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SPECIALE TECNICO

FEBBRAIO 2014

A cura di Riccardo Battisti (Ambiente Italia)

Impianti solari termici di grande taglia per applicazioni speciali

Questo Speciale è stato realizzato grazie al contributo di:

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QUALENERGIA.IT SPECIALE TECNICO

Riccardo Battisti

Laureato in Ingegneria Meccanica con specializzazione nel settore dell’energia, ha concluso un Dottorato di Ricerca in Energetica al Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica dell’Università SAPIENZA di Roma, dove ha svolto attività di ricerca fino al dicembre 2007. Attualmente lavora presso la società di consulenza Ambiente Italia Srl dove, entrato nel 2008, ora ricopre il ruolo di responsabile dell’area Fonti Rinnovabili. Da giugno 2005 a dicembre 2007, ha ricoperto il ruolo di Segretario Generale dell’Associazione Italiana Solare Termico (Assolterm). I suoi campi di interesse sono le fonti energetiche rinnovabili, con particolare attenzione a solare termico e fotovoltaico, e la valutazione degli impatti ambientali dei prodotti o servizi mediante la metodologia della Valutazione del Ciclo di Vita (LCA). È autore di numerose pubblicazioni tecniche e scientifiche, in italiano e in inglese.

Ambiente Italia Srl

Soluzioni per la sostenibilità: questa è la mission di Ambiente Italia, un gruppo che da oltre trent’anni opera a livello nazionale ed europeo nel campo della ricerca, consulenza e progettazione per la sostenibilità ambientale. www.ambienteitalia.it

Gli impianti solari termici, soprattutto in Italia, sono oggi impiegati prevalentemente per applicazioni di piccola taglia nel settore residenziale, con lo scopo di produrre acqua calda sanitaria e calore per il riscaldamento degli ambienti. Considerevole tuttavia è il contributo che questa tecnologia può fornire anche in altri campi di applicazione, tramite l’adozione di impianti di grande dimensione: la

produzione di calore di processo nelle industrie, l’integrazione in reti di teleriscaldamento, la fornitura di calore nel settore alberghiero e il “solar cooling”. Lo Speciale Tecnico, curato da Riccardo Battisti, tratta dei principali aspetti impiantistici, delle soluzioni progettuali e degli aspetti economici ed è rivolto principalmente a progettisti, installatori e ai potenziali clienti finali.

ABSTRACT

L’AUTORE

Impianti solari termici di grande taglia per applicazioni speciali

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INDICE

1. Introduzione 52. Il teleriscaldamento solare 6

Fattore di coperturaIntegrazione con la reteAccumuli stagionali

3. Solare termico per calore di processo industriale 104. Acqua calda per strutture ricettive 125. Il “solar cooling” 13

Concetto e soluzioni impiantisticheParametri chiaveUn esempio italiano

6. Dimensionamento e progettazione 16Temperatura di esercizio e producibilitàVolume di accumuloCollegamenti idraulici tra i collettori

7. Analisi economica e incentivi 20Voci di costoUn esempio di calcolo

Riferimenti bibliografici

Schede sponsor 23

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1. Introduzione

Gli impianti solari termici, soprattutto in Ita-lia, sono oggi impiegati prevalentemente per applicazioni di piccola taglia nel settore resi-denziale, con lo scopo di produrre acqua calda sanitaria e calore per il riscaldamento degli ambienti.

Considerevole, tuttavia, è il contributo che questa tecnologia può fornire anche in altri campi di applicazione, tramite l’adozione di im-pianti di grande dimensione: la produzione di calore di processo nelle industrie, l’integrazio-ne in reti di teleriscaldamento, la fornitura di acqua calda nel settore alberghiero e il “solar cooling”. Numerosi sono gli esempi che ormai testimoniano come il solare termico vada ben al di là della pur interessante generazione di energia termica a uso sanitario.

La prima necessaria considerazione introdut-tiva riguarda la maggiore complessità tecnica e impiantistica dei sistemi di grande taglia rispetto alle soluzioni oggi vendute come kit pre-assemblati e pre-dimensionati. Il sistema di grande dimensione richiede sempre una progettazione ad hoc, tarata sul caso specifico, e, di conseguenza, l’intervento di un professionista che si occupi del suo dimensionamento.

Visto l’elevato numero di collettori solari in gioco, uno degli aspetti più delicati è la necessità di un attento bilanciamento idraulico tra le varie sezioni dell’impianto, così che il funzionamento dello stesso possa essere ottimizzato. A seguito del collaudo e del primo avvio, è auspicabile, quindi, che sia previsto un periodo di “fine-tuning” della fase operativa, a carico della ditta che ha realizzato l’impianto, realizzabile anche da remoto.

La più difficile standardizzazione delle procedure progettuali e di dimensionamento, perciò, rende questa tipologia di impianti senza dubbio più complessa, ma anche maggiormente interessante per il professionista che vi si avventura.

Un altro elemento cruciale è l’attenzione alle operazioni di manutenzione. In un impianto di grande taglia, i componenti soggetti a un possibile guasto o malfunzionamento sono numerosi. È auspica-bile, quindi, che sia previsto un piano di manutenzione accurato e, possibilmente, un controllo in remoto dei principali parametri di funzionamento, che possa far scattare eventuali campanelli di allarme e consentire un intervento in tempo utile per prevenire danneggiamenti di considerevole entità.

Ultima peculiarità da segnalare è il più contenuto costo specifico di impianto per applicazioni di grande taglia. Alcuni costi, infatti, possono essere “spalmati” sull’intero impianto, divenendo così meno onerosi rispetto a quanto accade nei piccoli sistemi. È il caso, ad esempio, degli organi di cir-colazione del fluido termovettore, dei serbatoi di accumulo o dello scambiatore di calore. Anche per i collettori solari, inoltre, è riscontrabile un minor costo al metro quadrato installato, dovuto alla maggiore quantità acquistata. Una valutazione di questo aspetto sarà condotta più avanti affron-tando il tema dell’analisi economica.

