Schemi impiantistici principal

Schema Circuito Aperto (Open loop)

In termini costruttivi, è lo schema di impianto più semplice. L’acqua proveniente dall’acquedotto (o di ritorno dal carico) viene richiamata al collettore solare per mezzo di una pompa in aspirazione, quindi l’acqua calda in uscita al collettore viene direttamente inviata all’utenza per l’utilizzo diretto (da qui Open Loop). La produzione di acqua calda è completamente slegata dal fabbisogno dell’utenza per cui, per ovviare alle inevitabili discrepanze fra le due portate, a monte del collettore solare è presente una valvola a tre vie che ripartisce la portata elaborata fra l’utenza e il serbatoio di accumulo, se la l’acqua proveniente dal collettore è maggiore di quella richiesta, o richiama acqua dall’accumulo, se il fabbisogno dell’utenza supera la portata processata dal collettore. A monte della valvola a tre vie è sempre presente un riscaldatore ausiliario per il raggiungimento della temperatura finale, se necessario. Possiamo definire il sistema Open Loop come un sistema in cui il collettore lavora in maniera discontinua e la sua performance è indipendente dalla temperatura del serbatoio d’accumulo. Per facilitare il mantenimento della temperatura al livello designato è possibile istallare all’uscita del collettore solare una valvola a solenoide che si apre nel momento in cui il fluido raggiunge la temperatura, oppure in alternativa variare la portata del fluido primario in relazione alla variazione della radiazione solare (in entrambi i casi la pompa di movimentazione è più sollecitata, il che rischia di diminuirne la vita).

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Schema Circuito Chiuso (Closed Loop)

In questo schema impiantistico il liquido che percorre il collettore solare è fisicamente separato da quello dell’utenza e si chiude su sé stesso formando un circuito chiuso (Close Loop). Nel circuito primario una pompa in mandata invia il liquido di processo al collettore che lo riscalda, quindi il liquido in uscita entra all’interno del serbatoio di accumulo. A differenza del caso precedete, il serbatoio d’accumulo presenta al suo interno una o più serpentine di tubazioni dove scorre il liquido del circuito primario che riscalda l’acqua del circuito secondario accumulata nel recipiente (funzionamento scambiatore di calore). Come già accennato, il fluido che circola nei collettori non si mischia con quello che alimenta l’utenza, in questo modo si rende virtualmente possibile qualsiasi combinazione di fluidi (le combinazioni più usate nella pratica sono acqua-acqua, acqua-aria e aria-aria). Nell’attraversamento dello scambiatore l’acqua si scalda per poi essere inviata all’utenza, quindi passa attraverso il dispositivo di riscaldamento ausiliario per raggiungere la temperatura finale, se necessario. In altri termini, nello schema Closed Loop il rendimento del collettore solare dipende direttamente dal valore della temperatura dello storage e proprio per questo motivo varia nell’arco della giornata.

Figura 10: Schema impiantistico a circuito chiuso (Closed Loop)

Considerazioni Generali

Generalmente, per le configurazioni a convezione forzata, la portata del circuito primario viene fissata all’incirca su 50 kg/h per ogni metro quadro di collettore impiantato. In questo modo viene processata una quantità di liquido pari a 5/10 volte il volume del sistema di accumulo (sistemi multipass) e ad ogni passaggio si assiste ad un incremento della temperatura di circa 2-5°C. Le configurazioni con convezione naturale (flusso dominato dalle forze di galleggiamento) che presentano portate più piccole nel circuito primario, ma per ogni passaggio aumentano la temperatura del serbatoio di circa 10°C.

34 Nei sistemi a circuito chiuso ogni qualvolta una determinata quantità di acqua calda viene prelevata dal carico, la stessa quantità di liquido fresco viene reintrodotta all’interno del serbatoio d’accumulo; proprio per questo motivo non è possibile estrarre l’intera quantità di energia contenuta all’interno del serbatoio in quanto la temperatura di quest’ultimo viene continuamente ridotta a causa dell’introduzione di nuovo liquido fresco. Questo fenomeno è chiamato “fenomeno di esaurimento parziale” e non si verifica per gli schemi a circuito aperto. Inoltre, negli Open Loop il serbatoio d’accumulo non è necessario che sia pressurizzato (quindi meno costo) e sia la potenza delle pompe di circolazione che del dispositivo di riscaldamento ausiliario possono essere ridotte. D’altro canto, le configurazioni Open Loop non sono adatte per utenze con carico variabile: il serbatoio viene dimensionato in funzione dei volumi di carico giornalieri e l’uso efficiente dello stoccaggio richiede un esaurimento quasi totale dell’energia raccolta, un eventuale squilibrio fra portata di acqua elaborata e portata necessaria all’utenza porterebbe a un insufficiente raccolta energetica o a una scarsa efficienza di raccolta. Per questo motivo si è soliti utilizzare sistemi Open Loop per impianti industriali (carichi costanti) e quelli Closed Loop per impianti domestici (produzione di acqua calda sanitaria e riscaldamento di ambienti). D’altra parte, ultimamente alcuni processi di riscaldamento industriale vengono progettati al pari di grandi impianti domestici con elevati valori della portata circolante nei collettori e imponendo un certo numero di passaggi al giorno. In questo modo il volume dello storage risulta ben miscelato con temperature uniformi.

