SOLARE TERMICO


[Tratto dal sito del Ministero dell’Ambiente]

Quadro sintetico della tecnologia e degli impianti

La tecnologia per l'utilizzo termico dell'energia solare ha raggiunto maturità ed affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per scaldare l'acqua o l'aria nell'utilizzo domestico e produttivo. La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/ solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre. Il rendimento dei pannelli solari è aumentato di un buon 30 % nell'ultimo decennio, rendendo varie applicazioni nell'edilizia, nel terziario e nell'agricoltura commercialmente competitive. L'applicazione più comune è il collettore solare termico utilizzato per scaldare acqua sanitaria. Un metro quadrato di collettore solare può scaldare a 45÷60 °C tra i 40 ed i 300 litri d'acqua in un giorno a secondo dell'efficienza che varia con le condizioni climatiche e con la tipologia di collettore tra 30 % e 80%.
Le tecnologie per utilizzare l'energia solare per produrre calore sono di tre tipi: a bassa, media ed alta temperatura.

 Stato dell'arte

Nel mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di pannelli solari di cui 3 milioni nell'Unione europea.
In Italia l'applicazione dei pannelli solari per scaldare l'acqua può essere ancora molto potenziata. Nel 2000 sono stati installati circa 25.000 , molto pochi anche rispetto a paesi più freddi (per esempio l'Austria) ma più sensibili a questioni economico ambientali relative a questo settore. Il parco del solare termico in Italia è oggi di 350.000 , l'utilizzo maggiore è dovuto all'utenza domestica, ad impianti di prevalente utilizzo estivo ed alle piscine.

 Applicazioni

Le applicazioni più comuni sono relative ad impianti per acqua calda sanitaria, riscaldamento degli ambienti e piscine; sono in aumento casi di utilizzo nell' industria, nell'agricoltura e per la refrigerazione solare. I collettori solari ad aria calda si differenziano da quelli ad acqua per il fatto che in essi il fluido termovettore è costituito da aria. I campi d'applicazione per tali impianti sono tipicamente quelli di riscaldamento dell'aria per la climatizzazione ambientale e, in campo industriale, per i processi d'essiccazione di prodotti alimentari.
Nel campo della climatizzazione ambientale il vantaggio di utilizzare i collettori ad aria consiste nel fatto che l'aria in essi riscaldata può essere inviata direttamente all'ambiente senza scambiatori di calore intermedi. Ciò permette un notevole aumento di efficienza del sistema, basti pensare che, di solito, con un sistema ad acqua, per riscaldare un ambiente a 20÷22 °C, occorre portare l'acqua almeno a 60÷70 °C. Il principio di funzionamento dei collettori ad aria è pressoché lo stesso di quelli ad acqua, ma i parametri di dimensionamento variano sostanzialmente, in quanto l'aria scambia calore con maggiore difficoltà dell'acqua.
Occorre perciò assicurare all'aria un tempo di permanenza più lungo all'interno del collettore; per questo motivo il percorso di solito è tortuoso, per rallentare il flusso dell'aria. Per il resto, il collettore ad aria, come quello ad acqua, è costituito da una piastra captante, una o più coperture trasparenti e l'isolamento termico.
I collettori solari per piscina possono fornire fino al 100% delle necessità termiche delle piscine. Sono inoltre i più semplici da installare della categoria. La combinazione di un sistema di riscaldamento solare e l'utilizzo di una copertura notturna può accrescere sensibilmente la lunghezza della stagione balneare con un incremento dei costi gestionali molto contenuto.

 Potenzialità

Possibilità di copertura del fabbisogno energetico annuo mediante collettore solare termico

Le tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo e di prestazioni. Per di più, essendo l'energia solare una fonte aleatoria sulla superficie terrestre, i collettori solari termici vanno realisticamente considerati integrativi rispetto alle tecnologie tradizionali; essi vanno quindi considerati capaci di fornire direttamente solo parte dell'energia necessaria all'utenza, energia che altrimenti dovrebbe essere prodotta dalla caldaia tradizionale. La percentuale di energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo.
A Roma, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta, questo fattore non supera il 65%. Questo limite è comune a moltissime tecnologie basate su fonti rinnovabili, il più delle volte caratterizzate da disponibilità aleatoria o periodica. A causa di ciò, con il crescere delle dimensioni dell'impianto, cresce il fattore di copertura del carico termico, ma la relazione tra il costo dell'energia e l'energia prodotta resta lineare fino al 55%÷60%. Superato questo valore, il costo continua ad aumentare linearmente con le dimensioni dell'impianto, mentre l'energia prodotta aumenta meno rapidamente, il che si traduce in un maggiore costo dell'unità di superficie di collettore. E' per questo motivo che un collettore solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria dimensionato correttamente viene progettato per soddisfare il 60÷65% del fabbisogno termico.

