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Fonti Rinnovabili di Energia A.A. 2012-2013

Introduzione al SOLARE TERMICO

ing. Simona Bartocci e-mail: [email protected]

COLLETTORI SOLARI: Aspetti introduttivi

Il collettore solare è un dispositivo in

grado di convertire la radiazione solare

in energia termica.

L’energia radiante assorbita dal

dispositivo e non dispersa nell’ambiente

esterno viene utilizzata per riscaldare un

fluido termovettore che scorre al suo

interno. Tale fluido viene in seguito

immagazzinato in un accumulatore

coibentato per essere utilizzato

dall’utenza o per riscaldare un altro

fluido.

COLLETTORI SOLARI: Aspetti normativi

DETRAZIONI FISCALI DEL 55%:

L’Italia è da anni uno dei Paesi europei in cui l’installazione di impianti solari termici è

maggiormente incentivata e favorita. Questo accade grazie alla detrazione fiscale dall’imposta

lorda (pari al 55%) delle spese di riqualificazione energetica (tra cui appunto l’installazione di

impianti solari termici per la produzione di acqua calda sanitaria) su un orizzonte di tempo di

cinque anni.

OBBLIGO DEL SOLARE TERMICO NEGLI EDIFICI:

Il Decreto Rinnovabili introduce anche degli obblighi in merito all’integrazione delle fonti

rinnovabili negli edifici di nuova costruzione e in quelli esistenti sottoposti a rilevanti

ristrutturazioni. Questi obblighi riguardano, oltre che gli impianti di produzione di energia

elettrica, anche quelli per la generazione di energia termica, che devono essere progettati e

realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto della copertura del 50% dei consumi

previsti per l’acqua calda sanitaria e delle seguenti percentuali della somma dei consumi

previsti per l’acqua calda sanitaria, per il riscaldamento ed il raffrescamento:

il 20% nel periodo compreso tra il 31 Maggio 2012 ed il 31 Dicembre 2013;

il 35% tra il 1 Gennaio 2014 ed il 31 Dicembre 2016;

il 50% dopo il 1 Gennaio 2017.

COLLETTORI SOLARI: Aspetti normativi

CONTO TERMICO;

Con la pubblicazione del DM 28/12/12, il c.d. decreto “Conto Termico”, si dà attuazione al

regime di sostegno introdotto dal decreto legislativo 3 marzo 2011, n. 28 per l’incentivazione

di interventi di piccole dimensioni per l’incremento dell’efficienza energetica e per la

produzione di energia termica da fonti rinnovabili.

Gli interventi incentivabili si riferiscono sia all’efficientamento dell’involucro di edifici

esistenti (coibentazione pareti e coperture, sostituzione serramenti e installazione

schermature solari) sia alla sostituzione di impianti esistenti per la climatizzazione

invernale con impianti a più alta efficienza (caldaie a condensazione) sia alla sostituzione

o, in alcuni casi, alla nuova installazione di impianti alimentati a fonti rinnovabili (pompe

di calore, caldaie, stufe e camini a biomassa, impianti solari termici anche abbinati a

tecnologia solar cooling per la produzione di freddo).

L’incentivo è un contributo alle spese sostenute e sarà erogato in rate annuali per una durata

variabile (fra 2 e 5 anni) in funzione degli interventi realizzati

Il decreto stanzia fondi per una spesa annua cumulata massima di 200 mln di euro per gli

interventi realizzati o da realizzare dalle Amministrazioni pubbliche e una spesa annua

cumulata pari a 700 mln di euro per gli interventi realizzati da parte dei soggetti privati

CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI

La classificazione dei sistemi solari termici avviene in base:

A. alla temperatura del fluido scaldato (acqua, aria o altro);

B. alla tipologia d’impianto;

TEMPERATURA DEL FLUIDO SCALDATO

- Bassa temperatura (sono in grado di produrre acqua calda in un range compreso tra i

40°C ed i 120°C in funzione della tecnologia dei collettori solari e del tipo di impianto)

- Media temperatura (forni solari, 120 °C < Temp. < 300 °C);

- Alta temperatura (sistemi a concentrazione parabolici lineari o puntuali > 300 °C).

