Capitolo 7 Riscaldamento solare ad attivazione termica della massa

Capitolo 7

Riscaldamento solare ad

attivazione termica della

massa

7.1

Introduzione

Il sistema di riscaldamento solare ad attivazione termica della massa realizzato con materiali a basso costo `e attualmente in fase di prima sperimentazione nella struttura peruviana del progetto _{Inti Wasi presso} Livitaca (Chumbivilcas, Cusco). Di seguito si riporta una breve discus-sione dei componenti in corso di test ed alcune considerazioni per la loro realizzazione ed il successivo funzionamento. Tutti i dettagli non forni-ti sono comunque disponibili contattando l’autore presso l’associazione Ingegneria Senza Frontiere di Pisa1.

1_{Contatto: info@isf-pisa.org.}

7.2

Descrizione dell’impianto solare

Il sistema `e fondamentalmente composto da collettori solari termici idro-nici a basso costo, un accumulo costituito da una massa consistente nel-l’edificio (posizionata sotto il pavimento del locale oggetto di studio) all’interno della quale vengono immerse tubazioni a serpentina, ed una parte di pompaggio e controllo. L’obiettivo `e combinare i vantaggi di sistemi solari attivi e passivi, minimizzando gli aspetti problematici: si cerca quindi di avere a disposizione un accumulo di grandi dimensioni a costi contenuti, aumentando cos`ı l’efficienza dell’impianto per le basse temperature in gioco, pur evitando di disperdere calore durante la notte. Il fluido termovettore viene fatto circolare attivamente dai collettori alle serpentine posizionate all’interno dello strato di terra di accumulo, fin-tanto che l’energia solare `e disponibile; lo scambio di calore tra lo strato sotto pavimento e l’ambiente interno avviene poi in modo passivo, senza alcun controllo. Se `e disponibile energia solare in eccedenza rispetto alle richieste dell’edificio, questa pu`o essere utilizzata in un accumulatore per acqua calda sanitaria oppure non venire raccolta.

La tecnologia di impianto scelta `e quella a svuotamento: tale decisione `e motivata sia dai vantaggi offerti dalla tipologia di sistema (descritti nel paragrafo 3.3.4), sia dalla completa carenza di componentistica per impianti solari e di riscaldamento in generale nell’intero territorio peru-viano.

Abbiamo dunque la presenza di una tanica di svuotamento, posizionata pi`u vicina possibile ai collettori ma comunque al di sotto della quota pi`u bassa degli stessi -al fine di permetterne un completo drenaggio-, e di un gruppo di pompaggio che deve soddisfare sia l’obiettivo di un buon fun-zionamento a regime sia quello di un efficace riempimento del circuito, controllato in modo che l’impianto sia attivo quando la temperatura dei pannelli `e sufficiente a fornire un apporto positivo all’abitazione. Non sono invece necessari componenti quali valvole di sicurezza, vasi di

espan-7.2 Descrizione dell’impianto solare 273

Figura 7.1: Posizionamento dei componenti principali nella versione base

sione, sfiati ed altri accessori per la circolazione forzata, oltre alla non necessit`a di utilizzare un antigelo come additivo per il fluido termovet-tore nel circuito.

Vengono utilizzati in tutto l’impianto materiali plastici sia per pro-blemi inerenti la corrosione (in un sistema a svuotamento c’`e continuo apporto di ossigeno, dato il diretto contatto con l’aria) sia per il costo e la reperibilit`a2.

Versione base d’impianto e versioni pi`

u avanzate

Nella versione di base si prevede una connessione diretta tra collettori ed accumulo, senza regolazione della temperatura di mandata al pavimento radiante. La mancanza di controllo sulla temperatura massima di un

si-2_{Nonostante il Per`u sia uno dei maggiori produttori di rame nel mondo, la produzione}

e la disponibilit`a di tubazioni in questo materiale sono quasi inesistenti. Anche il costo e la reperibilit`a nelle zone rurali di tubazioni in acciaio zincato sconsigliano il considerarne l’utilizzo.

stema radiante a pavimento non `e consentita dalla normativa europea3, dato che `e stata in passato stabilita una precisa correlazione tra alcune problematiche di salute degli occupanti ed il superamento di determinati limiti; nonostante in Per`u non esista tale limite normativo (l’utilizzo di sistemi di riscaldamento `e rarissimo, anche in caso di necessit`a e contem-poranea disponibilit`a economica) si pu`o prevedere anche nel sistema di base un controllo sulla pompa che interrompa la circolazione quando si raggiungano determinate temperature a stabilite profondit`a4.

