Solare termico

Il Solare Termico è una tecnologia che permette la conversione diretta dell’energia solare in energia termica per la produzione di acqua calda.
I pannelli solari termici vengono visti spesso come misteriosi e complicati apparecchi, in realtà sono semplicissimi e anche la loro installazione è semplice. Quando si parla di Fotovoltaico, invece, ci si riferisce alla produzione di energia elettrica dalla luce solare, attraverso impianti più costosi e complessi.

IL RISANAMENTO ENERGETICO IN TRE PASSI.
1 - Ridurre le dispersioniUna installazione ben fatta è sinonimo di efficienza ed ulteriore risparmio. Coibentare le tubazioni e i serbatoi. In caso di integrazione elettrica tenere il termostato impostato alla temperatura più bassa possibile (es. 40° invece che 70°).
2 - Migliorare l'efficienzaAttraverso una migliore progettazione e realizzazione. Vari modelli in commercio. Esposizione corretta (a Sud, entro 15°) e senza parti in ombra.
3 - Ottimizzare la gestioneUtilizzare un miscelatore termostatico sottoboiler. Tenere le tubazioni più corte possibile. Regolare il termostato per l'integrazione termica (cielo coperto per giorni) a valori congrui (vedere ridurre le dispersioni).

Perché installare un pannello solare? Alla base di questo, oltre all’aspetto economico, c’è una motivazione ecologica, di conservazione dell’energia e conservazione dell’ambiente. Perché bruciare petrolio o metano per produrre dell’energia che già esiste in natura ed è disponibile subito e a costo zero?

Pannello solare integrato

Pannello solare mod. “Heatpipe”, con serbatoio integrato, installato su tetto.

In questo documento verranno presentate delle cifre. I calcoli nel dettaglio sono riportai alla fine del documento.

Se fosse possibile con i collettori solari sostituire completamente lo scaldabagno elettrico o la caldaia a metano otterremmo rispettivamente un risparmio globale di 5,4 kg di CO2 e 1,74 kg di CO2 (anidride carbonica) al giorno (per una famiglia di 4 persone).

Non è possibile nella realtà sostituire completamente tali fonti, ma si può ridurre moltissimo il consumo.
Più pannelli verranno installati e meno risorse naturali verranno “bruciate”.

In questo documento, per praticità, i dati di calcolo che seguiranno sono riferiti al sistema Heat Pipe 100 della Foco S.A. Tale sistema adotta una tecnologia particolare, a condensazione (circuito chiuso, ad evaporazione di alcool, e circolazione naturale) che portano ad ottenere un rendimento termico molto elevato. Esistono oggi molti ottimi prodotti in commercio. Materiali di qualità (esempio l’acciaio che compone il serbatoio), unitamente alla manutenzione minima (sostituzione dell’anodo interno in magnesio, che si consuma con il tempo) garantiscono una vita operativa maggiore, valutabile in decenni.

Un pannello solare, non va necessariamente installato sul tetto, ma può essere anche installato in facciata o in un giardino, se l’esposizione lo consente (a sud è la migliore, a nord non funzionerà).

Accenni di tecnica solare.

Verranno qui trattati i pannelli solari di tipo “coperto”. Ossia con l’unità captante realizzata in metallo e coperta da una lastra in vetro, adatta all’impiego per tutto l’anno. Il tipo “scoperto”, generalmente in materiale plastico, è molto più economico, ma è adatto esclusivamente all’uso stagionale a bassa temperatura (ad esempio per il riscaldamento piscine o “docce solari”).

Due Tipi di Impianto:

vitosol-111-f_00005Circuito “Aperto” o “Chiuso”. Il circuito solare può essere “aperto”, se il fluido che circola nei collettori è lo stesso che verrà utilizzato, o “chiuso”, se il fluido che circola nei collettori cede il calore accumulato al fluido che verrà utilizzato tramite uno scambiatore di calore (quindi nei “sistemi chiusi” il sole non scalda l’acqua che verrà utilizzata).

