Acqua Calda Pannelli Solari

PANELLI SOLARI PER PRODUZIONE DI ACQUA CALDA SANITARIA

Come funzionano, quali sono quelli più evoluti, quale è il loro rendimento? Introduzione ai concetti elementari con graduale passaggio a quelli più complessi.

Prima un po' di informazione sulla normativa.

La legge 192 del 2005 insieme alla certificazione energetica degli edifici ha introdotto anche le nuove regole per la realizzazione delle nuove costruzioni circa il risparmio energetico, la loro attuazione sarà graduale e tra le altre imposizioni c'è quella che ogni unità abitativa dovrà essere dotata di una fonte energetica rinnovabile. Attualmente la fonte energetica rinnovabile più importante è il sole, per cui quasi tutte le nuove abitazioni in futuro saranno dotate di pannelli solari per produrre acqua calda, per integrazione al riscaldamento e per produrre l'energia elettrica.

I pannelli solari si dividono in due grandi categorie: i pannelli solari termici con i quali si produce acqua calda sanitaria e i pannelli fotovoltaici per la produzione di energia elettrica. In questo articolo si parla del primo tipo, cioè quelli termici. Il nome deriva dalla loro funzione, in quanto sono capaci di catturare l'energia termica (calore) che il sole irradia sul nostro pianeta.

Un normale sistema con pannelli solari termici per la produzione di acqua calda sanitaria è costituito da 4 componenti principali:

1. Una lastra di vetro semi-selettivo
   


2. Un collettore solare
   


3. Uno scambiatore di calore a serpentina


4. Un boiler per l'accumulo dell'acqua calda, conosciuto anche con il nome di bollitore solare.
   

I pannelli in realtà sono delle camere d'aria ermetiche dalla forma rettangolare, in genere con dimensioni di 1x1,5 metri e altezza di 20-25 cm., che nella parte alta (esposta al sole) sono dotate di vetri semi-selettivi che lasciano passare la radiazione solare in entrata ma bloccano quella in uscita, il principio è simile a quello dell'effetto serra. Nella parte bassa e lateralmente è quasi sempre presente un isolante termico e nella parte intermedia c'è il componente più importante, cioè un collettore (un insieme di tubazioni che formano un circuito idraulico) nel quale si muove un fluido termovettore, che spesso è costituito da una miscela di acqua e glicole (glicol etilenico). Grazie ai vetri semiselettivi e all'isolamento termico il calore si accumula nel pannello solare raggiungendo temperature fino ai 200 °C, per cui il fluido che si trova nel collettore si riscalda ad alta temperatura. In seguito il fluido caldo si sposta in uno scambiatore di calore di tipo a serpentina, cioè una tubazione avvolta a spirale. Lo scambiatore è immerso in un boiler o bollitore solare, vale a dire un serbatoio pieno d'acqua e rivestito di uno strato isolante per conservare il colore al suo interno. Il fluido caldo proveniente dal collettore del pannello solare passando nello scambiatore riscalda l'acqua del boiler, che in casi particolari può essere riscaldata anche a più di 100 °C, a questo punto il fluido termovettore si raffredda parzialmente e ritorna al pannello solare per ripetere il ciclo.

Con la variazione ed il miglioramento dei componenti principali e con l'eventuale aggiunta di altri accessori si possono realizzare i vari tipi di pannelli solari, ossia:

1. A circolazione naturale, il tipo più semplice.
   


2. A circolazione forzata con boiler di maggiori dimensioni e il circolatore, cioè una pompa elettrica per il movimento del fluido termovettore.
   


3. Ad alta efficienza, con vetri semiselettivi e/o collettori e/o scambiatori dalle maggiori prestazioni e per questo più costosi.
   


4. Con tubi a sottovuoto e con concentratori solari, ecc.
   


5. Altri tipi particolari, tra cui il più meritevole di attenzione è l'accumulatore solare compatto.
   

Accumulatori solari compatti.
Da qualche anno è stata introdotta una nuova tecnologia, ossia gli accumulatori solari compatti che grazie all'uso di nuovi materiali come i cristalli termoisolanti possono raggiungere delle buone efficienze senza ricorrere al collettore solare e al fluido termovettore. In questi sistemi il bollitore (boiler) e il pannello solare sono integrati in un solo corpo pieno d'acqua, che si scalda con la radiazione solare intrappolata al suo interno grazie al vetro semi-selettivo e termoisolante posizionato nella parte esposta al sole.