TIPOLOGIE DI IMPIANTO: impianti a bassa temperatura

IMPIANTI A CIRCOLAZIONE

NATURALE

Questi impianti sono economici e

possono essere integrati nelle

coperture come singola unità. Il

fluido termovettore presente nel

collettore, una volta riscaldatosi,

presenta una minore densità rispetto

al resto del circuito;

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:

- impianti a circolazione naturale;

- impianti a circolazione forzata.

la differenza di densità tra il fluido termovettore presente nei tubi di mandata e quello presente nei

tubi di ritorno del collettore innesca la circolazione del fluido (effetto termosifone). Si noti che in

questi impianti il serbatoio di accumulo deve necessariamente essere posizionato al di sopra del

collettore solare, perché il punto in cui il fluido è più caldo (il collettore) non deve coincidere con

il punto più alto del circuito, pena l'impossibilità della circolazione naturale.

Schema impianto a circolazione naturale e circuito chiuso

TIPOLOGIE DI IMPIANTO: impianti a bassa temperatura

Qualora non sia possibile posizionare l'accumulo sopra i pannelli, come richiesto per gli impianti a

circolazione naturale, si deve necessariamente ricorrere all'utilizzo di una pompa di circolazione,

così da non vincolare la posizione relativa tra serbatoio e pannelli.

IMPIANTI A CIRCOLAZIONE FORZATA

La presenza della pompa di circolazione

rende necessario l'utilizzo di un

termostato differenziale che provveda

ad avviarla quando la differenza di

temperatura tra fluido nel collettore e

fluido nel serbatoio è superiore 5-10°C.

Tale differenza di temperatura garantisce

l'instaurarsi delle condizioni di scambio

termico così che l'energia termica

accumulata dal fluido termovettore

venga ceduta al serbatoio di accumulo.

COLLETTORI SOLARI: Applicazioni

Riscaldamento di acqua per piscine;

Riscaldamento di acqua ad uso domestico;

Riscaldamento (o preriscaldamento) di acqua ad uso

industriale(allevamenti, concerie, sistemi di lavaggio,

serre, ecc..);

Riscaldamento di ambienti (diretto o tramite pompa

di calore, pannelli radianti a pavimento o a parete);

Produzione di energia elettrica (sperimentale)

Raffrescamento estivo

COMPONETI PRICIPALI DI UN IMPIANTO SOLARE TERMICO

I componenti principali di un impianto solare termico sono i seguenti:

Collettori solari;

Serbatoio di accumulo;

Circuito distributivo;

Centralina di accumulo e dispositivi di integrazione termica.

Il collettore solare è l’elemento base dell’impianto perché ad esso è demandata la conversione

dell’energia solare sotto forma di radiazione elettromagnetica in energia termica immagazzinata dal

fluido termovettore e successivamente distribuita alle utenze attraverso lo stesso fluido o un circuito

secondario. I collettori solari si basano sul principio dell’effetto serra che si produce attraverso un

elemento captatore in grado si assorbire la maggior quantità di energia solare ed una copertura

trasparente in grado di contenerne l’effetto di re-irraggiamento.

TIPOLOGIE DI COLLETTORI

COLLETTORI SOLARI TERMICI VETRATI

Sono senza dubbio i più utilizzati per applicazioni a bassa temperatura. Alle latitudini italiane sono caratterizzati da

prestazioni buone/ottime in estate e nelle stagioni miti e da prestazioni accettabili in inverno.

E’ COSTITUITO DA:

Copertura trasparente: una o più lastre di vetro o di

plastica poste al di sopra della piastra assorbente per ridurre

gli scambi termici convettivi e radiativi tra la piastra e

l’atmosfera. Il vetro consente il passaggio della sola

radiazione a bassa lunghezza d’onda (λ< 3 µm). La

radiazione che passa attraverso il vetro riscalda la piastra

assorbente. Questa riscaldandosi riemette a sua volta

energia termica nel campo dell’infrarosso. Rispetto a

queste λ il vetro si comporta come corpo opaco non

consentendo quindi alla radiazione di fluire verso l’esterno

Piastra nera captante ad elevata conducibilità: provvede ad assorbire la radiazione ed a trasferire l’energia

raccolta a un fluido termovettore.