Altra distinzione da fare è quella tra sistemi “tutto in uno” e sistemi a componenti separati, da assemblare.

Nel primo tipo, quello adottato nello Heat Pipe qui in esempio e che ha reso possibile un abbattimento dei costi, il sistema è composto da un unico modulo monoblocco che contiene tutti i componenti (collettore, serbatoio, scambiatore). Questo modello utilizza inoltre il sistema a condensazione (vedere a seguire in questa pagina)
L’installazione idraulica  è semplice, quasi come quella di un comune scaldabagno elettrico, ed è alla portata di qualsiasi idraulico.
Il modulo “comunica” con l’esterno con un ingresso per l’acqua fredda ed una uscita per l’acqua calda.
Una resistenza elettrica, con termostato, aiuta il riscaldamento solare nelle giornate senza sole. Disponendo di altri sistemi di riscaldamento acqua, come una caldaia a gas, a legna, a pellet, a pompa di calore, o altro,  può collegare il pannello, prima della caldaia, che verrà così alimentata con acqua già pre-riscaldata, e che si attiverà solo se necessario.

pannelli-solari-termiciNel secondo tipo, collettore solare (il pannello vero e proprio, ma possono essere diversi pannelli singoli collegati insieme), il serbatoio, le tubazioni, i raccordi, le staffe di fissaggio, eventuale centralina di controllo, ecc., sono forniti separatamente e vanno assemblati direttamente sul posto.
Nota: visto che è un argomento spesso trascurato, si ritiene utile evidenziarlo qui: come anche in tutti gli altri tipi di boiler (elettrici, a gas, ecc.) di buona qualità, all’interno del serbatoio dei pannelli solari è presente un anodo di magnesio, ossia una barra di tale metallo, che ha il compito di prevenire la corrosione interna, corrodendosi per primo (anodo sacrificale). Negli  scaldabagni  elettrici, quasi nessuno lo rimpiazza mai (col tempo tende a consumarsi completamente), in quanto si tende a sostituire direttamente lo scaldabagno quando inizia a perdere per la corrosione interna. Nei pannelli solari, più costosi, è assolutamente conveniente, e si raccomanda qui di controllare tale anodo regolarmente, ad esempio ogni 2 anni, e di reintegrarlo quando è il momento (anche prima se il pannello è in montato in posizione disagiata).
Per eseguire tale intervento, è quasi sempre necessario svuotare il serbatoio. In genere serve smontare la flangia di chiusura, dove sono montati resistenza, termostato e anodo. Questa manutenzione, allungherà di molto la vita del pannello solare.

Sono possibili altre suddivisioni per tipo di circolazione e circuito. 

Circolazione “naturale” o “forzata”.

La circolazione del fluido all’interno del circuito solare può essere “naturale”, se avviene grazie al processo convettivo del fluido (che scaldandosi sale verso il serbatoio di accumulo) o “forzata”, se avviene tramite una piccola pompa che trasferisce il fluido dai collettori al serbatoio d’accumulo.
Si usa la circolazione naturale quando è possibile posizionare il serbatoio subito sopra o dietro al  pannello solare. Se il serbatoio deve essere posizionato in altra posizione, magari molto lontano per esigenze pratiche allora si userà una piccola pompa (controllata da una centralina sensibile alla differenza di temperatura tra pannello e serbatoio), che si sostituirà alla circolazione naturale dell’acqua calda.

