Gli impianti solari termici sono dispositivi che permettono di catturare l'energia solare, immagazzinarla e usarla ai fini del riscaldamento dell'acqua sanitaria in sostituzione delle caldaie alimentate a gas naturale. Il risultato finale di un impianto garantisce risparmio in bolletta ed emissioni di CO2 praticamente nulle. L’impianto è costituito da varie componenti, ognuna necessaria a svolgere un preciso compito.

Componenti Principali di un Impianto Solare Termico

Un impianto solare termico è composto da diverse componenti, tra cui:

  • Pannello o collettore: un dispositivo capace di convertire la radiazione solare in energia termica. Potrebbe essere piano (vetrati o scoperti, ad aria o sottovuoto) o a concentrazione.
  • Fluido termovettore: A sua volta il pannello riscalda il fluido termovettore contenuto nelle tubazioni. Come fluidi termovettori si utilizzano soluzioni acquose antigelo non tossiche, a base di glicole propilenico o etilenico anche se in funzione dell’applicazione di possono usare anche semplicemente acqua o soluzioni saline.
  • Serbatoio di accumulo: Il fluido contenuto all'interno delle tubazioni riscalda l'acqua stoccata nel serbatoio stesso. In pratica, il calore viene trasportato al serbatoio di accumulo e ceduto all’acqua sanitaria mediante uno scambiatore di calore. Il serbatoio contiene l’acqua necessaria all’utenza. Inoltre, provvede ad accumulare l’energia prodotta in eccesso durante il giorno per rilasciarla la sera, quando i pannelli sono inattivi. In questo modo, il serbatoio è in grado di fornire l’acqua calda all’utenza.
  • Vaso di espansione: Il riscaldamento causa una variazione del fluido del pannello, per mantenere costante la pressione all’interno dell’impianto si utilizza il vaso di espansione che assorbe la dilatazione quando si riscalda e la restituisce quando si raffredda.
  • Pompa: presente nei soli circuiti a circolazione forzata.
  • Valvola di spurgo / sfogo aria: serve per eliminare l’aria dal circuito durante il suo riempimento.
  • Valvola di sicurezza: è il componente ultimo di sicurezza nei circuiti chiusi. In caso di sovratensione all’interno dei circuiti causati da guasti o elevata temperatura la valvola si apre e si ha una fuoriuscita di fluido termovettore in eccesso.
  • Valvola miscelatrice: come abbiamo detto, ha il compito di miscelare acqua calda e fredda in modo che l’acqua venga erogata alla temperatura desiderata (di norma intorno ai 40°).
  • Valvola deviatrice: detta anche valvola a tre vie, è composta da un ingresso e due uscite.

Principio di Funzionamento

Il principio di funzionamento di un pannello solare termico può essere paragonato a quello che si verifica in una serra. Dei raggi solari incidenti la superficie vetrata solo una piccola parte viene riflessa, quella restante passa attraverso il vetro e viene assorbita da una piastra captante di colore nero. Quest’ultima, scaldandosi, rimette energia sotto forma di radiazione infrarossa, rispetto alla quale il vetro si comporta come se fosse opaco, trattenendola così al suo interno (effetto serra). In questo modo la temperatura del fluido vettore primario tende a riscaldarsi.

Un pannello solare termico, o collettore solare, è composto da un assorbitore (costruito in rame o alluminio) in grado di assorbire il calore della luce solare. I raggi del sole incidenti colpiscono la superficie dei pannelli, venendo da una parte assorbiti da una piastra captante, dall’altra riflessi verso l’esterno. La piastra riscaldandosi emette raggi infrarossi che vengono trattenuti all’interno dei pannelli, generando una sorta di effetto serra.

L'insolazione dipende dalla nuvolosità e dall'orientamento del pannello rispetto al sole e un pannello riceve più energia solare quando è orientato direttamente verso il sole. Il pannello fisso fornisce la migliore resa se orientato a sud ed è inclinato 10 gradi in meno rispetto alla latitudine del luogo se deve produrre acqua calda, 10 gradi in più se serve per il riscaldamento. L'Italia è un paese con un buon livello di irraggiamento, pari mediamente a 5-6 kwh/mq/giorno. Le condizioni di irraggiamento italiane sono molto favorevoli, anche se molto variabili lungo la penisola.

La qualità del collettore dipende dall’efficienza, cioè dalla capacità di convertire l’energia solare in energia termica.