Isolamento termico posteriore e laterale: per ridurre al minimo le perdite per conduzione della piastra

Involucro metallico con funzione di contenimento e di protezione da plovere, umidità ed agenti atmosferici



Vetro anteriore

• E’ a basso contenuto di ferro per dare la massima trasparenza (τ≥0,92)

• E’ temperato e ha uno spessore generalmente compreso tra 4 e 6 mm

Piastra assorbente

• E’ realizzata in rame, alluminio o acciaio inox

Lo scopo della piastra assorbente è assorbire al massimo la radiazione solare, emetterla al minimo

e permettere il trasferimento efficiente del calore al fluido di lavoro.



Piastra assorbente

La riduzione dell’emissività spettrale dell’assorbitore nell’intervallo di λ compresi tra

appena poco più di 2 e 20 µm , pur mantenendo elevati coefficienti di assorbimento

alle lunghezze d’onda della radiazione solare, può essere ottenuta:

1. Impiegando superfici selettive, ottenibili depositando sottilissimi strati di ossidi

metallici, ad esempio rame , su substrati metallici di o lucidanti. Gli strati selettivi

possono essere apportati con un trattamento galvanico vaporizzati sotto vuoto

oppure prodotti con il cosiddetto procedimento di sputter. Le più recenti

innovazioni si contraddistinguono soprattutto per il basso grado di emissione (in

parte anche inferiore al 10%).

2. lavorando con scanalature a V la superficie della lastra, in modo da accrescerne per via geometrica l’area

captante. Nel caso di applicazioni che richiedono alte temperature vengono utilizzate anche scanalature

rettangolari e triangolari

3. adottando superfici captanti con struttura a nido d’ape sul piano della lastra, oppure disseminando

micro pennelli di fibre captanti ortogonali al piano della lastra.



Piastra assorbente



Le canalizzazioni del fluido termovettore sono preferibilmente in rame. Possono essere:

• costituite da uno o più tubi saldati alla piastra assorbente

• ricavate dalla piastra assorbente

Lo sviluppo delle canalizzazioni nel collettore solare può essere del tipo:

• A SERPENTINA

• AD ARPA

BILANCIO TERMICO COLLETTORI PIANI

Illustrazione schematica della distribuzione dell’energia nei collettori

solari piani

Si può osservare che l’energia

utile raccolta (quella che viene

quindi trasformata in calore)

varia dal 15 al 40 % a seconda

delle condizioni operative. In

particolare si hanno percentuali

di raccolta (rendimenti di

raccolta) maggiori, a pari

condizioni esterne di temperatura

dell’aria e di velocità del vento,

quanto più è la radiazione solare

e quanto più bassa la temperatura

di ingresso del fluido nel

collettore.


COLLETTORI SOLARI TERMICI NON VETRATI

La caratteristica tecnologica che differenzia questi dispositivi piani da quelli con vetri è l’assenza

dell’intercapedine isolante frontale. Nei collettori solari piani scoperti presentano i tubi, in cui scorre

il fluido, scoperti; essi sono meno costosi, ma forniscono prestazioni accettabili solo se utilizzati

durante la stagione estiva; infatti la mancanza del vetro, che svolge una funzione isolante e di

trattenuta del calore, fa sì che il rendimento cali rapidamente al cambiare delle condizioni esterne

ottimali. I tubi sono realizzati in materiale plastico (polipropilene, pvc e neoprene.) di colore scuro

al fine di garantire il massimo assorbimento e vengono percorsi direttamente dall’acqua da

riscaldare che può dunque essere utilizzata senza necessità di accumulo. Quella dei collettori piani

scoperti rappresenta pertanto la soluzione ideale per gli stabilimenti balneari, piscine scoperte e

campeggi e per tutti gli ambiti residenziali con fabbisogno di acqua calda sanitaria prevalentemente

estivo.

