Capitolo 3 Sistemi solari termici

Sistemi solari termici

3.1

Introduzione

Scopo di questo studio `e la definizione di sistemi solari termici adeguati al soddisfacimento del fabbisogno energetico di un tipico edificio residen-ziale (descritto negli altri capitoli) collocato nella regione andina, sia in prestazioni sia in termini di facile realizzazione, costi ridotti e semplice manutenzione. Partiamo quindi da una visione semplificata del vasto panorama dei sistemi solari termici e dei collettori solari ‘ad alto costo’ diffusi nei paesi pi`u tecnologicamente avanzati, per studiarne le logiche e le configurazioni di successo che possano essere impiegate in impianti a basso livello di industrializzazione, facilmente gestibili a partire dalla costruzione dei singoli componenti fino all’installazione ed alla manuten-zione. Il contesto climatico e socio-economico completamente differente spinge necessariamente alla definizione di sistemi che massimizzino la co-pertura solare del fabbisogno, vista l’assenza completa di fonti ausiliarie che possano integrare le carenze: si cerca, pur partendo dall’insieme delle tecnologie pi`u utilizzate nell’ambito dei paesi industrializzati, di andare in una direzione differente in termini di priorit`a, mettendo al di sopra di tutto quella dell’autosufficienza energetica con standard di comfort

lativamente accettabili (ovvero molto superiori agli attuali, decisamente insoddisfacenti) realizzati con tecnologie appropriate.

3.2

La risorsa solare

Il sole rappresenta la principale fonte di energia per il pianeta terra. Il continuo processo di fusione di idrogeno in elio che avviene al suo inter-no determina l’emissione di una quantit`a di radiazione elettromagnetica pari a quella di un corpo nero a temperatura 5777K (questo valore viene generalmente indicato come temperatura effettiva del sole). Per poter va-lutare la radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre e ottimiz-zare il guadagno utile bisogna analizottimiz-zare le caratteristiche geometriche del moto di rivoluzione che la terra effettua intorno al sole.

3.2.1

Caratteristiche geometriche

Costante solare e variazioni della radiazione

La terra descrive un’orbita ellittica intorno al sole in un periodo di 365.25 giorni. Avendo l’eccentricit`a dell’orbita e un valore molto basso (e = 0.01673), la variazione tra la distanza al perielio (il punto delll’or-bita pi`u vicino al sole, raggiunto il 3 Gennaio) e all’afelio (punto pi`u lontano, raggiunto il 4 Luglio) `e dell’1.7%. In media dunque la terra ruota intorno al sole ad una distanza di 1.496 × 1011m (distanza che

rappresenta per definizione un’unit`a astronomica, [UA]), e il sole

vi-sto dalla terra `e sotteso da un angolo pari a 32. La frazione di energia emessa dal sole che raggiunge, nell’unit´a di tempo, una superficie uni-taria ortogonale alla direzione di propagazione della radiazione e posta alla distanza media terra-sole, fuori dall’atmosfera terrestre, prende il nome di costante solare G_sc ed ha un valore pari a 1367 W/m2, con un’incertezza dell’ordine dell’1%.

La variazione della distanza relativa terra-sole nell’arco dell’anno `e ad ogni modo causa di una variazione della radiazione extraterrestre del-l’ordine del 3% che pu`o essere stimata come segue:

G_on = G_sc  1 + 0.033 cos360 n 365  (3.1)

dove si `e indicato con n l’n-esimo giorno dell’anno.

Tempo solare

Per valutare l’efffettiva radiazione che raggiunge la superficie terrestre ad una determinata latitudine `e necessario effettuare alcune correzioni sul tempo standard (quello misurato dall’orologio) e definire un tempo solare basato sul moto apparente del sole attraverso il cielo. Indicando con L_st la longitudine del meridiano di riferimento e con L_locla longitudine locale la differenza in minuti tra il tempo solare e quello standard vale [39]:

Tempo solare - tempo standard = 4(L_st− Lloc) + E − DS (3.2)

Il primo termine del membro destro dell’equazione rappresenta una cor-rezione costante dovuta al tempo impiegato dal sole ad attraversare un grado di longitudine (circa 4 minuti) ed `e positivo se il sito in esame si trova ad Est rispetto al meridiano di definizione dell’ora nella zona, negativo altrimenti. Il secondo tiene conto del fatto che la velocit`a di rotazione della terra non `e costante nell’arco dell’anno, dunque esiste un’equazione tra E e l’n-esimo giorno dell’anno [42]:

E = 9.87 sin(2B)− 7.53 cos(B) − 1.5 sin(B) [min] (3.3)

B = (n− 81)360

L’ultimo termine (DS, daylight saving) vale 60 minuti se `e in vigore l’orario legale ed `e nullo altrimenti.

Direzione della radiazione diretta

L’energia solare che raggiunge la superficie terrestre pu`o essere schema-tizzata come composta da due termini: uno dovuto alla radiazione che attraversa l’atmosfera senza interagire con essa, chiamata abitualmente radiazione diretta, il secondo contributo dovuto invece alla frazione di radiazione che raggiunge la superficie terrestre dopo essere stata scatte-rata dai componenti dell’atmosfera e che prende il nome di radiazione diffusa. La radiazione diretta che raggiunge un determinato punto del-la superficie terrestre pu`o essere descritta, tenendo in considerazione il moto solare sulla volta celeste, in termine dei seguenti angoli:

– Latitudine φ : la posizione angolare del punto in esame rispetto

all’equatore, positiva verso nord; −90◦ ≤ φ ≤ 90◦.

– Declinazione δ : la posizione angolare del sole rispetto al piano

dell’equatore. Congiungendo il centro del sole al centro della terra `e l’angolo tra tale congiungente ed il piano equatoriale, considerato positivo se la linea che unisce i centri rimane nell’emisfero nord, negativa se nel sud; tale angolo `e legato al fatto che l’asse terrestre `e inclinato di 23.45◦ rispetto al piano dell’orbita. La declinazione varia al variare del giorno n dell’anno, −23.45◦ ≤ δ ≤ 23.45◦, e pu`o essere trovata ad esempio per mezzo della relazione di Cooper (approssimata) come segue:

δ = 23.45 sin  360284 + n 365  (3.5)

dove n rappresenta l’n-esimo giorno dell’anno.

Ai fini ingegneristici, la declinazione pu`o essere considerata costante durante il giorno [39].

Figura 3.1: Variazione della declinazione durante l’anno [Fonte: [42]]

– Inclinazione β : l’angolo formato dalla superficie irraggiata e il

piano orizzontale; 0◦ ≤ β ≤ 180◦.

– Azimuth della superficie γ : l’angolo formato tra la

proiezio-ne sul piano orizzontale della normale alla superficie in esame e la direzione sud; −180◦ ≤ γ ≤ 180◦, positivo verso ovest.

– Angolo ora ω : lo spostamento angolare del sole rispetto al

me-ridiano locale; mattino negativo, pomeriggio positivo, considerando che il sole avanza di 15◦ gradi per ora:

ω = ±0.25 × (distanza in min dal mezzogiorno solare) (3.6)

– Angolo d’incidenza θ : l’angolo tra il fascio diretto e la

nor-male uscente alla superficie irraggiata. Si pu`o trovare, data una determinata superficie, direttamente dai valori degli angoli sopra definiti:

cos θ = sin δ sin φ cos β + sin δ cos φ sin β cos γ

sin δ sin φ cos β + sin δ cos φ sin β cos γ (3.7)

– Zenith θ_z : l’angolo tra la verticale e la direzione del sole, ovvero l’angolo d’incidenza su una superficie orizzontale.

– Altitudine solare α_s : l’angolo tra la direzione orizzontale e la posizione del sole, ovvero il complementare di θ_z. Si pu`o ricavare dall’espressione

sin α_s = cos θ_z = sin(φ) sin(δ) + cos(φ) cos(δ) cos(ω) (3.8)

– Azimuth solare γ_s: lo spostamento rispetto alla direzione sud (o nord, se siamo nell’emisfero sud) della proiezione del fascio di-retto sul piano orizzontale; spostamenti verso est sono presi come negativi. Si pu`o ricavare dall’espressione:

sin(γ_s) = cos(δ) sin(ω)

cos(α_s) (3.9)

Diagrammi solari

Possono essere molto utili, soprattutto ai fini della valutazione delle ore di insolazione e degli ombreggiamenti su una data superficie, i diagram-mi solari: le equazioni dei paragrafi precedenti vengono visualizzate in proiezioni orizzontali o verticali per una determinata latitudine, ed `e cos`ı possibile trovare la posizione del sole nel cielo in un qualsiasi giorno ed orario dell’anno.

