Il valore ambientale del solare termico

E' ormai un fatto assodato che l'accumulo di CO 2 nell'atmosfera, conseguenza dell'utilizzo massiccio da parte dell'uomo di combustibili fossili, prodotti dalla natura nel corso di milioni di anni, sta producendo un progressivo riscaldamento dell'atmosfera (effetto serra).
I collettori solari possono dare un grande contributo per ridurre l'inquinamento ambientale e l'accumulo dei gas che creano l'effetto serra. Un metro quadrato di collettore, producendo acqua calda per venti anni, fornisce circa 15.000 kWh di energia. Per produrre la stessa quantità di energia occorre bruciare ad esempio 3.000 m 3 di metano, emettendo circa 4.500 Kg di CO 2 in atmosfera.

Insolazione

La terra si trova astronomicamente a circa 150 milioni di Km dal Sole, e questo fatto garantisce un irraggiamento pari a 1,37 kW/ m².
Questa energia si è resa disponibile circa 5 miliardi di anni fa e continuerà per altrettanti. Considerando che una parte di questa energia viene riflessa dall'atmosfera e un'altra parte viene dispersa in altro modo, si può considerare, alle nostre latitudini, di avere a disposizione, in condizioni d'insolazione buone, circa 1 kW/ m².
L'energia totale che la terra riceve dal sole, riferita solamente alla superficie delle terre emerse, corrisponde a 15.000 volte il consumo mondiale di energia per lo stesso periodo.
Nella tabella sono inseriti i valori di radiazione globale al suolo nelle principali città italiane nei vari mesi dell'anno (i dati sono presi dal volume “la radiazione solare globale al suolo in Italia” – a cura dell'ENEA). I valori sono espressi in MJ/m 2 giorno.

Rendimenti e prestazioni

Le prestazioni di un collettore solare vengono qua riferite al tipo di pannello con isolamento termico e superficie vetrata, che rappresenta il più diffuso, con un interessante rapporto costi/prestazioni.
Il rendimento di un pannello solare è generalmente in funzione della temperatura dell'acqua da riscaldare. Più bassa è la temperatura in ingresso, maggiore è la quantità di calore che il pannello riesce ad intercettare e trasferire al fluido di scambio.
Con temperature di ingresso dell'acqua uguali o inferiori alla temperatura ambiente, si possono raggiungere rendimenti fino all'80%. Ciò significa che, ad esempio, se l'irraggiamento solare misurato con un solarimetro risulta di 1.000 W/m², il collettore solare riesce a trasferire nel liquido, per ogni metro quadro di superficie esposta perpendicolarmente alla direzione dell'irraggiamento, una quantità di calore corrispondente a 800 W di potenza.
Il rendimento dei collettori solari diminuisce quando:

• aumenta la temperatura del fluido da riscaldare
• diminuisce la temperatura ambiente
• diminuisce l'irraggiamento del Sole

Da un impianto con collettori solari correttamente proporzionato ci si aspetta di ottenere quasi il 100% dell'acqua calda sanitaria nel periodo estivo (da maggio a settembre. Durante il restante periodo dell'anno le prestazioni variano molto in relazione alle condizioni meteorologiche: mediamente lungo l'arco dell'anno ci si può aspettare di ottenere nelle regioni dell'Italia Settentrionale il 70% dell'acqua calda necessaria, e l'80% - 90% al Centro-Sud.
Il pannello solare tradizionale viene installato in genere rivolto verso Sud e con un'inclinazione sul piano orizzontale più o meno corrispondente all'angolo della latitudine nel luogo (in Italia è di 45°). Questa inclinazione corrisponde al miglior compromesso tra situazione invernale e situazione estiva. Quasi mai i tetti italiani hanno queste angolazioni.
L'utilizzo del solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria è influenzato all'orientamento dei collettori molto meno di quanto si pensi: Un collettore installato a filo tetto e rivolto ad ovest ha una riduzione delle prestazioni rispetto ad un'installazione ottimale di appena il 15 %.