Figura 7.2: Sistema combinato a svuotamento tank in tank. [Fonte: Task26 IEA]

In versioni pi`u avanzate si pu`o prevedere un prelievo di calore destina-to al riscaldamendestina-to di acqua sanitaria collocadestina-to tra la mandata calda

3_{La temperatura massima superficiale consentita in ambito residenziale `e fissata in 29}◦_C

nelle aree di permanenza e 35◦C nelle zone perimetrali degli ambienti dalla norma UNI ISO 1264.

7.2 Descrizione dell’impianto solare 275

dei collettori e la mandata dell’accumulo radiante (ad esempio tramite serpentina immersa nella tanica di svuotamento), oppure realizzare l’ac-cumulo del calore in un serbatoio dal quale poi realizzare sia il prelievo per l’impianto radiante sia la produzione ed il prelievo di ACS. Un simile schema di impianto pu`o essere trovato anche nel sistema 9b del task 26 IEA??, utilizzante collettori polimerici (peraltro uno dei sistemi a pi`u basso costo e con buona performance) che riportiamo nella figura 7.2.

`

E evidente come un sistema che disaccoppi le portate del circuito solare e della distribuzione lasci pi`u possibilit`a di scegliere il range ottimale di funzionamento in ogni parte dell’impianto (altrimenti la portata circolan-te nei collettori `e la medesima delle serpentine del pavimento radiante), a fronte di una maggiore complicazione.

7.3

Schema e funzionamento

Vediamo nel dettaglio il percorso del fluido termovettore nella figura 7.3

Figura 7.3: Schema di impianto

I tratti in figura 7.3 rappresentano

– 1-2 : tubazione di uscita dai pannelli solari (tratto di massima

7.3 Schema e funzionamento 277

– 3 : tanica di svuotamento

– 4-5 : tubazione di collegamento tra i pannelli solari ed il collettore

del pavimento radiante

– 6 : mandata del circuito radiante A – 7 : mandata del circuito radiante B – 8 : mandata del circuito radiante C – 9 : mandata del circuito radiante D – 10: ritorno del circuito radiante A – 11: ritorno del circuito radiante B – 12: ritorno del circuito radiante C – 13: ritorno del ciruito radiante D

– 14-15 : tubazione di collegam5ento tra serpentine radianti e pannello

7.4

Componenti

Facciamo di seguito alcune considerazioni sui principali componenti del-l’impianto:

– Collettori solari

– Pompa di caricamento e circolazione – Collettori e serpentine di distribuzione – Accumulo termico

– Regolazione e controllo

7.4.1

Collettori solari

I collettori utilizzati sono stati ampiamente descritti nei capitoli prece-denti. Il dimensionamento, in termini di opportuna combinazione dei parametri:

– lunghezza della tubazione

– velocit`a media del fluido in ogni tubazione

– numero di tubazioni nel pannello

viene stabilito in base alla situazione contingente di carico termico dell’e-dificio e disponibilit`a di spazio (e proporzioni lunghezza-larghezza di tale spazio) sul tetto. Nel campo di velocit`a medie di interesse per l’impianto, la relazione esponenziale che lega la temperatura in uscita alla lunghezza della tubazione `e molto ben approssimabile con un andamento lineare: per questo, la decisione della terna di parametri dipende pi`u che altro da considerazioni sulle perdite di carico, maggiori in caso di lunghezza maggiore per tubazione, e del costo iniziale sostenibile per il pannello (ci`o che maggiormente incide sul costo `e il numero di raccordi necessari).