Nella proiezione verticale troviamo sulle ascisse l’azimuth solare γ_se sulle ordinate l’angolo di altitudine solare α_s: vi vengono tracciate linee a de-clinazione costante (il valore di δ che interessa pu`o essere parallelamente ricavato, in base all’n-simo giorno dell’anno, dalle apposite relazioni viste o da corrispondenti grafici) e su ogni punto di tali linee `e indicato l’orario (tempo solare) al quale il sole vi passa:

Si utilizzano anche diagrammi solari polari, ovvero la proiezione della volta celeste sul piano orizzontale, seguendo i medesimi criteri; questa volta l’orizzonte, piuttosto che l’asse delle ascisse, `e rappresentato dal cerchio pi`u esterno del grafico. Anche nel caso dei diagrammi polari se ne esegue uno per ogni valore di latitudine, vediamo ad esempio nella figura che segue quello relativo a Livitaca (Cusco, Per`u): `e ben evidente come nell’emisfero Sud le traiettorie del sole siano verso Nord.

Nel grafico 3.4 `e stata evidenziata in giallo la data in esame e sono state riportate le linee a declinazione costante estreme, in corrispondenza dei solstizi, alle quali `e tangente l’analemma, una particolare curva a forma di infinito che descrive la posizione del sole ad una stessa ora (e medesimo luogo) in tutti i giorni dell’anno.

Questi diagrammi sono estremamente utili per valutare gli ombreggia-menti e definire quindi fondamentali dati di input sia nel caso di sistemi solari attivi sia per lo studio di edifici solari passivi: `e sufficiente ripor-tarvi, rilevandoli dalla posizione per la quale si necessitano informazioni, gli angoli estremi degli ostacoli intorno (azimuth e altitudine) per

viduare il periodo dell’anno e le ore durante le quali la posizione stessa sar`a in ombra.

Figura 3.5: Esempio di ombre riportate su diagramma cartesiano [Fonte: [56]]

3.2.2

Radiazione solare

La radiazione solare `e distribuita su un ampio spettro di lunghezze d’onda e presenta forma a campana, tipica delle emissioni dei corpi neri (B). La parte importante della radiazione ai fini applicativi `e emessa nei campi degli ultravioletti, del visibile e dell’infrarosso, in un range di lunghezze d’onda compreso tra 0.15 μm e 3.0 μm1.

Ci interessa in particolare quantificare ci`o che arriva su una superficie inclinata in un certo modo e situata in un punto definito della superficie terrestre: per arrivare a questo, dobbiamo tenere conto di diversi fattori

1_{Il campo del visibile `e compreso nell’intervallo 0.38-0.72 μm. Per richiami ad elementi}

Figura 3.6: Esempio di ombre riportate su diagramma polare [Fonte: [56]]

influenti, quali l’attraversamento dell’atmosfera, la riflessione da parte di ci`o che si trova intorno, le perturbazioni climatiche, il posizionamento del luogo e l’orientamento della superficie, oltre a possibili ombreggiamenti (da valutarsi secondo quanto visto nel parafrafo 3.2.1).

3.3

Tipologie di sistemi

3.3.1

Sistemi passivi ed attivi

I sistemi solari per il riscaldamento di acqua sanitaria o di ambienti pos-sono (tra le tante distinzioni) essere suddivisi in due classi, individuate con le denominazioni ‘passivi’ ed ‘attivi’: la differenza essenziale risie-de nel fatto che i sistemi passivi non necessitano di energia ausiliaria per il funzionamento, mentre i sistemi attivi si avvalgono di pompe o ventilatori per assolvere ai propri compiti.

In realt`a vengono comprese nei sistemi passivi tutte le tecnologie applica-te al costruito che abbiano il fine di regolare gli scambi applica-termici tra esapplica-terno ed interno tramite la fonte solare utilizzando, come elementi captanti e di accumulo, componenti edilizi (sia facenti parte dell’involucro sia elementi interni), quindi una classe di sistemi ben pi`u ampia, ma in questa sezione consideriamo semplicemente quel che concerne l’impiantistica idronica.

I sistemi passivi sono tipicamente pi´u semplici, con costi pi´u bassi sia di costruzione e messa in opera sia di manutenzione, pi`u facilmente rea-lizzabili e manutenibili con materiali reperibili in loco e maggiormente affidabili se ben realizzati; d’altro canto, i sistemi attivi offrono molte pi`u possibilit`a per quanto riguarda schemi realizzativi, trasferimenti di calore a differenti quote e su distanze maggiori e sfasamenti temporali.

La scelta di una tipologia di impianto a scapito di un’altra dipende da molte considerazioni e vincoli, sia di carattere progettuale sia a volte inerenti l’ambito burocratico (ad esempio zone soggette a vincoli di ti-po paesaggistico i cui Comuni non permettono l’utilizzo di serbatoi di accumulo in copertura, quando non addirittura di qualsiasi collettore solare).

Tipicamente i sistemi solari termici idronici passivi comprendono due tipologie:

– impianti a circolazione naturale – collettori integrali

Per quanto riguarda i sistemi attivi, tra le molteplici classificazioni che si possono fare siamo in questo contesto interessati a distinguere tra:

– impianti a circolazione forzata – impianti a svuotamento

Verr`a nel seguito focalizzata l’attenzione soltanto sugli aspetti ritenuti pi`u attinenti all’individuazione di impianti a basso costo adatti al conte-sto del progetto di cooperazione allo sviluppo su piccola scala nella zona andina, omettendo la descrizione di molti sistemi e caratteristiche gi`a diffusamente presenti in letteratura la cui trattazione non risulti utile in questo ambito.

3.3.2

Sistemi a circolazione naturale

I sistemi a circolazione naturale sfruttano il movimento spontaneo di cir-colazione del fluido sottoposto a riscaldamenti all’interno di un impianto con opportuna configurazione. In genere di tratta di sistemi completi in grado di fornire acqua calda ad uso sanitario in determinati periodi dell’anno senza fonti ausiliarie (nei restanti riescono a funzionare come preriscaldo). Come suddetto, il principio di funzionamento `e basato sulla convezione del fluido riscaldato che tende a diminuire la propria densit`a e quindi ad innescare un moto convettivo dal basso verso lalto: per ga-rantirne la funzionalit`a il serbatoio dellacqua calda sanitaria dovr`a essere posizionato allestremit`a superiore del pannello2.

Figura 3.8: Schema di funzionamento di impianto a circolazione naturale [Fonte: [57]]

2_{E questa necessit`a inderogabile di posizionamento pu`o spesso far scartare questa}

3.3.3

Sistemi a circolazione forzata

Negli impianti a circolazione forzata il trasferimento di calore dal collet-tore al sistema di accumulo `e garantito da circolatori e da un sistema di regolazione elettronico per le gestione delle portate e delle temperature del fluido termovettore. Per regolare la circolazione ci si avvale di senso-ri che confrontano la temperatura del fluido nel collettore con quella nel serbatoio di accumulo.

Il circuito idraulico collegato al pannello `e di tipo chiuso e separato da quello dell’acqua riscaldata mediante una serpentina posta nel serbatoio di accumulo. Frequentemente i serbatoi di accumulo contengono una doppia serpentina, al fine di integrare la produzione con un generatore di calore supplementare.

In alcune applicazioni, con lausilio di un accumulatore di calore di di-mensioni notevolmente maggiori, lacqua calda fornita dai pannelli a cir-colazione forzata pu`o essere utilizzata per dare un contributo al riscal-damento degli ambienti.

Figura 3.9: Schema di funzionamento di impianto a circolazione forzata [Fonte: [57]]

3.3.4

Sistemi a svuotamento (drain back)

La tecnologia a svuotamento rappresenta una valida alternativa per ren-dere il sistema pi`u semplice pur garantendo protezione da sovratempe-rature e congelamento, senza la necessit`a di utilizzo di fluidi antigelo -`e possibile mettere direttamente acqua nel circuito primario- n`e di com-ponenti particolari quali valvole di sicurezza e vasi di espansione, ed `e applicabile ad un ampio range di dimensioni di impianto (da pochi me-tri quadrati fino addirittura a migliaia). Il concetto su cui si basa `e il drenaggio dell’acqua -sostituita da aria che entra automaticamente- dai collettori inclinati e dalle tubazioni esterne all’interrompersi del funzio-namento della pompa di circolazione, che avviene in caso di mancanza di irraggiamento o quando vengono superati i limiti estremi di tempera-tura, ovvero se il boiler di accumulo `e gi`a sufficientemente caldo e non pu`o ulteriormente ricevere scambi di calore oppure se la temperatura nei pannelli rivela il rischio di congelamento (condizione rara, poich`e la probabilit`a di gelate `e elevata in mancanza di insolazione, quando il si-stema `e gi`a vuoto nella parte superiore poich`e la pompa `e ferma, quindi protetto).