Sistemi a circolazione naturale

Possiamo trovare due tipologie:

  1. Sistemi a termosifone
    Questi sistemi sfruttano la circolazione naturale dovuta al minore peso che ha l’acqua più calda rispetto a quella più fredda. L’acqua contenuta in un circuito chiuso riscaldato dal Sole  si sposterà naturalmente verso l’alto (stratificazione), dove sarà collocato il punto di prelievo. Questo innescherà la circolazione naturale e spontanea all’interno del sistema (pannello captante e serbatoio)
  2.  Sistemi a condensazione
    Sono in genere preassemblati, poco diffusi ma efficienti e relativamente economici.
    Un fluido (in genere alcool) è inserito all’interno di un circuito sigillato a bassa pressione. L’energia solare provoca la sua evaporazione e il suo raffreddamento con susseguente condensazione all’interno di uno scambiatore di calore nel serbatoio provoca il trasferimento di calore dal fluido al serbatoio dell’acqua.
    Utilizzando come fluido l’alcol, che presenta un basso punto di congelamento di -60°C, si ottiene un circuito a prova di congelamento (nei pannelli solari a termosifone è in genere prevista una apposita resistenza antigelo).
    Quando la temperatura dell’acqua calda salirà a temperature vicino a 100°C, la circolazione dell’alcol all’interno del circuito si arresterà, e la temperatura e la pressione dell’acqua all’interno del serbatoio verranno mantenute automaticamente entro i limiti prefissati.Quando il pannello si raffredda, ad esempio di notte o per cielo coperto, l’alcol rimane in fase liquida nella parte bassa del pannello solare, evitando il possibile trasferimento inverso del  calore accumulato nel serbatoio.

Sistemi a circolazione forzata

Nei climi più freddi è vantaggioso, quando non necessario, posizionare il serbatoio di accumulo in locali non esposti alle basse temperature. L’Italia popolata si trova in una zona climatica in cui le temperature notturne sono in genere poco rigide, mentre le temperature diurne nelle giornate invernali sono miti, escludendo le zone montane. Questo limita la diffusione della circolazione forzata,  invece molto usata in paesi nordeuropei.

La circolazione forzata è anche indicata per impianti dove il pannello solare captante e il punto di utilizzo sono molto distanti tra loro (si deve altrimenti far scorrere l’acqua calda molto a lungo prima che arrivi a temperatura); Nonché per impianti solari di grossa taglia, oppure combinati per il riscaldamento ambientale.

Sistema integrato. Schema

Schema di un sistema integrato per la produzione di acqua calda sanitaria e riscaldamento.

Una nota per i pannelli solari termici e il riscaldamento ambientale.
L’idea piace a molti, ma occorre considerare che al pannello viene richiesto calore, proprio quando di calore ce ne è di meno, cioè nelle giornate invernali, quando i giorni di sole sono più rari.
La cosa può funzionare, ma occorre sovradimensionare l’impianto, aggiungendo più elementi captanti, preferibilmente ad alta efficienza (es. tubi sottovuoto). Questo aumenta i costi e e i tempi di ammortamento.
Il calcolo della convenienza va fatto prendendo in considerazione tutte le variabili. E considerando se magari non convenga l’utilizzo di una sistema a pompa di calore, con tutte le semplificazioni del caso.
Tra le variabili, intese anche come possibilità da implementare, l’isolamento presente nella costruzione, oppure realizzabile.
Altra considerazione, è che per questa soluzione sono assolutamente indicati sistemi di riscaldamento operanti a bassissima temperatura, con grandi elementi radianti, termoconvettori, riscaldamento a pavimento, o simili. E alimentati da caldaia a condensazione o pompa di calore (vedere le relative sezioni in questo sito).

 

Altre particolarità

Circuito “pressurizzato” o “non pressurizzato, a caduta o aperto”

Nel sistema pressurizzato, il circuito è chiuso e non presenta collegamenti con l’esterno (tranne che per la valvola di sicurezza di sovrappressione).
Un sistema aperto, soluzione economica e poco diffusa per i suoi limiti e le problematiche, ha un meccanismo che fa entrare acqua nel serbatoio automaticamente e ne mantiene costante il livello. L’acqua calda così ottenuta non ha “pressione” e va immessa attraverso una pompa o un autoclave nel circuito idraulico (non sarebbe altrimenti capace di vincere la resistenza dell’acqua in pressione dell’acquedotto).

Quanto rende un pannello solare termico?