7.4 Componenti 279

Figura 7.4: Test su collettore solare di bottiglie di plastica con vuoti da 625 ml

Figura 7.5: Test su collettore solare di bottiglie di plastica con vuoti da 2500 ml

7.4 Componenti 281

7.4.2

Pompa di caricamento e circolazione

Il sistema di pompaggio deve avere il duplice scopo di effettuare il riem-pimento (quando la sonda di temperatura rileva un valore al di sopra di quello impostato) e di mantenere la circolazione del fluido alla portata desiderata, dopo un periodo a velocit`a pi`u alta necessario per spurgare l’impianto dall’aria. Spesso negli impianti a svuotamento di utilizzando due pompe in serie, una delle quali deputata al riempimento, allo scopo di aumentare la prevalenza all’avvio.

Il nostro sistema schematicamente si presenta come in figura:

Figura 7.6: Schematizzazione del circuito solare

Durante il funzionamento la pompa deve vincere soltanto le perdite do-vute agli attriti nelle tubazioni; all’arresto della circolazione tutta l’acqua

del pannello solare viene drenata ed il circuito rimane pieno solo fino al livello di svuotamento (circa met`a tanica), dunque quando la pompa si accende di nuovo -al raggiungimento della temperatura opportuna- deve vincere anche la differenza di quota tra il livello statico ed il punto pi`u alto del circuito.

Analizziamo le caratteristiche del circuito idraulico dell’intero sistema nei due momenti: caricamento e circolazione.

Fase di caricamento Dall’equazione di Bernoulli: p_{b− pa} γ + α 2g(w 2 b − w2a) + (zb− za) = h− ha,car (7.1)

se prendiamo come a e b i punti indicati in figura con le lettere A e B, nel sistema in esame si ha

p_A = p_B = p_atm w_A = 0 z_B− z_A= 1.2 m (7.2) quindi dell’equazione 3.2 rimangono non nulli i termini

h ₌ α

2gw

2

B+ (zB− zA) + ha,car (7.3)

dove h_a,car sono le perdite di carico, distribuite e localizzate, in fase di caricamento. Il termine relativo alle perdite cinetiche `e in realt`a trascu-rabile (ad esempio con il valore di 1 m/s per w_B ed α ≈ 1 per moto turbolento si ottiene un’altezza cinetica di circa 0.05 m).

La curva caratteristica del sistema in fase di caricamento non parte dall’origine, bens`ı dal dislivello z<sub>B</sub>− z<sub>A</sub>, ed `e del tipo in figura 7.7.

7.4 Componenti 283

Figura 7.7: Aspetto della curva caratteristica del circuito in fase di caricamento [Fonte: Wilo]

Fase di circolazione

Se prendiamo come a e b i punti indicati in figura con le lettere A e C, nel sistema in esame si ha

p_A= p_C = p_atm w_A = 0 z_A ≈ z_C (7.4)

quindi dell’equazione 3.2 rimangono non nulli i termini

h ₌ α

2gw

2

C + ha,funz (7.5)

Come suddetto, il termine relativo alle perdite cinetiche pu`o essere tra-scurato.

Circolatori e circolatori modulanti

Se si utilizza per l’impianto il modello di circolatore standard, `e neces-sario l’accoppiamento di due circolatori in serie (dei quali il primo per

Figura 7.8: Aspetto della curva caratteristica del circuito in fase di funzionamento a regime [Fonte: Wilo]

il funzionamento a regime, il secondo in aggiunta al primo nella fase di riempimento) per aumentare la disponibilit`a di prevalenza in fase di riempimento pur potendo tarare il circolatore di regime in modo che dia la portata voluta.

`

E altrimenti possibile l’utilizzo di un unico circolatore modulante: se si sceglie adeguatamente il modello (tramite le curve caratteristiche fornite dal costruttore) `e possibile farlo lavorare in modo da fornire la massima prevalenza in fase di riempimento e poi scendere al regime voluto, adot-tando ad esempio una regolazione che usi come feedback la temperatura di mandata al pavimenti ed adegui di conseguenza la portata.