Vantaggi del sistema a svuotamento

– L’acqua ha propriet`a di scambio termico migliori (capacit`a termica e viscosit`a) rispetto agli altri fluidi termovettori utilizzati nei sistemi solari.

– Non ci sono problemi di invecchiamento del glicole, che negli

im-pianti a circuito chiuso senza svuotamento modifica il pH causando corrosioni.

– Non sono possibili particolari innalzamenti di pressione nel circuito,

– Il sistema `e pi`u economico delle alternative, poich`e si eludono i costi di fluido anticongelante e di alcuni componenti di controllo e sicurezza, e richiede manutenzione decisamente inferiore.

– L’impianto `e intrinsecamente sicuro: in caso di mancanza di alimen-tazione elettrica o malfunzionamento della pompa la circolazione si arresta ed il sistema si svuota, rendendolo immune sia ad elevate e prolungate insolazioni sia a temperature rigide.

Svantaggi del sistema a svuotamento

– Non tutti i collettori possono essere utilizzati.

– L’installazione `e pi`u difficoltosa, i percorsi delle tubazioni esterne devono garantire un adeguato e completo svuotamento.

Caratteristiche

Nel sistema `e presente un volume che serve ad accogliere l’acqua nella fase di svuotamento: tale volume pu`o essere ricavato in diverse posizioni (co-me descritto in seguito) e durante il normale funziona(co-mento del primario `e pieno d’aria. Nel momento in cui la pompa di circolazione si ferma, per gravit`a l’acqua passa dai collettori e dalle parti alte della tubazione al vo-lume di accumulo per lo svuotamento, e l’aria prende il posto dell’acqua; affinch`e ci`o sia possibile, tutte le tubazioni interessate -comprese quel-le dei colquel-lettori solari- devono essere, nessuna esclusa, opportunamente inclinate verso il basso. Per avere un sistema ben funzionante, tutte le parti esterne -collettori e tubazioni- devono essere completamente vuote (senza presenza di acqua residua) dopo ogni svuotamento.

Esistono due tipologie di sistemi a svuotamento:

– svuotamento a circuito chiuso – svuotamento a circuito aperto

Nel sistema a circuito chiuso `e necessario che i componenti soppor-tino una pressione di circa 3 bar, quindi si utilizzano assorbitori e tu-bazioni metalliche. L’ossigeno nel circuito chiuso viene gradualmente assorbito ed il processo corrosivo non ha modo di proseguire, quindi non `

e necessario prendere ulteriori precauzioni per quanto riguarda questo aspetto.

Nel sistema a circuito aperto si riescono ad evitare pressioni troppo superiori a quella idrostatica, dunque `e possibile l’impiego di materiali plastici (i quali non resistono a lungo alla combinazione di alte tempe-rature e pressioni rilevantemente superiori all’atmosferica) che hanno il vantaggio di non essere suscettibili di corrosione (`e per`o necessario che tutti i componenti del circuito aperto abbiano questa caratteristica, siano cio`e in plastica, rame o acciaio inossidabile).

Possiamo inoltre distinguere gli impianti a svuotamento in base alla posizione del volume per l’acqua drenata:

– volume ricavato in accumulo inerziale chiuso – volume ricavato in accumulo inerziale aperto – volume ricavato in scambiatore a mantello – volume posto sotto scambiatore a serpentina – tanica per lo svuotamento esterna

Il volume di svuotamento dovrebbe essere il pi`u vicino possibile ai col-lettori, anche se al di sotto di ogni parte esterna, affinch`e il drenaggio sia completo. Si usa dunque una tanica esterna negli impianti pi`u grandi o nei casi in cui l’accumulo inerziale si trova a distanza considerevole dai collettori. Per poter realizzare un impianto semplice, il boiler deve esse-re situato ad altezza inferioesse-re rispetto ai collettori; se questa condizione

non `e verificata, `e ancora possibile installare un sistema a svuotamen-to, ma `e necessario modificare lo schema idraulico inserendo una valvola deviatrice o in alternativa uno scambiatore esterno ed un circolatore:

Requisiti sui componenti e modalit`a di installazione

Il primo requisito per un corretto funzionamento `e la giusta inclinazione delle tubazioni: `e bene che sia intorno a 30mm per metro di tubo, comun-que non sotto i 10mm per metro, e rimanga tale per tutta la vita utile dell’impianto. Ovviamente questa pendenza deve essere garantita in tut-ti i trattut-ti di condotto che devono svuotarsi, anche nelle connessioni e nei raccordi tra collettori (a causa della necessit`a di questa connessione di-scendente, non sono idonei al collegamento reciproco pannelli con uscite sul retro), ed in tutte le condizioni di funzionamento. Per evitare proble-mi causati da dilatazioni terproble-miche, `e opportuno dove necessario installare giunti compensatori che possano assorbirle senza che l’inclinazione vari.

Il volume della tanica di svuotamento viene generalmente dimensionato raddoppiando il volume d’acqua contenuto nei collettori e nelle tubazioni, per scongiurare il rischio di risucchio di aria da parte della pompa du-rante il normale funzionamento (il contenuto d’acqua va periodicamente monitorato). L’aria contenuta nel volume di svuotamento ha anche la funzione di ammortizzare l’espansione, per cui non `e richiesto l’uso di ulteriori dispositivi atti allo scopo.

Nei collegamenti in parallelo tra collettori, si utilizza come nei sistemi tradizionali una connessione Tichelman (nella quale la somma di tuba-zione di andata e ritorno relativa ad ogni collettore `e costante, in modo da mantenere bilanciata la perdita di carico in tutti i rami), ed in base alla tipologia di pannelli si decide se realizzare la connessione al di sopra -in modo che il punto pi`u alto sia la giunzione- oppure al di sotto -sono pi`u in alto i collettori dei singoli assorbitori all’interno dei pannelli-.

Una considerazione importante va fatta sul dimensionamento delle tu-bazioni di andata e ritorno dai collettori. La resistenza idraulica delle tubazioni deve essere bassa in confronto a quella delle piastre assorbenti, e nel realizzare questa condizione il diametro del ritorno pu`o essere gran-de senza creare nessun problema, ma il condotto di andata gran-deve essere in grado accogliere un flusso ad una velocit`a sufficientemente alta da trasci-nare fuori dai collettori l’aria tramite un’efficace miscela acqua-aria. Il diametro della tubazione di mandata deve quindi essere un compromesso tra questa esigenza e la necessit`a di garantire un corretto svuotamento: nella pratica, si prende questa tubazione di una misura inferiore rispet-to al ririspet-torno (il dimensionamenrispet-to viene fatrispet-to secondo le caratteristiche dell’impianto, come nei casi tradizionali). Quando la circolazione non `e attiva la sovrapressione nelle tubazioni non supera in genere 0.5 bar.

Per quel che riguarda la pompa, deve essere in grado di riempire il si-stema dopo ogni svuotamento e di mantenere la circolazione una volta spurgata tutta l’aria, due regimi di funzionamento piuttosto differenti. Alcuni sistemi prevedono l’utilizzo di una pompa ed un circolatore in serie: la prima interviene per un tempo prestabilito, necessario al riem-pimento, l’altro entra in funzione appena prima che la pompa si stacchi e mantiene la circolazione finch`e non si verificano le condizioni per in-terromperla. Altri sistemi invece realizzano entrambe le operazioni con un’unica pompa, la cui portata viene ridotta trascorso il tempo che serve per il riempimento. Poich`e il flusso di riempimento deve essere tale da spurgare bene l’aria nei collettori, la pompa va dimensionata non solo rispetto all’altezza idrostatica da raggiungere, ma anche prevedendo una portata di circa 40 − 80l/hm2 in questa fase. Nel collocare la pompa bisogna fare attenzione a rispettare in ogni fase del funzionamento il battente richiesto per scongiurare fenomeni di cavitazione; inoltre `e indi-spensabile che sia possibile lo svuotamento anche sul suo ramo, dunque o si utilizza una pompa che consente il flusso in direzione contraria quando `

controllo che si apre allo spegnersi della circolazione. Per ridurre al mi-nimo le prestazioni necessarie per la pompa di riempimento, il volume di svuotamento dovrebbe essere posto pi`u vicino possibile ai collettori, sem-pre per`o ovviamente rimanendo al di sotto di essi e di tutte le tubazioni esterne.

