Termico

DEFINIZIONE

Con il termine Solare Termico viene indicata la tecnologia che sfrutta l’energia irradiata dal sole per scaldare fluidi da utilizzarsi prevalentemente nell’ambito domestico, civile e produttivo.

Le tecnologie utilizzate nel solare termico sono suddivise in: a bassa, media ed alta temperatura.
A BASSA TEMPERATURA, i sistemi che tramite i collettori solari scaldano fluidi a temperature inferiori ai 100°C; sono finalizzati principalmente alla produzione d’acqua calda sanitaria (ad uso domestico, per utenze collettive, per impianti sportivi etc.), al riscaldamento domestico e, più in generale, di ambienti, al riscaldamento dell’acqua delle piscine, alla produzione di calore a bassa temperatura ad uso industriale (tipicamente acqua di lavaggio di macchinari, mantenimento in temperatura di vasche di fluidi di varia natura, preriscaldamento dell’acqua di alimento delle caldaie etc.). di abitazioni private.
A MEDIA TEMPERATURA, i sistemi che tramite collettori a più elevata tecnologia (si veda la definizione di seguito riportata) raggiungono temperature comprese tra i 100°C e i 250°C, possono essere utilizzati ampiamente nei processi industriali (anche per la produzione di vapore), per il raffrescamento degli ambienti .
AD ALTA TEMPERATURA, i sistemi che utilizzano collettori in grado di concentrare i raggi solari verso un ricevitore termico, per poter elevare la temperatura del fluido termovettore ben oltre i 250 °C, raggiungendo contestualmente pressioni compatibili anche con l’utilizzo per la produzione di elettricità.

La breve trattazione che segue, riguarda principalmente i sistemi della prima tipologia menzionata, sebbene alcuni dei principi presentati possano essere traslati alle applicazioni tecnologicamente più avanzate.

Il collettore solare: principio di funzionamento e tipologie:

Lo scopo di qualsiasi dispositivo che rientri in questa categoria è, naturalmente, quello di convertire la massima parte dell’energia elettromagnetica associata alla radiazione solare incidente in energia termica disponibile per l’utenza.
A tal fine, si sfrutta e potenzia la capacità di alcuni materiali (ad esempio metalli o leghe come rame o acciaio) di scaldarsi rapidamente se sottoposti a radiazione solare e di cedere con estrema facilità il calore accumulato. L’elemento principe di un collettore solare è, in pratica, una piastra captante (con le caratteristiche appena citate) percorsa da una serie di tubazioni lungo le quali scorre il fluido che deve scaldarsi.

Tutti i meccanismi di scambio di calore dell’elemento piastra-tubi verso elementi diversi dal fluido vanno minimizzati o riconvertiti, allo scopo di trasferire al fluido la maggior quota possibile dell’energia solare incidente.
Proprio per questo motivo, la parte posteriore della piastra (ossia quella non esposta al sole) e le sue parti laterali vengono rivestite di materiale isolante e, inoltre, la temperatura interna del collettore viene mantenuta più elevata possibile grazie alla presenza di una o più lastre trasparenti di copertura.

Le tipologie di collettori solari maggiormente diffuse possono essere così sintetizzate:

• collettori piani 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 tendenzialmente basse in inverno;
• collettori “sottovuoto”, sono caratterizzati da prestazioni più stabili anche in inverno e sono particolarmente utili ove sia necessario raggiungere temperature più elevate (rientrando, in alcuni casi, anche nel range delle medie temperature), o buone prestazioni in inverno (ad esempio per il riscaldamento degli ambienti). A fronte di un più elevato livello tecnologico, sono dispositivi più costosi dei collettori piani;
• collettori non vetrati, sono privi di copertura e coibentazione, di conseguenza, utilizzabili con buoni risultati solo in applicazioni estive e diurne (tipicamente riscaldamento delle piscine scoperte, acqua calda sanitaria presso campeggi etc.). Sono estremamente economici;
• collettori ad accumulo integrato, sono dispositivi estremamente semplici e compatti, caratterizzati dalla presenza, direttamente al loro interno, dell’acqua da riscaldare. Fatta eccezione per climi decisamente miti, hanno prestazioni buone in estate, ma decisamente mediocri in inverno.
• collettori a concentrazione statica, sono collettori piani o, più frequentemente, sottovuoto, caratterizzati dalla presenza di specchi statici per la concentrazione della radiazione solare. Sono utilizzati soprattutto nel range delle medie temperature;
• collettori a concentrazione ad inseguimento, sono dispositivi tecnologicamente più avanzati, caratterizzati dalla presenza di “specchi” per la concentrazione della radiazione solare e da sistemi di inseguimento della radiazione solare (ad uno o due assi). Sono utilizzati in applicazioni a media ed alta temperatura.

