Il solare termico

Questa tipologia impiantistica sfrutta la radiazione del sole per convertirla in energia termica, a differenza del solare fotovoltaico che produce energia elettrica. Il funzionamento del sistema si concretizza attraverso l’esposizione di un componente di

etto circuito primario, conferisce il fluido termico ad un elemento che accumula il calore prodotto (boyler di stoccaggio dell’energia); un sistema di trasferimento del calore, detto secondario, conferisce il fluido riscaldato all’interno dell’accumulo alle terminazioni

zata ad incrementare l’efficienza delle varie tipologie in uso, che nella problematica dell’integrazione architettonica. La tematica dei BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics) è uno dei maggiori spunti di discussione scientifica e di ricerca applicata in architettura,

poiché associa esigenze oramai improrogabili70 _{con il necessario ripensamento delle}

qualità formali e morfologiche dell’architettura stessa. I pannelli e i componenti innovativi FV non pos

captazione (collettore) alla radiazione solare; questa riscalda un fluido al suo interno (o dell’aria nel caso di collettori ad aria). Successivamente un sistema di trasferimento, d

70 _{Risulta un problema molto attuale il concetto di ”azzeramento energetico” del bilancio dell’involucro edilizio} (ZEB), coadiuvato dalla produzione da fonti rinnovabili; cfr. sotto-sottocap. 2.1.3

impia

e prime applicazioni pratiche riguardarono uno scaldacqua solare, brevettato nel 1881 dallo statunitense C. Kemp col nome di “Climax Solar Water”; esso consisteva in un erno quattro recipienti di acciaio neri contenenti l’acqua che eniva scaldata. Il dispositivo montato sul tetto di una qualsiasi abitazione, sopra ad una

iodo, il calore proveniente dal collettore solare per c

to delle tipologie impiantistiche a solare termico sono gli stessi dei sistemi originari e configurano sostanzialmente due macrocategorie di prodotto: il

ntistiche dell’involucro71_{. In questo sistema l’energia termica prodotta può essere}

utilizzata sia per riscaldare l’acqua calda sanitaria (ACS) che lo stesso fluido termovettore utilizzato per riscaldare l’involucro edilizio.

Storicamente l’osservazione del principio fisico su cui si basa questo sistema si fa risalire al 1767, quando un fisico (come per il fenomeno fotovoltaico) in questo caso svizzero, Horace de Saussure, misurò temperature superiori ai 100°C all’interno di un recipiente con le pareti nere, ricoperto con una lastra di vetro esposta ai raggi solari. Egli non fece altro che provocare all’interno dell’involucro il famoso “effetto serra”; questo è sostanzialmente il metodo più semplice per “catturare” dell’energia termica utilizzando un vetro e delle masse accumulatrici. Lo stesso effetto lo possiamo constatare tutti noi, all’interno di un qualsiasi ambiente esposto direttamente ai raggi solari attraverso una superficie finestrata.

L

grosso contenitore con all’int v

falda ben esposta, forniva l’acqua calda all’impianto idrico-sanitario della casa; i serbatoi venivano alimentati di acqua fredda direttamente dalla rete idrica.

Il successo del sistema fu notevole e nel 1909 l’ingegnere William Baily, californiano, migliorò il brevetto originario inventando in buona sostanza lo schema del moderno collettore solare piano con accumulo integrato: un involucro isolato termicamente, abbastanza appiattito, ricoperto da una lastra di vetro e con all’interno dei tubi di rame saldati su di un piastra metallica annerita; il tutto collegato direttamente ad un serbatoio di accumulo posto superiormente. Il sistema perciò presentava una prima disgiunzione delle componenti: il collettore solare (interfaccia impiantistica esposta al sole deputata ad intercettare la radiazione) e l’accumulo (serbatoio) deputato ad incamerare, e a trattenere per un certo per

ircolazione naturale. Questo sistema, ribattezzato “Day and Night”, consentiva, grazie alla forma meno ingombrante, la concezione di una prima integrazione architettonica; in ogni caso la percezione del sistema, dovuta soprattutto al grande serbatoio di accumulo in copertura, rimaneva decisamente impattante.

Con i moderni sistemi a circolazione forzata è stato possibile collocare la massa di accumulo (il serbatoio) all’interno dell’involucro, lasciando alla sola interfaccia del sistema (il collettore solare) le finalità di integrazione con la morfologia architettonica.

Ancora oggi, a differenza del fotovoltaico in continua evoluzione tecnico-scientifica, i principi di funzionamen

sistem

ra apre interessanti possi

tare i raggi solari (siste

sto fattor

a a collettori piani e il sistema a tubi sottovuoto72_{. Quest’ultimo è in pratica una}

evoluzione del sistema a collettori piani, ove in luogo della serpentina dietro ad una lastra di vetro troviamo una serie di tubi a vista collegati idraulicamente in serie. Il sistema rappresenta attualmente il massimo grado evolutivo finalizzato all’incremento della resa del solare termico, ottenuto grazie all’ottimizzazione dell’elemento captante primario.

