Solare termico

Il solare termico si può ritenere una delle migliori soluzioni per l’utilizzo evoluto dell’energia nell’abitazione e negli ambienti di lavoro e grazie alle più evolute tecnologie presenti sul mercato si possono ottenere ottimi risultati sotto l’aspetto del contenimento delle risorse energetiche, nel rispetto dell’ambiente.

Un impianto solare termico permette di trasformare direttamente l’energia solare incidente sulla superficie terreste in energia termica, senza nessuna emissione inquinante e con il risparmio economico associato al mancato utilizzo di fonti energetiche tradizionali (energia elettrica o combustibili fossili).

L’energia termica così prodotta è raccolta in genere sotto forma di acqua calda.

In questo momento la tecnologia solare termica è utilizzata principalmente per la produzione di calore a bassa temperatura (45-65 °c) per il riscaldamento dell’acqua sanitaria e per il riscaldamento degli ambienti.

Esistono inoltre impianti solari termici per la produzione di calore a media e alta temperatura (100-250 °c) per applicazioni in processi industriali e per la produzione del freddo (solar cooling). Un impianto solare termico standard è composto di diversi elementi, ognuno con una funzione specifica. I principali sono il collettore, che serve a captare la radiazione solare e trasformarla in energia termica, e il serbatoio per accumulare il calore generato.

Completano l’impianto altri componenti, presenti o meno a seconda della tipologia d’installazione: la pompa solare, la centralina solare, il vaso di espansione, le valvole di sicurezza, ecc.

Il cuore dell’impianto è costituito dal collettore solare che opera la conversione in calore dell’energia solare che penetra al suo interno.

Il pannello solare più utilizzato e diffuso è il collettore solare vetrato piano, caratterizzato dalla presenza di un’intercapedine tra una superficie trasparente e una piastra assorbente.

È utilizzato per riscaldare l’acqua a temperature medie di utilizzo comprese tra 45 e 65 °c.

Sul mercato esistono anche altre tipologie di collettori:

  • collettori non vetrati scoperti, semplicemente realizzati con tubi in materiale plastico, sono molto economici, ma forniscono prestazioni accettabili solo se utilizzati durante la stagione estiva;
  • collettori sottovuoto, sono realizzati eliminando l’aria nell’intercapedine tra la tubazione e la copertura in vetro. In tal modo si riducono le perdite di calore ed è possibile lavorare in ambiente più freddo e con temperature del fluido riscaldato più elevate (70-80 °c). Essi sono più efficienti dei collettori vetrati piani, ma sono più fragili e costosi;
  • collettori a concentrazione, sono caratterizzati da un elemento assorbitore lineare o puntuale sul quale viene concentrata la radiazione solare tramite uno specchio concentratore. Tale sistema è utilizzato per la produzione di calore ad alta pressione e temperatura (100-250 °c).

L’elemento principale del collettore è l’assorbitore (piastra assorbente), che ha la funzione di assorbire la radiazione solare incidente e di trasformarla in calore. è costituito da una sottile piastra di metallo termicamente conduttivo, normalmente di rame (in commercio si trovano anche assorbitori in lega rame-alluminio oppure in acciaio al nickel-cromo), verniciata o trattata con uno strato di materiale selettivo per avere un alto grado di assorbimento della radiazione solare e per ridurre le perdite di calore verso l’esterno. Il calore sviluppato nell’assorbitore, viene trasferito a un fluido termovettore (acqua o una miscela di acqua e antigelo) che fluisce in appositi tubi di rame fissati o saldati sulla superficie posteriore dello stesso.

Il collettore solare è dotato di una copertura trasparente (vetro o materiale plastico) posta frontalmente all’assorbitore che ha lo scopo di mantenere intrappolato il calore all’interno, permettendo nello stesso tempo il passaggio della radiazione solare.

Inoltre, è presente una coibentazione (isolamento termico) laterale e posteriore che ha lo scopo di limitare il più possibile la dispersione di calore verso l’ambiente esterno.

L’altro elemento fondamentale di un impianto solare termico è rappresentato dal serbatoio (isolato termicamente) che ha lo scopo di immagazzinare il calore ceduto dai collettori, per renderlo disponibile nel momento in cui è necessario (ad esempio quando si sta facendo la doccia o quando il nostro impianto di riscaldamento richiede calore).

La configurazione ottimale per un impianto solare termico è definita sulla base dei fabbisogni dell’utenza, della posizione geografica e delle condizioni climatiche del luogo d’installazione.