COLLETTORI A TUBI SOTTOVUOTO

I collettori sottovuoto sono realizzati in modo che l'intercapedine tra piastra assorbente e copertura

trasparente risulti priva d'aria. Questo accorgimento, di delicata realizzazione tecnica, permette di ottenere

ottime prestazioni energetiche, e allo stesso tempo, raggiungere temperature elevate. Ovviamente, il

prezzo di questi collettori è conforme alle loro prestazioni eccellenti in tutto l'arco dell'anno. Nei collettori

sottovuoto l'assorbitore è inserito all'interno del tubo sottovuoto per ridurre le dispersioni di calore. Tale

vuoto d'aria permette di ottenere ottime capacità di coibentazione e ridurre quasi completamente le

dispersioni per convezione.


Nei collettori sottovuoto il trasferimento dell'energia

termica al fluido vettore avviene con modalità

differenti rispetto ai collettori piani; nei collettori

sottovuoto, infatti, esso può avvenire in due diversi

modi e dipende dal tipo di scambio che si realizza

tra il fluido che scorre lungo i tubicini all'interno

delle zone sottovuoto ed il fluido che trasporta il

calore verso l'utenza:

1. FLUSSO DIRETTO: il fluido termovettore scorre direttamente nell'assorbitore situato all'interno del tubo

sottovuoto. La piastra è sostituita da cilindri di metallo (ad esempio rame) eventualmente alettati, trattati

superficialmente con vernici nere e selettive; ciascuno di questi tubi è inserito in un tubo di vetro coassiale, a

sua volta, a un altro tubo esterno di vetro. Durante l'assemblaggio del collettore, viene aspirata l'aria tra i due

tubi di vetro per ottenere le condizioni di sottovuoto. I diversi tubi sono collegati tra loro come riportato nello

schema semplificato di figura 1 tubi a flusso diretto possono essere installati in qualsiasi posizione; questo

significa che le soluzioni possibili possono prevedere sia il posizionamento in facciata o sui parapetti dei

balconi (posizione verticale), sia il montaggio orizzontale su tetti piani;





2. TECNOLOGIA DEL TUBO DI CALORE (HEAT-PIPE): il trasferimento del calore dalla piastra al

fluido termovettore avviene grazie ad altro circuito. In questo caso, il fluido contenuto nelle sottili

tubazioni sottovuoto evapora lungo il suo tragitto assorbendo il calore che successivamente cede

condensando in un apposito scambiatore. Il fluido temovettore utilizzato è un liquido speciale che

evapora già a basse temperature. Questo tipo di scambio termico, a parità di superficie utile, risulta più

efficiente, ma tecnologicamente più complesso.



Tecnologia CPC

Al fine di migliorare le prestazioni del sistema dei collettori a tubi sottovuoto, è stata sviluppata la

tecnologia CPC (compound parabolic concentration). Essa prevede il montaggio, sotto ciascun

tubo, di un laminato di materiale riflettente, di forma parabolica in grado di catturare e

convogliare l’irradiazione riflessa, sull’elemento captante. L’utilizzo di collettori a vuoto CPC

permette quindi di sfruttare l’ulteriore quota di radiazione che nei collettori a tubi viene persa nello

spazio che si crea fra i tubi stessi del collettore. A parità di area lorda del collettore, si riesce quindi

ad aumentare l’area della superficie captante migliorando di conseguenza l’energia prodotta a parità

di superficie occupata.

RENDIMENTO DEI COLLETTORI

Efficienza del collettore:

η = energia resa / energia solare incidente

Il rendimento di un collettore viene in genere determinato sperimentalmente e assume la seguente

espressione:

La capacità dei collettori di trasformare la radiazione solare incidente in calore è tanto più efficace

quanto più è:

maggiore la radiazione solare incidente

maggiore la temperatura esterna ed elevato il coefficiente di assorbimento della piastra metallica

efficace lo scambio termico piastra-fluido

isolato termicamente dall’esterno il processo.

a1 e a2 : coefficienti determinati sperimentalmente

G : radiazione solare globale sul piano dei collettori (W/m2)

Tm : temperatura media del fluido all’interno del pannello (°C)

Ta : temperatura dell’aria esterna, (°C)

RENDIMENTO DEI COLLETTORI

Interessante per le scelte progettuali è il confronto, in termini di rendimento, delle tecnologie fin qui

esposte.