Un metro quadrato di collettore solare può scaldare a 45÷60 °C tra i 40 ed i 250 litri d’acqua in un giorno, a secondo del periodo dell’anno.
Le dimensioni orientative per la scelta di un sistema compatto sono di circa 0,6 – 0,8 metri quadrati per persona.
Nell’arco dell’anno, con un impianto solare così dimensionato,  si può  risparmiare  mediamente lo 80% dell’energia necessaria alla produzione dell’acqua calda sanitaria.
La temperatura in uscita massima, in Italia, oscilla mediamente tra i 60 gradi in inverno ed i 105 gradi in estate. E’ consigliabile, quindi montare un “miscelatore termostatico sotto-boiler” che fornisca acqua sempre alla stessa temperatura, per esempio a 50 gradi. Altro utile accessorio dal costo contenuto è il vaso di espansione, che riduce la fuoriuscita di acqua dalla valvola di sovra-pressione a seguito della dilatazione termica (fenomeno normale e da prevedere.

Dove va montato?

Il posto “classico” è sul tetto. Ma può essere montato in giardino, sul terrazzo o persino su un balcone di idonee dimensioni ed esposizione (a sud). Il sistema compatto come quello qui sopra illustrato, lo Heat Pipe, ad esempio, a terra occupa circa 1 metro di larghezza, 1.7 metri di profondità e 1.50 di altezza.

Solare termico in facciata

Esempio di collettori solari in facciata. L’estetica a tubi rivela l’utilizzo di collettori sottovuoto.

Per un rendimento ottimale il collettore deve essere esposto a SUD, e con una tolleranza di 15 gradi non vi è calo di rendimento apprezzabile, mentre oltre si e ne va tenuto conto nel dimensionamento dell’impianto (ma è comunque energia gratuita, non c’è spreco).
Nel modello citato, montaggio è semplice, come quello di uno scaldabagno elettrico, con la differenza che va montato all’esterno, e con la parte “grande e piatta” esposta al sole.
L’allaccio elettrico serve a scaldare l’acqua in caso di necessità, ossia se viene consumata tutta e se piove da giorni.

Tra le soluzioni possibili anche quella dell’installazione “a facciata”, nel caso le altre alternative non siano percorribili (ad esempio in caso di tetto con abbaini e lucernai).
Vista l’angolazione, sarebbe consigliabile una facciata orientata perfettamente a Sud. Tale soluzione potrebbe essere soggetta a vincoli estetici, da verificare caso per caso.
Per questa applicazione è indicata l’adozione di pannelli solari sottovuoto, che ben si prestano a questo tipo di installazioni, oltre ad avere un efficienza molto alta.
In questo caso i serbatoi vanno necessariamente collocati all’interno, in locali dedicati (spazi comuni o vani tecnici).

 

Tempo di ammortamento dell’investimento.

solaretermico-orientamento-2Per un sistema di 2 metri quadrati (i calcoli sono indicativi, vanno attualizzati).

Calcolando 0.18 €/kWh (tariffa ENEL di fascia superiore) otteniamo 550 €/anno. Il tempo di ripagamento allora e’ di circa 2-3 anni, a seconda del tipo di impianto installato.

Se il confronto viene fatto con il metano avremo un risparmio di 200 €/anno. Tempo di ripagamento di 3-5 anni.

Impianti di maggiore dimensione hanno, in proporzione, un costo inferiore , quindi un tempo di ripagamento più rapido. Una apparecchiatura convenzionale, invece, non si ripaga mai.

La detrazione fiscale della spesa sostenuta  accelera il tempo del rientro dall’investimento. In poche parole occorre fare tutte le pratiche con attenzione (da un professionista) prima di pagare tramite un bonifico. Le modalità per il pagamento sono le stesse previste per i lavori di ristrutturazione.

Solare termico facciata

Solare termico in facciata, installato in un giardino.

La durata di queste apparecchiature e’ superiore ai 20 anni.
Nota: nel caso il pannello solare venisse alimentato con acqua proveniente da un addolcitore, leggere anche la sezione “addolcimento” per informazioni importanti.