PANNELLO SOLARE - Accumulatore Compatto

Gli accumulatori solari compatti hanno una struttura più semplice e un minore numero di componenti, con un costo iniziale più contenuto e necessitano di una minore manutenzione rispetto ai sistemi solari classici. Il prezzo per un accumulatore solare singolo è circa il 20% in meno rispetto ai pannelli a circolazione naturale e del 40% di quelli a circolazione forzata.

Questa nuova tecnologia ha un solo aspetto da migliorare: una resa leggermente più bassa, ma solo nei periodi più freddi. In più hanno però una buona resistenza al freddo e al congelamento, ossia fino a - 20 °C senza necessità di particolari accortezze.

Inoltre, a loro favore c'è da dire che il minor costo iniziale e l'assenza delle spese di manutenzione che gli altri sistemi richiedono mediamente ogni 5-10 anni (ripristino della miscela del fluido termovettore, verifica della ermeticità dei pannelli, sostituzione di apparecchiature elettromeccaniche e componenti idraulici, ecc.), eguaglia l'eventuale spesa di energia per integrare la produzione dell'acqua calda dovuta alla minore resa nei periodi più freddi. Per cui il vantaggio maggiore è la spesa iniziale più bassa sia per l'acquisto del prodotto, ma anche per l'installazione ché è molto più semplice rispetto agli altri sistemi.

L'installazione di un accumulatore compatto con un volume di circa 140 litri d'acqua prevede il montaggio di due soli componenti: le staffe e l'accumulatore stesso, poi si fa il collegamento con l'impianto idraulico e l'installazione è conclusa.

L'installazione di pannelli solari prevede il montaggio di almeno tre componenti: le staffe, il pannello e il boiler, in più è necessario eseguire il collegamento tra boiler e pannello. In seguito, il giorno successivo nelle prime ore della giornata (al sorgere del sole) si farà il riempimento del collettore solare con la miscela di liquido termovettore e l'operazione di spurgo per eliminare le bolle d'aria, a solo a questo punto l'installazione può essere conclusa.

Un altro fattore da considerare è il peso dei materiali, l'accumulatore solare compatto a secco ha un peso di circa 60 Kg e delle dimensioni ridotte, mentre un pannello solare di 2 mq e un boiler di 150 litri possono superare complessivamente 150-180 Kg con delle dimensioni più ingombranti. In condizioni dove l'installazione deve essere fatta su case basse o senza difficoltà per raggiungere il tetto il peso dei materiali incide poco, ma in tutti gli altri casi può causare un aumento dei costi per il maggiore utilizzo del personale o il noleggio del montacarichi.

Un altro e importante punto di forza dell'accumulo solare compatto è la grande flessibilità di installazione, infatti è molto semplice ed economico installare 2, 3 o più moduli in serie aumentando di circa 150 litri il volume di acqua calda per ogni nuovo accumulatore. Nel caso più semplice si può iniziare con un solo modulo per provare il prodotto con il minimo di spesa e solo in seguito si può aumentare senza alcuna limitazione il numero di moduli per avere anche più di 500 litri di acqua calda. In realtà con l'aumento dei moduli oltre ad aumentare il volume d'acqua aumenta anche l'efficienza globale. Con tre moduli in serie per un totale di 420-450 litri si ha un'efficienza globale simile a quella di un sistema a circolazione forzata di 300-400 litri, ma con una spesa totale inferiore di circa il 40%. La stessa flessibilità di installazione è impensabile per i normali sistemi solari costituiti da pannelli e boiler separati. Aumentare il solo numero di pannelli senza innalzare la capacità del bollitore è pericoloso per l'eccesso di energia che si riversa in un boiler sottodimensionato che potrebbe esplodere. Al contrario aumentare il solo volume del boiler senza intervenire sui pannelli avrebbe l'effetto di abbassare notevolmente l'efficienza del sistema specialmente in inverno e autunno.

La gran parte dei normali pannelli in commercio sono sistemi chiusi che non possono essere integrati in serie con moduli aggiuntivi per cui resta la sola possibilità di fare un'installazione in parallelo con grandi problemi di gestione, poichè è necessario utilizzare una valvola a tre vie per chiudere il boiler che si svuota ed aprire quello pieno.
Per concludere, con i sistemi tradizionali si è obbligati fin dall'inizio a dimensionare in modo preciso il pannello solare alle esigenze effettive e se queste aumentano non è possibile aumentare la capacità del sistema. Con l'accumulatore solare il problema di espansione non esiste, per cui si consiglia di installare un modulo (max quattro persone, già con cinque perone sono necessari due moduli) e provare la resa durante l'anno e solo in seguito aumentare di uno all'anno fino a calibrare esattamente il volume necessario.

