Capitolo 16
IMPIANTI SOLARI TERMICI A BASSA TEMPERATURA
Un impianto solare può essere classificato in base alla tecnologia utilizzata per produrre calore e alla tipologia di impianto.
Le tecnologie utilizzate per la produzione di calore si distinguono in:
- bassa temperatura: questa tecnologia utilizza collettori solari per riscaldare il fluido e si raggiungono temperature comprese tra i 40°C e i 120°C. Le principali applicazioni sono legate alla produzione di acqua calda sanitaria e al riscaldamento degli edifici.
- media temperatura: questa tecnologia necessita di dispositivi a debole concentrazione e si raggiungono temperature comprese tra i 120° e 300°C. Le principali applicazioni sono legate a processi industriali.
- ad alta temperatura: questa tecnologia necessita di dispositivi a debole concentrazione e si raggiungono temperature superiori ai 300°C. Le principali applicazioni sono legate alla produzione di energia elettrica per via termodinamica. Un impianto solare termico a seconda delle richieste da soddisfare può assumere diverse configurazioni, non solo in funzione delle dimensioni ma anche in relazione al modo in cui i vari componenti vengono collegati tra di loro.
Nel presente capitolo faremo riferimento agli impianti solari termici a bassa temperatura, in particolare al loro funzionamento ed ai principali componenti.
16.1 FUNZIONAMENTO DI UN IMPIANTO SOLARE
16.1.1 IMPIANTI A CIRCOLAZIONE NATURALE E A CIRCOLAZIONE FORZATA
In base al tipo di circolazione del fluido termovettore, si possono distinguere le seguenti tipologie di impianti, entrambe comprendenti a loro volta impianti a circuito chiuso o aperto:
- impianto a circolazione naturale; - impianti a circolazione forzata. Impianti a circolazione naturale
Gli impianti a circolazione naturale rappresentano la soluzione impiantistica più facile ed economica per produrre acqua calda sanitaria (vedi figura 16.1). Si tratta di impianti in cui il numero dei componenti è ridotto a tre:
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- serbatoio di accumulo o bollitore; - valvola di sicurezza.
Gli impianti solari a circolazione naturale sono di piccole dimensioni e si possono installare sul tetto, su terrazze e in giardino.
Figura 16.1: Schema di un impianto a circolazione naturale
In un impianto a circolazione naturale, il fluido termovettore contenuto all'interno del collettore, una volta riscaldatosi, diminuisce la sua densità e si origina un fluido convettivo naturale verso l'alto. In questi impianti il serbatoio di accumulo deve essere posizionato al di sopra del collettore solare, altrimenti non si può originare la circolazione naturale del fluido.
Impianti a circolazione forzata
Gli impianti a circolazione forzata rappresentano una soluzione impiantistica complessa e costosa (vedi figura 16.2).
Si tratta di impianti con un maggior numero di componenti:
- pannelli solari (sia piani vetrati che collettori solari sottovuoto); - serbatoio di accumulo o bollitore;
- valvola di sicurezza; - vaso di espansione; - sonde esterne;
- pompa di circolazione;
Gli impianti a circolazione forzata sono di medie-grandi dimensioni. In genere vengono utilizzati quando c'è la necessità di utilizzare l'impianto per tutto l'anno.
Inoltre, gli impianti a circolazione forzata si rendono necessari nei casi in cui non è possibile posizionare il serbatoio ad una altezza maggiore dei pannelli.
In questi impianti il serbatoio di accumulo per l'acqua calda sanitaria è separato dal collettore solare termico.
In un impianto a circolazione forzata il fluido termovettore contenuto all'interno del collettore, una volta riscaldatosi, viene fatto circolare all'interno dell' impianto grazie all' utilizzo di una pompa di circolazione.
Figura 16.2: Schema di un impianto a circolazione forzata
Quando la differenza di temperatura tra l'uscita del collettore e quella del serbatoio è superiore a 5÷10°C, il termostato differenziale provvede ad avviare la pompa di circolazione.
Tale differenza di temperatura garantisce l'instaurarsi delle condizioni di scambio termico così che l'energia accumulata dal fluido termovettore venga ceduta al serbatoio di accumulo.
