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Impianti solari termici: come funzionano e quanto rendono

Impianti a circolazione naturale, forzata o a svuotamento. Pannelli piani o sottovuoto. Tante le diverse possibilità per un sistema solare termico. Il risparmio è garantito.

Partiamo dal principio: per l’utilizzo solare a scopo termico c’è bisogno di un buon irraggiamento. L’Italia, da questo punto di vista non ha problemi, il valore di insolazione, infatti, è compreso tra 1.200 e 1.750 kWh/m2 all’anno, di cui il 75% nei mesi estivi (aprile-settembre). È vero che esiste una differenza del 40% tra Nord e Sud, tuttavia, in entrambi i casi, il livello rimane maggiore del fabbisogno di calore annuo procapite necessario per la preparazione di acqua calda sanitaria nel residenziale.

La radiazione solare può essere trasformata in calore grazie a un pannello solare termico (detto anche collettore solare) che si distingue da unpannello fotovoltaico che, invece, trasforma la luce del sole in energia elettrica.

Le principali applicazioni del solare termico sono: la produzione di acqua calda sanitaria, la contribuzione al riscaldamento (fino al 40% dei consumi) e il riscaldamento delle piscine (anche in stagione invernale). Attualmente, allo studio c’è il solar cooling, ossia l’abbinamento dei pannelli solari termici a una macchina frigorifera. Quest’ultima utilizzando l’energia termica prodotta, raffredda l’acqua e la immette negli impianti di condizionamento estivi.

L’impianto
Un impianto solare termico ha sempre questi componenti:

  • un pannello solare detto anche collettore;
  • una serpentina;
  • un fluido termovettore (solitamente una miscela di acqua e glicole propilenico atossico, conosciuto come antigelo);
  • un serbatoio di accumulo che contiene l’acqua (boiler/bollitore).

Gli impianti possono essere di diversa tipologia: impianti a basse temperature (fino a 120°); impianti a medie temperature (circa 500°); impianti ad alte temperature (circa 1.000°) che si usano nei grossi stabilimenti industriali.

Il principio di funzionamento di un pannello solare termico è molto semplice e può essere paragonato a quello che si verifica in una serra. Dei raggi solari incidenti la superficie vetrata solo una piccola parte viene riflessa, quella restante passa attraverso il vetro e viene assorbita da una piastra captante di colore nero. Quest’ultima, scaldandosi, rimette energia sotto forma di radiazione infrarossa, rispetto alla quale il vetro si comporta come se fosse opaco, trattenendola così al suo interno (effetto serra). In questo modo la temperatura del fluido vettore primario tende a riscaldarsi. Da quel momento il liquido si sposta nella serpentina verso il serbatoio secondo tre tipi diversi di circolazione: naturale, forzata o a svuotamento.

Tipi di circolazione
La circolazione dell’acqua dal pannello al serbatoio dell’acqua è realizzata tramite circolazione naturale (a termosifone), forzata o a svuotamento, in questi ultimi due casi il pannello solare integra una pompa idraulica con alimentazione elettrica.

Nel caso della circolazione naturale per far circolare il fluido vettore nel sistema si sfrutta la forza di gravità e il principio di convezione, senza energia supplementare. Questi sistemi monoblocco a circuito chiuso sono costituiti da uno o due collettori solari piani da esporre ai raggi del sole, e da un bollitore isolato al di sopra dei pannelli. Il fluido si riscalda all’interno del pannello e, una volta caldo, essendo più leggero dell’acqua contenuta nel serbatoio - per convezione - sale naturalmente verso l’accumulo di acqua sanitaria e cede il calore assorbito dal sole. Una volta fatto questo, il liquido termovettore ricade nel punto più basso del circuito del pannello solare. Il pregio di questo tipo di impianto è la semplicità, ma il problema è l’elevata dispersione termica, che ne inficia l’efficienza.

La circolazione forzata, invece, si avvale dell’aiuto di pompe idrauliche - dette circolatori - che permettono la cessione del calore raccolto dal fluido vettore alla serpentina posta all’interno del serbatoio di accumulo utilizzando energia elettrica. Con il sole la temperatura del fluido in uscita dai pannelli supera quella contenuta nel serbatoio e la centralina attiva la pompa che mette in circolo il fluido termovettore trasferendo il calore dai pannelli all’acqua nel serbatoio; dopo una giornata soleggiata il boiler, avendo accumulato l'energia captata, è caldo. Se il calore solare non è sufficiente la pompa si spegne per riaccendersi in condizioni più favorevoli, al tramonto il fluido all'uscita dei collettori si raffredda e la pompa si ferma.