 Paragone tra diverse tipologie di impianti per la produzione di acqua calda

In ambito urbano l'acqua calda sanitaria è per la maggior parte dei casi prodotta con scaldabagni elettrici o caldaie a gas. La produzione di acqua calda sanitaria, con l'uso di energia elettrica dissipata dalla resistenza presente nello scaldabagno, risulta un processo costoso dai punti di vista energetico, ambientale ed economico, se confrontato con la produzione di acqua calda con caldaie a gas. L'introduzione aggiuntiva di un collettore solare termico, che sostituisca parte della produzione di calore, comporta benefici ancora maggiori. Di seguito vengono analizzati brevemente gli effetti energetici, economici ed ambientali che l'introduzione di tre diverse tipologie di impianti per il riscaldamento per acqua sanitaria possono conseguire, in relazione all'introduzione di un sistema solare termico attivo, in particolare si analizzeranno le seguenti possibili soluzioni:

1.      sostituzione dello scaldabagno elettrico con un sistema integrato solare/gas

2.      integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare

3.      integrazione del sistema elettrico con impianto solare (per impossibilità di sostituzione con sistema gas).

Il primo caso interessa molte utenze domestiche e pubbliche, di piccola taglia, che non hanno ancora affrontato la questione e, di conseguenza, potrebbero essere incentivate, in analogia con i provvedimenti sulle rottamazioni, ad una sostituzione dello scaldabagno elettrico. Nel secondo caso l'integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare, prevede un costo di integrazione ridotto al minimo; si tratta di fatto di utenze che hanno già scelto il gas e potrebbero, con sistemi solari termici, risparmiare il 60 % annuo di gas combusto. Il terzo caso è relativo a realtà in cui il sistema di riscaldamento non può che essere elettrico, per ragioni urbanistiche o per la particolarità dell'utente; per esempio campi nomadi o altre strutture di accoglienza.

Per le tre soluzioni impiantistiche verrà eseguito, a scopo indicativo, un bilancio energetico ed ambientale (in termini di emissioni di CO² evitate).

 Analisi energetica: calcolo dell'energia pro capite necessaria

In media, in Italia si consumano circa 50 litri al giorno di acqua calda sanitaria pro capite, alla temperatura di 45°C. Ipotizzando una temperatura dell'acqua proveniente dall'acquedotto pari a 15 °C si può calcolare il quantitativo pro capite Q, di energia termica necessaria:

Q = G . cs . (Tu - Ta ) = 50 l . 1 kcal/l °C . 30 °C = 1500 kcal

Avendo indicato con:

G, massa d'acqua da scaldare (l)
cs, calore specifico dell'acqua (kcal/l)
Tu, temperatura di utilizzo, pari a 45°C
Ta, temperatura acqua dell'acquedotto (°C).

 Caso di Produzione di acqua calda con scaldabagno elettrico

In questo caso, l'utilizzo di energia termica per produrre acqua sanitaria comprende una doppia trasformazione. In una prima fase occorre produrre energia elettrica (tipicamente, in centrali termoelettriche, più raramente in idroelettriche). L'energia elettrica prodotta, poi, trasportata all'utenza, dovrà a sua volta trasformarsi in energia termica per effetto Joule per essere conferita all'acqua. Per produrre con uno scaldabagno elettrico 1500 kcal (1,7 kWh termici) sono necessari circa 1,94 kWh elettrici, avendo stimato l'efficienza di conversione dello scaldabagno elettrico pari al 90%. Mediamente, una famiglia di quattro persone utilizza, quindi, 7,74 kWh elettrici al giorno per la produzione di acqua calda sanitaria. Ma è da considerare che, per la produzione di ogni kWh elettrico, vengono consumati dal parco di centrali elettriche italiane, circa 2,54 kWh, sotto forma di energia primaria.