16.1.2 IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO E A CIRCUITO APERTO
Generalmente, l'acqua grazie alle sue capacità termiche elevate viene utilizzata come fluido termovettore. Quando le condizioni meteorologiche lo richiedono, all'acqua viene aggiunto un antigelo per evitare danni al collettore e alle tubazioni esterne. In questo caso, il fluido che circola nel collettore non deve essere lo stesso che serve l'utenza finale.
In base al tipo di fluido termovettore, si possono avere due distinte tipologie impiantistiche:
- impianti a circuito chiuso, in cui il fluido termovettore che circola nei collettori cede calore al fluido di utilizzo tramite uno scambiatore;
- impianto a circuito aperto, in cui il fluido termovettore che circola all'interno del collettore è la stessa acqua che, raggiunta la temperatura richiesta, arriva all'utenza.
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16.2 COMPONENTI DI UN IMPIANTO SOLARE
L'impianto solare termico serve per la produzione di acqua calda sanitaria e, se necessario, anche per l'integrazione al riscaldamento. In figura 16.3 sono illustrati i componenti di un impianto solare termico.
Figura 16.3: Componenti di un impianto solare
16.2.1 SERBATOI E BOILER
Le condizioni meteorologiche e lo sfasamento temporale tra richiesta di energia termica e disponibilità della radiazione solare non sempre permettano all'impianto solare di coprire l'intero fabbisogno energetico. Per tale motivo, oltre a far ricorso ad un sistema di integrazione che provveda alla generazione di energia termica quando l'impianto non è in grado di renderla disponibile, è necessario prevedere un sistema di accumulo.
I serbatoi di accumulo sono grandi contenitori di forma cilindrica, realizzati in acciaio inossidabile, in acciaio smaltato o con rivestimento in plastica, in cui viene immagazzinata l'acqua calda.
All'interno di questi serbatoi si instaura una stratificazione dovuta alla differenza di densità tra acqua calda e fredda. La prima viene accumulata nella parte superiore ed è collegata ad un eventuale sistema di integrazione, mentre l'acqua fredda viene accumulata nella parte inferiore e viene collegata al circuito solare (vedi figura 16.4). Lo strato freddo garantisce un buon funzionamento dell'impianto solare, per tale motivo all'interno dell'accumulo si rende necessario proteggere la stratificazione della temperatura dai vortici.
I boiler (bollitori) a differenza dei semplici serbatoi, sono provvisti al loro interno di uno scambiatore di calore che permette il trasferimento di energia termica proveniente dai collettori solari e, a seconda dell'impianto, anche di uno scambiatore supplementare che consente il trasferimento dell'energia termica dal sistema ausiliario. Nella zona bassa dell'accumulo viene inoltre realizzato un collegamento alla rete idrica per l'approvvigionamento di acqua fredda.
Figura 1
La figura 16.5 mostra un boiler per si
Figura 16.5
Per il dimensionamento dei serbatoi, oltre alla quantità di acqua calda richiesta dall'utenza, occorre tenere in considerazione la superficie captante
piccole dimensioni si usano valori prossimi a 100 dimensioni si usano valori prossimi a 50 l/m
Serbatoi di accumulo molto grandi possono contenere maggiori quantità di energia, tuttavia questa scelta comporta anche maggiori dispersioni termiche ed elevate frequenze di accensione del sistema di riscaldamento integrativo, dato che per riscaldare grandi quantità di acqua
apporto di energia.
All'interno dei serbatoi di accumulo l'acqua deve essere tenuta ad una temperatura non superiore ai 60 °C per evitare fenomeni di incrostazioni calcaree.
Figura 16.4: Stratificazione della temperatura dell'acqua
mostra un boiler per sistemi solari, di tipo standard.
5: Boiler con due scambiatori di calore per sistemi solari
Per il dimensionamento dei serbatoi, oltre alla quantità di acqua calda richiesta dall'utenza, occorre superficie captante dei collettori solari. In particolare per impianti di piccole dimensioni si usano valori prossimi a 100 l/m2 di collettore, mentre per impianti di grandi dimensioni si usano valori prossimi a 50 l/m2 di collettore.
molto grandi possono contenere maggiori quantità di energia, tuttavia questa scelta comporta anche maggiori dispersioni termiche ed elevate frequenze di accensione del sistema di riscaldamento integrativo, dato che per riscaldare grandi quantità di acqua è richiesto un maggior
All'interno dei serbatoi di accumulo l'acqua deve essere tenuta ad una temperatura non superiore ai 60 °C per evitare fenomeni di incrostazioni calcaree.