3.3.5

Differenza tra fabbisogno ACS e

riscaldamen-to

I due fabbisogni hanno caratteristiche differenti sotto vari aspetti, ineren-ti la distribuzione annuale, le temperature, i profili giornalieri ed il ineren-tipo di utilizzo dell’acqua (quando il riscaldamento venga fatto con sistemi idronici).

Il fabbisogno di energia termica per riscaldamento di ambienti `e variabile nell’anno in funzione delle temperature stagionali, quindi ha una forte caratterizzazione climatica: spesso `e presente una stagione estiva (o un periodo anche pi`u esteso) in cui non c’`e richiesta di riscaldamento (bens`ı talvolta di raffrescamento) caratterizzata da una forte insolazione -che pu`o divenire problematica per l’impianto- ed una stagione invernale con la richiesta pi`u alta. Se la stagione invernale `e caratterizzata da bassa insolazione, `e possibile schematizzare il profilo di domanda per riscalda-mento ambiente come continuo e circa costante nell’arco della giornata, a parte alcuni periodi a richiesta nulla (ad esempio in presenza di guada-gno solare positivo). Le temperature necessarie possono essere nel range 30-70◦C, in base al sistema di distribuzione del calore, e le temperature di ritorno sono relativamente alte, dato che il salto termico nei terminali non va oltre i 30◦C (anche molto meno, in funzione del tipo di impian-to). Nei sistemi di distribuzione idronici si utilizza molto spesso acqua in circuito chiuso, dunque non si ha presenza di ossigeno ad alimentare processi corrosivi.

Il fabbisogno di energia termica per acqua calda sanitaria `e invece all’in-circa costante nell’arco di tutto l’anno (anche se subisce leggere flessioni stagionali in funzione delle abitudini della societ`a di riferimento) e nella giornata prevede spesso -per ogni nucleo familiare- numerosi brevi picchi di consumo, intervallati da periodi di richiesta nulla. Per quanto riguar-da le temperature, l’acqua entra in un intervallo compreso tra 4 e 20◦C in funzione della localit`a, necessita di essere portata tra 45 e 60◦C e viene

poi scaricata in fognatura una volta utilizzata: questo si traduce in un salto termico relativamente elevato tra acqua fredda e calda.

Poich`e l’acqua circola nelle tubazioni secondo un percorso aperto, l’ossi-geno apportato in continuo pu`o innescare fenomeni corrosivi nei com-ponenti dell’impianto; per evitarli `e necessario l’impiego di materiali idonei.

3.3.6

Sistemi combinati

La combinazione di edifici termicamente ben isolati e sistemi di distri-buzione del calore a bassa temperatura offre un gran numero di nuove possibilit`a per gli impianti solari per integrazione al riscaldamento di ambienti con accumuli di breve periodo.

Se, come affermato in precedenza, l’uso diretto dell’energia solare per sco-pi di riscaldamento pu`o portare un contributo significativo all’approvvi-gionamento energetico in futuro, `e necessario sviluppare e distribuire sul mercato una vasta gamma di sistemi affidabili che vadano oltre la sem-plice fornitura di acqua calda sanitaria; in questo contesto, l’applicazione del solare termico nel soddisfare il fabbisogno energetico per riscaldamen-to in edilizia rappresenta un promettente setriscaldamen-tore ancora in buona parte da sviluppare.

Visto che circa il 75% del fabbisogno energetico negli edifici `e sotto for-ma di calore a bassa temperatura, il potenziale di sviluppo nell’utilizzo del solare termico sembra veramente ampio. Nel 2000 circa lo 0,14% del fabbisogno energetico della richiesta complessiva dell’Unione Europea in termini di ACS e riscaldamento (17 PJ) era soddisfatta da circa 11 mi-lioni di collettori solari vetrati o sotto vuoto; per il 2010 l’obiettivo era fissato in 100 milioni di m2, per una copertura del fabbisogno termico di circa l’1,18%, ma i risultati sono ben pi`u deludenti: circa 36 milioni di m2 installati, molto ad di sotto delle previsioni (successivamente al boom del 2008, circa 4,6 milioni di metri quadrati in un anno, i periodi che seguono sono cosatantemente in calo) -fonte ESTIF, European Solar ThermalIndustry Federation). La situazione in alcuni paesi dell’EU `e pi`u sviluppata rispetto ad altri: la Germania, seppur in decrescita, rimane leader del mercato, seguita da Austria, Grecia ed Italia (quest’ultima per un totale di 2,5 milioni di m2 installati a fine 2010, circa 500000 l’anno nell’ultimo periodo).

consi-deriamo il notevole margine di riduzione nella richiesta di riscaldamento di ambienti in costruzioni nuove o riqualificate, realisticamente ormai di un fattore 10, possiamo pensare ad un ruolo molto pi`u incisivo del solare termico nella copertura del fabbisogno associabile a scambi di calore a bassa temperatura.

Dobbiamo anche ricordare che, fino ad oggi, le applicazioni commerciali del solare termico sono quasi esclusivamente orientate a sistemi di inte-grazione del fabbisogno di acqua calda sanitaria, applicazione pi`u sem-plice da realizzare e con ritorni economici decisamente pi`u rapidi consi-derando le proposte attuali. Pur differenziandosi molto nei vari paesi, la percentuale di collettori solari installati in sistemi per solo riscaldamento o combinati per ACS e riscaldamento (solar combisystems) ruota infatti intorno al 20% rispetto al totale; i sistemi per integrazione al riscalda-mento esistono in tutti i listini dei produttori ma richiedono, di fatto, una riflessione molto pi`u approfondita sull’insieme edificio-impianto per poter risultare davvero efficaci piuttosto che promettere fattori solari irrealizzabili e costituire un puro esercizio commerciale.

La contribuzione solare, ovvero la frazione di domanda di energia prima-ria per fabbisogno termico in un edificio, vaprima-ria dal 5% al 100% in funzione principalmente della superficie di collettori installata, dell’accumulo as-sociato, del carico termico dell’immobile, della configurazione d’impianto e, non secondariamente, delle condizioni climatiche. I molti parametri in gioco e l’esigenza di interfacciarsi alla fonte ausiliaria di energia primaria hanno dato luogo allo sviluppo di molteplici soluzioni con differenti gradi di efficacia, affidabilit`a, costo e capacit`a di contribuzione; un accurato e continuo studio comparativo condotto attraverso simulazioni, risultati sperimentali ed esperienze pratiche `e necessario per poter progredire nel ruolo del solare termico all’approvvigionamento energetico.

Panoramica dei sistemi sul mercato europeo

* Caratteristiche comuni e differenziazioni dei sistemi combinati

I sistemi solari combinati, nonostante la grande variet`a di tipologie, han-no alcune caratteristiche comuni: sohan-no infatti simili ai sistemi per acqua calda sanitaria, ad esempio per quanto riguarda il modo di captare nergia dal sole e trasportarla all’interno dello stoccaggio, oppure per l’e-sigenza di avere una fonte energetica integrativa per soddisfare in modo deterministico un certo fabbisogno, ma differiscono da questi per l’area di collettori installata, decisamente maggiore, e conseguentemente per le esigenze quantitative e di gestione dell’accumulo inerziale. La pro-gettazione di un sistema solare che faccia fronte anche ad esigenze di riscaldamento di ambienti `e inscindibilmente legata alla localit`a di in-stallazione, che definisce statisticamente sia il fabbisogno energetico di un determinato edificio, in termini di fluttuazione e richiesta complessi-va, sia la disponibilit`a di energia solare al variare delle ore, dei giorni e delle stagioni. In seconda istanza sar`a poi la tipologia di edificio, con le sue dimensioni, l’isolamento dell’involucro, la ventilazione utilizzata, la superficie finestrata disponibile per apporti solari passivi e gli apporti in-terni a determinare effettivamente la necessit`a energetica in kWh richiesti all’impianto per raggiungere il comfort termico, ed anche la possibilit`a effettiva di sfruttare il contributo solare in base alle temperature carat-teristiche del sistema di distribuzione del calore utilizzato (ad esempio un pavimento radiante). La problematica comune a tutti gli impianti combinati per moltissime zone climatiche, tra le quali quelle europee, `e la variabilit`a del carico termico dell’edificio, che mal si abbina alla varia-zione della disponibilit`a di radiazione solare, massima quando la richiesta `

e nulla e minima quando l’esigenza di energia `e maggiore: questo nel-la gran parte dei casi porta a integrazioni percentuali basse nell’anno e necessit`a di sistemi di protezione da sovraccarico nella stagione pi`u as-solata. Inoltre, come in tutti i sistemi solari termici, `e opportuno che i

collettori lavorino alla temperatura pi`u bassa possibile, allo scopo di li-mitare le perdite per dispersione e mantenere una buona efficienza: sar`a dunque necessario progettare il sistema di accumulo termico in modo che la stratificazione sia massima e lo scambio di calore con il circuito primario avvenga nella parte pi`u fredda senza ’romperla’.