In linea generale, il passaggio dal collettore all’impianto richiede la presenza di elementi atti a rendere fruibile il servizio dall’utenza e a stabilizzare le prestazioni del collettore:

• il serbatoio di accumulo ha la funzione di rendere disponibile acqua calda all’utenza a prescindere dal momento della giornata o dalle condizioni meteorologiche in cui viene richiesta l’erogazione del servizio; raccoglie l’acqua calda man mano che viene riscaldata dai collettori e la mantiene alla temperatura di utilizzo fino al momento della richiesta dell’utenza;
• il sistema ausiliario (tipicamente caldaia a metano o scaldabagno elettrico) è necessario per poter sopperire all’aleatorietà della fonte solare e alla minore disponibilità invernale senza dover sovradimensionare il sistema solare fino a renderlo anti-economico;
• il vaso di espansione è la sede che può accogliere una eccessiva dilatazione termica del fluido termovettore, evitando che si creino pericolose sovrapressioni;
• diversi dispositivi di sicurezza (come valvole jolly, valvole di sicurezza, valvole di intercettazione, termostati, etc.)
• dispositivi di regolazione e controllo dell’impianto.

Classificazione degli impianti:

Le due principali categorie secondo le quali possono essere classificati gli impianti solari termici riguardano, in primo luogo, la relazione tra il fluido termovettore ed il servizio fornito all’utenza e, secondariamente, le modalità con cui tale fluido circola all’interno del sistema idraulico.

Nel primo caso si distinguono:

• sistemi aperti, in cui il fluido che circola all’interno del collettore è la stessa acqua che, raggiunta la temperatura richiesta, arriva all’utenza;
• sistemi chiusi, in cui si evidenziano due circuiti perfettamente separati per il fluido termovettore e l’acqua da scaldare.

Nel secondo caso, invece, le categorie evidenziate sono le seguenti:

• sistemi a circolazione naturale, in cui la corretta movimentazione del fluido all’interno del collettore si auto-regola grazie all’innescarsi di moti convettivi spontanei;
• sistemi a circolazione forzata, in cui si rende necessario, per la regolazione del flusso, l’inserimento di un sistema automatico (essenzialmente costituito da un circolatore ed un centralina di controllo).

A livello teorico, le due variabili sono completamente indipendenti, ovvero è ipotizzabile realizzare sistemi con le quattro combinazioni possibili. La pratica impiantistica, come si vedrà, ha però portato alla maggiore diffusione di soluzioni a circuito chiuso e, in misura meno marcata, circolazione forzata, relegando le altre possibilità ad un limitato campo di applicazioni.

Qualche numero:

In via del tutto indicativa, lungi dal fornire informazioni rigorose o generalizzabili, è possibile offrire alcune indicazioni di massima riguardo alle prestazioni ed ai costi degli impianti per la produzione di acqua calda sanitaria.
Considerando un’utenza costante nel corso dell’anno, innanzitutto, è possibile dire che un sistema solare termico può arrivare a coprire al massimo il 70÷80% del fabbisogno, per non divenire sovradimensionato ed antieconomico.
Al fine di soddisfare tale richiesta, per una famiglia di 4 persone al centro Italia, a seconda della tecnologia adottata e delle opere idrauliche ed edili necessarie, la spesa può raggiungere i 2.800÷4.000 € per un impianto di poco inferiore ai 4 m². Tale investimento, in assenza di incentivi, può essere ripagato in un periodo di funzionamento dell’impianto variabile tra i 3 e gli 8 anni a seconda del sistema ausiliario sostituito.
Va considerato, comunque che sono periodicamente accessibili contributi in conto capitale erogati dalle Regioni o da altri Enti Locali e che esistono meccanismi di incentivazioni permanente di tali tecnologie:

• IVA ridotta al 10%;
• 55% dell’investimento detraibile dall’IRPEF in tre anni (indicato nella legge Finanziaria 2007);
• meccanismo dei “certificati bianchi” (accessibile agli installatori se associati a ESCO, in alcuni casi, con ripercussioni favorevoli per gli acquirenti finali).

A cura di: Ing. Annalisa Corrado

LINK

Assolterm – Associazione Italiana Solare Termico (ITA)
European Solar Thermal Industry (ESTIF)
European Solar Thermal Technology Platform (ESTTP)
IEA Solar Heating and Cooling Programme
IEA SolarPACES
Paese del Sole (ITA)
Plataforma Solar de Almeria (SPA)
RSPEC – Reducing Swimming Pool Energy Costs (USA)
Solar Energy Industries Association – SEIA (USA)
Soltherm Europe