuli di acqua calda, alla crescita e alla diffusione di batteri pericolosi per la salute umana.
Tra questi il più temuto è il batterio della Legionella Pneumophila, in grado di provocare forme particolarmente acute di polmonite. Il suo habitat ideale è l’acqua calda a temperature comprese tra i 20 e 45° C, mentre temperature superiori a 60° C determinano una loro rapida eliminazione.
Considerato ciò, negli impianti solari questa temperatura può essere facilmente raggiunta nei periodi dell’anno con maggiore irraggiamento, oppure attraverso l’integrazione termica esterna di resistenze elettriche o caldaie ausiliari nei periodi più sfavorevoli, ripetendo tale operazione almeno una volta alla settimana.

Scambiatori di calore

Nei circuiti solari si presenta quasi sempre la necessità di trasferire energia termica tra fluidi con caratteristiche differenti (es. glicole/acqua), o in altri casi, occorre evitare il mescolamento dei fluidi di circuiti diversi (es. un circuito chiuso/un circuito aperto), oppure preferire di utilizzare in uno dei due circuiti sempre lo stesso fluido per evitare incrostazioni o problemi di corrosione.
Per ottenere lo scambio termico senza miscelare tra loro i due fluidi, è necessario ricorrere agli scambiatori di calore che possono essere componenti separati con due innesti (ingresso e uscita) per il circuito solare e due per il circuito secondario (es. caldaia ausiliaria o riscaldamento a biomassa), oppure possono essere incorporate nel serbatoio di accumulo termico come le serpentine.
Per prevenire i fenomeni di corrosione, gli scambiatori di calore sono in genere realizzati in acciaio inox o rame.Scambiatore
Dal punto di vista costruttivo, la distinzione principale ai fini dello scambio termico, è determinata dalla direzione e dal verso reciproco di scorrimento dei due fluidi. Negli impianti solari, dove uno o più scambiatori sono presenti all’interno del serbatoio di accumulo sotto forma di serpentine, la tipologia di questi scambiatori è detta shell and tube, dove il fluido termovettore scorre entro un tubo contenuto nel serbatorio, mentre l’acqua lo circonda completamente e attraversa l’accumulo stesso passando per i due innesti di ingresso e d’uscita posti all’estremità.

Pompe di circolazione e centraline di controllo

Come abbiamo visto, negli impianti eliotermici, ad eccezione di quelli a circolazione naturale, è sempre presente una pompa nel circuito collettori. Il funzionamento di una pompa di circolazione è caratterizzato dai seguenti parametri:

  • portata in volume, ovvero il volume di liquido convogliato dalla pompa nell’unità di tempo (m3/s);
  • prevalenza, pari alla differenza di altezza in colonna d’acqua tra l’ingresso e l’uscita (m o Pa);
  • potenza assorbita, ossia la potenza resa al fluido aumentata delle perdite interne (kW);
  • NPSH sigla di Net Positive Suction Head, ossia l’altezza totale netta disponibile all’aspirazione; in altre parole questo parametro indica il valore minimo di pressione alla bocca aspirante al di sotto del quale la pompa non ha più un funzionamento regolare che può comportare un’usura prematura del componente.

Pompa_CircolazioneLa centralina di controllo di un impianto solare riguarda sicuramente uno degli aspetti più importanti e delicati di tutto il sistema; infatti il comportamento atteso dai vari componenti, le prestazioni d’insieme, la resa energetica ecc., possono essere compromessi se il tale sistema risultasse inadeguato o non correttamente funzionante. Tra i requisiti che deve possedere una buona centralina ricordiamo l’affidabilità e la sicurezza, il facile utilizzo e la comprensione immediata delle informazioni da leggere ed interpretare. Generalmente negli impianti per uso residenziale, un’unica centralina polifunzionale, a cui fanno capo anche i sensori di temperatura ed irraggiamento, racchiude tutte le funzioni di controllo e gestione dell’impianto, unitamente alla pompa di circolazione del circuito collettori, alla valvola di sicurezza ai termometri ecc.

Vaso di espansione

Vaso_EespansioneIl vaso di espansione inserito nel circuito primario ha lo scopo di compensare le fluttuazioni di volume del fluido termovettore dovute alle differenti temperature in cui si trova ad operare.
I modelli utilizzati per questo scopo sono del tipo chiuso a membrana ed hanno la forma di un serbatoio dentro il quale è inserita una membrana di materiale elastomerico che lo divide in due parti. Una delle due è in comunicazione con il circuito collettori ed è quindi riempita con il fluido termovettore, mentre l’altra, contiene un gas costituito da azoto o aria; le espansioni e le contrazioni del volume del fluido termovettore sono assorbite all’interno del vaso sfruttando la comprimibilità del gas contenuto al di la della membrana.
Secondo la normativa vigente, le dimensione del vaso di espansione devono considerare la possibilità che il fluido contenuto nei collettori evapori completamente.

Conclusioni

Per dimensionare un impianto eliotermico adibito alla produzione d’acqua calda sanitaria in un unità abitativa, è necessario avere a disposizione una serie di dati relativi alle esigenze degli utenti e alla potenzialità del collettore.
In primis bisogna effettuare un sopralluogo tecnico per conoscere il numero delle persone che vive nella struttura abitativa, il consumo giornaliero per persona d’acqua calda a temperatura di circa 45° C, le caratteristiche specifiche d’installazione ecc.Schema
Occorre poi conoscere la potenzialità dell’impianto, ossia la quantità d’acqua calda prodotta per ogni m2 di collettori in un intervallo di tempo compatibile con le esigenze degli utenti. Si deve inoltre tenere conto che la potenzialità varia in funzione delle condizioni metereologiche e delle stagioni.
La temperatura massima raggiunta dall’acqua in estate è all’incirca 80° C, mentre in inverno questo valore si riduce a 40° C. Secondo una stima approssimata, per scaldare l’acqua contenuta nel serbatoio sono necessarie sei ore di sole in estate e dieci ore in inverno.
In via del tutto generale sono necessari 1,2 m2 di collettori solari per ogni persona per l’Italia Settentrionale, 1 m2 per ogni persona per l’Italia Centrale, 0,8 m2 per ogni persona per l’Italia del Sud e 50-70 litri di serbatoio per ogni metro quadrato di pannelli solari installati.
Sovradimensionare l’impianto è naturalmente possibile entro certi limiti, altrimenti si rischia di avere un eccessivo calore all’interno del circuito solare che può causare dei danni; in linea teorica, oltre ad aumentare il numero dei collettori, si dovrebbe anche aumentare la capacità del serbatoio d’accumulo.