Le configurazioni degli impianti solari termici possono essere raggruppate in due principali categorie:

  • Impianti a circuito naturale, il fluido caldo proveniente dal collettore è proprio la stessa acqua, che raggiunta la temperatura desiderata, arriva all’utenza.
  • Impianti a circuito forzato, il fluido caldo scorre in un circuito chiuso (circuito primario) che cede il calore, attraverso uno scambiatore, all’acqua all’interno di un serbatoio. L’acqua calda così accumulata è inviata all’utenza tramite un circuito secondario.

In questo momento la quasi totalità degli impianti solari termici esistenti è realizzata con un sistema a circolazione forzata.

L’utilizzo della configurazione a circuito aperto è limitato dai problemi di congelamento dell’acqua e dalla deposizione del calcare nelle tubazioni.

IMPIANTI A CIRCOLAZIONE NATURALE

Il serbatoio di accumulo, dotato al suo interno di scambiatore, è posto sopra il collettore stesso. La circolazione è garantita dalla differenza di densità del fluido tra il ramo freddo e caldo del circuito chiuso. È una soluzione impiantistica interamente installata in esterno, semplice, compatta ed economica, adatta prevalentemente per piccoli impianti.

IMPIANTI A CIRCOLAZIONE FORZATA

Per impianti di taglia medio-grande e in previsione di un utilizzo durante tutto l’anno, è da preferire lo schema a circolazione forzata con pompa di ricircolo del fluido, che permette di svincolare completamente il posizionamento dei collettori dal sistema di accumulo. Tale soluzione garantisce anche una migliore integrazione architettonica, consentendo di collocare il serbatoio in un idoneo locale tecnico e non sul tetto.

In entrambe le tipologie essendo il sole, una fonte energetica non costante nel tempo e legata alle condizioni climatiche, gli impianti solari hanno bisogno di un sistema di riscaldamento integrativo convenzionale per garantire la continuità nella produzione del calore.

A tal fine possono essere integrati nell’impianto i seguenti sistemi:

  • resistenza elettrica, installata direttamente nel serbatoio solare;
  • caldaia istantanea che riscalda l’acqua in uscita dal serbatoio solare;
  • caldaia ad integrazione che tiene in temperatura l’acqua nel serbatoio solare mediante uno scambiatore di calore posto nella parte superiore del serbatoio stesso.

In conclusione, un impianto solare termico, oltre ai collettori, comprende:

  • un serbatoio di accumulo;
  • uno o più scambiatori di calore;
  • una pompa di ricircolo e relativa centralina di comando (se l’impianto è a circolazione forzata);
  • un sistema integrativo del calore di tipo tradizionale (gas, gasolio, elettricità, biomasse);
  • valvole, tubazioni e altri componenti per la sicurezza.

APPLICAZIONI

Le principali applicazioni dei sistemi solari termici in ambito civile sono:

  • produzione di acqua calda sanitaria a uso domestico e nel terziario (alberghi, palestre, uffici, ecc.);
  • riscaldamento degli ambienti in inverno;
  • riscaldamento piscine (coperte e scoperte);
  • riscaldamento dell’acqua per processi industriali a bassa temperatura;
  • essiccazione di prodotti agro-alimentari;
  • raffrescamento degli ambienti in estate.

La produzione di acqua calda sanitaria tramite collettori vetrati piani è senza dubbio l’applicazione più comune e diffusa e normalmente, con l’energia solare si riesce a coprire circa il 60-80% del fabbisogno annuo.

L’impiego di collettori non vetrati scoperti sono particolarmente indicati per gli impianti utilizzati soprattutto d’estate (generalmente da maggio a settembre), come le piscine scoperte (il 70-90% del fabbisogno termico può essere fornito dal sole).

Interessanti risultati si ottengono accoppiando l’impianto solare termico con un’installazione di riscaldamento degli ambienti a bassa temperatura (sistemi radianti a pavimento o soffitto/parete).

In zone con un esteso periodo di utilizzo del riscaldamento e in edifici con buone caratteristiche d’isolamento termico (prerequisito essenziale per fare riscaldamento solare), si riesce a raggiungere fino al 25-50% di copertura del fabbisogno termico.

DOVE PUÒ ESSERE INSTALLATO UN IMPIANTO SOLARE TERMICO?

I collettori solari possono essere collocati su qualsiasi pertinenza dell’immobile di proprietà dell’utente.

La decisione in merito alla fattibilità tecnica si basa sull’esistenza nel sito d’installazione dei seguenti requisiti, che dovranno essere verificati dal progettista/installatore in sede di sopralluogo:

  • disponibilità della superficie necessaria per installare i pannelli;
  • corretta esposizione e inclinazione della suddetta superficie.

