Impianto Solare Termico come produrre acqua calda dal sole

Il sole è una fonte inesauribile di energia, o quasi. Abbiamo visto come è possibile sfruttarlo per produrre energia elettrica tramite un impianto fotovoltaico. Grazie all’ irraggiamento possiamo anche produrre acqua calda in maniera molto semplice. Ci viene in mente una cosa semplicissima sul funzionamento: esponiamo una bottiglia d’acqua al sole, dopo un po’ sarà calda. Dipingiamola di nero, sarà ancora piú calda. Gli impianti chiamati “solari termici” funzionano proprio così:

Come funziona un impianto solare termico: l’acqua viene fatta scorrere all’ interno di tubi sotto vetro, esposti al sole. E’ stoccata poi in un serbatoio e resa disponibile per svariati usi domestici sanitari come docce, acqua calda per il lavandino, ma anche per riscaldare la casa tramite impianto a pannelli radianti a pavimento.

Questo in poche parole se dobbiamo descrivere il funzionamento di un sistema solare termico per la produzione di acqua calda. In realtà le cose sono un po’ piú complesse e differiscono da impianto ad impianto. Esistono anche gli impianti fotovoltaici ibridi che consentono di produrre energia elettrica e acqua calda.

Prima di proseguire cerchiamo di capire quali sono i componenti che si utilizzano in un sistema solare.

Collettore

Questo è il nome tecnico per il grande pannello nero che si trova sul tuo tetto. Le case più piccole (o quelle che si trovano nelle zone climatiche piú calde) possono utilizzare collettori molto più piccoli rispetto a case più grand o che si trovano al nord. I collettori hanno una dimensione variabile tra 2 e 15 metri quadrati, a seconda della quantità di acqua che si vuole scaldare. Sono esposti principalmente a sud ed in clinati di 30 gradi per avere un irraggiamento perpendicolare.
Ci sono due tipi di collettori quelli piani e sottovuoto.

collettori solari

Collettori piani

Sono quelli piú semplici ed economici. Si tratta di tubi inseriti in “serre” in vetro di colore nero. Il vetro raccoglie e intrappola il calore (come avviene in una serra), e lo trasferisce all’acqua che scorre attraverso i tubi portandola, una volta scaldata, al serbatoio posto sopra.

I collettori piani hanno tubazioni del fluido collegate in parallelo (tipicamente tubi in rame) con alette metalliche verniciate di nero per aumentare l’area di assorbimento, tutte racchiuse in una scatola isolata.

Sottovuoto (heatpipe)

Sono un po ‘più sofisticati e costano di piú. Anche in questo caso la teca di vetro intrappola il calore generato dalla luce solare. I pannelli solari sottovuoto hanno dei tubi doppi. All’ interno del primo c’è una camera d’aria in cui è inserito un altro tubo con il liquido. Le temperature sono molto piú alte quindi gli heatpipe sono piú efficienti. Sono sfruttabili anche in inverno con poca luce solare, anche in climi freddi.

Ad accumulo Diretto

I sistemi di riscaldamento solare dell’acqua possono essere classificati in diversi modi. Una delle principali classificazioni è Diretta o Indiretta. I sistemi diretti riscaldano l’acqua che viene utilizzata. Non c’è uno scambiatore di calore. Questi sistemi funzionano meglio nelle zone a clima caldo, perché devono essere drenati quando le temperature scendono sotto lo zero. Questi sistemi sono anche soggetti a un accumulo di acqua dura se l’acqua che li attraversa è ricca di minerali. Questi sono anche conosciuti come sistemi a ciclo aperto.

Ad accumulo indiretto

I sistemi indiretti riscaldano un fluido (generalmente una miscela antigelo) e trasferiscono il calore da tale fluido attraverso uno scambiatore di calore all’acqua potabile nel serbatoio di stoccaggio. Questi sono un must per l’operazione tutto l’anno nei climi freddi. Poiché non si introduce nuovo fluido nel collettore, è meno probabile che si accumuli minerali. Il lato negativo è che questi saranno generalmente più costosi perché hanno più parti. Questi sono anche noti come sistemi a ciclo chiuso.

A circolazione naturale o forzata

Gli scaldacqua solari si basano sulla convezione naturale per spostare l’acqua fredda dal fondo del raccoglitore verso l’alto mentre viene riscaldata. L’acqua giunge dall’ alto nelle nostre case per via della forza di gravià (a circolazione naturale). Se il sistema si trova lontano ci sarà bisogno di una pompa alimentata elettricamente per spostare l’acqua (circolazione forzata).