Il collettore senza vetro presenta un rendimento elevatissimo quando la temperatura esterna è molto

alta - temperatura esterna prossima alla temperatura media del modulo - per poi cadere rapidamente

all'abbassarsi della temperatura esterna. Di contro, qualora sia necessario produrre acqua calda anche in

inverno, con temperature esterne molto basse - quindi in tutti quei casi in cui si voglia riscaldare gli

ambienti con il sole - la scelta del collettore a tubi sotto vuoto è praticamente obbligata.

POSIZIONAMENTO DEI COLLETTORI

La quantità di radiazione solare intercettata dipende dal sito, dalle caratteristiche climatiche locali e

dal posizionamento spaziale delle superfici captanti, definito dal- l’orientamento e dall’angolo

d’inclinazione rispetto all’orizzontale.

L’orientamento dei pannelli solari ha un’importanza fondamentale nella resa complessiva

dell’impianto.

L’inclinazione (α) di un pannello solare è pari

all’angolo tra il piano orizzontale e il piano del

pannello stesso

L’azimut superficiale (γ) (orientamento) di

un pannello solare è pari all’angolo tra la

proiezione orizzontale della normale al pannello

con la direzione Sud


L’inclinazione dei pannelli solari è determinata dalla latitudine del luogo, in quanto l’altezza del

Sole nel cielo varia a seconda del grado di latitudine: ad esempio nell’emisfero boreale quanto più ci si

allontana dall’Equatore, tanto più il percorso del Sole si svolge più in basso sull’orizzonte.

Alle nostre latitudini, l’inclinazione ottimale per avere il massimo rendimento solare da un pannello

durante tutto l’arco dell’anno è di circa 30-35°, con orientamento Sud.

Le figure mostrano i fattori di correzione per le diverse condizioni di orientamento e inclinazione alle

latitudini italiane.

Percentuale di sfruttamento dell’insolazione incidente

in funzione dell’inclinazione dei piani, valido in

Europa

Fattori di correzione per inclinazione e orientamento


Più in generale, però, a seconda delle caratteristiche climatiche del luogo e delle esigenze dell’utenza

servita, si può ottimizzare la produttività dell’impianto optando per altre inclinazioni dei pannelli.

Infatti, se ad esempio si vuole massimizzare la captazione solare durante la stagione invernale, è

necessaria un’inclinazione maggiore rispetto alla condizione ottimale in regime estivo, in quanto il

Sole si presenta più basso sull’orizzonte. La tabella sottostante mostra i possibili posizionamenti dei

pannelli solari in funzione delle finalità e specificità del progetto, in particolare per sistemi fotovoltaici:

Considerazioni sul posizionamento dei moduli in funzione delle specificità di progetto

(Aste N., “Aspetti tecnologici e prestazionali dell’integrazione del fotovoltaico nelle strutture architettoniche”,

Rapporto del Politecnico di Milano, Dicembre 2005)

DIMENSIONAMENTO SUPERFICIE CAPTANTE


In realtà il dimensionamento risulta più laborioso in quanto intervengono nella progettazione molte

variabili:

in primo luogo l’energia solare incidente e le condizioni climatiche esterne non rimangono

costanti in tutti i mesi dell’anno;

il fabbisogno termico può anche lui non restare costante per tutti i mesi dell’anno (anche per

sistemi atti alla produzione di ACS) e deve essere quindi valutato attentamente;

la percentuale d'integrazione offerta dall’impianto solare vista in una proiezione annuale e non

mensile determina l’economicità dell’impianto;

esistono infine vari ostacoli tecnici che limitano la possibilità di installare la superficie captante

richiesta.