Per il dimensionamento dei serbatoi, oltre alla quantità di acqua calda richiesta dall'utenza, occorre n particolare per impianti di di collettore, mentre per impianti di grandi
molto grandi possono contenere maggiori quantità di energia, tuttavia questa scelta comporta anche maggiori dispersioni termiche ed elevate frequenze di accensione del sistema è richiesto un maggior
562 CAPITOLO 16. IMPIANTI SOLARI TERMICI A BASSA TEMPERATURA 16.2.2 SCAMBIATORE DI CALORE
Negli impianti solari termici lo scambiatore di calore ha il compito di trasferire il calore raccolto dal fluido termovettore che circola all'interno dei collettori al fluido contenuto all'interno del volume di accumulo.
Gli scambiatori di calore per impianti solari termici possono essere interni ed esterni.
Gli scambiatori interni, utilizzati principalmente per impianti di piccole dimensioni, sono inseriti nel serbatoio di accumulo e possono essere a tubi semplici o alettati.
Negli impianti di grandi dimensioni invece si preferisce utilizzare scambiatori esterni al volume di accumulo. Generalmente gli scambiatori esterni sono tipo a piastra (vedi figura 16.6).
Figura 16.6: Scambiatore di calore a piastre
16.3 CIRCUITO IDRAULICO PRIMARIO
16.3.1 POMPE DI CIRCOLAZIONE
Le pompe di circolazione servono a garantire il flusso del fluido termovettore dai collettori solari allo scambiatore di calore, generalmente inserito nel serbatoio di accumulo.
Per gli impianti solari in cui lo scambiatore di calore è esterno al serbatoio di accumulo, occorre prevedere due pompe di circolazione:
- una dedicata al circuito primario, ovvero dedicata al flusso del fluido termovettore dai collettori allo scambiatore di calore;
- una dedicata al circuito secondario, ovvero dedicata al flusso dell'acqua calda sanitaria dallo scambiatore di calore al serbatoio di accumulo.
Le pompe di circolazione devono essere dimensionate in base alla portata richiesta dal circuito solare e alla relativa prevalenza.
Per cui una volta note la portata volumetrica e la perdita di carico dell'intero impianto, la scelta della pompa di circolazione avviene in base alla curva caratteristica.
Negli impianti solari termici, le pompe di circolazione più utilizzate sono quelle centrifughe; ma negli ultimi anni sono state realizzate delle pompe solari caratterizzate da un alto rendimento con un ridotto consumo di energia, in questo modo l'efficienza complessiva del sistema solare risulta migliorata (vedi figura 16.7).
Figura 16.7: Gruppo pompa di circolazione a due vie per impianto solare termico
16.3.2 VALVOLA DI NON RITORNO
La valvola di non ritorno (vedi figura 16.8) permette il flusso di un fluido in una sola direzione. Quando la pressione dell'acqua segue il verso della freccia presente sulla valvola, il flusso del liquido è continuo; mentre quando la pressione viene bilanciata dall'acqua proveniente dal verso opposto, la valvola si chiude e arresta il flusso.
Figura 16.8: Valvola di non ritorno
In un impianto solare termico, la valvola di ritegno ha il compito di garantire che il fluido contenuto nel serbatoio di accumulo non percorra il senso inverso a quello desiderato.
Tale situazione si può verificare di notte, in quanto il fluido termovettore all'interno del collettore solare può raggiungere temperature inferiori al fluido contenuto nel serbatoio di accumulo. Questa differenza di temperature può generare una circolazione naturale del fluido dal serbatoio verso il collettore con la conseguente perdita di calore a causa dello scambio termico tra il collettore e l'aria esterna.
La valvola di non ritorno viene installata a valle della pompa di circolazione e a monte del collegamento al vaso di espansione a membrana, alla valvola di sicurezza e al collettore solare.
