Possibili utilizzi
I collettori solari sono utilizzati per:
- Produzione di acqua calda sanitaria (~ 42 °C);
- Integrazione in impianto di riscaldamento, solo se il sistema è a bassa temperatura (ad esempio un impianto di riscaldamento a pavimento, T~ 35 °C). Non ha senso abbinare un impianto solare termico ad un sistema di distribuzione ad alta temperatura (esempio radiatori, T~ 70 °C) perché si costringerebbero i collettori solari a produrre acqua calda a 75-80 °C d’inverno quando la temperatura ambiente è compresa tra 0-10 °C (scarsissima efficienza).
Impianti a circolazione naturale e forzata
La differenza sta nel modo in cui l’acqua circola all’interno dei collettori e tra collettori e serbatoio.
Negli impianti a circolazione naturale l’acqua si muove da sola. L’acqua calda, riscaldandosi tende ad andare verso l’alto e quella fredda (più pesante) verso il basso. Il serbatoio deve essere posizionato necessariamente nel punto più alto perché lì va spontaneamente l’acqua calda. Non c’è nessun organo di regolazione. Non c’è nessuna pompa che può rompersi. L’impianto funziona completamente da solo. La portata circolante è decisa dalla natura. I livelli di temperatura non posso deciderli. Il serbatoio deve restare fuori dall’edificio; le dispersioni > verso l’aria ambiente.
Impianti a circolazione forzata
L’acqua all’interno del collettore e tra collettore e serbatoio è movimentata da una pompa. Il serbatoio può essere lontano dai collettori. Essendoci una pompa deve esistere anche un sistema di controllo:
- On/Off;
- Controllo intermedio a livelli discreti: la pompa ha 3-4 set point. Può dare il 100%, il 75%, il 50% della portata;
- Controllo più raffinato: a regolazione continua. La pompa è comandata da un inverter, ha una velocità di rotazione variabile e si adatta a dare la portata esatta che permette di avere la temperatura in uscita voluta dall’impianto. Il circuito primario finisce in uno scambiatore (quasi sempre a serpentina) collocato all’interno del serbatoio in cui si mantiene accumulata l’acqua dell’utenza. Spesso è presente anche un sistema ausiliario di riscaldamento. Il modo di integrare l’impianto solare con quello tradizionale non è univoco.
Collettori sottovuoto (o a tubi evacuati)
Si utilizza il vuoto come isolante termico: atmosfera a bassissima pressione. Il vuoto inibisce ogni forma di scambio termico convettivo.
Questi collettori sono costituiti da tubi di vetro; all’interno di ogni tubo è posta una piccola piastra captante saldata alla quale c’è un piccolo tubo in cui scorre il fluido. Il vuoto viene realizzato nella piccola intercapedine che c’è tra i due strati di vetro. La parte interna si trova alla pressione atmosferica. I moti convettivi sono comunque inibiti. La piastra captante può essere piana o circolare (riveste la superficie interna dello strato interno di vetro). La forma circolare della piastra permette al collettore di avere una resa migliore anche nelle ore in cui la radiazione non è perpendicolare alla superficie. Il tubo nel quale scorre il fluido può avere ingresso e uscita su lati opposti ovvero può essere un tubo ad U.
Un altro elemento caratterizzante un impianto solare termico è il riflettore; si tratta di un elemento ad alta riflessività che ha la funzione di riflettere verso la piastra captante circolare quella parte di radiazione che non vi è finita sopra direttamente. La superficie riflettente può essere all’interno del tubo di vetro o al suo esterno.
I collettori sottovuoto possono appartenere a 2 sottofamiglie:
- A flusso diretto;
- Heat pipe.
Nei collettori sottovuoto a flusso diretto c’è un unico fluido (acqua calda e glicole) in gioco. L’acqua che deve essere riscaldata entra direttamente all’interno di ogni singolo tubo, viene riscaldata e poi fuoriesce.
Nei collettori heat pipe ci sono 2 fluidi che non entrano mai in contatto tra loro. I collettori sotto vuoto con heat pipe hanno un tubo metallico chiuso (heat pipe) che contiene un liquido che non esce mai. L’acqua calda che si vuole produrre non entra mai nei tubi ma scorre esclusivamente nella testata superiore.
Come si scalda l’acqua con i collettori heat pipe
Questi collettori non possono essere installati in orizzontale. Quando la radiazione solare arriva la mattina, l’acqua contenuta nel tubo è situata nella parte inferiore. L’assorbitore, mediante la radiazione, trasferisce calore al fluido (acqua) che aumenta la sua temperatura fino a quando evapora. Il vapore, più leggero del liquido, si raccoglie nella parte alta del collettore dove si trova il condensatore (esso si incastona nella testata del collettore dove scorre l’acqua fredda che voglio riscaldare). Il vapore interno trasferisce calore al fluido termovettore principale e cedendo calore condensa, liquido che più pesante ritorna nella parte inferiore del tubo. Si crea così una circolazione naturale.