Talvolta si utilizza uno scambiatore intermedio (collector-heat exanger) per il trasferimento dell’energia dal fluido del collettore a quello utilizzato per l’accumulo, che risulta necessario sia per la protezione dal freddo (fluido primario costituito da una miscela di acqua e glicole) sia per evitare fenomeni corrosivi, che acqua non trattata provocherebbe (contenente gas e sali disciolti). I sistemi dotati di un collector-heat exanger vengono chiamati indirect coupled (sistemi ad accoppiamento indiretto), viceversa direct cuopled (sistemi ad accoppiemento diretto).

Esistono configurazioni che non richiedono l’utilizzo di collector-heat exchanger ma che comunque assicurano una soluzione ai problemi sopra elencati: drain-back system e drain-

down system. In entrambi i casi un particolare sistema di tubazioni provoca lo svuotamento

del collettore quando, rispettivamente, viene a mancare la radiazione solare e si verificano condizioni di congelamento e/o evaporazione.

Per circuiti non pressurizzati sono presenti lungo il circuito delle valvole di sfogo che liberano, all’evenienza, il vapore creatosi all’interno delle tubazioni, assicurando una

35 corretta circolazione del fluido (da notare che questa procedura corrisponde ad uno spreco energetico).

Per il collegamento fra lo storage e il circuito secondario legato all’utenza, talvolta si usa un ulteriore scambiatore di calore (load-heat exchanger) che preleva il fluido dallo storage ogniqualvolta il carico richiede energia. Da notare che la presenza di tale dispositivo comporta l’utilizzo di equipaggiamento dedicato e quindi spese ulteriori, motivo per cui solitamente si preleva l’acqua direttamente dallo storage. Per alcune applicazioni domestiche è possibile posizionare il load-heat exchanger direttamente all’interno dell’accumulo e in altri casi ancora eliminarlo direttamente con conseguente semplificazione dell’impianto. Quando è possibile (in funzione dell’applicazione) si preleva fluido caldo dalla parte alta dello storage e si reintegra il serbatoio con fluido fresco dal fondo, sfruttando il più possibile il fenomeno di stratificazione termica che si verifica nei serbatoi di stoccaggio.

Taluni schemi, lato circuito secondario, sono dotati di un circuito di by-pass che entra in gioco quando o non può essere raccolta energia dal serbatoio d’accumulo, escludendolo, o quando la temperatura dello stesso è maggiore di quella richiesta dall’utenza, per cui bypassare parte della portata permette la mitigazione della temperatura in uscita dal load- heat exchanger. Il circuito di bypass costituisce quindi un dispositivo di controllo differenziale.

In funzione del posizionamento dell’ausiliario si distinguono due tipologie di schemi:

topping-up type (ausiliario in serie) e all-or-nothing type (ausiliario in parellelo). Per quanto

riguarda le performance energetiche la prima tipologia è sicuramente migliore, ma la seconda è comunque ampiamente utilizzata per il retrofit solare di impianti di riscaldamento già esistenti, in quanto comporta piccole modifiche meccaniche all’impianto già esistente. Talvolta, negli impianti di piccola taglia, il dispositivo ausiliario di riscaldamento (costituito essenzialmente da riscaldatore elettrico) viene istallato direttamente all’intero dal serbatoio d’accumulo.

Esistono schemi che non comprendono l’utilizzo del serbatoio d’accumulo (solo per schemi Open Loop) e altri che ne posseggono due (double tank system). Il primo caso è sicuramente più affidabile ed economico, ma è dotato di un rendimento operativo molto ridotto a causa dei continui sprechi energetici che si verificano quando la disponibilità energetica supera la domanda. Nel secondo caso invece, a scapito di una maggiore complessità del sistema, gli sprechi energetici sono molto ridotti: il primo serbatoio d’accumulo funziona al pari di un preriscaldatore per il fluido del circuito secondario, che viene portato a temperatura dal sistema ausiliario di riscaldamento immerso nel liquido contenuto dal secondo recipiente.

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