In questo tipo di impianto, il boiler/serbatoio non ha vincoli di ubicazione, ma spesso viene posto all’interno degli edifici, lontano dai pannelli solari. Il circuito è più complesso e prevede un vaso di espansione, un controllo di temperatura e altri componenti. Nonostante i costi di energia elettrica dovuti all’uso della pompa, questo impianto ha un’efficienza termica più elevata perché è meno soggetto a dispersione termica durante la notte o alle condizioni climatiche avverse.

C’è poi la circolazione a svuotamento, simile a quella forzata, con la differenza che l’impianto si riempie solo quando è possibile o necessario, ossia quando c’è il sole o quando il serbatoio non ha raggiunto la temperatura desiderata. Negli altri casi, l’impianto rimane a riposo. La pompa poi lo svuota se non c’è luce o se si è raggiunta la temperatura di accumulo voluta.

Il pannello solare termico
Il collettore solare (o pannello solare termico) è composto da un radiatore/assorbitore – costruito di solito con un metallo come il rame, dalle buone capacità di conduzione – che è in grado di assorbire il calore dei raggi solari e trasferirlo al serbatoio d’acqua.

Diversi sono i modelli in commercio: ci sono pannelli solari piani (vetrati o scoperti) o sottovuoto.

Quelli piani vetrati sono composti da un serbatoio ad accumulo di acqua (o aria) e dal pannello, il vetro protegge il radiatore interno. Come spiegato, la sua trasparenza consente alla luce di entrare nella parte interna del pannello dove i raggi infrarossi sono trattenuti per agevolare il riscaldamento del liquido collegato con il serbatoio dell'acqua. I pannelli scoperti sono la soluzione più economica, ma il rendimento è più basso: il pannello è costituito da un radiatore privo di vetro e l'acqua passa direttamente all’interno i tubi del pannello stesso, dove viene riscaldata direttamente dai raggi solari prima di essere utilizzata. I pannelli sottovuoto offrono rendimenti superiori perché i tubi di vetro sottovuoto che li compongono impediscono la cessione e la dispersione del calore.

Rendimento, quantità e risparmio
In media, ci vogliono circa 10 ore per riscaldare l’acqua nel serbatoio, ma questo dipende da diverse variabili quali l’esposizione solare, la stagione, le condizioni meteorologiche e la latitudine.

Se, d’estate, i pannelli solari sono sufficienti a soddisfare interamente l’esigenza di acqua calda sanitaria in una casa, d’inverno la situazione cambia e il loro rendimento cala dagli 80° ai 40°. Nelle ore notturne, inoltre, è possibile soltanto usare l’acqua riscaldata precedentemente nelle ore nel giorno. Nel caso di esaurimento bisogna aspettare il giorno seguente e attendere le ore necessarie per scaldare di nuovo l’acqua. È per queste ragioni che il pannello solare non può considerarsi sostitutivo di una caldaia a gas. È più che altro un sistema complementare, ma non sufficiente di per sé.

Inoltre, si deve tenere conto che un pannello termico della dimensione di un metro quadrato riesce, in media, a scaldare 80-130 litri d’acqua al giorno alla temperatura media di 45°. Considerando che il consumo medio di acqua calda per persona è di circa 30-50 litri al giorno, si può stimare che un pannello d’acqua soddisfi le esigenze di circa 2 persone. Due pannelli sono più o meno sufficienti per soddisfare le esigenze di una famiglia di quattro persone che necessita di circa 200 litri al giorno di acqua calda più 30 litri al giorno per la lavatrice.

Il vantaggio di installare un impianto solare termico si calcola prendendo in considerazione il risparmio energetico che deriva utilizzando questo tipo di impianto. In media, si calcola che sia possibile risparmiare fino al 70% dei costi energetici per la produzione di acqua calda sanitaria.

(fonti: Solare Termico del dott. ing. Nicola Graniglia e Impianti solari termici - Manuale per la progettazione e costruzione di Thomas Pauschinger e contributi di Martin Ménard e Monika Schulz di Ambiente Italia).

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Alice Dutto

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