Sono presenti diversi tipi di collettori:

  • Collettori di prima generazione, sono composti da una camera isolata ricavata tra un vetro temperato direttamente esposto al sole e una scocca posteriore coibentata.
    • Una lastra di vetro trasparente, posta superiormente all'assorbitore, che permette il passaggio dei raggi solari.
    • All’interno vi è un assorbitore della luce solare, costituito da una lastra simile ad un radiatore (che può essere in acciaio o in rame), all'interno della quale è inserito un fascio di tubi in cui scorre il liquido del circuito primario destinato ad essere riscaldato. A differenza di quelli selettivi, l’assorbitore è semplicemente verniciato di nero.
  • Il trattamento elettrochimico consiste generalmente in un deposito di cromo nero su nickel, quello sottovuoto mediante vapori di ossido di titanio, quello per pigmentazione attraverso vernici metalliche. La riduzione della riflessione della radiazione incidente permette la riduzione di perdite di calore ad essa connessa, quindi questi pannelli hanno un maggior rendimento rispetti ai pannelli tradizionali, ed hanno un costo più elevato di circa il 10% rispetto agli altri pannelli .Hanno il vantaggio di poter lavorare meglio nei periodi più freddi e meno assolati.
  • Sono composti da una schiera di tubi sottovuoto in vetro, ognuno contenente un assorbitore (generalmente una piastra rame) che assorbe l'energia solare e la trasferisce ad un fluido che trasporta il calore. I pannelli sottovuoto sono di più complessa e costosa realizzazione rispetto ai pannelli piani e sono meno resistenti rispetto a questi ultimi, allo stesso tempo però hanno un elevato rendimento grazie alle basse dispersioni di energia ottenute con l'impiego dei condotti sottovuoto. non hanno la copertura, né l’isolamento e la scatola di contenimento.
  • Sono collettori concavi progettati per ottimizzare la concentrazione dell’energia solare in un punto ben determinato (fuoco).
  • I pannelli ad aria sono pannelli solari termici normalmente di tipo vetrato che fanno circolare al loro interno aria anziché acqua. Qui, invece dei tubi che permettono la circolazione del fluido vettore, vi è dell’aria che circola tra vetro e assorbitore e tra assorbitore e fondo del pannello. Questi pannelli sono studiati in modo tale che l'aria permanga più tempo possibile nel pannello solare poiché scambia più difficilmente il calore rispetto all'acqua.

Pannelli con Serbatoio Integrato

Può essere presente un serbatoio di accumulo integrato, particolarmente indicato per le località con un clima assai rigido. Nei pannelli con serbatoio integrato l’assorbitore di calore ed il serbatoio di accumulo sono contenuti in un unico blocco e l’energia solare giunge direttamente a scaldare l’acqua accumulata. Il serbatoio, dunque, è fisicamente è ricoperto dall’assorbitore e, in genere, al suo interno è presente una resistenza che può riscaldare l’acqua in caso di assenza prolungata del Sole. Per effetto del principio che l’acqua calda tende a salire e quella fredda a scendere si viene a creare così all’interno del serbatoio un moto cosiddetto convettivo che distribuisce il calore captato a tutta la massa d’acqua.

I pannelli con serbatoio integrato sono in genere consigliabili per quelle zone che non sono troppo fredde e che non hanno inverni troppo lunghi e rigidi. Infatti, per la loro struttura, con l’abbassarsi delle temperature l’acqua all’interno del pannello rischia di congelarsi danneggiando gravemente l’impianto. Facili da trasportare e da montare, questi pannelli solari hanno un costo relativamente basso e sono perfetti per gli usi termici per una casa di vacanza estiva.

Tipologie di Impianti Solari Termici

Esistono principalmente due tipologie di impianti solari termici:

  • A circolazione naturale
  • A circolazione forzata

Impianti a Circolazione Naturale

In questo sistema Il fluido termovettore che circola all’interno del collettore riscaldandosi nel pannello a contatto con la piastra sottoposta a radiazione solare, diminuisce la densità e quindi il proprio peso e tende a salire (sfruttando il principio di gravità e il principio di convenzione) in un serbatoio di accumulo (boiler) che deve essere appunto posto più in alto del pannello, facendo posto al fluido più freddo all’interno del collettore. Un dispositivo del genere, in altre parole, si auto-regola ottimizzando naturalmente la circolazione del fluido per un efficiente funzionamento. Si chiama a circolazione naturale appunto perché non ci sono meccanismi addetti al trasferimento del liquido al boiler, dove avviene lo scambio termico con l’acqua sanitaria che viene distribuita alle utenze domestiche. In questo modo non sono possibili circolazioni inverse poiché il calore rimane sempre più alto. Il collettore piano è connesso in un circuito chiuso con un serbatoio termicamente isolato destinato all’accumulo dell’acqua calda. L’applicazione tipica della circolazione naturale è la produzione di acqua calda per uso sanitario. E' una soluzione più economica e semplice del sistema forzato ma è adatta solo per le piccole utenze.