Applicazioni tipiche del solare termico

Il modo più diffuso di utilizzare l'energia termica del sole è la produzione di a cqua calda sanitaria per uso domestico . La famiglia tipica (di quattro persone) ha bisogno generalmente di una superficie di collettore ben esposta di 4 – 6 metri quadrati, con un accumulo da 200 a 300 litri.
Altre applicazioni analoghe servono per la produzione di acqua calda sanitaria per alberghi , ristoranti, comunità ecc.
Un'applicazione simile è la produzione di acqua calda per le docce di impianti sportivi , palestre ecc.
L'energia solare funziona egregiamente anche per il riscaldamento dell'acqua delle piscine. Per le piscine coperte che funzionano tutto l'anno l'impianto viene generalmente proporzionato in modo da coprire circa il 50 % dell'energia necessaria, ottenendo risparmi considerevoli.
Nelle piscine scoperte , ad utilizzo prevalentemente estivo, i collettori solari permettono di allungare il periodo di fruizione degli impianti di 2 – 3 mesi.
Altri utilizzi prevalentemente estivi sono le docce dei campeggi e le docce da spiaggia . Queste applicazioni sono particolarmente convenienti, perché il loro utilizzo prevalente avviene in concomitanza con i periodi di maggiore disponibilità di energia solare.
Un altro utilizzo del solare termico è il riscaldamento invernale di edifici . Questi tipi di impianto sono abbastanza costosi, perché devono utilizzare il calore solare proprio nei periodi di minore disponibilità,. Generalmente sono abbinati a sistemi di riscaldamento dell'abitazione a bassa temperatura, come pannelli radianti a pavimento o a parete.
Gli impianti solari destinati al riscaldamento invernale possono essere di due tipi: in alcuni casi si realizza un a ccumulo stagionale di grandi dimensioni, in grado di contenere il calore solare prelevato durante tutto l'anno, ma soprattutto nel periodo estivo, per poterlo utilizzare durante l'inverno. Una soluzione più semplice ed economica è costituita dagli Impianti combinati , dedicati alla produzione di acqua calda sanitaria, ma in grado di contribuire, soprattutto nelle mezze stagioni, al riscaldamento domestico. Questo tipo di impianto si presta bene anche ad essere integrato ad un riscaldamento a biomasse (termocamini o caldaia a legna).

Impianti solari

Impianti a circolazione naturale per produzione di ACS

Un impianto solare per la produzione dell'acqua calda sanitaria a circolazione naturale è rappresentato in figura 1:
Questo tipo di impianto rappresenta la soluzione più diffusa nel mondo, soprattutto per la sua semplicità (funziona senza alimentazione elettrica).

Fig. 1

In questa soluzione il bollitore è in posizione più elevata rispetto al collettore e quest'ultimo è disposto inclinato, in modo che l'acqua possa circolare per convezione naturale tra il pannello (più caldo) ed il serbatoio, spingendo verso il basso l'acqua più fredda. L'accumulo è presente in quasi tutti gli impianti solari, perché serve a compensare la variazione di disponibilità di energia solare, dovuta all'alternanza giorno/notte ed entro certi limiti alle condizioni climatiche. In questo caso il serbatoio, detto bollitore, è dotato di un'intercapedine, per poter utilizzare un fluido con antigelo nei collettori, per un utilizzo anche con temperature ambiente sotto lo zero.
Con questa soluzione il serbatoio rimane all'aperto, esposto alle intemperie, e non è una soluzione adatta ai climi rigidi.

Impianti a circolazione forzata

Quando il serbatoio di accumulo si trova a quota inferiore rispetto ai collettori, il fluido termovettore non può circolare per convezione naturale, ed è perciò necessario inserire nel circuito una pompa di circolazione (vedi figura 2).
Occorre aggiungere anche un dispositivo di comando della pompa (T), che la faccia funzionare solo quando la temperatura del liquido nel collettore solare è più alta dell'acqua nel bollitore.
Il circuito del collettore solare è separato dall'acqua del serbatoio di accumulo, e può venire così riempito con una miscela di antigelo ed essere utilizzato per tutto l'anno.