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2. Il teleriscaldamento solare

Fattore di copertura

Gli impianti di teleriscaldamento sono presenti nel nostro paese prevalentemente nelle regioni del centro-nord, a causa di ragioni non solo climatiche ma anche di quella che potremmo chiamare una sorta di “tradizione tecnologica”.

Tali impianti, che producono centralmente calore per poi distribuirlo alle utenze, sfruttano soprat-tutto gas naturale o rifiuti come combustibile per alimentare caldaie o unità cogenerative anche se, soprattutto negli ultimi anni, si sono moltiplicati gli esempi di centrali di teleriscaldamento alimen-tate a biomasse.

Nell’Europa centrale e nei paesi scandinavi, invece, il solare termico è una soluzione tecnologica che viene già usata da decenni per contribuire alla produzione di energia termica che va ad alimentare le reti di teleriscaldamento. L’impianto solare termico, che può integrarsi in una rete preesistente o essere progettato e dimensionato in occasione di una nuova rete o di una estensione, può essere destinato alla copertura del fabbisogno estivo di rete, coprendo così solo i consumi di acqua calda sanitaria, oppure contribuire parzialmente anche alla domanda invernale di calore per il riscalda-mento degli ambienti.

Nel primo caso, la “frazione solare”, vale a dire la percentuale del fabbisogno complessivo della rete coperta tramite l’impianto solare è solitamente inferiore al 10%. Quando, invece, l’impianto ambi-sce a soddisfare anche parte del fabbisogno termico invernale, è necessario incrementare il numero di collettori solari e, parallelamente, al fine di non sprecare il surplus estivo di calore prodotto, ma invece riutilizzarlo nella stagione fredda, bisogna prevedere un accumulo di tipo stagionale, con vo-lume molto più elevato, come si riscontra dall’analisi dei valori riportati in tabella.

Integrazione con la rete

L’integrazione dell’impianto solare con la rete di teleriscaldamento può essere centralizzata o di-stribuita. La prima soluzione prevede che il calore solare generato sia inviato alla centrale termica della rete dove andrà a integrare la produzione da altre fonti energetiche. Ciò non implica necessa-riamente che i collettori solari siano tutti posizionati nella stessa area.

Copertura impianto Frazione solare attesa Volume di accumulo necessario

Copertura estiva per acqua calda sanitaria

5÷10% 50÷100 l/m2

Copertura invernale parziale 30÷50% Almeno 1500 l/m2

Il concetto di centralizzazione, quindi, fa riferimento alle modalità di integrazione energetica e idraulica. Come si vede nella figura che segue, infatti, una integrazione centralizzata può essere le-gata a un impianto costituito da più sezioni di collettori installate su superfici diverse (a terra, su tetto, ecc.).

Copertura solare e volume del serbatoio di accumulo

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L’integrazione distribuita, invece, comporta che l’impianto solare possa riversare il calore prodotto direttamente nella rete, o anche alle utenze finali, senza il passaggio in centrale termica. La scelta di questa soluzione è subordinata a una attenta verifica di compatibilità tra i valori di pressione e temperatura della rete di teleriscaldamento e quelli del flusso generato dal circuito solare.

Esempi di questa tipologia di integrazione sono oggi operativi in Austria, spesso con gestione dell’impianto solare affidata a una società ESCO diversa dalla utility di teleriscaldamento, e in Sve-zia, dove sono stati addirittura messi in piedi contratti di “net-metering” del calore. Il singolo utente si è allora fatto carico dell’installazione del suo impianto solare e può ora scambiare energia termica con la rete di teleriscaldamento, conteggiando vendite e acquisti su base mensile o annua.

Come noto, i collettori solari termici operano con una efficienza legata alla temperatura che devo-no raggiungere per il fluido termovettore. Minimizzare tale temperatura, quindi, è di fondamentale importanza per una ottimizzazione dell’impianto. Da questo punto di vista, è possibile ipotizzare tre diverse tipologie di connessione tra l’impianto solare e la rete di teleriscaldamento, come illustrato nello schema sotto riportato.

Integrazione centralizzata

Integrazione distribuita

Possibili disposizioni idrauliche del flusso solare (fonte: Solar District Heating Guidelines, www.solar-district-heating.eu)

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Nella prima ipotesi, il solare riscalda la linea di ritorno (“return”) della rete di teleriscaldamento e re-stituisce il flusso sulla mandata (“flow”). Si deve lavorare, perciò, a temperatura di output costante, pari a quella prevista sulla mandata della rete e, quindi, a portata variabile. La pompa di circolazione è a carico di chi realizza l’impianto solare e deve compensare la differenza di pressione tra ritorno e mandata. La temperatura sul ritorno, inoltre, non viene modificata.

La seconda soluzione prevede essenzialmente che il solare operi in pre-riscaldamento sulla linea di ritorno. Si ottengono, in tal modo, le minori temperature di funzionamento possibili per il solare, massimizzando l’efficienza di conversione dei collettori. Il circuito solare, inoltre, può operare a por-tata costante. Dal punto di vista del gestore della rete, invece, tale soluzione potrebbe comportare qualche inconveniente, incrementando le perdite termiche sulla linea di ritorno e diminuendo l’effi-cienza di altri generatori di calore alimentati dalla stessa linea.

L’ultima modalità di integrazione, che agisce interamente sulla mandata, non è solitamente applica-ta in quanto, implicando elevate temperature per il circuito solare, ne limita in modo considerevole il rendimento.

Accumuli stagionali

Come osservato sopra, una peculiarità dei più grandi impianti di teleriscaldamento solare in Europa, che raggiungono frazioni solari anche del 50%, è la presenza di un accumulo stagionale di calore, che mantiene caldo il surplus di energia termica prodotta in estate e lo riutilizza nella stagione fredda.

Le tipologie più utilizzale sono tre: a serbatoio, a fossa e a sonde.

Gli accumuli a serbatoio, realizzati in cemento armato, acciaio o materiali plastici rinforzati, sono disposti esternamente o sottoterra.