I sistemi a circolazione forzata possono avere una pompa alimentata da un modulo fotovoltaico o dalla rete elettrica . La pompa si accende automaticamente quando il pannello elettrico solare genera energia sufficiente. Se dimensionato correttamente, il fluido nei pannelli dovrebbe essere sufficientemente caldo per trasferire efficacemente il calore quando la pompa ha abbastanza potenza per funzionare.

Nei sistemi indiretti con pompa il controller indica alla pompa quando spegnere e riaccendere. Questo è anche comunemente indicato come un controller differenziale, perché osserva la differenza di temperatura tra i pannelli e l’acqua nel serbatoio di stoccaggio. Quando viene raggiunta una differenza di temperatura impostata (quando i pannelli diventano abbastanza caldi), la pompa si accende. Quando i pannelli si raffreddano, la pompa si spegne.

 

Perché usare il riscaldamento solare termico

Le spese per il riscaldamento dell’acqua, sia per uso sanitario che per i termosifoni, sono una delle aree in cui le persone consumano più energia. Le stime vanno da circa il 40% fino al 60% del consumo di energia in casa. Con gli impianti solari termici non solo si risparmia, ma si elimina parecchia CO2 dall’ aria evitando la combustione di gas.

L’acqua calda può essere utilizzata anche per scaldare la casa con il riscaldamento a pavimento, questo perchè, grazie alla tecnologia dei pannelli radianti, basterebbe portare ad appena 35 gradi l’acqua per avere una temperatura fissa in casa di 19 gradi.

Scaldacqua solari passivi o attivi

Tutti i sistemi di riscaldamento solare dell’acqua hanno bisogno di un modo per raccogliere il calore. Le opzioni vanno da un serbatoio verniciato di nero al serbatoio nero all’interno di un box isolato termicamente (riscaldatori).

I riscaldatori di serie combinano il raccoglitore e lo stoccaggio in un’unica unità.heatpipe con serbatoio

Serbatoio di stoccaggio

Qui viene conservata l’acqua riscaldata. I riscaldatori immagazzinano l’acqua direttamente nel  serbatoio di accumulo collegato alla parte superiore del pannello. Alcuni di questi serbatoi hanno all’ interno una serpentina elettrica oppure alimentata da una caldaia a gas che scalda l’acqua quando scende sotto una determinata temperatura, ad esempio la notte quando manca l’insolazione.

La maggior parte dei sistemi con accumulo avrà un sensore all’ interno del serbatoio collegato ad un indicatore di temperatura e pressione per poter vedere facilmente le condizioni attuali del sistema e assicurarsi che sia correttamente pressurizzato.

Nei sistemi indiretti, il calore dei pannelli solari viene trasferito all’acqua calda sanitaria tramite uno scambiatore di calore. Questo scambiatore di calore può essere posizionato all’interno del serbatoio di stoccaggio o all’esterno del serbatoio di stoccaggio. All’interno del serbatoio di accumulo in genere migliora il trasferimento di calore, perché massimizza la quantità di superficie dell’acqua a contatto con lo scambiatore di calore,.

Con uno scambiatore di calore esterno, possono spesso essere convogliati in un serbatoio di riscaldamento elettrico dell’acqua standard con gli elementi riscaldanti rimossi, il che riduce i costi, ma potrebbe non essere efficiente come uno scambiatore interno.

funzionamento-impianto-solare-termico

Vaso di espansione

L’acqua, anche quella miscelata con l’antigelo si espanderà e si contrarrà mentre attraversa diversi intervalli di temperatura e pressione. Per dare contentere il volume in eccesso dell’ acqua in sistemi a ciclo chiuso, un serbatoio con una vescica che si espande e si contrae viene posto nel circuito.

Valvola di scarico della temperatura e della pressione

Come protezione aggiuntiva, molti sistemi posizionano una valvola di sfogo della temperatura e della pressione nella parte superiore del collettore. In estate si raggiungono temperature molto elevate e i tubi si riscaldano pericolosamente, il fluido verrà scaricato all’esterno per evitare danni all’interno. Ci può anche essere una valvola di sicurezza sul serbatoio di stoccaggio.