L’applicazione del sistema a tubi sottovuoto in architettu

bilità di integrazione nelle configurazioni delle facciate verticali giustamente orientate; ad esempio come elementi di contenimento (parapetto) di balconi e terrazze, o

come sistemi schermanti. In questo caso l’elemento assume funzione bivalente73_{, poiché}

somma la produzione energetica attiva alla schermatura passiva della radiazione solare. Tralasciando i sistemi ad accumulo diretto e circolazione naturale, poiché difficilmente integrabili e di minore efficienza energetica, l’architettura impiantistica del

sistema a circolazione forzata può essere scomposta in quattro componenti principali74

che prefigurano un sistema integrato idraulico/elettrico abbastanza complesso.

In un’ottica di integrazione architettonica il primo componente da considerare, (l’elemento visibile e perciò di maggiore interesse ai nostri fini) è l’interfaccia di captazione: essa può essere composta da un pannello contenente una serpentina di tubi entro cui si movimenta il fluido termovettore (acqua semplice o una miscela di acqua e glicole) e un vetro piano selettivo soprastante con la funzione di intercet

ma a collettori solari piani); oppure da certo numero di tubi sottovuoto collegati idraulicamente, supportati da una retrostante lamiera di alluminio presagomata per indirizzare la maggior percentuale di raggi verso i tubi captanti.

I pannelli del primo tipo sono disponibili in varie dimensioni assimilabili a quelle del pannello FV (circa 1 x 1,6 metri) e perciò con questo accostabile anche per morfologia, texture e colore. Quelli del secondo tipo misurano generalmente circa 2,5 metri di base per 2 metri di altezza, dimensioni maggiori e poco accostabili, anche morfologicamente, rispetto al classico pannello FV.

I sistemi a tubi sottovuoto garantiscono efficienze maggiori e prevedono, oltre alla produzione di acqua calda sanitaria, anche la funzione d’integrazione al riscaldamento, meglio se accoppiata ad un sistema di tipo radiante a bassa temperatura. A que

e è associato uno specifico posizionamento dell’interfaccia (collettore) sia come orientamento, privilegiando comunque il sud perfetto, che di inclinazione (tilt) dei pannelli. Alle nostre latitudini la massima efficienza del sistema si ottiene con una

72 _{In questa tipologia, sviluppata recentemente, si sfrutta il principio di funzionamento delle grandi centrali} eliotermiche a concentrazione solare, adattato alla piccola dimensione. Grazie all’isolamento sottovuoto degli

rini A., op. cit., p. 65

assorbitori e delle tubazioni entro le quali circola il fluido termovettore e ai concentratori di irraggiamento posizionati dietro il tubo, è possibile raggiungere temperature ben oltre i 100 C° (acqua allo stato di vapore) ed elevati livelli di efficienza, anche in condizioni di temperatura molto basse o cielo coperto; cfr Magrini A., op.

cit., p. 67

73 _{Cfr. sotto-sottocap. 2.2.5} 74 _{Cfr. Mag}

inclinazione a 60°, che ottimizza la captazione in fase invernale con il sole più basso allo zenit quando è richiesta la maggiore quantità di energia termica. Questo aspetto, nell’ip

integrate in pa

affidata ad una pompa elettr

tesso è rivestito completamente da un grosso spessore di is

otesi di allestimento in una copertura a falde, mal si concilia con le tipiche inclinazioni dei tetti in zona temperata che generalmente variano tra i 16 e i 19°;

considerando perciò una corretta efficienza sinergica75 _{tra i due sistemi (tecnologico e}

morfologico-compositivo) sono preferibili perciò soluzioni su copertura piana o

rete verticale esterna, ritenendo di bassa qualità architettonica soluzioni a diversa pendenza in falda. Esistono kit per il montaggio dei pannelli in parete, con pendenza variabile a 60° o 30°; in questo caso l’interfaccia attiva può assumere anche la funziona di schermatura solare, divenendo dispositivo come detto a funzione bivalente.

Il secondo componente del sistema è il trasferimento dell’energia termica dal collettore all’accumulo, attraverso dei tubi resistenti alle alte temperature (che possono raggiungere anche i 110-120°) e opportunamente coibentati per non disperdere calore durante il trasporto; la movimentazione del fluido termovettore è

ica che si attiva quando la temperatura dell’acqua nei collettori raggiunge una certa temperatura.

Il terzo componente del sistema è il serbatoio di accumulo (storage), di dimensioni rilevanti (300-1000 litri di capacità per usi residenziali) e posizionato preferibilmente in

un apposito locale tecnico76_{; lo s}

olamento per poter immagazzinare l’energia termica prodotta dall’interfaccia captante. La struttura interna del serbatoio consente lo scambio termico per convezione tra una serpentina contenente il fluido termovettore del circuito dei collettori solari e la massa d’acqua del serbatoio; questa scaldandosi si stratifica in maniera naturale dal basso (acqua meno calda) verso l’alto (acqua più calda). Le altre serpentine interne diversamente posizionate dell’impianto dell’ACS (più in alto per le esigenza di temperature maggiori) e del circuito del riscaldamento (più in basso per le esigenza di temperature inferiori), ricevono l’energia termica direttamente dall’acqua del serbatoio riscaldata dalla serpentina del circuito solare.