Le principali differenze tra i sistemi combinati risiedono dunque nella tipologia di accumulo inerziale e nella filosofia di gestione del calore; tra le scelte che devono essere effettuate nella progettazione possiamo individuarne alcune pi`u rilevanti:

– il numero di boiler di stoccaggio

– la costruzione del circuito primario (a circolazione naturale, forzato

continuo o drain back)

– il tipo di scambiatori utilizzati dal primario al secondario ed

all’ac-cumulo

– la modalit`a di intervento della fonte ausiliaria

– la portata del fluido nel circuito primario (ad esempio low flow) – la geometria degli accumuli e dei dispositivi di stratificazione – la logica del controllo

– i criteri di dimensionamento relativo tra componenti – il tipo di interfaccia con il sistema di distribuzione

Il Task26 dell’IEA ha prodotto nel 2002 una classificazione degli impianti combinati in base alla principali caratteristiche (rilevabili dallo schema idraulico) basata su due lettere (pi`u eventualmente una terza aggiuntiva):

– metodo di stoccaggio del calore (prima lettera):

∗ A : nessun accumulo concentrato per il calore per riscaldamento ∗ B: stratificazione del calore raggiunta attraverso l’uso di pi`u

ser-batoi d’accumulo e/o tramite dispositivi deviatori esterni come valvole a tre o quattro vie

∗ C: serbatoi di stoccaggio che utilizzano convezione naturale per

mantenere la stratificazione

∗ D: serbatoi di stoccaggio che utilizzano una combinazione di

convezione naturale e dispositivi interni di stratificazione

∗ B/D: combinazione dei metodi B e D

– gestione della fonte ausiliaria (seconda lettera):

∗ M: (mixed mode distribuzione alimentata da serbatoio

combi-nato in cui confluiscono solare e fonte ausiliaria

∗ P: parallel mode distribuzione alimentata alternativamente da

solare o da fonte ausiliaria

∗ S: serial mode distribuzione alimentata dalla serie di solare e

au-siliario (quest’ultimo interviene se il contributo solare `e inferiore alla richiesta)

– altra caratteristica aggiuntiva rilevante (terza lettera eventuale):

∗ d: drainback, per indicare che si tratta di un sistema a

svuota-mento

∗ i: integrato, sistema ausiliario assemblato direttamente

all’in-terno del serbatoio

∗ l: logs, presenza di fonte ausiliaria che richiede accumulo

* Sistema diretto semplice

-Francia-`

E il pi`u semplice sistema combinato sul mercato europeo, commercializ-zato in Francia; si abbina per`o esclusivamente ad un sistema di distribu-zione radiante a bassa temperatura.

*Caratteristiche

Il campo di collettori `e connesso direttamente (senza scambiatori inter-medi) al pavimento radiante, che svolge anche la funzione di accumulo termico, mentre uno stacco sul circuito porta ad uno scambiatore a ser-pentina dentro un piccolo serbatoio per l’acqua calda sanitaria, secondo lo schema in figura; l’integrazione al riscaldamento viene fatta al di fuori dell’idraulica di questo sistema, ad esempio tramite una stufa a legna.

Lo spessore tipico del pavimento viene incrementato di 12-15 cm rispet-to allo standard, per dare uno sfasamenrispet-to al rilascio del calore solare nell’ambiente e spostarlo verso la sera.

*Logica di gestione

Il movimento del fluido termovettore `e prodotto da due circolatori, uno sulla parte del pavimento radiante ed uno sul ramo che porta calore al serbatoio di accumulo dell’acqua calda sanitaria, gestiti tramite centra-lina differenziale che riceve informazioni da tre sonde, una sul campo collettori, una sul ritorno del riscaldamento e l’altra nella parte bassa del boiler sanitario. La logica `e di priorit`a ed `e data al carico a temperatura inferiore, in modo da ottimizzare l’efficienza del solare, ed in pi`u la circo-lazione nel pavimento radiante viene interrotta al raggiungimento di una determinata soglia di temperatura sul ritorno dello stesso, per evitare il surriscaldamento dell’abitazione.

* Sistema diretto avanzato

-Francia-`

E un’evoluzione del sistema diretto a pavimento, nel quale viene previ-sta l’integrazione della fonte ausiliaria direttamente nello stesso circui-to radiante sfruttacircui-to dal campo di colletcircui-tori solari per lo scambio con l’ambiente da riscaldare.

*Caratteristiche

*Logica di gestione

Se la temperatura rilevata dalla sonda del collettore `e maggiore di un delta impostato rispetto alla temperatura nella parte bassa del serba-toio di accumulo sanitario, la pompa di circolazione dell’ACS entra in funzione; il secondo circolatore, quello del circuito di distribuzione del riscaldamento, si avvia solo nel caso di richiesta da parte dell’edificio (rilevata tramite sonda ambiente). Pu`o esserci anche il caso dunque di

funzionamento simultaneo dei circolatori, in base alle impostazioni date alla centralina rispetto alle soglie di temperatura sul boiler solare e su mandata e ritorno del pavimento radiante: le sonde che arrivano all’unit`a di controllo sono infatti sette, delle quali una climatica, una ambiente, una all’uscita del campo collettori, una sulla mandata ed una sul ritorno del sistema radiante, due nell’accumulo (nella parte bassa per controllare lo scambio solare e nella parte alta per gestire l’integrazione da fonte au-siliaria). Sul riscaldamento invece non si ha mai apporto contemporaneo di solare e fonte ausiliaria, che funzionano in alternativa.

* Sistema con scambiatore esterno tra primario solare e riscal-damento

-Danimarca-E’ l’estensione di un sistema standard per acqua calda sanitaria, realizza-to incrementando la superficie dei colletrealizza-tori ed inserendo uno scambiarealizza-tore esterno come interfaccia tra il campo solare ed il sistema di riscaldamento idronico tradizionale.

*Caratteristiche

Viene previsto un accumulo per ACS contenente due scambiatori a ser-pentina: quello nella parte bassa per il contributo solare, quello nella parte alta di integrazione (come nella maggior parte dei sistemi per sola acqua calda sanitaria). Una valvola tre vie comandata dalla centra-lina devia il circuito del glicole nell’accumulo o sullo scambiatore del riscaldamento.

*Logica di gestione

Sono presenti fondamentalmente quattro sonde di temperatura, una sul campo collettori, una sul ritorno del circuito di distribuzione del riscalda-mento e due nell’accumulo sanitario, una in basso ed una in alto. Quando la temperatura dei pannelli `e minore (compreso un delta) rispetto alla temperatura inferiore del boiler oppure quando la temperatura superiore dello stesso `e superiore ad un limite impostato, la valvola tre vie devia il circuito primario sullo scambiatore, in modo che l’apporto arrivi di-rettamente al riscaldamento. Quando il contributo solare `e insufficiente interviene la fonte ausiliaria, sia all’interno dell’accumulo ACS sia diret-tamente nei circuiti di distribuzione del riscaldamento ambiente. Poich`e non esiste accumulo d’acqua per il riscaldamento, `e il sistema distributivo stesso che deve avere caratteristiche inerziali sufficienti a non far oscilla-re troppo sensibilmente la temperatura (`e dunque ad esempio molto pi`u adeguato rispetto ad altri, in questo sistema, un pavimento radiante).

* Sistema con accumulo inerziale in ACS

In questo caso l’accumulo per l’acqua calda sanitaria diviene anche un piccolo buffer per il riscaldamento.