Prezzi di un impianto per produrre acqua calda

dipenda dal tipo di tecnologia scelta, dalle dimensioni del collettore e del serbatoio, indicativamente i costi sono:

  • collettore con pannelli piani a circolazione naturale con serbatoio da 300 litri adatto per una famiglia di 4 persone costo di circa 1000-1500 euro;
  • collettore con pannelli heatpipe serbatoio con serpentina elettrica utilizzabile anche in inverno con circolazione forzata e pompa per 4 persone circa 3000-3500 euro.
Condividi se ti è piaciuto...Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+Share on LinkedInEmail this to someone

Pannelli Solari ad Alte prestazioni per Acqua Calda gli Heat Pipe

C’è una falsa credenza che circola fra tutti coloro che si avvicinano ai dispositivi di produzione di acqua calda solare: questi impianti non funzionano quando manca il sole, ovvero nelle giornate nuvolose. Le cose non stanno così, o meglio, non sono vere se si usano i giusti componenti, i pannelli solari ad alte prestazioni, ovvero quelli Sottovuoto, chiamati anche heat pipe.

Nei sistemi di produzione di acqua calda per uso sanitario si usano spesso pannelli solari piani, ovvero dispositivi semplici ed economici che funzionano tutti alla stessa maniera: un collettore  assorbe i raggi del sole e passa il calore generato ad un fluido termovettore. Il fluido termovettore è tipicamente acqua che in estate raggiunge anche temperature di 70 gradi. Viene poi miscelata con quella fredda per un pronto uso con docce e rubinetti. Insomma tutto abbastanza semplice.

Quando però manca il sole, il funzionamento è compromesso. E’ vero che l’acqua calda può essere generata anche nelle giornate invernali in presenza di sole, ma in quel caso va accumulata in serbatoi coibentati dotati di resistenza elettrica che si attiva quando si scende sotto determinate temperature. Se dobbiamo però utilizzare l’elettricità per produrre acqua calda tanto vale utilizzare lo scaldabagno.

Nelle giornate nuvolose, ma con una buona luminosità con i pannelli sottovuoto, heat pipe si raggiungono temperature che sfiorano i 40 gradi.

funzionamento-heat-pipe

Come funzionano i pannelli solari ad alte prestazioni

Se volete saperne di più sull’esatto funzionamento fisico potete consultare la relativa pagina Wikipedia. Vi basti sapere che un sistema sottovuoto heat pipe è realizzato con tubi di metallo termoconduttore chiuso, ad esempio il rame o l’alluminio, che contiene un fluido refrigerante come etanolo o acqua; il resto del tubo è riempito dal vapore del liquido, in modo che non siano presenti altri gas. Tutto ciò serve per trasferire calore dal sole all’ acqua fredda del tubo grazie all’evaporazione e condensazione del refrigerante. L’estremo caldo, a contatto con una sorgente di calore, cede calore al liquido refrigerante, che vaporizza e perciò aumenta la pressione del vapore nel tubo.

I tubi di calore utilizzati in questi collettori solari hanno un punto di ebollizione di soli 30 gradi, quando il tubo di calore supera queesta temperatura l’acqua comincia ad evaporare.

pannelli-sottovuoto

Il sistema è molto efficiente e garantisce la realizzazione di acqua calda a 35 gradi anche in giornate di nuvolosità. Una tale temperatura è perfetta per effettuare docce, ma anche per riscaldare la casa tramite riscaldamento a pavimento. Si possono raggiungere 19-20 gradi con un sistema a pannelli radianti associato ad un impianto con pannelli sottovuoto ed in più possiamo godere anche degli incentivi per il solare termico.

La longevità di un tubo sottovuoto è altissima. Se la qualità dei materiali con cui è realizzato il tubo è buona, purezza del rame elevata contenente solo tracce di ossigeno e altre impurità, possiamo andare avanti anche per 30 anni.

I tubi vengono innestati in parallelo a baionetta nel sistema di raccolta d’acqua, in questo modo la rottura di uno di essi non pregiudica il sistema. L’acqua può raggiungere le nostre case attraverso la normale gravità, i pannelli devono essere installati in alto rispetto all’ impianto casalingo, oppure attraverso un sistema a circolazione forzata con pompa elettrica.

Per quel che riguarda i prezzi un sistema heat pipe sottovuoto a 30 tubi con serbatoio coibentato da 250 litri, sufficiente per una famiglia di 4 persone costa circa 1500-1800 euro. Una caldaia a gas può essere allacciata al serbatoio stesso dotato di sensore. Quando la temperatura dell’ acqua scende al di sotto di un certo livello si attiva la caldaia a gas che la scalda.

Per il fai da te c’è anche chi è riuscito a realizzare pannelli solari sottovuoto in casa, il video qui sotto in inglese spiega come realizzarli nel proprio garage.

 

Condividi se ti è piaciuto...Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+Share on LinkedInEmail this to someone