Nei sistemi a flusso diretto tutto il circuito è pieno d’acqua. La formazione di vapore sarebbe dannosa.
Vantaggio del collettore heat pipe: facilità di sostituzione dei singoli elementi.
Di solito l’efficienza è > nei collettori sottovuoto a flusso diretto perché c’è un “passaggio di calore” in meno. Il calore è trasferito direttamente all’acqua.
Cosa contiene il serbatoio
L’acqua glicolata che circola nel collettore non è quella che viene accumulata direttamente, ma cede calore all’acqua dell’utenza che è contenuta nel serbatoio. Gli impianti solari termici possono essere:
- A singolo circuito;
- A doppio circuito.
I primi sono molto rari e prevedono che l’acqua che circola nei collettori sia la stessa che poi venga usata dall’utenza: soluzione non permessa se l’utenza è acqua calda sanitaria ovviamente. La maggior parte degli impianti solari termici è a doppio circuito; c’è un circuito solare primario chiuso che scambia calore con l’acqua dell’utenza. Il serbatoio non fa solo da accumulo (in questo caso) ma anche da scambiatore di calore. Quest’ultimo può essere o a camicia o la classica serpentina. Nello scambiatore a camicia è presente un intercapedine esterna nella quale scorre acqua glicolata calda che arriva dal collettore e trasferisce poi calore all’acqua dell’utenza che è nel nucleo interno del serbatoio.
Collettore piano vetrato e sottovuoto: differenze
Questo collettore ha un efficienza ottica maggiore del collettore sottovuoto. Quando lavora senza perdite, il collettore piano vetrato infatti riesce ad intercettare tutta la radiazione incidente sul vetro. Un collettore sottovuoto invece a n tubi affiancati e non riesce ad intercettare al meglio tutta la radiazione incidente sull’area del collettore. La radiazione tra un tubo e l’altro non “lavora” bene. Con l’utilizzo di riflettori sottostanti anche l’efficienza di un collettore sottovuoto tende a salire fino ai livelli di un collettore piano vetrato.
Per produrre acqua calda sanitaria (40-45 °C) nel sud Italia prediligere un collettore piano vetrato, costa meno e presenta maggiori rendimenti.
Per l’integrazione di un impianto di riscaldamento nel nord Italia prediligere collettori sottovuoto. Utilizzabile anche per climi freddi o per impieghi nella stagione invernale.
Collettori non vetrati
Costituiti dalla sola piastra captante, spesso in plastica, senza vetro e isolamento. Soprattutto per il riscaldamento di piscine esterne. Hanno basse efficienze.
Dimensionamento impianti solari termici
Prima di tutto è necessario quantificare il fabbisogno dell’utenza. Una volta individuato il fabbisogno, per esempio una famiglia di 4 persone fabbisogno acqua calda = 200 l/giorno, devo dimensionare il campo di collettori. La superficie di collettori da installare la calcolo a seconda della zona geografia.
Esempio: nord Italia = 1,2 mq/(50l/giorno)
Impianto solare termico e macchine frigorifere ad assorbimento
RAFFRESCAMENTO SOLARE=SOLAR COOLING
Le macchine frigorifere ad assorbimento sono alimentate termicamente e il calore necessario può essere prodotto o da fiamma diretta (bruciando un combustibile) o recuperando calore da un sistema di cogenerazione, realizzando così un impianto di trigenerazione (elettricità, calore, energia frigorifera); oppure abbinando la macchina frigorifera ad assorbimento ad un sistema solare termico: usare l’acqua calda prodotta dall’impianto solare termico per alimentare la macchina. Questo abbinamento permette di utilizzare l’energia solare nel momento in cui c’è ne maggiormente, d’estate, e nel momento in cui abbiamo il picco di domanda frigorifera in un edificio (per l’aria condizionata).
SOLAR COLING: utilizza come risorsa proprio la causa della domanda di aria condizionata. Quando c’è molto Sole ho tanto bisogno di aria condizionata.
Come avviene l’integrazione tra assorbitore e solare termico? L’input termico esterno arriva al generatore, in corrispondenza del quale forniamo acqua calda dal circuito solare termico. Ci sarà sempre un serbatoio d’accumulo tra il campo solare e l’utenza per disaccoppiare la fase di produzione di acqua calda da quella di suo impiego. I livelli di temperatura richiesti dalle macchine ad assorbimento a LiBr monostadio sono dell’ordine di 80-100 °C. Serve acqua calda a 80-100 °C. La differenza ti temperatura tra acqua e aria è molto alta, sono quindi fortemente consigliati l’utilizzo di collettori a tubi evacuati.