*Caratteristiche

Il circuito primario dal campo collettori arriva esclusivamente all’interno dell’unico serbatoio, in una serpentina collocata nella parte bassa. L’ac-cumulo dunque contiene acqua calda sanitaria (deve essere perci`o idoneo a tale utilizzo) e si interfaccia a riscaldamento ambiente e fonte ausiliaria con altre due serpentine: quella del riscaldamento `e situata nella parte centrale, con la mandata pi`u in alto del ritorno -per seguire la stratifica-zione della temperatura nel serbatoio-, l’altra serve a portare calore dal dispositivo di integrazione ed `e situata nella parte alta.

La pompa del circuito primario `e comandata da un semplice differen-ziale tra la sonda collettori e la sonda sulla parte bassa dell’accumulo. Per quanto riguarda il contributo solare al riscaldamento, questo viene attivato dalla valvola tre vie, che consente il passaggio dalla serpentina intermedia soltanto se la temperatura relativa `e pi`u alta di quella regi-strata dalla sonda sul ritorno della distribuzione (in caso contrario non `e possibile integrazione solare, ed il flusso viene mandato direttamente nel dispositivo ausiliario). L’ACS, se non fosse sufficientemente elevato l’ap-porto solare, viene garantita dall’integrazione fatta sulla serpentina pi`u in alto nell’accumulo, direttamente collegata alla fonte ausiliaria attivata da relativa sonda tramite l’intervento della valvola due vie motorizzata.

* Sistema a svuotamento con accumulo inerziale in ACS

-Olanda-Questo sistema `e caratterizzato da uno scambiatore a mantello sul serba-toio dell’acqua calda sanitaria: in questo modo in un unico componente si fondono le funzioni di scambio termico tra primario ed accumulo e di tanica per lo svuotamento.

*Caratteristiche

Anche in questo caso viene utilizzato un boiler idoneo per uso sanitario, poich`e l’inerzia del sistema `e fornita direttamente dall’ACS. Viene fatta un’integrazione al riscaldamento tramite prelievo di calore ad opera di una serpentina nell’unico accumulo, ad altezza adeguata alle tempera-ture caratteristiche del sistema distributivo. Il prelievo di acqua calda sanitaria viene fatto dalla parte alta (e la reimmissione di acqua fredda dalla rete ovviamente nella parte bassa). La fonte ausiliaria viene spes-so inserita direttamente all’interno dello stesspes-so accumulo, ad un’altezza idonea al comfort previsto (deve essere in grado di scaldare un numero di litri adeguati a soddisfare l’uso immediato massimo previsto ed anche di fornire calore al sistema di riscaldamento), nella zona centrale.

*Logica di gestione

Una centralina differenziale mette in funzione la pompa quando la tem-peratura dei collettori `e al di sopra di un certo delta impostato rispetto alla temperatura dell’intercapedine. La fonte ausiliaria interviene di-rettamente dentro l’accumulo quando le temperature (misurate tramite una sonda nella zona intermedia ed una nella parte alta) non sono tali da poter soddisfare i fabbisogni, oppure quando la sonda climatica segnala condizioni tali da chiamarla in causa per soddisfare richieste imminenti.

* Sistema a svuotamento con accumulo in ACS e tanica svuo-tamento

-Olanda-Il sistema prevede due serbatoi, uno con la funzione di tanica di svuota-mento, l’altro di accumulo di acqua calda sanitaria che serve anche da inerziale per il riscaldamento.

*Caratteristiche

Vengono messi i due accumuli sovrapposti: quello inferiore, a pressione atmosferica, `e di piccole dimensioni (100l) e serve come tanica di svuota-mento per il circuito primario, quello superiore contiene ACS ed in esso `e immersa la serpentina di scambio per il fabbisogno di calore per riscalda-mento. I due serbatoi comunicano termicamente tramite una serpentina immersa in quello inferiore, nella quale circola ACS proveniente dal su-periore. L’integrazione con la fonte ausiliaria viene fatta direttamente in quest’ultimo accumulo, tramite un bruciatore inserito nella parte alta.

*Logica di gestione La pompa del circuito solare a svuotamento `e coman-data da un differenziale tra la sonda sul campo collettori e quella nella parte inferiore della tanica da 100l. L’integrazione con la fonte ausiliaria viene generalmente gestita tramite le informazioni rilevate da tre sonde di temperatura: un nel serbatoio superiore, una sonda ambiente ed una

climatica.

* Sistema con accumulo in acqua di riscaldamento e ACS istan-tanea in alto

Sistema compatto a circolazione forzata con bruciatore integrato.

*Caratteristiche

Il primario `e un circuito chiuso che dai collettori scambia con l’accumulo tramite una serpentina nella parte bassa. Il serbatoio contiene acqua per riscaldamento ed il circuito di distribuzione preleva e reimmette di-rettamente alle altezze adeguate alle temperature dei terminali eroganti. L’ACS viene preparata in istantaneo tramite scambiatore a serpentina nella parte alta. Il volume di accumulo di questi sistemi `e in genere sui 300l, e la superficie del campo collettori `e limitata (tra 2 e 8 m2 in base al valore nel caso specifico dei parametri che influiscono sul di-mensionamento, dall’esposizione alla domanda) dalla necessit`a di evitare fenomeni di stagnazione, dato che il primario `e un circuito chiuso senza opzione di svuotamento. E’ comunque indispensabile l’utilizzo di un vaso di espansione sullo stesso circuito per poter accogliere il fluido provenien-te da sporadiche stagnazioni che possono verificarsi duranprovenien-te i picchi di insolazione corrispondenti con scarso prelievo.

*Logica di gestione

La circolazione del glicole nelle tubazioni del solare viene attivata dal classico differenziale tra la sonda nei collettori e quella nella parte bassa dell’accumulo inerziale. L’integrazione da fonte ausiliaria viene gestita tramite i dati rilavati dalle sonde di temperatura nella parte alta del-l’accumulo, climatica, ambiente. La regolazione della temperatura di distribuzione viene realizzata a parte tramite miscelatrice che collega la mandata al ritorno.

* Sistema con accumulo in acqua di riscaldamento e ACS istan-tanea doppia serpentina

Idraulicamente molto simile al sistema precedente, differisce per lo scam-biatore ACS e per la logica di controllo pi`u sofisticata, rendendo il sistema pi`u adatto a superfici del campo solari maggiori (tra 8 e 15 m2 circa).

*Caratteristiche

L’accumulo, contenente acqua di riscaldamento, `e allestito con uno scam-biatore a serpentina alettato -esteso per tutta l’altezza dell’accumulo- per la preparazione in istantaneo dell’acqua calda sanitaria, entrante nella parte bassa in modo da non rompere la stratificazione con la T di ingres-so dalla rete idrica e da favorire l’efficienza di scambio della serpentina solare, posta anch’essa nella parte inferiore.

*Logica di gestione

Viene installata una pompa a velocit`a variabile, regolata dalla centralina in base alle temperature del campo collettori, della parte inferiore del-l’accumulo e della parte intermedia. La temperatura massima a cui viene portato il serbatoio ad opera della fonte ausiliaria viene regolata dalla medesima centralina in base alle informazioni che derivano dal termosta-to ambiente e dalla climatica in meritermosta-to al fabbisogno di resa dei corpi

scaldanti. Sono presenti anche controlli secondari in grado di prevedere l’apporto imminente dal solare (e di regolare di conseguenza l’integrazio-ne) ed il guadagno solare passivo nell’ambiente da riscaldare. Nel caso di presenza di pavimento radiante `e possibile prevedere un accumulo nella struttura, consentendo una sovratemperatura che comunque non pregiu-dichi il comfort termico. E’ previsto inoltre l’utilizzo dei collettori nel periodo notturno come scarico termico in caso di sovratemperatura del-l’accumulo.

3.4

Collettori solari

3.4.1

Introduzione

Il collettore solare `e un particolare tipo di scambiatore di calore atto alla conversione di energia solare radiante in energia termica trasmessa ad un fluido termovettore. A differenza degli usuali scambiatori di calore in cui lo scambio di energia termica avviene tra due fluidi, nei collettori solari l’energia viene trasferita da una sorgente di radiazione distante (si tratta appunto della radiazione derivante dalle reazioni nuclearei all’interno del sole) ad un fluido (generalmente acqua o aria). Esistono molteplici tipi di collettori, in base all’applicazione e con differenti costi e prestazioni: a titolo indicativo possiamo elencare le seguenti tipologie di collettori idronici presenti in applicazioni residenziali (o comunque al di sotto di 100◦C):

– nel range 20-30◦C

∗ collettori senza vetro con assorbitore in plastica

– nel range 20-45◦C

∗ collettori senza vetro con assorbitore in metallo

– nel range 30-70◦C

∗ collettori integrali (accumulo insieme alla superficie captante) ∗ collettori piani

∗ collettori piani sottovuoto

– nel range 70-95◦C

∗ collettori piani sottovuoto ∗ collettori a tubi sottovuoto

In ogni caso l’obiettivo `e cercare il collettore che pi`u si adatta al range di temperatura desiderato per il bisogno specifico al minor costo per kWh

termico prodotto, considerando anche i vincoli progettuali (ad esempio peso massimo del collettore sopportabile dalla copertura, superficie ed orientamento disponibili, materiali reperibili per la manutenzione, pos-sibilit`a di trasporto ed elevazione per l’installazione, problematiche di corrosione, etc).