Nella sottostante tabella è riportata la quantità media di acqua calda a 40 gradi ottenibile al giorno, a seconda del periodo dell’anno.

La differenza nei mesi più freddi non è principalmente dovuta, come qualcuno potrebbe pensare, al fatto che il sole di inverno scaldi meno, ma al fatto che le più frequenti giornate di maltempo abbassano la produzione MEDIA mensile di acqua calda. Il rendimento dell’impianto in inverno può essere massimizzato ponendo il pannello in posizione più verticale (il sole d’inverno è più basso sull’orizzonte). D’estate il calore captato è talmente tanto che non è necessario ottimizzare la captazione.

Qui a seguire, a titolo informativo, la produzione di acqua calda durante l’anno del pannello solare a condensazione Heat Pipe 100/150 della Foco S.A.
Rilevamenti statistici nell’area di Roma. Questi dati variano in base a molteplici e imprevedibili fattori e sono puramente indicativi.

Produzione di acqua calda miscelata a 40°C durante l'anno. 
Produzione acqua calda.
Litri/giorno a 40°C
(Valori misurati centro Italia, puramente indicativi)
HP 100 HP 150
Gennaio94112
Febbraio135162
Marzo187224
Aprile231277
Maggio284341
Giugno353423
Luglio408489
Agosto394473
Settembre325389
Ottobre221 265
Novembre131157
Dicembre88
106
Totale annuo, litri a 40°C86.000
104.000

Dettagli dei calcoli effettuati.

Il fabbisogno di energia elettrica di un’utenza monofamiliare (4 persone) per produrre acqua calda sanitaria con uno  scaldabagno elettrico è pari a 7,72 kWh/giorno. In Italia, per produrre un kWh elettrico, le centrali termoelettriche emettono nell’atmosfera in media 0,70 kg di anidride cbuiscollector-320arbonica (CO2) (fonte ENEL), uno dei principali gas responsabili dell’effetto serra.
Pertanto, lo scaldabagno in esame è responsabile dell’immissione nell’atmosfera di:
0,70 kg CO2/kWh * 7,72 kWh/giorno = 5,40 kg CO2/giorno.
Questo significa che, per la sola acqua calda sanitaria, utilizzando lo scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell’ambiente 5,40 kg di CO2; (con una media pro capite di 1,35 kg/giorno).
Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano 0,25 kg CO2; per ogni kWh (termico); una famiglia di 4 persone quindi origine alla seguente produzione giornaliera di anidride carbonica: 1,74 kg CO2/giorno
Se fosse possibile con i collettori solari sostituire completamente lo scaldabagno elettrico o la caldaia a metano otterremmo rispettivamente un risparmio globale di 5,4 kg di CO2 e 1,74 kg di CO2 al giorno.

Non è possibile nella realtà sostituire completamente tali fonti, ma si può ridurre moltissimo il consumo.

Altro esempio di calcolo economico riferito ad un pannello generico con buona efficienza e superficie di 2mq (prezzi finali tasse comprese)
In Italia sono disponibili quasi 5kWh/mq giorno medi di insolazione . Allora 5 x 365 giorni x 2 mq x 0,7 (efficienza solare) = 2555 kWh. Moltiplicando per la tariffa elettrica ENEL di 0,18 €/kWh otteniamo 459€/anno di risparmio. Per la tariffa ENEL di fascia superiore il risparmio è ovviamente maggiore. Il tempo di ripagamento allora e’ di circa 2-4 anni, a seconda del tipo di impianto installato e dei consumi effettivi.

Se il confronto viene fatto con il metano avremo un risparmio di (2550 x 860 / 70% efficienza caldaia)/1000= 3132 Mcal/anno che al costo di 0,067 €/Mcal fornisce un risparmio di 209€/anno. Le spese di manutenzione, rispetto ad una caldaia a gas, sono inoltre virtualmente assenti e anche la durata è superiore.