Considerando questa doppia trasformazione da energia primaria in energia elettrica e da elettrica a termica, emerge che, per produrre l'acqua calda necessaria giornalmente per soddisfare il fabbisogno pro capite sono necessarie 2,54 . 1,94 = 4,93 kWh primari equivalenti a 4.240 kcal. In tal modo solo il 35% dell'energia primaria consumata viene effettivamente utilizzata dall'utente. Nel caso, poi, di una famiglia di quattro persone, si arriva a 16.960 kcal/giorno, pari a 17,72 kWh (termici).

 Caso di produzione di acqua calda con caldaia a gas

Una caldaia a gas ha ovviamente una resa energetica diretta più alta, perché evita la conversione più energivora (e più exergivora), che consiste nel passaggio energia termica -> energia elettrica. Per questo la resa globale si aggira sull'80÷85%. La produzione di calore e il conseguente riscaldamento dell'acqua sanitaria avviene per combustione diretta del metano. Nel caso peggiore di rendimento del 80%, per produrre 1500 kcal sono quindi necessarie in un giorno 1875 kcal (ossia 2,18 kWh). Nel caso di una famiglia di quattro persone si arriva a 7500 kcal/giorno.

 Confronto di consumi energetici tra i casi esaminati

La figura seguente mostra il risultato del confronto tra il fabbisogno energetico necessario per la produzione di acqua calda sanitaria con uno scaldabagno elettrico, con una caldaia a gas, un sistema caldaia gas/collettore solare termico ed un sistema scaldabagno elettrico/collettore solare termico, ferme restando le ipotesi sopra enunciate ed il quantitativo procapite di acqua necessaria.

 Tabella di confronto di consumi energetici

Si osserva allora che, nel passaggio dalla soluzione con scaldabagno elettrico a quella con caldaia a gas integrata da collettori solari, il consumo energetico procapite passa da 4,93 a 0,87 kWh. E' il caso più interessante, dunque, che porta ad una riduzione dell'82% del consumo energetico, a parità di servizio reso.
Nel confronto tra il sistema basato sull'integrazione di collettore solare con una caldaia a gas e la caldaia stessa, si nota come il consumo passi da 2,18 kWh, per il caso della sola caldaia, a 0,87 kWh, per il sistema integrato. Nel passaggio dal solo scaldabagno elettrico ad uno scaldabagno integrato da collettori solari, il consumo energetico scende da 4,93 a 1,97 kWh.

 Costi

Nel caso dei collettori solari il costo al metro quadro è, in realtà poco indicativo, poiché il vero costo deve essere correlato alla quantità di acqua calda prodotta in un anno. Una famiglia di 4 persone che consuma 50÷60 litri di acqua calda a persona ogni giorno, per un totale di 80÷100 mila litri annui spende circa 1 milione per riscaldare l'acqua con energia elettrica e 750.000 £ se la scalda con caldaia a metano. Se l'impianto solare integra la caldaia per un 60÷70% il risparmio annuo oscilla tra 500 e 700 mila lire ed in 5 anni si ammortizza una spesa di 2,5 ÷ 3,5 milioni di lire. Le agevolazioni statali consentono, inoltre, di detrarre dalle tasse parte delle spese di acquisto e di installazione.

 Vantaggi ambientali

Un primo indicatore di confronto tra le diverse tecnologie a disposizione può essere ritenuta la quantità di anidride carbonica mediamente immessa nell'ambiente per produrre, nelle stesse condizioni, acqua calda sanitaria. Nel corso dell'analisi energetica, si è stimato che il fabbisogno di energia elettrica di un'utenza monofamiliare (4 persone) per produrre acqua calda sanitaria con uno scaldabagno elettrico è pari a 7,74 kWh (elettrici) /giorno. In Italia, per produrre un kWh elettrico, le centrali termoelettriche emettono nell'atmosfera in media 0,58 kg di anidride carbonica (CO²), uno dei principali gas responsabili dell'effetto serra [Dati ENEL 1999]. Pertanto, lo scaldabagno in esame è indirettamente responsabile dell'immissione nell'atmosfera di:

0,58 kg CO² / kWh (elettrico) .7,74 kWh (elettrici) /giorno = 4,5 kg CO²/giorno,

Questo significa che, per la sola acqua calda sanitaria, utilizzando lo scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell'ambiente 4,5 kg CO² (con una media procapite di 1,125 kgCO²/giorno).

Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano 0,25 kg CO² per ogni kWh termico; una famiglia di 4 persone dà quindi origine alla seguente produzione giornaliera di anidride carbonica:

0,25 kg CO² . 6.97 kWh (termici) = 1,74 kg CO² /giorno

con una media procapite di 0,435 kgCO²/ giorno.

Nel caso di impianti ibridi solare /gas, ossia impianti solari posti ad integrazione della caldaia a gas, assicurando lo stesso comfort durante tutto l'arco dell'anno, è possibile risparmiare, a Roma, il 60% del consumo di gas: la stessa famiglia produrrà, allora, giornalmente 0,69 kg CO², con una media procapite di 0,174 kgCO²/ giorno.

La figura seguente riepiloga le emissioni di anidride carbonica generate nei diversi casi analizzati. La riduzione delle emissioni di CO² ottenuta con il sistema ibrido è notevole soprattutto rispetto al primo scenario: si passa da 1,125 kg di CO² emessi a 0,22 kg di CO² , con una riduzione percentuale dell'80%. Tra il caso di impiego della caldaia a metano e quello di integrazione di questa con i collettori si verifica una riduzione, in valore assoluto, di 0,33 kg di CO² procapite, mentre lo scaldabagno elettrico, se impiegato con il solare, porta ad una riduzione di 0,675 kg di CO².

Tabella emissioni di anidride carbonica

[Tratto dal sito ENEL]

Tecnologia

La tecnologia per l'utilizzo termico dell'energia solare ha raggiunto maturità ed affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per scaldare l'acqua o l'aria nell'utilizzo domestico e produttivo. La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/ solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre.

Classificazione degli impianti solari
Una prima classificazione degli impianti può essere effettuata rispetto alla temperatura di esercizio del fluido termovettore: sistemi a bassa temperatura (BT), a media temperatura (MT) ed alta temperatura (AT); in base a questa classificazione si ottengo tipologie di impianti che funzionano in maniera molto diversa tra loro.

Solare termico a bassa temperatura (BT) - Le tecnologie a bassa temperatura comprendono i sistemi che usano un collettore solare (pannello solare) per riscaldare un liquido o l'aria. Lo scopo è captare e trasferire energia solare per produrre acqua calda o riscaldare gli edifici. Con la denominazione "bassa temperatura" ci si riferisce a fluidi scaldati al di sotto dei 100 °C (raramente si può arrivare a 120 °C).

Solare termico a media Temperatura (MT) - La più comune tra le applicazioni della conversione a media temperatura è rappresentata dai forni solari. Essi sono dispositivi che richiedono la concentrazione dei raggi solari per raggiungere temperature maggiori di 250 °C.

In Italia riguardano una nicchia di mercato relativa all’hobbistica, mentre possono avere buone applicazioni nei Paesi ove la scarsità di risorse energetiche è un problema quotidiano. Altre applicazioni di questo tipo possono essere legate al calore di processo industriale, ma non sono molto diffuse.

Solare termico ad alta temperatura (AT) - Detto anche “solare termodinamico”, viene utilizzato perlopiù per la produzione di elettricità: il fluido caldo che si ottiene viene usato per far muovere una turbina a vapore, e produrre quindi energia elettrica.

Le tecnologie ad alta temperatura più utilizzate sono: gli specchi parabolici lineari, le torri solari ed i sistemi a concentratori parabolici indipendenti.

Generalmente in queste centrali il fluido viene portato allo stato di vapore dal calore raccolto sulla sommità di una torre posta al centro di un campo di specchi oppure all’interno di condotti che percorrono la linea del fuoco di specchi concentratori parabolici. Successivamente il fluido si espande evolvendo in un impianto turbo-vapore simile a quelli utilizzati nella generazione termoelettrica tradizionale.

Impianti con collettori parabolici puntuali o a disco sono stati sviluppati in Germania, Stati Uniti, Israele e Australia. I recenti sviluppi tecnologici fanno prevedere un rilancio applicativo di questa tecnologia sia per la generazione di energia elettrica, sia per la produzione di calore di processo per l'industria chimica.

Curiosità
In Italia, l'esperienza di maggior rilievo nel solare termico AT è stata realizzata agli inizi degli anni ottanta con la costruzione della più grande centrale solare del mondo presso Adrano in provincia di Catania. L'impianto, chiamato Eurelios, è costituito da una torre centrale alla sommità della quale è posta la caldaia riscaldata dalla radiazione riflessa da un campo di specchi. La centrale ha la potenza di 1 MW.