Talvolta si utilizzano collettori adatti ad un intervallo di temperature pi`u elevate per estenderne l’utilizzo ad utenze a temperature tipiche di col-lettori pi`u semplici in periodi di scarsa insolazione (ad esempio si possono incontrare in Europa collettori sottovuoto in sistemi di integrazione al ri-scaldamento: `e necessario in questo caso -ed in altri- prevedere modalit`a di protezione dalle sovratemperature estive). `E importante considerare, nell’analisi dei collettori solari, che ci`o che li caratterizza `e lo scambio con un flusso basso (rispetto alle fonti convenzionali) e variabile, quindi utilizzeremo valori istantanei e medi, su differenti basi temporali, in base allo scopo dello studio.

3.4.2

Il collettore piano vetrato

Il tipo di collettore pi`u utilizzato `e quello piano, progettato per lavorare in un intervallo di temperature a partire da quella ambiente fino a circa 70 ◦C; prendiamolo dunque come riferimento per iniziare a vedere l’in-fluenza dei diversi parametri costruttivi sulla performance. I componenti principali di un collettore piano, visibili in figura 3.12, sono:

1. una superficie di assorbimento, chiamata anche ‘assorbitore’, ad alta conducibilit`a termica (tipicamente di rame, ma non solo) che viene trattata nella parte esposta con vernici nere o meglio ancora ‘selettive’, ovvero scure con particolari trattamenti superficiali che contribuiscono ad aumentare le prestazioni;

2. uno strato di isolante nella parte retrostante ed ai lati di tale superficie, per limitare le perdite di calore;

3. una serie di canalizzazioni collegate alla piastra captante e all’in-terno delle quali scorre il fluido termovettore (acqua, aria, etc.) per lo scambio termico;

4. una trappola per il reirraggiamento termico dalla superficie, costituita da copertura trasparente (in genere vetro ma pu`o essere utilizzato anche materiale plastico) posta davanti alla piastra cap-tante, che lascia passare la radiazione solare a bassa lunghezza d’on-da ma diventa opaca al calore emesso d’on-dalla piastra, consentendo in tal modo una maggior trasmissione di calore al fluido termovettore; 5. un contenitore che protegge le varie parti dal deterioramento e ne

facilita il trasporto.

Figura 3.11: Elementi costituenti il tipico collettore solare piano [Fonte: [40]]

Aree del collettore solare

Ci sono differenti definizioni relative alla superficie del collettore, utili per scopi diversi:

– A_t, area della superficie complessiva occupata dal collettore

– A_ap, area di apertura, ovvero l’area della superficie vetrata dalla quale entra la radiazione

– A_abs o A_c, area dell’assorbitore, cio`e della effettiva superficie cap-tante direttamente la radiazione

Figura 3.12: Aree caratterizzanti il collettore solare [Fonte: [42]]

Rendimento

Uno dei parametri principali3 da considerare nella misura delle presta-zioni di un collettore solare `e rappresentato dal rendimento (’collection efficiency’), definito come il rapporto tra il guadagno termico e la radia-zione incidente su un opportuno intervallo temporale. Denotando con

Q_u il guadagno energetico del collettore, con A_c la sua area e con G_T la radiazione solare per unit`a di area, il rendimento η si scrive:

η =



Q_udt

A_c G_Tdt (3.10)

3_{Il rendimento `e un parametro che combina le caratteristiche del collettore e del sistema,}

poich`e `e influenzato dalla temperatura in ingresso: bisogna fare dunque molta attenzione nell’utilizzarlo per confrontare due o pi`u pannelli.

Non necessariamente il rendimento `e il parametro da massimizzare: si possono accettare anche valori pi`u bassi di quanto sia tecnologicamente possibile se questo porta ad una riduzione del costo dell’energia prodotta o risponde a determinate esigenze dello specifico contesto.

Bilancio energetico sul collettore

In condizioni stazionarie `e possibile valutare il guadagno termico da semplici considerazioni di bilancio energetico, come segue:

Q_u = A_c[S− UT (T_pm− Ta)] (3.11) avendo indicato con S la differenza tra la radiazione solare incidente (comprendente l’energia del fascio diretto, la radiazione diffusa dal cielo e quella riflessa dal terreno) e le perdite ottiche, con U_T la conduttanza complessiva del collettore4 e con T_pme T_a rispettivamente la temperatu-ra media della piasttemperatu-ra assorbente e la tempetemperatu-ratutemperatu-ra ambiente. Il problema principale a cui si va incontro volendo valutare il rendimento del collet-tore a partire dall’equazione (3.11) consiste nel fatto che la temperatura media della superficie assorbente `e di difficile misurazione.

Per una particolare geometria il calcolo di Q_u pu`o essere riformulato in termini della temperatura (nota) del fluido in ingresso e di un oppor-tuno parametro ed `e possibile, facendo uso di una serie di assunzioni semplificative, calcolare il rendimento del collettore in maniera analitica. Riportiamo questo studio perch`e `e utile alla comprensione dell’influenza di alcuni parametri progettuali sulle prestazioni del collettore, dunque rappresenta una premessa fondamentale alla definizione di sistemi che presentano analogie, seppur differenti in vari aspetti.

4_{La conduttanza complessiva del collettore `e una funzione complessa delle caratteristiche}

costruttive e viene utilizzata quale dato sintetico nell’ipotesi che gli scambi tra le varie parti e l’ambiente avvengano alla stessa T, come specificato nel relativo paragrafo 3.4.3.

3.4.3

Analisi termica del collettore piano vetrato

Effettuiamo il calcolo dei parametri caratteristici in maniera analitica per la geometria base rappresentata dal collettore piano con tubo a griglia, o pannello a collettore (Fig 3.13).

Figura 3.13: Collettore a griglia

Nella trattazione, oltre alla ben definita geometria della piastra, facciamo uso di alcune ipotesi semplificative che consentono uno studio analitico senza alterare in maniera rilevante la fisica del problema considerato. Assumiamo quanto segue:

– le condizioni sono stazionarie

– il flusso nei tubi `e uniforme e le variazioni di temperatura del fluido nella sezione sono tali da poter essere trascurate

– la copertura `e perfettamente trasparente alla radiazione solare e completamente opaca a quella riemessa dalla piastra

– il flusso di calore tra piastra e ricoprimento `e unidimensionale e l’aria nell’intermezzo non subisce variazioni significative di temperatura

– l’analisi del campo di temperatura in direzione del flusso e di quella

tra i tubi possono essere trattate in maniera indipendente

– si pu`o considerare il cielo come un corpo nero che emette radiazione ad un certa temperatura equivalente

– tutti i paramentri caratteristici possono essere considerati

indipen-denti dalla temperatura

– le perdite termiche dall’alto, dal basso e laterali avvengono alla

stessa temperatura ambiente

– l’effetto di testa e coda della griglia e quello delle ombre sono

tra-scurabili ai fini del calcolo della superficie utile del collettore

– l’effetto di sporco e deterioramento `e trascurabile ai fini dell’analisi sulla resa dell’impianto

Fattore d’efficienza del collettore

Il guadagno termico utile del collettore `e principalmente determinato da due quantit`a: la conduttanza termica complessiva U_T, che tiene conto delle perdite termiche del sistema, e l’efficienza di scambio termico tra piastra, tubi e fluido termovettore.

