Cosa sono e come funzionano gli impianti solari termici? Guida alle caratteristiche tecniche, principi funzionamento, componenti e costi

Il solare termico è una tecnologia usata da molto tempo (fin dagli inizi dell'800) per la produzione di acqua calda. L'energia solare termica è la risorsa ideale per ridurre il consumo di energia tradizionale attraverso l'utilizzo di una fonte inesauribile: il sole. 
Il dispositivo base: "il collettore solare" è costituito da un corpo nero assorbente entro il quale può scorrere un fluido (con la funzione di captare l'energia irradiata dal sole attraverso la superficie scura e trasferirla sotto forma di energia termica al fluido) e una copertura selettiva trasparente sulla parte esposta al sole (con la funzione di limitare le dispersioni per irraggiamento verso l'ambiente esterno), tutto racchiuso in un un contenitore opportunamente isolato sulle pareti laterali e sulla parete opposta a quella di ricezione della radiazione.

I collettori solari vengono connessi tra loro in serie e parallelo in modo da riuscire a produrre consistenti quantità di acqua calda ad una temperatura compresa tra i 50°C e 160 °C. Un metro quadrato di pannello solare può scaldare alla temperatura di 45/60°C fino a 300 l/giorno, a seconda delle condizioni climatiche. Un impianto solare termico è composto dalle seguenti unità:

-       1 o più collettori di tipo selettivo al titanio con vetro temperato prismatico;

-       1 serbatoio di accumulo dell'acqua.

Nel caso di sistemi a circolazione forzata, vanno aggiunti:

-       1 circuito idraulico;

-       1 sistema di regolazione elettronico

Questi sistemi sono una tecnologia affidabile e competitiva sul mercato e vengono largamente utilizzati per i seguenti scopi:

-       riscaldamento dell'acqua sanitaria ad uso domestico, alberghiero e ospedaliero;

-       riscaldamento dell'acqua delle docce (stabilimenti balneari, campeggi, ecc.);

-       riscaldamento degli ambienti;

-       riscaldamento dell'acqua per processi a bassa temperatura;

-       essiccazione di prodotti agro-alimentari;

-       raffrescamento degli ambienti (ancora eccessivamente costoso).

 

Gli impianti solari termici - Tecnologie di base

Il solare termico a bassa temperatura consta di tre tecnologie di base:

Pannelli in materiale plastico

La prima soluzione è caratterizzata dai costi più bassi ed è adatta all'impiego estivo, in quanto l'assenza di copertura vetrata comporta perdite per convezione troppo elevate per un uso con basse temperature esterne. L'acqua da riscaldare attraversa direttamente il pannello, evitando i costi e le complicazioni impiantistiche dello scambiatore. Essa rappresenta pertanto la soluzione ideale per gli stabilimenti balneari, i campeggi, le piscine scoperte e le residenze di villeggiatura estiva.

Collettori piani

I collettori piani sono la tecnologia più diffusa e più adattabile. Rispetto a quelli in plastica offrono una resa buona tutto l'anno. Da un punto di vista costruttivo sono disponibili varie soluzioni che si distinguono per la selettività della piastra assorbente, per i materiali (rame, acciaio inox e alluminio anodizzato) e per l'essere idonee all'uso in impianti a circolazione forzata o naturale (meno costose, più affidabili, ma meno integrabili con le strutture architettoniche da un punto di vista estetico, perché il serbatoio di accumulo dev'essere posizionato più in alto del pannello e nelle immediate vicinanze). Le dimensioni, pur essendo presenti sul mercato soluzioni particolari, prevedono di solito un ingombro vicino al classico 100x200 cm2.

Collettori sottovuoto

I collettori sottovuoto presentano il rendimento migliore in tutte le stagioni (circa un 15-20% di aumento di produzione energetica), grazie al sostanziale annullamento delle perdite per convezione. Il costo maggiore rispetto alla soluzione piana, comunque, ne consiglia l'adozione solo in casi particolari (temperature dell'acqua più elevate e/o clima rigido). Sono nella maggior parte dei casi di forma tubolare, permettendo l'inclinazione ottimale della piastra captante, anche se disposti secondo superfici orizzontali o verticali.

Dal punto di vista dell'integrazione architettonica esistono vari esempi di buone realizzazioni anche nel caso di tetti a falda. Ciò usualmente comporta il ricorso alla circolazione forzata e quindi ad una maggiore complessità di impianto. Va comunque detto che ormai la tecnologia è provata e affidabile, purché sia eseguita la manutenzione periodica prescritta dal costruttore.

Gli impianti solari termici – Componenti tecniche

In generale gli impianti utilizzati constano delle seguenti componenti:

-       pannelli solari

-       serbatoio per l'accumulo di acqua calda

-       altri componenti ausiliari (centraline di regolazione, pompe di circolazione, collegamenti idraulici ed elettrici, etc…)

Il loro funzionamento prevede che il sistema di circolazione trasferisca il calore prodotto dai pannelli solari verso il punto di accumulo o di utilizzo. Solitamente il vettore di calore (tipicamente un fluido) è rappresentato dall'acqua a cui talvolta viene aggiunta una soluzione antigelo per evitare il congelamento nei periodi freddi.

Tecnicamente gli impianti solari termici si distinguono in:

-       impianti a circolazione naturale

-       impianti a circolazione forzata

Nei primi la circolazione del fluido vettore è attivata fisicamente per l'effetto “termosifone”, nei secondi la circolazione è forzata con l'utilizzo di specifiche pompe.