La compagnia israeliana Solel Solar Systems ha
costruito presso il proprio centro solare termico di Beit Shemesh in Israele, un impianto solare di 800 per alimentare il sistema di condizionamento degli ambienti di un edificio destinato ad uffici. L'impianto, della potenza di 50 kW, copre completamente il fabbisogno di energia per gli impianti di condizionamento, il 10% della richiesta di elettricità per l'illuminazione e parte dell'energia termica necessaria al riscaldamento invernale.

Le tecnologie della Solel Solar Systems consentono di produrre calore alle basse, medie e alte temperature. Nel deserto del Mojave in California sono impiegate per produrre elettricità nella più grande centrale termoelettrosolare del mondo da 350 MW. Il loro uso può essere particolarmente conveniente per il raffrescamento di grandi edifici come alberghi, ospedali ed edifici commerciali e industriali.

 

Solare termico a bassa temperatura

La classificazione dei sistemi BT può essere effettuata secondo diversi aspetti degli impianti.
In base al tipo di fluido usato abbiamo: impianti ad aria, impianti ad acqua e impianti ad altro fluido.

In base al tipo di moto del fluido si dividono tra attivi e passivi, ossia tra sistemi in cui la circolazione dell'acqua può avvenire per effetto dell'azione di una pompa (sistemi attivi o a circolazione forzata) o per circolazione naturale, sfruttando le differenze di temperatura del circuito (sistemi passivi o a "termosifone"). Nei sistemi a circolazione naturale si sfruttano i moti convettivi naturali dell’acqua che si instaurano a causa della differenza di temperatura di masse di acqua adiacenti: le masse calde, dotate di minore densità, tendono a salire al di sopra di quelle più fredde.

Kit a circolazione naturale


Un’altra classificazione è basata sul tipo di circuito: sistemi chiusi ed aperti: sono rispettivamente sistemi in cui il fluido scaldato è chiuso in circuito e utilizzato per trasferire il suo calore ad un fluido secondario (mediante uno accumulatore-scambiatore) e sistemi in cui ciò che viene scaldato è direttamente l’acqua o l’aria che verrà poi utilizzata dalle utenze (c’è quindi un ricambio continuo del fluido evolvente nell’impianto).

Impianto solare termico BT a liquido
Questa tipologia impiantistica è quella più diffusa nelle applicazioni civili; in particolare gli impianti più diffusi sono quelli attivi (a circolazione forzata) con circuito chiuso (con accumulo).
Gli elementi essenziali di questo tipo di impianto sono: il collettore solare, la centralina, il circuito idraulico, il fluido termovettore, la struttura di sostegno ed il sistema di accumulo.
Il collettore solare (con la sua struttura di sostegno) è solitamente posizionato sul tetto dell’edificio, mentre la centralina ed il sistema di accumulo sono posti in un locale apposito. Il circuito idraulico collega questi elementi ed il fluido termovettore scorre all’interno dell’impianto.
Centralina (sistema di controllo)
Comanda l’avvio e lo spegnimento della pompa di circolazione del liquido (negli impianti a circolazione forzata). La centralina ha al suo interno un termostato differenziale dotato di due sonde termiche che rilevano la temperatura del pannello solare e di quella dell'acqua d'accumulo.
Se la centralina rileva una differenza di temperatura tra le due sonde compresa nell’intervallo: 5 ¸ 20°C mette in funzione la pompa.