Quelli a fossa, invece, presentano un costo più contenuto perché privi di elementi costruttivi statici. Semplicemente si realizzano un isola-mento termico e un rivestimento plastico in una fossa scavata nel terreno, che viene poi riempita con una miscela di acqua e ghiaia.

Gli accumuli a sonde, infine, sono costituiti da una serie di pozzi con profondità di alcune decine di metri, dove vengono inseriti tubi a U nei quali scorre un fluido termovettore che realizza lo scambio termico tra la rete di tele-riscaldamento e il terreno. In questo caso, l’i-solamento del “serbatoio virtuale” costituito

dalla porzione di suolo interessata è presente solo sul lato superiore ma non sui bordi. La

Rete di teleriscaldamento alimentata da solare termico, unità cogenerative a gas (“Gas motor”) e caldaia a gas (“Gas boiler”) (fonte: PlanEnergi - www.planenergi.dk)

Scavo di un grande accumulo a fossa in Danimarca (fonte: www.solarmarstal.dk)

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stratificazione del calore si sviluppa in di-rezione orizzontale, con le zone più calde al centro e quelle più fredde verso i bordi dove, proprio a causa della mancanza di isolamen-to, i rischi di perdita termica sono notevoli.

Tipologia accumulo A serbatoio A fossa A sonde

Mezzo Acqua Acqua Acqua/ghiaia (a/g)

Suolo

Capacità termica (kWh/m3)

60÷80 60÷80 30÷50 (a/g)

15÷30

Volume necessario per ottenere 1 m3 di accumulo ad acqua

equivalente (m3)

1 1 1,3÷2 (a/g)

3÷5

Requisiti geologici • Condizioni del terreno stabili

• Assenza di acqua di falda

• Profondità di 5÷15 m

• Condizioni del terreno stabili

• Assenza di acqua di falda


• Terreno perforabile

• Elevate capacità termica e conducibi-lità termica

• Bassa conducibilità idraulica (<10-10 m/s

• Bassa mobilità dell’acqua di falda


Tubo a U per un accumulo stagionale a sonde (fonte: www.braedstrup-fjernvarme.dk)

Caratteristiche tecniche delle più comuni tipologie di accumulo stagionale

Per informazioni sul teleriscaldamento solare

Progetto SDHplus: www.solar-district-heating.eu

Progetto Sunstore4: www.sunstore4.eu

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3. Solare termico per calore di processo industriale

Contrariamente a quanto spesso si pensa, la bolletta energetica di alcuni comparti industriali non è legata al solo consumo elettrico ma dipende molto, invece, anche dal fabbisogno termico per la produzione di calore di processo. Tale fabbisogno, inoltre, è spesso richiesto in un campo di tem-perature piuttosto contenuto e, perciò, come già sottolineato in precedenza, perfettamente com-patibile con un funzionamento efficiente dei collettori solari termici. Il grafico che segue riporta la distribuzione percentuale in temperatura del consumo di calore totale per alcuni settori industriali.

Si può notare come alcuni comparti come quello alimentare (“Food and tobacco”), tra l’altro carat-teristici del panorama industriale italiano, richiedano più del 50% del loro fabbisogno termico a una temperatura inferiore ai 100 °C. Ciò implica che impianti solari termici con collettori commerciali convenzionali, vale a dire che utilizzino la tecnologia piana vetrata o a tubi sottovuoto, sono del tutto utilizzabili per soddisfare tale domanda di calore.

Sotto-settore Processo industriale Campo di temperatura in °C

Latte / caseario Pastorizzazione 62÷85

Produzione formaggio 40÷90

Produzione formaggio 130÷150

Frutta e verdura Pastorizzazione <80

Sterilizzazione 110÷125

Cottura 70÷100

Carne Lavaggio, sterilizzazione, pulizia <90

Cottura 90÷100

Bevande Lavaggio bottiglie 80÷90

Campi di temperature per alcuni processi industriali tipici del settore alimentare

Campi di temperature per alcuni processi industriali tipici del settore alimentare

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Il settore alimentare, in particolare, presenta numerosi sotto-processi interessanti per il solare termico, proprio perché necessitano di un contributo di energia termica in campi di temperature piuttosto contenuti, come riassunto nella tabella che segue. Molti sono gli esempi, infatti, ormai operativi in Italia e in Europa, di applicazione di impianti solari in questo comparto industriale.

Le principali condizioni per la fattibilità di un tale impianto sono la presenza di una domanda di calo-re a temperatura bassa o media, una certa continuità della domanda stessa nel tempo e la fattibilità tecnica di inserimento nel preesistente sistema di produzione e distribuzione del calore.

Riguardo quest’ultimo punto, lo schema tecnico semplificato, riportato nel seguito, mostra come esistano tre modalità di integrazione per il solare: l’azione in preriscaldamento (collegamento in serie con il sistema preesistente), la produzione in parallelo al generatore convenzionale e l’accop-piamento diretto con un sotto-processo.

La terza modalità, sebbene spesso difficilmente praticabile per ragioni impiantistiche, sarebbe la più interessante in un’ottica di massimizzazione dell’efficienza perché è proprio sul singolo processo che si verificano le temperature minime nel sistema di distribuzione del calore.

Un caseificio artigianale italiano, ad esempio, ha investito 150.000 € in un impianto solare, con un risparmio annuo di gas attorno ai 30.000 € e un ritorno economico in 5 anni. L’impianto, con quasi 300 m2 di collettori sottovuoto, fornisce calore ai seguenti processi: preriscaldo dell’accumulo esi-stente, pastorizzazione in centrifuga a 72 °C, riscaldamento della pre-cagliata a 40 °C, formatura e stufatura a 60 °C, preriscaldo in ricottura a 80 °C.