Da quanto sopra si evince che per ottenere la giusta superficie captante bisogna tener conto di

diversi parametri che si modificano secondo le circostanze contingenti.


E’ molto importante dimensionare correttamente la superficie captante necessaria, per sfruttare al

massimo l’energia solare senza incorrere in costi proibitivi.

Anzitutto, non è consigliabile pretendere di soddisfare il fabbisogno delle utenze al 100% tutto

l’anno: se volessimo raggiungere l’autosufficienza anche a dicembre, negli altri mesi avremo

un’energia esuberante, che resterebbe inutilizzata, ed un impianto costoso e di difficile

ammortamento. Conviene invece coprire con l’impianto solare la gran parte del fabbisogno,

lasciando ad una fonte integrativa il compito di coprire le punte di carico nei mesi invernali o nelle

giornate di cattivo tempo.

1. SCEGLIERE UN MESE PER IL QUALE SI DESIDERA:

Fabbisogno medio mensile di ACS [kWh/mese] = Energia captata media mensile [kWh/mese]

2. SUPERFICIE CAPTANTE:

S’ [m2]= Fabbisogno medio mensile di ACS [kWh/mese]/Energia unitaria captata media mensile

[kWh/(m2*mese)]

3. NUMERO COLLETTORI

N=S’/Scollettore


4. VERIFICARE:

• Superficie disponibile e Superficie occupata dall’impianto

• Indicatori (fattore di integrazione e fattore di utilizzo)

• Analisi economica (tempo di ritorno)

• Stabilire quindi il NUMERO DI COLLETTORI da istallare: Ncol

5. SUPERFICIE CAPTANTE da istallare

S= Ncol*Scollettore

ENERGIA MENSILE CAPTATA E UTILIZZATA

Qmc.u. = min(Qm,FACS,m) [kWh / mese]

FATTORE DI INTEGRAZIONE ANNUO

Fint = (Qmc.u. / FACS,m) [%]

FATTORE DI UTILIZZO

Fut = (Qmc.u /Qm.) [%]

Fabbisogni di energia per la produzione ACS

L'energia termica Qw richiesta per riscaldare una quantità di acqua alla temperatura desiderata è:

𝑸𝒘 = 𝝆 ∙ 𝒄 ∙ 𝑽𝒘 ∙ 𝑻𝒆𝒓 − 𝑻𝟎 ∙ 𝑮𝒊 (Wh)

ρ è la massa volumica dell’acqua (kg/m3)

c è il calore specifico dell’acqua pari a 1.162 Wh/kg°C

Vw è il volume dell’acqua richiesta durante il periodo di calcolo (m3/G)

Ter è la temperatura di erogazione (°C)

T0 è la temperatura di ingresso dell’acqua fredda sanitaria (°C)

G è il numero di giorni del periodo di calcolo (G)

VOLUMI D’ACQUA RICHIESTI

I volumi di acqua calda sanitaria sono riferiti convenzionalmente ad una temperatura di erogazione

di 40 °C e ad una temperatura di ingresso di 15 °C. Il salto termico di riferimento ai fini del calcolo

del fabbisogno di energia termica utile è, quindi, di 25 °C. Il volume è dato da:

Vw= a *Nu (l/G)

a è il fabbisogno giornaliero specifico

Nu è il parametro che dipende dalla destinazione d'uso dell'edificio



- Destinazione d’uso abitazione:

Nel caso di abitazioni il valore Nu è il valore della superficie utile Su dell'abitazione, espressa in

metri quadrati.

Nu = superficie utile dell’abitazione (m2)



- Destinazione d’uso abitazione:

Nu = f(superficie utile dell’abitazione)

la Superficie utile è intesa come la superficie netta calpestabile dei locali riscaldati al netto di

tramezzi e muri esterni e comprensiva delle soglie delle porte e degli spazi al di sotto dei terminali

di emissione, così come evidenziato in rosso nelle immagini che seguono;



- Altre destinazioni d’uso:

Fonti Rinnovabili di Energia A.A. 2011-2012

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