Vantaggi: si tratta di un sistema semplice , affidabile e facile da installare, serve solo il collegamento con l’acqua fredda in entrata e la tubazione dell’acqua calda in uscita. Non ci sono pompe, né sistemi elettronici di controllo e quindi non ci sono collegamenti e consumi elettrici. Ha una manutenzione ridotta al minimo. Dunque è consigliata l’installazione in paesi caldi o per attività o abitazioni estive di piccola dimensione.

Impianti a Circolazione Forzata

L’installazione dei sistemi a circolazione forzata è necessaria in tutte le situazioni in cui il serbatoio di accumulo dell’acqua non può essere posizionato ad un livello più alto dei pannelli solari. L’installazione dei sistemi a circolazione forzata è necessaria in tutte le situazioni in cui il serbatoio di accumulo dell’acqua non può essere posizionato ad un livello più alto dei pannelli solari, ad esempio a causa di vincoli normativi, o qualora dovessi servire diverse utenze.

In questo tipo d’impianti il serbatoio è montato separatamente dal pannello solare e collegato ad esso attraverso un circuito. All’interno del circuito si trova acqua o un fluido termovettore (glicole propilenico) antigelo che è spinto da una pompa (detta circolatore) messa in moto da una centralina elettronica in grado di rilevare la temperatura dell’acqua mediante apposite sonde e che fa partire la pompa quando al temperatura all’interno del collettore è superiore alla temperatura impostata nel serbatoio di accumulo. In questo modo si ha la garanzia che l’impianto funzioni solo quando è in grado di fornire realmente energia termica e soprattutto si evita che attraverso i collettori, in mancanza di soleggiamento, venga dispersa l’energia termica accumulata.

Il fluido trasferisce il calore dai pannelli solari all’acqua del serbatoio di accumulo e ceduto all’acqua sanitaria mediante uno scambiatore di calore. Quindi nel serbatoio si trovano due circuiti idraulici separati: quello primario del pannello, in cui circola il liquido riscaldato dal sole e quello secondario in cui circola acqua sanitaria e che é collegato all'impianto idraulico di casa. In inverno, quando per scarsa insolazione l’impianto solare non ce la fa a riscaldare l’acqua, la parte del serbatoio che contiene acqua calda a pronta disposizione, può essere riscaldata da uno scambiatore di calore legato ad una caldaia . Il riscaldamento ausiliario viene comandato da un termostato quando nel serbatoio la temperatura dell’acqua nella parte a pronta disposizione scende al di sotto della temperatura nominale desiderata.

I serbatoi di accumulo hanno in genere una doppia serpentina: quella posizionata in basso è collegata al circuito solare (all’interno del quale circola una miscela di acqua con antigelo), mentre quella posizionata in alto è collegata alla caldaia. La dimensione ottimale dell'accumulatore consente di soddisfare al meglio le esigenze della famiglia e dipende dalle condizioni climatiche, dal tipo di richiesta dell'energia e da condizioni di carattere economico. Se si tengono presenti sia gli aspetti tecnici che economici il campo dei valori ottimali è generalmente compreso tra i 50 e i 100 lt per mq di area captante. Oltre al dimensionamento, l'isolamento del boiler costituisce un fattore importante nel buon funzionamento del sistema in quanto, riducendo l'energia dispersa, aumenta quella disponibile all'utenza. L’ isolamento dei bollitori è particolarmente importante se sono esterni come succede negli impianti a circolazione naturale.

Circolazione a Svuotamento

La circolazione a svuotamento è simile a quella forzata, con la differenza che l’impianto si riempie solo quando è possibile o necessario, ossia quando c’è il sole o quando il serbatoio non ha raggiunto la temperatura desiderata. Negli altri casi, l’impianto rimane a riposo.

Integrazione con Altri Sistemi

L’impianto solare termico si può integrare con una caldaia istantanea o una di accumulo, a seconda della frequenza e intensità di utilizzo di acqua calda sanitaria.

Prima di scegliere la tipologia di impianto solare termico e l’integrazione con ulteriori sistemi è essenziale effettuare un sopralluogo, al fine di valutare il più adatto alle singole esigenze.

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