Impianti a circolazione naturale

In tali sistemi l'acqua riscaldata nel pannello solare si espande e sale nel serbatoio d'accumulo, venendo sostituita dall'acqua fredda che scende nel serbatoio. Tali sistemi tendono ad essere più economici (rispetto ai “fratelli” a circolazione forzata) essendo privi di pompe. I sistemi a circolazione naturale vengono usati principalmente nelle zone a maggiore incidenza solare. Il serbatoio coibentato accumula il calore necessario. Il calore viene trasportato dal fluido vettore fino al serbatoio attraverso un circuito specifico, il fluido non viene mai a contatto con l'acqua sanitaria. Il fluido nei pannelli, riscaldandosi con le radiazioni solari, diventa più leggero e sale nel serbatoio dove trasferisce il suo calore all'acqua sanitaria attraverso le pareti metalliche di uno scambiatore, perdendo calore il fluido si raffredda e torna verso il basso.

 

Impianti a circolazione forzata

I sistemi a circolazione forzata sono un po' piu' complessi di quelli a circolazione naturale perche' il liquido del circuito primario è spinto da una pompa verso i pannelli solari. E' necessario installare un sistema a circolazione forzata laddove il serbatoio di accumulo dell'acqua non può essere posizionato ad un livello più alto rispetto ai pannelli solari. Il bollitore può essere installato, solitamente, in una locale che funge da centrale termica.

 

L'impianto funziona così: con il sole la temperatura del fluido in uscita dai collettori supera quella del bollitore e la centralina attiva la pompa che mette in circolo il fluido termovettore trasferendo il calore dai collettori all'acqua nel bollitore; dopo una giornata soleggiata il boiler, avendo accumulato l'energia captata, è caldo. Se il calore solare non è sufficiente la pompa si spegne per riaccendersi in condizioni più favorevoli, al tramonto il fluido all'uscita dei collettori si raffredda e la pompa si ferma. L'acqua calda immagazzinata nel boiler rimane in temperatura disponibile all'utenza per alcuni giorni. Di norma questi sistemi dispongono di bollitore a doppio scambiatore: quello solare posto inferiormente e quello di integrazione posto più in alto. La stratificazione dell'acqua calda nel boiler consente di sfruttare al meglio l'energia solare in quanto, se è necessaria l'integrazione, la caldaia opera su una quantità d'acqua limitata.

Perché installare un impianto ad uso sanitario ?

Attraverso l'energia solare possiamo supplire all'85-90% del bisogno pro capite di acqua per utilizzo sanitario domestico, ovvero per lavarci e lavare indumenti e stoviglie (gli elettrodomestici dell'ultima generazione prevedono la possibilità di utilizzare acqua preriscaldata). Calcolare il risparmio annuale derivante dall'utilizzo di un impianto solare per il riscaldamento dell'acqua ad uso sanitario non è immediato essendoci in gioco diversi fattori tra cui alcuni (esempio le abitudini individuali) molto variabili; volendo affrontare un discorso “di massima” è possibile però stimare un risparmio pari a circa 170-220 m3 annui pro capite, includendo in tale stima anche il risparmio derivante dal completo spegnimento della caldaia, fiamma pilota compresa, per il periodo tra aprile ed ottobre. Tale risparmio, per una famiglia di 4 persone con un impianto a gas metano, si traduce in un risparmio effettivo pari a 210–270 euro all'anno, al netto di effetti sostanziali quali l'inflazione ed il consueto rincaro del prezzo del gas medesimo. A tale stima non è possibile non aggiungere, anche se difficilmente quantificabile in termini economici, il generale beneficio ambientale derivante dalla mancata emissione pari a circa 1000-1500 kg di Co2.

Ma quanto costa un impianto solare di questo tipo ?

Il prezzo di un impianto per la produzione di acqua calda ad uso sanitario domestico per una famiglia di 4 persone varia in funzione sia della quantità d'acqua desiderata sia della complessità di installazione dell'impianto medesimo. L'impianto potrà essere ammortizzato nel giro di 9-10 anni. Considerando, poi, la possibilità di chiedere il rimborso IRPEF così come previsto dalla normativa in vigore, il tempo di ammortamento si ridurrebbe proporzionalmente decrementando fino a 5-6 anni.

Vantaggi ambientali

Oltre ai potenziali vantaggi economici di cui abbiamo già trattato, non bisogna omettere i sostanziali vantaggi ambientali che la diffusione di tali impianti produrrebbe. Per quantificare tali vantaggi è possibile valutare la quantità di diossido di carbonio (CO2) emessa nell'atmosfera dai diversi modi comunemente utilizzati per produrre acqua calda (scaldabagno elettrico, caldaia a metano, pannelli solari). Per inciso è utile ricordare che il diossido di carbonio e' ritenuto una delle cause dell'eccessivo surriscaldamento del pianeta terra. Per produrre l'acqua calda necessaria al proprio fabbisogno, una famiglia di 4 persone con uno scaldabagno elettrico utilizza circa 7,7kWh elettrici al giorno. Per produrre 1kWh con una centrale termoelettrica si emettono circa 0,7kg di CO2, uno scaldabagno è, quindi, responsabile di circa 5,4 kg di CO2 ogni giorno. Una caldaia a metano, invece, utilizza circa 0,9 metri cubi di combustibile al giorno per famiglia. Poichè nella combustione di metano si producono circa 1,96kg di CO2 ogni metro cubo, l'emissione giornaliera è pari a 1.77kg di CO2. Con i pannelli solari non si ha nessuna emissione di CO2 né di altri inquinanti atmosferici come le polveri, gli ossidi di azoto e ossidi di zolfo. In ogni caso i pannelli possono essere usati anche ad integrazione della caldaia gas o dello scaldabagno con riduzioni delle emissioni del 60%.

 

20/05/2012

Fonte:

http://www.bcp-energia.it

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