Solare termico

Cosa è

Il solare termico è una tecnologia che permette la conversione diretta dell'energia solare in energia termica utilizzabile per la produzione di acqua calda sanitaria e/o per riscaldare gli ambienti. Possiamo individuare tre elementi principali che costituiscono l'impianto:

- il collettore solare : ovvero un particolare scambiatore di calore in grado di trasferire l'energia proveniente dal sole ad un mezzo che fluisce al suo interno. Esso è contraddistinto da caratteristiche geometriche, tecniche e rendimenti anche molto diversi tra loro a seconda delle diverse tipologie esistenti attualmente sul mercato. Il fluido è generalmente acqua, miscele di acqua e sostanze antigelo, olio o aria. Non tutta l'energia incidente può essere raccolta, in quanto vi sono perdite di varia natura (riflessione, assorbimento, reirraggiamento) : si parla quindi di efficienza di conversione del collettore.

- il serbatoio: la variabilità della radiazione solare (in funzione delle caratteristiche climatiche e meteorologiche ) e la non necessaria contemporaneità tra la produzione ed l'uso di acqua calda sanitaria rendono necessaria l'adozione di un serbatoio di accumulo in cui viene temporaneamente immagazzinata l'acqua prima del suo utilizzo.

- il circuito dell'impianto, che trasferisce il fluido per gli usi preposti.

Tipologie di impianti

I sistemi solari, in base al tipo di circolazione del fluido termovettore, si possono dividere in sistemi aperti e chiusi.

A) sistemi aperti: Il fluido che circola all'interno del collettore è l'acqua sanitaria stessa che, raggiunta la temperatura richiesta, arriva all'utenza. Tale sistema è caratterizzato da un circuito molto semplice e da efficienza elevata dovuta all'assenza di scambiatori ma presenta alcuni svantaggi:

- Il pericolo di congelamento: temperature prossime allo 0°C danneggiano le tubazioni interne al collettore. Per impedire questo occorre svuotare il collettore nelle ore notturne o operare un ricircolo di acqua calda nei collettori durante la notte.

- La deposizione di calcare: fenomeno che, superati i 55÷60 °C, cresce al crescere della temperatura, specie con acqua in scorrimento, rendendo progressivamente meno efficace il trasferimento del calore.

B) sistemi chiusi: Nell'impianto si evidenziano due circuiti separati: uno per il fluido termovettore (circuito primario) e l'altro per l'acqua sanitaria da riscaldare (circuito secondario ACS). Tale impianto presuppone una complessità di circuito maggiore ed una minore efficienza del sistema derivante dalla presenza dello scambiatore che trasferisce il calore dal circuito primario a quello secondario. Il fluido termovettore può però in questo caso essere miscelato con antigelo ed è possibile utilizzare acqua con durezza controllata, evitando pericolose incrostazioni del circuito.

A seconda di come vengono disposti accumulo e collettore possiamo poi avere impianti a circolazione "naturale" o "forzata". Si usa la circolazione naturale quando è possibile posizionare il serbatoio sopra il pannello solare. In tali sistemi le differenze di temperatura che si generano nel circuito innescano moti convettivi spontanei (il fluido più caldo e meno pesante tende a salire mentre quello più freddo e pesante tende a scendere). La circolazione di fluido tra collettore e serbatoio avviene quindi senza bisogno di intervenire fornendo energia elettrica. Se il serbatoio, per esigenze pratiche, viene posizionato più in basso rispetto ai collettori, si rende necessario un sistema a circolazione forzata nel quale, per la regolazione del flusso del fluido, viene inserita una pompa o circolatore.

I collettori presenti sul mercato sono di vario genere:

- piani, vetrati o non vetrati

- sottovuoto

Il collettore piano è quello più diffuso e conosciuto per la semplicità costruttiva e i costi contenuti. I pannelli solari piani non vetrati sono generalmente in materiale plastico e hanno costi particolarmente contenuti. Hanno buoni rendimenti in condizioni ottimali ma l'assenza di copertura vetrata comporta forti perdite in caso di basse temperature esterne. Sono adatti prevalentemente ad un uso stagionale, spesso nel riscaldamento delle piscine. I pannelli solari vetrati sono invece composti da un assorbitore ricoperto superiormente da una lastra vetrata e protetto inferiormente e lateralmente da uno strato di isolante. In presenza di climi freddi, vengono utilizzati prevalentemente collettori sottovuoto (o evacuati), all'interno dei quali viene eliminata l'aria allo scopo di ridurre le perdite per convezione.

Ottimizzare l'impianto

Il collettore assorbe, nell'arco dell'anno, la radiazione solare massima se orientato a sud (azimut 0°). L'angolo di inclinazione va invece scelto in funzione del tipo di necessità che si intende soddisfare. Se, ad esempio, volessimo utilizzare un impianto solare per riscaldare un edificio nel periodo invernale sarebbe opportuno avere inclinazioni più elevate (che tendano alla posizione verticale). Un altro importante accorgimento che migliora il rendimento globale dell'impianto solare termico è quello di acquistare dei serbatoi con adeguato livello di isolamento e sceglierne le dimensioni in funzione delle reali esigenze di utilizzo.

Le principali applicazioni

- La produzione di acqua calda per usi sanitari, riscaldamento e preriscaldamento di acqua di processo (fino a 60-70°C), utilizzando impianti solari è presente ormai in diversi settori dal residenziale al produttivo; la sua diffusione in Italia è tuttavia ancora lontana dal suo reale potenziale.

- I pannelli solari che utilizzano l'aria quale fluido termovettore vengono impiegati per il pre-riscaldamento nella ventilazione degli ambienti o l'essiccazione di prodotti. L'aria, una volta raggiunta la temperatura richiesta, è resa direttamente disponibile. Non avendo liquidi in movimento,questi pannelli non presentano quindi rischi di gelo e/o surriscaldamento; sono particolarmente affidabili ed hanno bassi costi di manutenzione.

- Il raffrescamento e il condizionamento estivo degli edifici è possibile utilizzando impianti a collettori sottovuoto, nei quali la particolare coibentazione garantisce l'assenza di dispersioni per convezione e consente di raggiungere livelli di prestazione ottimali anche in condizioni di minor irraggiamento solare. I collettori sottovuoto sono particolarmente indicati per l'utilizzo in zone a clima freddo e/o ventoso.

- La fornitura di calore di processo a bassa e media temperatura (fino a 250°C) può essere fatta con impianti a collettori sottovuoto e a concentrazione. Attualmente questo tipo di applicazioni, pur interessanti, non sono molto diffuse.

Dimensionamento ed investimenti

La produzione di acqua calda per usi sanitari con collettori solari piani e sottovuoto rappresenta una tecnologia matura ed affidabile (con vita utile di oltre 20 anni), in grado di ottenere tempi di ritorno dell'investimento relativamente brevi (4-8 anni), in relazione al grado di insolazione delle località e del rendimento dell'impianto. Un impianto a circolazione forzata, dimensionato per coprire il 70% del fabbisogno di ACS per una famiglia di 4 persone, richiede una superficie di collettori che oscilla, in base al rendimento dell'impianto, tra 3 e 5 mq , un volume di accumulo medio tra 200 e 400 lt ed un costo di impianto tra 2800 e 4500€. La convenienza economica di un eventuale copertura del fabbisogno oltre il 70% va valutata attentamente sul singolo progetto.