564 CAPITOLO 16. IMPIANTI SOLARI TERMICI A BASSA TEMPERATURA 16.3.3 VASO DI ESPANSIONE
Il vaso di espansione ha il compito di assorbire l'aumento del volume di acqua contenuta all'interno del circuito idraulico causato dall'innalzamento della temperatura. L'aumento del volume di acqua comporta necessariamente un aumento di pressione. Per tale motivo se questo componente non viene installato, nell'impianto si possono generare delle rotture all'interno delle tubazioni o nella caldaia, con conseguente fuoriuscita dell'acqua calda. Nel peggiore dei casi, se la pressione raggiunge valori elevati si può verificare l'esplosione dei componenti dell'impianto.
Figura 16.9: Vaso di espansione
Il vaso di espansione può essere di tipo aperto o chiuso.
Nel vaso di espansione aperto il fluido si trova a contatto diretto con l'atmosfera. Per tale motivo, per compensare correttamente la pressione del circuito, deve essere collocato nel punto più alto dell'impianto, al di sopra della caldaia e di tutti i termosifoni. La pressione che si crea nell'impianto è pari a quella della colonna di acqua esistente tra il vaso aperto e la caldaia. Ogni metro di dislivello verticale, produce una pressione di circa 0,1 atmosfere.
Il vaso di espansione chiuso è costituito da un contenitore rigido diviso in due camere dal volume variabile: una contenente il fluido del circuito (pressoché incomprimibile), e l'altra contenente generalmente un gas inerte (come ad esempio azoto) precaricato ad una determinata pressione tramite apposita valvola. In genere, la divisione tra le due camere viene realizzata con una sacca o una membrana elastica. Se all'interno dell'impianto si genera un aumento di pressione, la sacca sarà soggetta ad una variazione di volume. Maggiore sarà il volume della sacca, maggiore sarà la capacità di compensare i cambiamenti. Questo tipo di vaso di espansione può essere collocato in qualsiasi punto del circuito.
16.3.4 VALVOLA DI SICUREZZA
Le valvole di sicurezza hanno il compito di controllare che la pressione all'interno dell'impianto non raggiunga la pressione di taratura. Al raggiungimento di tale livello la valvola si apre e, mediante lo scarico in atmosfera, impedisce alla pressione dell'impianto di raggiungere limiti pericolosi per il generatore e per i componenti presenti nell'impianto stesso.
Figura 16.10: Valvola di sicurezza
16.3.5 CENTRALINA DI REGOLAZIONE
La centralina di regolazione viene installata in impianti solari termici con circolazione forzata del fluido e svolge la funzione di regolazione ed controllo dell'impianto.
In particolare, alla centralina di regolazione viene affidato il controllo della pompa di circolazione. Quando la differenza di temperatura tra l'uscita del collettore e quella del serbatoio nella zona di posizionamento dello scambiatore di calore è più alta del valore impostato, la centralina provvede all'azionamento della pompa di circolazione. Allo stesso modo la centralina può bloccare la pompa di circolazione quando all'interno del volume di accumulo viene raggiunta la temperatura massima impostata.
Nei circuiti a più serbatoi, la centralina permette di gestire il flusso di calore proveniente dai collettori; infatti grazie all'utilizzo di valvole a tre vie può decidere a quale serbatoio indirizzare il calore in relazione alla loro temperatura.
16.3.6 VALVOLA DI SFIATO
Negli impianti solari, così come negli impianti tradizionali di riscaldamento, la valvola di sfiato ha il compito di far fuoriuscire l'aria dal circuito dopo aver caricato il fluido termovettore, per non comprometterne la corretta circolazione. La valvola di sfiato entra in funzione anche durante il normale funzionamento dell'impianto, per eliminare la parte di aria che non viene rimossa durante la fase di riempimento, ma che viene convogliata nel flusso sottoforma di bollicine.
La valvola di sfiato viene posizionata nella parte alta del circuito e può essere manuale o automatica (vedi figura 16.11). Negli impianti solari termici è da preferire l'installazione delle valvole automatiche in quanto i fluidi termovettori devono essere sfiatati più a lungo rispetto all'acqua pura.
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