75 _{Il concetto di “efficienza sinergica”, citato più volte, mette in relazione il sistema tecnologico ed il sistema}

formale dell’architettura e definisce il rapporto variabile tra le esigenze di massima efficienza espresse dal sistema tecnologico e le istanze espresse dal sistema morfologico-compositivo; in pratica il massimo livello raggiungibile di performance impiantistica è limitato e regolato dalle caratteristiche della struttura compositiva e morfologica propria della concezione architettonica. Lo strumento del progetto perciò concretizza questo rapporto, finalizzandolo al raggiungimento della massima qualità architettonica; cfr. cap. 3

76 _{Il locale tecnico, quasi totalmente scomparso nell’edilizia degli ultimi trent’anni, ritorna ora ad essere uno}

spazio fondamentale da prevedersi in fase di progettazione, per contenere l’impiantistica più complessa e i a bassissimo consumo energetico; accumuli (serbatoi) di notevoli dimensioni del mento), VMC (ventilazione meccanica controllata), generatori termici cambiatori, inverter FV, centraline, ramificazione idraulica ed elettrica, fanno voluminosa degli edifici solar

aldo (riscaldamento) del fre

c ddo (raffresca

aldaie, pompe di calore, ecc.), s (c

di questo spazio un luogo fondamentale di concentrazione di tutti quei macchinari necessari ad ottenere edifici a consumo prossimi allo zero. Nondimeno da questo luogo possono concentrarsi e accorparsi in un unico cavedio verticale (il tronco della ramificazione impiantistica) tutte quelle condotte di espulsione di fumi, aria viziata, di presa dell’aria esterna, dei condotti della ventilazione naturale, dei collettori dell’acqua calda e fredda, delle caverie elettriche, ecc., che collegano questo spazio, attraverso i vari livelli della costruzione, fino alla fuoriuscita in copertura, connotandosi come grande, unico camino integrato nell’edificio.

In pratica in un sistema così configurato, l’accumulo caldo (serbatoio) diventa l’elemento termoregolatore dei fabbisogni di calore di tutto il sistema impiantistico (in buon

e rigide).

a sostanza assume la funzione del generatore di calore di un impianto tradizionale) e viene supportato da un generatore termico esterno (caldaia, pompa di calore, caldaia a pellet o a biomassa) che interviene in caso di una insolazione insufficiente o di necessità urgenti di energia termica da parte delle terminazioni impiantistiche (ad esempio l’acqua calda necessaria al riempimento di una vasca del bagno, delle condizioni esterne particolarment

Il quarto componente del sistema è rappresentato dalle ramificazioni del circuito di distribuzione alle terminazioni impiantistiche; i collegamenti idraulici al serbatoio sono collocati in posizioni diverse a seconda dello strato più o meno caldo dell’acqua. In questo modo è possibile soddisfare le diverse esigenze di comfort dell’utenza, sia come richiesta di climatizzazione degli ambienti che di acqua calda sanitaria.

categorie prodotti applicazioni vantaggi svantaggi

Sistema a

collettori piani Pannello Pareti ventilate Curtain wall Schermature fisse Coperture (inclinate)

Abbinabile per similitudine ai sistemi FV Migliore integrazione architettonica Tenuta ai carichi Co Minore resa prestazionale Minore efficienza in condizioni di luce diffusa sto più contenuto

Sistema a tubi sottovuoto Pannello Tubi singoli Coperture molto inclinate Parapetti balconi e terrazze Schermature fisse

Maggiore resa prestazionale Maggiore efficienza alle basse temperature Maggiore efficienza in condizioni di luce diffusa

Minore integrazione architettonica (nel caso del sistema a tubi sottovuoto) Costo più elevato

Tab. 2.3 Vantaggi e svantaggi nell’applicazione delle principali tipologie di solare termico in architettura

Infine il quinto componente è rappresentato dal sistema di controllo dell’impianto o solare e di climatizzazione; questa funzione viene assolta da una o più centraline elettroniche termoregolatrici, che al variare delle condizioni d’insolazione e di richieste delle terminazioni impiantistiche (rilevate da una serie di sonde), modula il integrat

funzionamento delle pompe solari o richiede “assistenza” al generatore di calore ausiliario. Le regolazioni richieste all’utente sono generalmente di facile comprensione (user friendly) e si limitano a pochi semplici settaggi: come ad esempio passare dalla fase invernale a quella estiva, aumentare o diminuire la temperatura interna degli ambienti (attraverso termostati locali) o dell’acqua calda sanitaria.

Dettaglio del collettore a tubi sottovuoto (fig. 2.25) e schema di funzionamento di un impianto

s a c e fo de