Modalità di integrazione del solare termico nei processi industriali

Solare termico in un’azienda enologica (fonte: Kloben)Solare termico su un caseificio (fonte: Kloben)

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Un altro interessante campo di applicazione è quello dell’industria enologica. Un impianto localiz-zato nel nord Italia produce acqua calda sanitaria per: lavaggio superfici, lavaggio bottiglie, lavaggio filtri e macchinari per il trattamento vini. Una superficie di collettori pari a 60 m2 fornisce 31 MWh/anno di calore a temperature comprese tra i 35 °C e i 60 °C, contribuendo a coprire ben il 70% del fabbisogno termico per gli usi sopra elencati.

4. Acqua calda per strutture ricettive

Le strutture ricettive, in particolare quelle alberghiere, risultano particolarmente adatte per l’impiego della tecnologia solare termica. Esse presentano, infatti, un notevole consumo di acqua calda a uso sanitario e, spesso, in perfetta fase con la quantità di fonte solare, in quanto i picchi di presenze si verificano quasi sempre nella stagione estiva.

A ciò si aggiunga che, rispetto a un intervento di ana-loga dimensione in un condominio residenziale, si ve-rifica l’innegabile vantaggio di avere a che fare, nella maggior parte dei casi, con una caldaia centralizzata. Tale circostanza semplifica notevolmente l’integrazione impiantistica del solare. Un altro lato positivo, infine, è la solitamente buona disponibilità di adeguato spazio in copertura per l’installazione dei collettori.

Se l’impianto solare termico, dimensionato al fine di coprire ad esempio il fabbisogno estivo, risulta di taglia considerevole, è possibile utilizzare collettori solari pre-assemblati con una superficie unitaria anche di 10÷15 m2 ciascuno. Questa scelta consente di sfruttare al meglio lo spazio disponibile, nonché di minimizzare tempi ed errori in fase di installazione.

Un aspetto da considerare nella progettazione, valido in realtà più in generale per tutti i grandi impianti, è quello dell’accuratezza nella stima dei consumi. Se è vero, in-fatti, che da un lato si cercherà di coprire con il solare la frazione più alta possibile del fabbisogno complessivo, è altresì importante non rischiare di sovradimensionare l’impianto basandosi su consumi attesi eccessivamente elevati. Ciò porterebbe a un rischio di surriscaldamen-ti troppo frequenti e a sovrapproduzioni di calore non utilizzato.

Un esempio di applicazione è quello dell’hotel Tyrol, si-tuato a Canazei, in Val di Fassa. L’hotel, che dispone di 90 posti letto, si è dotato di un impianto solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria e per suppor-

Collettori solari pre-assemblati (fonte: SOLID)

Solare termico per albergo (fonte: Wagner & Co. Solar)

Una fase di montaggio dei collettori pre-assemblati (fonte: Wagner & Co. Solar Italia)

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to invernale al riscaldamento degli ambienti. L’impianto è costituito da 6 collettori di grande dimen-sione che raggiungono una superficie captante complessiva pari a 61 m2.

Il fluido termovettore proveniente dai collettori scalda un accumulo tampone da 3.000 litri. Il calore è poi ulteriormente trasferito a due accumuli per acqua calda sanitaria, ciascuno con un volume di 800 litri, tale da coprire il fabbisogno anche nei momenti di maggior prelievo.

5. Il “solar cooling”

Concetto e soluzioni impiantistiche

Il solare termico può coprire parzialmente anche il fabbisogno energetico per il raffrescamento esti-vo degli ambienti tramite l’accoppiamento con una macchina frigorifera ad assorbimento. Si parla allora di impianti di “solar cooling”. Il vantaggio più evidente di tale soluzione è quello della perfetta coincidenza temporale tra domanda di energia frigorifera e disponibilità di risorsa solare.

Per il solare, infatti, il raffrescamento estivo è uno “sfogo” ideale per evitare la sovrapproduzione energetica nella stagione calda. Se si dimensiona un impianto sulla base del fabbisogno invernale per riscaldamento degli ambienti, si arriva sicuramente a un surplus energetico in estate. Tale sur-plus, innanzitutto, rappresenta un vero e proprio spreco, perché l’acqua calda prodotta non genera alcun risparmio energetico, facendo lievitare il tempo di ritorno economico dell’investimento.

La sovrapproduzione, inoltre, ha come ulteriore conseguenza il frequente funzionamento dell’im-pianto in condizioni di stagnazione, con possibili danni strutturali ai collettori solari e ad altri ele-menti del circuito. Tra tutti, si segnala il fluido termovettore, quasi sempre costituito da acqua e antigelo, che può subire modificazioni chimiche sostanziali quando le condizioni di stagnazione si verificano con eccessiva frequenza. Quando, invece, l’impianto solare è anche collegato a una mac-

Andamento annuale della radiazione solare e dei fabbisogni termici per diverse applicazioni

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china frigorifera, la quasi totalità della sua produzione estiva viene destinata al raffrescamento de-gli ambienti, evitando così i problemi ora esposti.

Nonostante tale coincidenza tra domanda e offerta, è inevitabile che si verifichino degli sfasamen-ti su base giornaliera, per bilanciare i quali è necessario prevedere la presenza di un accumulo. La novità rispetto ai sistemi già analizzati risiede in una doppia scelta per il serbatoio di accumulo. È possibile, infatti, non solo immagazzinare acqua calda che sarà poi inviata come input alla macchina ad assorbimento quando richiesto, ma anche accumulare acqua refrigerata in un “serbatoio freddo”. Tale riserva di energia frigorifera viene trasferita poi alle utenze quando necessario.

Un altro elemento caratterizzante un impianto di “solar cooling” è la modalità di interconnessione con la fonte energetica integrativa. L’accoppiamento tra le due fonti può avvenire sul “lato caldo” quando, ad esempio, solare termico e caldaia a gas producono calore di input per lo stesso chiller. In questo caso, il solare può agire in pre-riscaldamento, posizionandosi nel campo di temperature più basso e, in tal modo, operando con buona efficienza. La seconda possibilità è quella di una intercon-nessione sul “lato freddo”: il raffrescamento degli ambienti può essere allora ottenuto dall’azione parallela dell’acqua refrigerata tramite la combinazione tra solare termico e chiller ad assorbimento e di una più convenzionale macchina frigorifera a compressione. Il fabbisogno totale viene livellato dalla domanda di energia per il raffrescamento.