• Circuito idraulico
Detto anche circuito solare, comprendente le tubazioni (che trasportano l’acqua), la pompa di circolazione (negli impianti a circolazione forzata o “attivi”), le valvole ed il vaso di espansione (per contenere la dilatazione del liquido solare quando aumenta la propria temperatura). È un circuito idraulico molto semplice, paragonabile in complessità a quello di un impianto di riscaldamento.
• Struttura di sostegno
È la struttura metallica che sostiene i collettori solari e che li orienta secondo la giusta inclinazione rispetto al piano orizzontale; nel caso in cui vengano montati su una struttura orizzontale è infatti opportuno dar loro la corretta inclinazione.
• Sistema di accumulo
Il sistema di accumulo, detto anche “boiler solare”, ha la duplice funzione di accumulatore del fluido vettore caldo e di scambiatore di calore tra il fluido caldo ed il fluido secondario (l’acqua che verrà usata per scopi sanitari od altri usi dalle utenze).
È un serbatoio che viene solitamente installato nel locale caldaia dell’edificio. Il posizionamento in verticale dell’accumulatore consente l’ottenimento di una utile stratificazione termica (l’acqua riscaldata sarà sempre nella parte più alta del serbatoio, proprio dove avviene il prelievo), consentendo in tal modo un significativo miglioramento del rendimento del sistema. Il serbatoio contiene due serpentine (“scambiatori termici”). Una serpentina (nella parte bassa del serbatoio) fa parte del circuito solare (entro di essa scorre il liquido che attraversa i collettori), l’altra ( nella parte alta) è collegata alla caldaia (o scaldabagno elettrico) di integrazione. Maggiore è la capacità di accumulo e maggiore è il risparmio energetico conseguibile, perché nella maggior parte dei casi il consumo dell’acqua calda avviene quando non c’è più sole e quindi è bene poter disporre di una riserva soddisfacente.

Impianto solare termico BT a liquido “combinato”
Gli impianti solari combinati sono quei sistemi solari termici a bassa temperatura che forniscono sia acqua calda ad uso domestico, sia calore per il riscaldamento degli ambienti interni. I sistemi combinati sono usati perlopiù in edifici ad uno o due piani, abitati da una o due famiglie e sono composti da cinque elementi principali: collettore solare, serbatoio di accumulo, centralina, sistema ausiliario (gas, biomasse, elettrico, ecc.) ed il sistema di distribuzione del calore.
La quota di mercato di questi sistemi ha registrato ultimamente notevoli incrementi (fino al 50% in più) in paesi come Austria, Germania, Danimarca, Olanda e Svizzera. In altri, come la Svezia, sono da tempo la tipologia di sistema solare predominante. I sistemi solari combinati sono più complessi di quelli utilizzati solamente per scaldare l'acqua, avendo anche collegamenti ed interazioni con sistemi esterni all'impianto solare (in particolare con l’impianto di riscaldamento e l’edificio). Proprio queste interazioni influenzano notevolmente i rendimenti complessivi della parte solare del sistema. La complessità degli impianti ha portato a realizzare numerose tipologie impiantistiche. Oggi, nonostante l'esperienza sul campo e con progettazioni sempre più complesse, resta ancora un enorme potenziale per la riduzione dei costi, per il miglioramento delle prestazioni e dell'affidabilità.
I sistemi solari combinati hanno interessanti potenzialità di mercato nell'Italia settentrionale e nelle località d'alta quota degli Appennini centrali e meridionali. Si possono ottenere risparmi che posso variare nell’intervallo del 15÷50% sulla domanda totale di calore.

Impianto solare termico BT ad aria
Nel campo della climatizzazione ambientale il vantaggio di utilizzare i collettori ad aria consiste nel fatto che l'aria in essi riscaldata può essere inviata direttamente all'ambiente senza scambiatori di calore intermedi. Ciò permette un notevole aumento di efficienza del sistema, basti pensare che, di solito, con un impianto di riscaldamento ad acqua, per riscaldare un ambiente a 20÷22 °C, occorre portare l'acqua almeno a 60÷70 °C. Il principio di funzionamento dei collettori ad aria è pressoché lo stesso di quelli ad acqua, ma i parametri di dimensionamento variano sostanzialmente, in quanto l'aria scambia calore con maggiore difficoltà dell'acqua.
Negli impianti ad aria per accumulare il calore si preferiscono grandi masse solide di elevata capacità termica e grande superficie di scambio, come ad esempio un letto di pietre in una fondazione scatolare coibentata.
I punti più deboli dell'impianto ad aria sono i maggiori costi per il trasporto del fluido (potenza del ventilatore fino al 100% maggiore di quella richiesta da una pompa per liquido) e per la posa in opera e l’isolamento dei condotti (più grandi), queste difficoltà possono cadere utilizzando delle grandi superfici vetrate come "collettori anomali".
Se non si può realizzare un letto di pietre, si ricorre all'impianto ad aria senza accumulo, da utilizzare solo se la temperatura dell'aria nei collettori lo permette: l'impianto solare serve così solo a risparmiare combustibile nelle giornate invernali soleggiate.
Un impianto ad aria che invece fornisce calore ad un letto di pietre è in grado di immagazzinare l'energia intercettata e non richiesta per fornirla quando c'è richiesta (anche quando i collettori sono freddi): l'aria calda aspirata dall'accumulatore può essere utilizzata direttamente per il riscaldamento degli ambienti e/o per la produzione di acqua calda tramite uno scambiatore aria-acqua.