Ritornando ai pannelli solari termici tradizionali

Le due principali categorie sono quella a circolazione naturale e a circolazione forzata, dove per circolazione si intende la natura del moto del fluido termovettore nel circuito costituito dal collettore solare e dallo scambiatore di calore.

Nel tipo a circolazione naturale il pannello solare e il boiler sono molto ravvicinati, quasi sempre il boiler è in posizione orizzontale sopra il pannello. Grazie alla vicinanza dei due componenti il fluido caldo passa facilmente dal collettore allo scambiatore sfruttando semplicemente le leggi della fisica per quanto riguarda la risalita di un fluido caldo e la sua discesa quando si raffredda, da qui il nome di circolazione naturale. I limiti di questo sistema sono: per primo il volume d'acqua calda, che può raggiungere al massimo i 250-300 litri e per secondo una resa più bassa di quello a circolazione forzata. Con i sistemi a circolazione naturale è consigliato prevedere l'integrazione per riscaldare l'acqua con una caldaia o un sistema elettrico.

Il tipo a circolazione forzata raggiunge prestazioni migliori con un buon comort di acqua calda anche nei periodi invernali più freddi senza alcun tipo di integrazione. Grazie al boiler verticale che può raggiungere anche i 1500-2000 litri con il quale si può accumulare una grande quantità di energia termica-solare grazie alla stratificazione verticale del calore e al grande volume d'acqua. Inoltre i boiler hanno una coibentazione più spessa e sono alloggiati in locali tecnici o nel sottotetto per cui sono maggiormente protetti dagli agenti atmosferici. In questi casi il boiler e i pannelli solari sono installati a distanza, a volte anche a più di 10-15 meri di lontananza, per cui il fluido termovettore si muove solo grazie ad una pompa elettrica, chiamata circolatore, da cui il nome circolazione forzata.

I pannelli con tubi sottovuoto sono un particolare tipo ad alta efficienza, con una buona approssimazione si può ritenere che con questo sistema sia necessaria la metà di superficie solare per raggiungere prestazioni simili a quelle dei pannelli più tradizionali. La superficie solare è quella capace di assorbire la radiazione termica, cioè la superficie del pannello con il vetro semiselettivo esposta al sole. Nel caso di un sistema con due moduli (pannelli tradizionali) con dimensioni di 1,20x1,75 la superficie solare totale è quasi di 4 metri quadri, per cui con un sistema a tubi sottovuoto sarà sufficiente un solo modulo con di 1,20x1,75 con una sup. solare di 2 mq per ottenere prestazioni simili. I pannelli a sottovuoto hanno un costo maggiore ed il loro utilizzo è consigliato per esigenze di ingombro, cioè quando lo spazio a disposizione non è sufficiente per installare i pannelli tradizionali.

I sistemi a sottovuoto possono essere a circolazione naturale o forzata e sono caratterizzati dalla particolare struttura del collettore solare. In questo tipo di pannelli non si utilizza un vetro a lastra piana, il sistema captante è costituito da una serie di tubi di vetro a doppia parete, cioè due tubi uno dentro l'altro, in modo da formare due spazi, il primo tra i due tubi ed il secondo nel tubo più interno . Nello spazio tra i due tubi c'è un vuoto d'aria e al centro del tubo più interno passa un ramo del collettore solare. I tubi sono disposti in parallelo e in ciascuno passa un ramo del collettore. Il vuoto tra i tubi garantisce il migliore isolamento termico possibile, inoltre spesso al di sotto dei tubi si trova uno specchio parabolico a concentrazione solare, che riflette la luce del sole e riscalda il tubo anche dal basso. La combinazione di questi due fattori garantisce temperature del fluido termovettore molto alte anche in condizioni di poca luce e in periodi freddi.

Colletori piani: I pannelli solari sono i compimenti capaci di assorbire l'energia solare, cioè quelli dotati del collettore e del vetro selettivo. Per differenziare questo componente tra i diversi sistemi, il pannello solare di tipo tradizionali è chiamato "collettore piano" poiché e dotata di una lastra piana, invece quello a sottovuoto è detto semplicemente "collettore sottovuoto".

Pannelli solari Cordivari
Pannelli solari ATI

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