Parametri chiave

Le macchine ad assorbimento con assorbitore solido richiedono temperature di ingresso pari a 60÷90 °C e presentano un COP di 0,5÷0,7, mentre quelle con assorbitore liquido hanno bisogno di acqua a 80÷110 °C e raggiungono COP di 0,6÷0,8 per macchine a singolo stadio e anche valori di 1,2 per dispositivi a doppio stadio. Si ricorda che il COP (“Coefficient Of Performance”) per una macchi-na ad attivazione termica si definisce come il rapporto tra il calore prelevato dal circuito dell’acqua fredda e l’energia termica impiegata per alimentare il processo.

Nonostante un dimensionamento esatto dipenda da svariati parametri che non è possibile analizza-re in dettaglio in questa sede, si può stimare che, per ogni kW di capacità frigorifera della macchina ad assorbimento, siano necessari 3÷4 m2 di collettori solari.

Il solare può poi essere accoppiato anche con sistemi di raffrescamento evaporativo ad adsorbi-

Il fabbisogno totale viene livellato dalla domanda di energia per il raffrescamento

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mento per la produzione di aria fredda, noti come sistemi DEC (“Dessicant and Evaporative Coo-ling”). In questo caso le temperature di attivazione scendono nel range 50÷80 °C, il COP è compreso tra 0,5 e 1 e sono necessari 8÷10 m2 di collettori solari per ogni 1.000 m3/ora di capacità installata.

Un esempio italiano

(Immagini e dati forniti da A. Frein e M. Calderoni – Politecnico di Milano)

Un impianto di “solar cooling” con super-ficie lorda dei collettori pari a 110 m2 è stato recentemente installato in un al-loggio per studenti a Milano. I collettori sono del tipo piano vetrato e l’impianto combina la tecnologia DEC sopra intro-dotta con una pompa di calore elettrica. L’unità di trattamento aria DEC ha una mandata di 6.000 m3/h ed è costituita da: una ruota dessiccante, uno scambiatore di calore a flussi incrociati e un umidifi-catore sul ritorno dell’aria. La pompa di

calore, del tipo acqua-acqua e reversibile, presenta una potenza frigorifera di 27,4 kW e una poten-za termica di 32,9 kW. Il serbatoio di accumulo dell’impianto solare ha un volume di 5 m3.

La strategia di controllo estivo prevede che la pompa di calore raffreddi il flusso di aria sulla manda-ta e preriscaldi l’aria di rigenerazione quando si verifichi la necessità di una deumidificazione. L’ener-gia termica proveniente dall’impianto solare è utilizzata per la rigenerazione della ruota dessicante.

Nella stagione invernale, invece, l’output di calore in uscita dai collettori solari termici può essere impiegato direttamente per riscaldare l’aria se l’acqua nel serbatoio si trova a una temperatura suf-ficientemente alta, oppure essere sfruttato come sorgente calda nel circuito della pompa di calore.

Strategia di controllo per il funzionamento estivo

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6. Dimensionamento e progettazione

Temperatura di esercizio e producibilità

Il dimensionamento della taglia di un impianto solare di grande dimensione, inteso come superficie captante dei collettori che lo costituiscono, può prendere le mosse da diverse esigenze: la copertura di una certa percentuale di fabbisogno (e, quindi, il raggiungimento di una frazione solare desidera-ta), l’area disponibile per l’installazione su una certa superficie (es: il tetto di uno stabilimento in-dustriale), il budget massimo da investire oppure, ancora più semplicemente, la taglia massima che consenta di accedere a un meccanismo di incentivazione (si veda, ad esempio, il calcolo economico del paragrafo successivo).

Si supponga di dimensionare un impianto secondo il criterio della copertura. Un esempio potrebbe essere quello di una piccola industria che vuole soddisfare il 30% della domanda annuale di energia termica mediante l’impianto solare. Tale domanda sia pari a 1.500 MWh/anno. il solare dovrebbe allora produrre circa 500 MWh/anno.

Per determinare la taglia necessaria per l’impianto, bisogna ora calcolare la producibilità di un me-tro quadrato di solare termico. Tale resa dipende dalla quantità di energia solare incidente sulla superficie, nonché dall’efficienza operativa del collettore che, a sua volta, è legata all’irraggiamento

Strategia di controllo per il funzionamento invernale

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solare istantaneo e alla differenza tra la temperatura media del fluido termovettore nel collettore stesso e la temperatura ambiente esterna. L’equazione che esprime l’efficienza è la seguente:

η = ηo – a1∙ΔT* – a2∙(ΔT*)2

dove ηo, a1 e a2 sono parametri che dipendono dal collettore scelto e che sono sempre riportati sulla sua scheda tecnica. Il ΔT*, invece, è uguale alla sopra citata differenza di temperatura divisa per il valore istantaneo dell’irraggiamento solare.

Supponiamo che, per alimentare il processo industriale di cui sopra, sia necessaria una temperatura media nel collettore pari a 60 °C e che 10 °C sia la temperatura esterna, con un irraggiamento di 500 W/m2. Un collettore solare di buona qualità, in queste condizioni opera con un’efficienza del 55%. Se l’industria è localizzata in una regione del centro-nord, con una radiazione solare di 1.500 kWh/m2

anno, ciò significa che un metro quadrato di collettore è in grado di produrre circa 800 kWh/anno. Per soddisfare un fabbisogno di 500 MWh/anno (si veda sopra), saranno allora necessari 625 m2 di collettori solari.

Per il dimensionamento reale di un impianto, ovviamente, è necessario utilizzare appositi software di progettazione che possano stimare l’efficienza operativa dei collettori in ogni istante, al variare delle condizioni di funzionamento.