 

Fluido termovettore

Il fluido termovettore è l’elemento essenziale dei collettori solari, permette di trasportare il calore ricevuto dl Sole ai sistemi di accumulo e scambio termico che si è scelto di adoperare; può essere di varia natura: aria, acqua od altri liquidi.

L’acqua potrebbe essere usato direttamente come acqua calda sanitaria anche se, solitamente, cede il suo calore (la sua energia termica) mediante uno scambiatore all’acqua che verrà utilizzata effettivamente dalle utenze. Si usa quasi sempre lo scambiatore di calore per motivi igienici e poiché l’acqua che circola nel collettore è solitamente addizionata di antigelo (normalmente glicole etilenico).

Altri liquidi a bassa temperatura di ebollizione vengono usati nei collettori solari integrati in particolari circuito frigoriferi e nelle pompe di calore.

L'aria è un fluido vettore che ha diversi vantaggi e svantaggi rispetto all’acqua.
Tra i vantaggi: il costo zero, l'immediata utilizzabilità per il riscaldamento degli ambienti, nessun problema di corrosione o congelamento, la semplicità dei sistemi di controllo.
Tra gli svantaggi: il minore aumento della temperatura del pannello e il ridotto scambio termico con la piastra per il basso calore specifico dell'aria, che comporta un basso rendimento del pannello.
Per aumentare lo scambio termico bisogna imporre un moto turbolento all'aria che circola nel collettore, dando un profilo frastagliato e ruvido alla piastra assorbente, badando però a non indurre grosse perdite di carico che andrebbero poi compensate con potenti ventole.

 

Collettore solare

Sezione schematica di un collettoreLa funzione essenziale di un collettore è quella di trasferire l’energia radiante del sole al liquido che scorre all’interno dei tubi.
I principali tipi di collettore a liquido commercializzati in Italia sono:

• vetrati piani: sono quelli più comuni, di costo medio, versatili; gli elementi essenziali del colletore sono la piastra metallica assorbente, le tubazioni in cui scorre il fluido termovettore ed il vetro di copertura.
- Non vetrati: sono adatti solo all’uso estivo, generalmente usati per le piscine o gli impianti balneari, sono molto economici; sono realizzati in polipropilene, polietilene, PVC o PDM.
• sottovuoto: sono ad alta efficienza, più costosi, ma ben utilizzabili durante tutto l’arco dell’anno soprattutto se l’impianto è dedicato al riscaldamento ambientale. In questo tipo di collettori solari viene praticato il vuoto fra la piastra e la lastra trasparente di copertura: sono dei tubi di vetro in cui vengono inserite delle lamine di materiali selettivi e posteriormente a queste, dei tubi metallici in cui scorre un fluido bassobollente (es. pentano o a volte acqua) che “trasporta” il calore verso uno scambiatore posto in cima alla serie dei tubi.
• ad accumulo integrato (ben utilizzabili in zone a clima mite, abbassano i costi dell’impianto: sono dei particolari impianti che inglobano in una unica struttura tutti i componenti dell’impianto: collettore circuito idraulico e sistema di accumulo. Solitamente sono a circolazione naturale: il serbatoio posto al di sopra del pannello stesso e l’acqua calda si deposita in esso a causa di moti convettivi naturali che si instaurano grazie al riscaldamento dell’acqua (gli strati di acqua riscaldata hanno una densità minore di quella fredda e quindi tendono a “galleggiare” su questi ultimi: questo movimento delle molecole di acqua è il moto convettivo naturale).