Le condizioni ottimali per l’italia sono:

  • esposizione SUD (accettata anche SUD-EST, SUD-OVEST, con limitata perdita di produzione);
  • in caso di fabbisogno costante di acqua calda durante l’anno, l’inclinazione consigliata è pari indicativamente alla latitudine del luogo (35°-45°);
  • in caso di fabbisogno di acqua calda prevalentemente estivo, l’inclinazione consigliata è pari alla latitudine del luogo diminuita di 15° (20°-30°);
  • in caso di fabbisogno di acqua calda prevalentemente invernale, tipicamente per sistemi solari per il riscaldamento degli ambienti, l’inclinazione consigliata è pari alla latitudine del luogo aumentata di 15° (50°-60°);
  • assenza di ostacoli in grado di creare ombreggiamento.

COME SI DIMENSIONA UN IMPIANTO SOLARE TERMICO?

Il dimensionamento di un impianto solare termico è il risultato del bilancio tra l’energia termica che può produrre l’impianto e i fabbisogni di calore dell’utenza. La produzione termica utile annua di un impianto solare, caratterizzato da una determinata superficie captante, può essere stimata abbastanza accuratamente attraverso un calcolo che tiene conto di:

  • la radiazione solare annuale disponibile nel luogo d’installazione;
  • un fattore di correzione calcolato sulla base dell’orientamento, dell’angolo d’inclinazione dei collettori solari ed eventuali ombre temporanee;
  • le prestazioni tecniche dei pannelli solari, del serbatoio, degli altri componenti dell’impianto e dell’efficienza del sistema di distribuzione;
  • il grado di contemporaneità tra produzione del calore e fabbisogno dello stesso da parte dell’utenza.

I fabbisogni termici dell’utenza devono essere attentamente calcolati in relazione al tipo di applicazione: produzione di acqua calda sanitaria, integrazione al riscaldamento degli ambienti, riscaldamento piscina.

Sulla base dell’esperienza tecnica d’impianti realizzati, negli ultimi decenni, ipotizzando una disposizione dei pannelli ottimale per le latitudini italiane e in assenza di fenomeni d’ombreggiamento, si può far riferimento alle seguenti tabelle per avere un’indicazione di massima sul dimensionamento degli impianti.

Dimensionamento di massima di impianti per  la produzione  ACS

Impianto per  utenze familiari Impianto per  utenze plurifamiliari Impianto perstrutture ricettive
Superficie collettore piano (m2/persona)

0,7 – 1,2

0,5 – 1

Superficie collettore sottovuoto (m2/persona)

0,5 – 0,8

0,4 – 0,7

Superficie collettore piano (m2 per ogni 100 litri di consumo medio ACS

0,5 – 1

Superficie collettore sottovuoto (m2 per ogni100 litri di consumo medio ACS 0,4 – 0,7
Volume serbatoio di accumulo (litri/persona)

50 – 70

50 – 70

Volume sebatoio di accumulo (litridi accumulo per ogni litro di consumo  medio ACS)

50 – 80

Copertura ACScon solare (%)

60 – 80

50 – 70

40 – 60

Dimensioni di massima d’impianti solari per piscine

Impianto per piscine all’aperto

Superficie collettore piano(mq. per ogni mq. Superficie piscina)

0,5 – 1

Copertura solare (%)

70 – 90%

Dimensionamento di massima di impianti per integrazione al riscaldamento ambienti

Impianto per edifici monofamiliari

Superficie collettore pianomq. per ogni 10 mq. di abitazione

0,7 – 1

Superficie collettore sottovuotomq. per ogni 10 mq. di abitazione

0,5 – 0,8

Volume serbatoio di accumulo(litri per ogni mq. di superficie installata

50

Copertura riscaldamento con solare (%)

25 – 50

QUANDO PUÒ DURARE UN IMPIANTO?

Nelle analisi tecniche ed economiche si usa accreditare l’impianto di una vita complessiva di almeno 20 anni. Nella pratica è opportuno considerare separatamente i componenti economicamente più significativi.

I collettori vetrati piani, che sono attualmente i più diffusi, hanno una durata di vita superiore a 20 anni. Generalmente la garanzia, fornita dai produttori sul mantenimento delle prestazioni energetiche, è di 5 anni.

Anche per i serbatoi, che rappresentano l’altro componente economicamente rilevante dell’impianto, la garanzia si estende normalmente a 5 anni.

Per gli altri componenti la durata di garanzia è 2 anni.

Un impianto correttamente dimensionato, installato e gestito può tranquillamente superare la vita “tecnica” sopra ricordata. A tal fine, è fondamentale prevedere un programma di manutenzione ordinaria e straordinaria che, mediante interventi periodici con cadenza in genere biennale, tenga sotto controllo lo stato dell’impianto e le prestazioni.