È opportuno sottolineare l’importanza della temperatura alla quale deve essere fornito il calore. Essa, infatti, richiede che la temperatura media del fluido all’interno del collettore sia pari a un va-lore prefissato e, quindi, influenza notevolmente l’efficienza del collettore stesso. Se, nell’esempio sopra descritto, la temperatura necessaria fosse di 80 °C anziché di 60 °C, l’efficienza del collettore scenderebbe dal 55% al 47%.

Nel grafico che segue si vede come l’output energetico annuale di tre diversi collettori solari cambi al variare della temperatura media del fluido (T

m).

Volume di accumulo

Un impianto solare termico è quasi sempre accoppiato a uno o più serbatoi di accumulo, che con-sentono di equilibrare lo sfasamento tra disponibilità di risorsa solare e richiesta di energia da parte dell’utenza. Solitamente, la taglia di tale accumulo è calcolata per far fronte a un’esigenza giornalie-ra, ipotizzando una discontinuità di carico, e varia tra 50 e 100 litri di acqua per ogni metro quadrato

Output energetico annuale di tre collettori solari al variare della temperatura media del fluido (A: collettore sottovuoto a elevate prestazioni; B: collettore piano a elevate

prestazioni; C: collettore piano a medie prestazioni)

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di solare installato. Se la domanda termica è caratterizzata da una maggiore continuità, tale valore potrebbe scendere o, addirittura, potrebbe non essere necessario utilizzare un volume di accumu-lo. Questo può essere il caso, ad esempio, di un processo industriale che richiede calore almeno durante tutta la giornata e senza interruzioni settimanali e dove il solare fornisca una piccola parte del fabbisogno complessivo. Si sarebbe allora certi che tutto il calore prodotto dall’impianto solare possa essere assorbito all’istante dal processo stesso.

Quando un impianto solare termico è integrato in un sistema di teleriscaldamento, spesso si verifica che la funzione di accumulo giornaliero, data la considerevole estensione delle tubazioni di rete, può essere svolta dal contenuto di fluido nella rete stessa. In tali impianti, inoltre, come già sopra osservato, il fattore di copertura solare può essere incrementato consentendo l’immagazzinamento dell’energia termica prodotta dai collettori in estate, per poi riutilizzarla nella stagione invernale. L’accumulo, allora, presenta un carattere stagionale e deve essere in grado di immagazzinare una quantità di energia termica molto più elevata. Questi accumuli possono avere bisogno di un volume di 2.000÷3.000 litri per ogni m2 di collettore solare.

Collegamenti idraulici tra i collettori

L’elevato numero di collettori solari presenti in un impianto di grande dimensione richiede particola-re attenzione nella disposizione dei collegamenti in serie o in parallelo tra gli stessi.

Un primo criterio da rispettare è quello di far sì che i collegamenti scelti conducano a un valore della portata che scorre in ogni singolo collettore che sia il più vicino possibile al range consigliato dai produttori nella scheda tecnica del collettore stesso. Si tratta, infatti, del risultato di prove di laboratorio, che identificano le velocità del fluido in corrispondenza delle quali viene ottimizzato lo scambio termico.

Il massimo numero di collettori da collegare in serie, inoltre, dovrebbe essere confrontato ancora una volta con le indicazioni dei produttori/fornitori, tenendo conto anche del fatto che tale collega-mento implica che gli ultimi collettori della serie lavorino a elevate temperature e, quindi, a efficien-za sicuramente più bassa.

Soprattutto nel centro-nord Europa, una pratica progettuale diffusa è quella del “low flow”, nel qua-le la portata totale è piuttosto contenuta, mentre quella nei singoli collettori è più alta ed elevato è il numero di collettori collegati in serie. In questo modo, si mantiene un buon scambio termico nei collettori e, allo stesso tempo, si possono ridurre i diametri delle tubazioni grazie alla più bassa portata complessiva.

Un altro aspetto fondamentale è quello del bilanciamento idraulico tra le diverse sezioni dell’im-

Collegamento in serie tra due collettori solari (fonte: Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano)

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pianto, necessario al fine di assicurare uno scambio termico uniforme e, quindi, un bilanciamento anche in termini di temperature. A tal fine, ogni possibile percorso idraulico deve presentare lo stes-so valore per le perdite di carico. È possibile ottenere tale risultato con sistemi attivi come, ad esem-pio, le valvole di bilanciamento, ma soluzioni di questo tipo devono essere soggette a una continua verifica e possono comportare maggiori problemi dovuti a guasti o a malfunzionamenti. Soluzioni intrinsecamente sicure, invece, sono quelle che prevedono un auto-bilanciamento dei vari rami del circuito.

Il sistema Tichelmann, illustrato nella figura che segue, permette di bilanciare le perdite di carico lungo le tubazioni di ciascun collettore (o sotto-campo), facendo in modo che la lunghezza comples-siva (mandata e ritorno) dei tubi che collegano i sotto-campi sia identica. Viene cioè artificialmente aumentata la lunghezza idraulica sulla mandata dei collettori (o dei sotto-campi) più vicini, in modo che quelli più lontani non risultino penalizzati. Lo svantaggio è il maggior costo delle tubazioni e della manodopera necessaria al montaggio.

Collegamento in parallelo tra due collettori solari (fonte: Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano)

Bilanciamento idraulico tra sotto-campi (fonte: Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano)

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7. Analisi economica e incentivi

Voci di costo

Come già evidenziato nelle note introduttive, gli impianti solari termici di grande taglia presentano un costo specifico, vale a dire al metro quadrato installato, solitamente molto più contenuto rispet-to ai piccoli sistemi a uso residenziale.

Se, infatti, un sistema di piccola taglia può avere un costo specifico “chiavi in mano” a volte anche superiore ai 1.000 €/m2, un impianto di grande dimensione può scendere nel range 400÷600 €/m2. Resta chiaramente una estrema variabilità dovuta a numerosi parametri come l’installazione a terra o su tetto, la necessità di opere civili, la presenza di un serbatoio di accumulo, ecc.