Fig. 2

Per produrre acqua calda anche quando il sole non c'è, esistono diverse soluzioni. La più semplice consiste nell'inserire nel bollitore una resistenza elettrica, che intervenga quando la temperatura dell'acqua è troppo bassa. La resistenza è collocata a circa 1/3 dell'altezza del bollitore, partendo dall'alto. In questo modo, quando viene riscaldata elettricamente l'acqua, questa tende a rimanere nella parte alta del serbatoio, per cui ne viene riscaldata una quantità minore, e la rimanente parte dell'acqua rimane fredda. Quando torna il sole, i pannelli riscaldano l'acqua contenuta nei due terzi di serbatoio sottostanti.

In figura 2 è rappresentata un'altra possibile soluzione per integrare il riscaldamento dell'acqua nei periodi di scarsa insolazione: l'acqua sanitaria uscendo dal bollitore dell'impianto solare viene collegata ad una caldaietta murale (o altro dispositivo di riscaldamento dell'acqua sanitaria) per mezzo di una valvola a tre vie. Se l'acqua riscaldata dai pannelli solari è già sufficientemente calda, va direttamente alle utenze ed il sistema di riscaldamento supplementare non interviene. Se interviene, scalderà in ogni caso acqua già preriscaldata, garantendo il risparmio energetico.

In figura 3 è rappresentato un altro schema per l'integrazione del riscaldamento: il bollitore è collegato anche all'impianto di riscaldamento dell'abitazione. In questo caso nel periodo invernale si può avere acqua calda a costi molto bassi, utilizzando, solo quando serve, una parte del calore fornito dalla caldaia per il riscaldamento

Impianti solari combinati (produzione ACS e riscaldamento)

In figura 4 è schematizzato un impianto solare combinato. Il cuore di questo impianto è un serbatoio di accumulo detto “puffer”, dove è contenuta acqua ferma, cioè l'acqua dell'impianto di riscaldamento.

Fig. 4

Il serbatoio è generalmente di grandi dimensioni (1.000 – 1.500 litri per un impianto monofamiliare), ed al suo interno contiene, oltre allo scambiatore solare, anche uno scambiatore per l'acqua sanitaria, che si riscalda istantaneamente mano a mano che passa.
Allo stesso serbatoio sono collegati anche la caldaia e l'impianto di riscaldamento. In questo modo, utilizzando soprattutto la naturale stratificazione dell'acqua, si riesce ad utilizzare tutto il calore solare disponibile anche per il riscaldamento domestico. E' possibile collegare all'accumulo anche un dispositivo di riscaldamento a legna (caldaia o termocamini).

Impianti per riscaldamento piscine (uso estivo)

Un'altra diffusa applicazione del solare termico è il riscaldamento di piscine scoperte. In figura 6 è rappresentata una possibile soluzione impiantistica.

fig. 5

In questo casi i collettori solari utilizzati sono quelli “non vetrati”, cioè privi di isolamento. L'utilizzo di questo tipo di collettori perciò viene limitato ai periodi dell'anno in cui non fa molto freddo, perché è molto difficile raggiungere temperature che superino di 15° la temperatura ambiente. Dato però che l'acqua delle piscine è generalmente non molto calda, spesso questi collettori hanno rendimenti anche superiori a quelli vetrati.
Con un dimensionamento opportuno della superficie dei collettori (generalmente dal 50% al 75% della superficie della piscina) è possibile allungare di oltre due mesi il periodo di utilizzo confortevole della piscina stessa.

Esempio di installazione di collettori solari TERMOCOPPO®

Nel disegno abbiamo ipotizzato un'installazione di collettori solari in un'abitazione monofamiliare.
I collettori, installati sul tetto a filo tegole, riscaldano l'acqua sanitaria in un serbatoio collocato nel locale caldaia. L'acqua calda viene distribuita a tutte le utenze domestiche.
L'impianto è a circolazione forzata, con 5 metri quadrati di collettore e 300 litri di accumulo, adeguati per una famiglia di 4 persone.
Per il periodo invernale è previsto un collegamento all'impianto dei termosifoni, che provvede all'integrazione dell'acqua calda sanitaria.