*_{Conduttanza termica complessiva}

Possiamo calcolare le dispersioni complessive considerando separatamen-te le perdiseparatamen-te separatamen-termiche dall’alto, dal basso e dal perimetro laseparatamen-terale del col-lettore, e poi sommandole e riferendole_{solamente alla superficie superiore} del collettore ed allo scambio con un’unica temperatura T_a. Il coefficiente complessivo di perdite termiche sar`a dato quindi dai tre contributi:

U_T = U_a+ U_b+ U_l (3.12)

Consideriamo un collettore con un’unica copertura superiore, ed indi-chiamo con T_c la temperatura della copertura, T_p quella della piastra

assorbente, T_a la temperatura ambiente e T_s quella del cielo. Prenden-do in esame momentaneamente solo le dispersioni dall’alto e dal basso possiamo schematizzare il problema come nella figura seguente:

Figura 3.14: Schematizzazione della rete di resistenze del collettore piano [Fonte: [40]]

Le perdite termiche dall’alto sono dovute alla convezione e all’irraggia-mento nella regione tra piastra e vetro, e tra vetro e ambiente. La co-pertura trasparente, oltre a garantire l’effetto serra, ha anche lo scopo di diminuire sensibilmente le perdite per convezione: talvolta, per am-plificare questo effetto isolante, si utilizzano doppie coperture o lastre addizionali in materiale plastico. La resistenza termica nella zona pi`u

esterna si scrive come:

R₁ = 1

h_wind+ h_r,c−a (3.13)

dove h_wind5 `e il coefficiente di scambio convettivo con l’ambiente mentre

h_r,c−a`e un coefficiente equivalente che tiene conto dello scambio radiativo con il cielo a temperatura effettiva T<sub>s</sub> e pu`o essere scritto come:

h_r,c−a= σc(T 4

c − Ts4)

(T_c− Ta) (3.14)

in cui T_c`e la temperatura assoluta della copertura, <sub>c</sub>la sua emissivit`a e σ la costante di Stefan-Boltzmann. Analogamente la resistenza tra super-ficie assorbente e ricoprimento vale (dall’equazione 2.40 dell’appendice B): R₂ = 1 h_c,p−c+ h_r,p−c (3.15) dove: h_r,p−c= σ(T 4 p − Tc4) (1/_p+ 1/_c− 1) 1 (T_p− Tc) = σ(T_p+ T_c)(T_p2+ T_c2) 1/_p + 1/_c− 1 (3.16) Il coefficiente di scambio termico dall’alto si scrive quindi come:

U_a= 1

R₁+ R₂ (3.17)

Le perdite termiche dal basso sono dovute alla conduzione di calore at-traverso lo strato di materiale isolante e alla convezione verso l’esterno.

5_{Il coefficiente convettivo caratterizzante lo scambio termico tra copertura ed ambiente}

dipende essenzialmente dalla velocit`a del vento: possiamo utilizzare l’espressione hwind =

8.6v0.6/L0.4, nella quale v `e la velocit`a del vento e L la lunghezza del collettore [40]. Come valore minimo poniamo in ogni caso 5 W/(m2 K).

Quest’ultima, dando un contributo in questo caso molto inferiore, pu`o essere trascurata, dunque il coefficiente di perdita termica dal basso vale:

U_b = 1

R₃ = k

L (3.18)

in cui si `e indicato con L lo spessore dello strato di materiale isolante e con k la sua conducibilit`a termica.

Analogamente a quanto visto nella parte inferiore del collettore, conside-riamo le perdite termiche nel perimetro laterale principalmente dovute alla conduzione attraverso il materiale isolante, dunque il coefficiente di perdita U `e dato dal rapporto tra conducibilit`a termica e spessore del-l’isolante ai bordi. Conviene per`o riferire le perdite all’area utile del collettore A_c e scrivere il coefficiente di dispersione laterale come:

U_l = (U A)l

A_c (3.19)

Le perdite nella parte laterale del collettore rappresentano una piccola parte delle perdite complessive per collettori di ampia superficie utile ma il loro peso cresce notevolvente per piccoli impianti.

Quanto visto fino ad ora `e valido se si utilizza un ricoprimento completa-mente opaco alla radiazione infrarossa emessa dalla superficie assorbente, ad esempio una lastra di vetro. Se il ricoprimento `e invece costituito da un materiale plastico, una parte della radiazione riemessa viene tra-smessa al di la del ricoprimento. Il coefficiente di scambio dall’alto va ricalcolato tenendo conto delle dispersioni aggiuntive dovute al fatto che parte della radiazione infrarossa viene rilasciata verso l’ambiente e delle modifiche da apportare al coefficiente di scambio radiativo tra piastra e copertura. Abbiamo che:

U_a = qr,p−s (T_p− Ta) +  1 h_c,p−c+ ¯h_r,p−c + 1 h_w + h_r,c−s ₋₁ (3.20)

Il primo termine tiene conto delle dispersioni aggiuntive e il flusso di radiazione infrarossa trasmesso si scrive come:

q_r,p−s = σpτc(T 4

p − Ts4)

1− ρpρ_c (3.21)

dove τ_c e ρ_c rappresentano rispettivamente la trasmittanza e la riflettanza della copertura plastica e ρ_p `e la riflettanza della piastra. Il coefficiente di scambio radiativo tra placca e copertura ¯h_r,p−c va modificato come segue: ¯ h_r,p−c = σcp(Tp+ Tc)(T 2 p + Tc2) 1− ρpρ_c (3.22)

In letteratura esistono numerose correlazioni che esprimono il numero di Nusselt Nu in funzione dell’angolo di inclinazione dei collettori, della distanza tra piastra e copertura e di altri parametri: da queste `e pos-sibile ricavare il coefficiente convettivo del caso che si sta analizzando. Poich`e le propriet`a dell’aria tra piastra e copertura sono funzione della temperatura, `e necessaria una procedura iterativa per arrivare alla solu-zione numerica delle equazioni proposte; per scopi progettuali `e possibile utilizzare relazioni empiriche che arrivino direttamente con una buona approssimazione al coefficiente U_T, al fine di velocizzare il calcolo senza introdurre incertezze influenti.

* _{Efficienza di scambio termico nella piastra}

L’altra quantit`a rilevante per valutare la resa del collettore `e l’efficienza di scambio termico tra la lastra, la griglia di canalizzazioni e il fluido ter-movettore. Trascurando momentaneamente i gradienti di temperatura nella direzione del flusso, lo studio della regione compresa tra un tubo e il punto medio tra due canali consecutivi pu`o essere trattato come un classico problema d’aletta.

Indichiamo con x la direzione perpendicolare ai tubi della griglia, pren-dendo lo zero nel punto centrale dell’aletta -a met`a distanza tra una tubazione e quella adiacente-, e con y la direzione del flusso (ovvero dell’asse delle tubazioni), come schematizzato in figura.

Figura 3.15: Sezione della griglia del collettore e schematizzazione come aletta

Il bilancio energetico per l’aletta, fatto per unit`a di lunghezza in direzione

y, vale: SΔx− U_TΔx(T − T_a) +  −kδdT dx  x −  −kδdT dx  x+Δx = 0 (3.23)

Facendo il limite per Δx → 0 si ottiene:

d2T dx2 = U_T kδ  T − Ta− S U_T  (3.24)

e, con alcuni semplici passaggi,6 `e possibile ricavare il campo di tempe-ratura nella piastra, che risulta definito dalla seguente equazione:

T − Ta− S/UT T_b− Ta− S/UT =

cosh mx

cosh mL (3.25)

dove T_b rappresenta la temperatura al primo punto di contatto tra lastra e tubo ovvero in x = L = (W − D)/2 e il parametro m `e definito da

m = (U_T/kδ)1/2. Supponiamo dunque il campo di temperatura simme-trico tra tubo e tubo, rispetto ad x=0, e consideriamo che la situazione si ripeta analoga per tutta la piastra.

Utilizzando la legge di Fourier, il flusso di calore che arriva al tubo dalla piastra (da un solo lato) si calcola7 come:

q_aletta,1/2 =−kδ  dT dx  x=L =−kδ  T_b− Ta− S U_T  tanh (mL) (3.26)

Utilizzando il campo di temperature dato dall’equazione (3.25) per en-trambi i lati del tubo si trova, con pochi passaggi:

q_aletta = (W − D)F [S − UT(T_b− Ta)] (3.27)

6_{Si tratta di un’equazione differenziale lineare omogenea di secondo ordine, del tipo}

d2ψ/dx2− m2ψ = 0, se indichiamo con ψ = T − Ta− S/UT e con m = (UT/kδ)1/2. La

soluzione generale risulta ψ = C₁emx_{+ C}

2e−mx= C1sinh mx + C2cosh mx; se imponiamo

le condizioni al contorno dT /dx(0) = 0 e T (L) = Tb si ottiene C1 = 0 e C2 = (Tb− Ta−

S/UT)/ cosh mL.

7_{Ricordiamo che sinh(x) = (e}x _{− e}−x_{)/2, cosh(x) = (e}x _{+ e}−x_{)/2 e tanh(x) =}