Nei grandi impianti di teleriscaldamento solare in Danimarca, date le taglie in gioco, pari anche a qualche migliaio di metri quadrati in un solo sistema, si sono raggiunti valori di costo specifico anche inferiori ai 200 €/m2.

Le principali voci di costo che compongono l’investimento sono:

• costo “chiavi in mano”, comprensivo di installazione, nonché di connessione e di allaccio all’uten-za

• costo dell’interesse sul capitale investito

• costo di esercizio e manutenzione

Il costo “chiavi in mano” è a sua volta divisibile in:

• collettori solari, comprensivi di strutture di supporto e tubazioni di collegamento;

• fluido antigelo

• zona di installazione (terreno o tetto); date le taglie degli impianti, il costo di acquisto o di affitto potrebbe rappresentare un contributo rilevante

• scambiatori di calore, pompe, vasi di espansione, valvole, dispositivi di sicurezza, regolazione e controllo, ecc.

• accumulo

• varie (p.es. recinzioni, livellamento del terreno, opere edili, ecc.)

• installazione e collaudo

• dimensionamento e progettazione

I costi di esercizio sono legati al consumo elettrico delle pompe di circolazione e dei dispositivi di regolazione. Per avere un riferimento, è possibile utilizzare i valori relativi agli impianti danesi di teleriscaldamento solare, che indicano un consumo di circa 5 kWh elettrici per ogni MWh di calore solare prodotto, corrispondente a un onere di circa 0,5 €/MWh. Poiché solitamente il costo di pro-duzione dell’energia termica è di qualche decina di Euro per ogni MWh generato, il contributo dei costi di esercizio è spesso poco rilevante.

A questi costi devono essere poi aggiunti quelli di manutenzione, stimabili annualmente tra 1% e 2% dell’investimento.

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Un esempio di calcolo

Si supponga di valutare un im-pianto solare per una rete di te-leriscaldamento. Per beneficiare del conto termico, si decide di installare un impianto con super-ficie lorda di 1.000 m2, che rap-presenta il limite massimo incen-tivabile tramite tale meccanismo. Non è una taglia che consenta un effetto scala eccezionale ma, con un montaggio a terra e senza un serbatoio di accumulo (già pre-sente nella centrale termica di te-leriscaldamento), si raggiunge un costo specifico pari, ad esempio, a 450 €/m2. L’impianto presenta, quindi, un costo di investimento complessivo di 450.000 €.

Valutando le condizioni di eser-cizio annuali, si arriva a stimare

una producibilità dell’impianto solare pari a 600 kWh/m2 anno corrispondente, ad esempio, a un rendimento medio di sistema pari al 40% in un clima dell’Italia centrale. L’energia termica totale in output, quindi, è pari a 600 * 1.000 = 600.000 kWh/anno. Si ipotizza che questo output energetico sostituisca una eguale quantità di calore che si sarebbe dovuta produrre mediante una caldaia a metano con efficienza del 90%. Si ottiene così un risparmio di metano pari a circa 68.000 m3/anno. A un costo di 0,5 €/m3, ciò comporta un risparmio economico di circa 34.000 €/anno.

Il tempo di ritorno, anche calcolato semplicemente senza tener conto degli interessi sul capitale, sarebbe superiore ai 10 anni.

La disponibilità dell’incentivo secondo il meccanismo del conto termico, però, appare particolar-mente interessante per questi sistemi, poiché fornisce un contributo forfettario pari a 55 €/m2 ogni anno per un periodo di 5 anni. Un impianto di questo tipo, perciò, riceverebbe 275.000 € in totale, pari a circa il 60% del costo complessivo dell’investimento. Il costo netto sarebbe allora pari a 450.000-275.000 = 175.000 € e, con il risparmio energetico ed economico, sopra calcolato, si potrebbe ipotizzare un ritorno in un tempo stimabile attorno ai 5 anni.

Impianto solare termico di grande taglia su una pensilina di parcheggio (Crailsheim, Germania)

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Riferimenti bibliografici

IMPIANTI SOLARI TERMICI PER RETI DI TELERISCALDAMENTO

di Riccardo Battisti, Dario Flaccovio Editore

Il manuale tecnico si propone come un testo esaustivo sugli impianti solari termici di grande taglia, con un focus specifico sulle loro applicazioni in reti di teleriscaldamento. Si rivolge a tecnici e professionisti nel settore del solare termico o in quello del teleriscaldamento. Sebbene redatto in un linguaggio rigoroso lo stile semplice permette la fruizione anche da parte di lettori meno esperti. I principali argomenti trattati: tecnologia del solare termico e parametri operativi, dimensionamento e progettazione degli impianti, esercizio e manutenzione, garanzie, affidabilità ed esperienze sul campo, analisi di costi, risparmi e incentivi. Il testo è completato da schede tecniche su dieci impianti realizzati e da una ricca documentazione fotografica. Si tratta del primo e unico testo in lingua italiana sull’argomento.

Per informazioni: http://snipurl.com/28lig9u

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Schede sponsor

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Un impianto solare termico ha un’elevata convenienza economica e una provata affidabilità. Un grande impianto solare termico trae inoltre tutto il vantaggio dell’economia di scala e permette di ottenere costi del kWh termico prodotto estremamente competitivi e quindi brevi tempi di ritorno dell’investimento. Per realizzare un grande impianto solare termico non ci si può improvvisare: Wagner & Co vanta oltre 30 anni di esperienza e centinaia di referenze italiane ed europee di impianti dai 100 agli oltre 5000 m². Un pioniere della tecnologia solare al fianco di installatore, progettista e committente, per realizzare con successo ogni grande progetto ad energia pulita.

Dalla progettazione alla realizzazione di grandi impianti solari termici I sistemi Wagner & CO per grandi impianti sono adatti a molteplici applicazioni, sia nel totale rifacimento di centrali termiche che come integrazione per solarizzare un impianto di riscaldamento esistente. Alcuni esempi sono: condomini, alberghi, campeggi ospedali e case di cura piscine e centri sportivi, altre applicazioni con elevati consumi di acqua calda, reti di teleriscaldamento.