 

Collettore solare vetrato piano

Impianto a collettori piani per la produzione di acqua calda sanitariaI collettori vetrati piani sono quelli maggiormente diffusi per le applicazioni civili.
Il collettore è costituito dai seguenti componenti:
Copertura trasparente alla radiazione solare, costituita da una o più lastre di vetro (vetro solare temprato antiriflesso o meno) o di materiali plastici posta al disopra della piastra assorbente; ha la funzione di ridurre gli scambi termici convettivi e radiativi tra la piastra assorbente e l’atmosfera.
Piastra assorbente, in metallo (solitamente in rame con o senza trattamenti superficiali), verniciata di nero opaco per aumentare il coefficiente di assorbimento del materiale; provvede ad assorbire la radiazione ed a trasferire l’energia raccolta al liquido.
Tubazioni, in metallo, entro cui scorre il fluido vettore; sono posizionate tra la piastra assorbente e la copertura trasparente.
Isolamento termico al di sotto della piastra, in pannelli o rotoli di vari materiali (lana di vetro, polietilene, ecc.); ha la funzione di ridurre al minimo le perdite per conduzione della piastra con la struttura sottostante (o per convezione con l’aria).
Involucro di forma parallelepipeda con funzione di contenimento e di protezione da polvere, umidità, sollecitazioni esterne ed agenti atmosferici; possibilmente in materiali non metallici per diminuire al minimo le trasmissioni di calore indesiderate.

I collettori solari, per massimizzare l’energia captata, devono avere un adeguato orientamento (verso sud, od al limite verso sud-est o sud-ovest) ed una adeguata inclinazione rispetto al piano orizzontale.
L’inclinazione ottimale dipende dalla latitudine del luogo in cui devono essere installati e dal periodo temporale per cui si intende ottimizzarne il funzionamento:

a = L+15° se l’utilizzo del pannello è prevalentemente invernale;
a = L-15° se l’utilizzo del pannello è prevalentemente estivo;
a = L se si intende ottimizzare il funzionamento dei collettori per tutto l’anno;

dove a è l’inclinazione del pannello rispetto al piano orizzontale [° sessagesimali], L è la latitudine della località [° sessagesimali].

Un collettore solare piano è costruito per funzionare come un "corpo nero":
La piastra assorbe le radiazioni solari e si riscalda, riscaldando a sua volta il fluido che circola nelle tubazioni a contatto con la piastra. Riscaldandosi, la piastra emette radiazioni con il massimo d'intensità sulla lunghezza d'onda stabilita dalla legge di Wien: l = 2897/ T , dove l è la lunghezza d’onda in mm e T la temperatura in Kelvin; per un collettore questa lunghezza d’onda è nel campo dell'infrarosso.
Per evitare la dispersione di questa radiazione di corpo nero, il collettore è solitamente coperto da una lastra di materiale trasparente alla radiazione solare ma opaco agli infrarossi, in modo da creare un localizzato "effetto serra" (che si riscontra tipicamente entrando in un locale vetrato esposto al Sole) che fa innalzare molto la temperatura all'interno del collettore.
Il bilancio termico istantaneo del collettore è, secondo le leggi della trasmissione del calore, il seguente:

IC*Ac*(ta) = Qa = Qu + Qp + Qacc

IC è l’intensità della radiazione solare globale incidente sul piano del collettore [W/].
Ac è l’area del collettore [].
(ta) è chiamato prodotto effettivo trasmissività-assorbimento, ed a pari al prodotto del coefficiente di trasmissione della lastra trasparente t [adimensionale], ed il coefficiente di assorbimento della piastra a [adimensionale].
Qa , potenza termica assorbita dalla piastra [W]
Qu , potenza termica utile trasferita al fluido termovettore [W]
Qp , potenza ceduta dal collettore verso l’esterno (energia persa ai fini del riscaldamento) [W]
Qacc , l’energia termica accumulata dal collettore nell’unità di tempo (Qacc = du/dt) [W]; è nulla in condizioni di regime stazionario.

Il numero di lastre trasparenti da impiegare è un parametro che dipende essenzialmente dalla velocità e natura del fluido vettore e dalla temperatura esterna.
Se il fluido circola lentamente, la piastra si scalda maggiormente e sono necessarie più lastre per trattenere la parte infrarossa della radiazione.
Se la temperatura esterna è bassa, occorre un numero maggiore di lastre trasparenti in modo da intercettare buona parte della radiazione di corpo nero della piastra, riducendo la temperatura della lastra più esterna e quindi le perdite di calore per convezione e irraggiamento tra la lastra più esterna e l’aria esterna.
Un aspetto negativo da tenere comunque presente è che più lastre si impiegano, più radiazione solare assorbono e riflettono, quindi meno radiazione raggiunge effettivamente la piastra.