7.4 Componenti 285

Figura 7.9: Caratteristiche di un circolatore modulante [Fonte: Wilo]

7.4.3

Collettori e serpentine di distribuzione

I collettori del pavimento di accumulo possono essere realizzati utilizzan-do materiale da irrigazione. Il dimensionamento dipende dal numero di serpentine collegato, in questa sperimentazione si sono utilizzate tuba-zioni del diametro di 32 mm e giuntuba-zioni innestate a caldo, come in figura 7.10

Per le serpentine di distribuzione si decide di sperimentare due materiali:

– tubazione in PEX (costo 1.5 euro al metro, importazione cinese) – tubazione di polietilene da irrigazione (costo 0.3 euro al metro)

La prima `e pi`u facile da lavorare e meno soggetta a rischio di schiac-ciamento o danneggiamento, la seconda `e molto pi`u economica (dunque sar`a di fatto la soluzione proposta se dar`a buoni esiti nel corso della sperimentazione).

7.4.4

Accumulo termico

L’accumulo termico `e composto di terra cruda setacciata, inumidita pri-ma della posa e pressata pri-manualmente a strati.

7.4 Componenti 287

7.4 Componenti 289

Figura 7.14: Serpentine del pavimento radiante in sperimentazione: consolidamento del fissaggio con fango

7.4 Componenti 291

Figura 7.15: Posa del pavimento radiante in sperimentazione: accumulo di terra

7.4 Componenti 293

7.4.5

Regolazione e controllo

Uno dei principali vincoli nella progettazione di un sistema di riscalda-mento per zone di estrema povert`a `e la necessit`a di ridurre il numero di componenti che richiedono un know how installativo ed interventi di manutenzione specializzata al minimo, preferibilmente eliminandoli del tutto. In questo caso l’impianto, nella sua configurazione pi`u semplice, ha bisogno di essere attivato (tramite un comando inviato al circolatore) quando si ha disponibilit`a di radiazione e disattivato quando non si ha pi`u tale disponibilit`a: la temperatura massima raggiunta dal collettore si pu`o calibrare al momento dell’installazione tramite la combinazione di lunghezza dei tubi del collettore e portata impostata, il pavimento di accumulo invece non necessita di alcun controllo.

Per questo controllo base si `e fatto assemblare5 un semplice dispositivo composto da un pirometro elettronico ed un rel`e che comanda il circolato-re: si decide una temperatura raggiunta la quale si attiva la circolazione ed una al di sotto della quale si spegne. Allo scopo di evitare pendo-lamenti, si decide di posizionare il sensore all’interno di una tubazione apposita che riproduca un tratto di collettore e sia posta al fianco di esso, ma nella quale non circoli mai acqua.

Un controllo molto pi`u evoluto del sistema pu`o essere fatto sul dispositivo

Arduino, una piattaforma elettronica open-source estremamente flessibile

e con un proprio linguaggio di programmazione (si tratta di un progetto italiano6 volto alla realizzazione di una tecnologia largamente accessibile, modificabile ed a basso costo), che consente ad esempio di gestire un circolatore a giri variabili e di rilavare il segnale proveniente da varie sonde. Questa fase di sperimentazione `e tuttora in fase di studio.

5_{Presso la citt`a di Cusco.}

Figura 7.17: Piattaforma Arduino

7.4.6

Note sul montaggio

Montaggio dei collettori sul tetto

Nell’installazione dei collettori sulla copertura dobbiamo considerare che

– la massa dei collettori (riempiti d’acqua) `e bassa, non oltre i 10 kg per metro quadrato

– la copertura in lamiera sottile riesce a sopportare bene il basso carico

dovuto al peso dei collettori

– il carico massimo pi`u importante `e dovuto al vento

– la tenuta della lamiera (inchiodata alle traverse di legno) allo

strap-pamento `e bassa

sar`a dunque opportuno che il collettore stia il pi`u aderente possibile alla lamiera (la condizione ottimale `e porre ogni fila di bottiglie in corrispon-denza di una gola del profilo sinusoidale della copertura) ed i fissaggi

7.4 Componenti 295

siano collegati lateralmente alle travi pi`u solide della struttura, e non so-lamente ai travetti ai quali `e inchiodata la lamiera. Si pu`o anche pensare ad un incollaggio di ogni fila alla lamiera, metodologia spesso adottata in Europa anche sui collettori scoperti per il riscaldamento di piscine, data la grande estensione della superficie captante [42].