Esempio di best-practice: la piscina comunale di Bra (CN) Questo progetto nasce nel 2011 all’interno del programma “Il sole negli enti pubblici” con lo scopo di abbattere i consumi di combustibile fossile per riscaldare una piscina olimpionica coperta.

Oltre a trattarsi di un campo solare di dimensioni importanti, le principali “sfide” tecniche di questo progetto sono state l’integrazione con l’impianto esistente ed il fissaggio in copertura dei collettori grande-formato: per il primo si è studiata una soluzione di integrazione tramite valvola miscelatrice sul ritorno, che consentisse l’apporto di energia solare non appena questa fosse disponibile. Per il secondo invece è stata sfruttata tutta l’esperienza Wagner & Co come produttore, oltre che di impianti solari termici, anche dei sistemi di montaggio TRIC. La struttura completa per ancorare i collettori LBM sulla copertura in lamiera grecata, interamente in alluminio ed acciaio inox, è stata dimensionata staticamente e fornita interamente da Wagner & Co assieme al resto dei componenti.

Caratteristiche principali:

• 18 collettori LBM 10 HTF, sup. tot. ca. 200m2

• accumulo solare in 2 puffer da 2500l/cad

• struttura di supporto dimensionata ad-hoc per fissaggio su tetto in lamiera gre-cata

• utilizzo del calore solare: riscaldamento piscina e docce utenti.

Wagner & Co Solar Italia srl

Sito ufficiale: www.it.wagner-solar.com

Scheda prodotto SOLARstore: http://snipurl.com/28lhzh2

Approfondimenti su QualEnergia.it

Scheda prodotto SOLARfresh: http://snipurl.com/28lhziv

http://www.solarcalor.it/

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Be Solar opera sia come distributore di sistemi e componenti, che come fornitore “chiavi in mano” in contesti civili ed industriali per impianti di piccole o grandi dimensioni. Si contraddistingue per la sua esperienza e la sua specializzazione nel campo, oltre che per la qualità dei materiali trattati.

La progettazione è curata da un ufficio tecnico composto da ingegneri specializzati e permette di offrire i seguenti servizi:

• consulenze e studi di fattibilità

• progettazione, direzione lavori, collaudo di impianti tecnologici, termici, elettrici, Tlc, Impianti industriali BT/MT

• pratiche autorizzative, autorizzazioni paesaggistiche, autorizzazioni uniche, VIA

• pratiche amministrative connesse alla realizzazione e alla messa in esercizio de-gli impianti, pratiche per la connessione degli impianti di produzione di energia, pratiche UTF, GSE

• integrazione di sistemi per la produzione di energie da fonti rinnovabili

• assistenza per richieste di contributo e finanziamenti.

La realizzazione degli impianti viene affidata al personale composto da profili diversificati, qualificati e specializzati nell’ ottenere risultati finali a regola d’arte. Questo permette di offrire soluzioni integrate per l’efficientamento energetico e non solo, tra queste: costruzione di impianti solari fotovoltaici residenziali e industriali, realizzazione di impianti elettrici, impianti termotecnici civili e industriali.

L’ampia varietà delle soluzioni Be Solar trova la sua massima espressione se le stesse vengono integrate all’interno di un progetto complesso di ristrutturazione edilizia o nuova costruzione. In Be Solar è possibile trovare consulenti competenti e capaci in grado di aiutare il cliente a realizzare il suo progetto cucendolo su misura in base alle esigenze del cliente.

Be Solar

Sito ufficiale: www.besolar.it

Case History Be Solar: http://snipurl.com/28lhzkt


Scheda prodotto Collettore Euro L20 MQ: http://snipurl.com/28lhzmf

http://www.besolar.it/

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Il solare termico viene spesso considerato utile solo nel caso in cui si deve produrre acqua calda sanitaria in ambito civile, ma i maggiori risparmi con questa tecnologia si ottengono in ambito industriale o su condomini, strutture ricettive, sportive e nei casi in cui si abbia una grossa richiesta di calore sia in estate che in inverno. Questo perché l’economia di scala in tali situazioni gioca a favore del cliente che affronta un costo inferiore al metro quadrato di pannello installato, riuscendo così ad ottenere dei ritorni dell’investimento in tempi minori.

È naturale che la realizzazione di impianti di grandi dimensioni richieda una maggiore professionalità e specializzazione rispetto agli impianti domestici oltre a porre particolare attenzione alla qualità dei componenti utilizzati. Tuttavia gran parte dei problemi devono essere risolti preventivamente con un accurato dimensionamento e una efficace progettazione che permettano anche una valida integrazione con l’impianto preesistente.

È per questo motivo che Solar Calor offre un servizio estremamente flessibile che va dalla fornitura dell’impianto “chiavi in mano” alla sola fornitura dei materiali, abbinata ad un servizio di supporto alla progettazione e di consulenza durante le fasi di montaggio, anche con presenza in cantiere. Il collaudo e la prima accensione dell’impianto sono sempre effettuati dai nostri tecnici per verificare la corretta posa e il giusto funzionamento del Sistema Solare.

Per le soluzioni domestiche Solar Calor ha studiato un metodo di lavoro che consente di fornire al cliente un impianto, completo di minuteria e raccorderia idraulica premontata, di facile installazione anche per chi opta per un’installazione “fai da te” affiancato dal proprio idraulico di fiducia. Anche in questi casi l’Azienda segue il cliente passo dopo passo offrendo: consulenza, sopralluogo, supporto tecnico, collaudo e la prima accensione per verificare la corretta posa e il giusto funzionamento del sistema solare.

Solar Calor

Sito ufficiale: www.solarcalor.it

Scheda prodotto Soluzioni per grandi impianti: http://snipurl.com/28lhzox


Scheda prodotto Kit Easy Fix: http://snipurl.com/28lhzqm

http://www.solarcalor.it/

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