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Solare termico: tipologie, vantaggi e svantaggi del sistema

A seconda del moto del fluido termovettore, gli impianti solari termici possono essere a circolazione naturale o forzata. Analizziamo nel dettaglio le tipologie di pannelli solari termici più diffuse

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solare termico

Un impianto solare termico è un sistema che trasforma l’energia solare in energia termica, ossia in calore; l’energia termica può essere utilizzata per la produzione di acqua calda ad uso sanitario, per il riscaldamento degli ambienti, per il riscaldamento delle piscine, per usi diversi di tipo industriale o agricolo, per la climatizzazione estiva.

Nella schematizzazione più semplice, un impianto solare termico si compone di:

  • un sistema di captazione dell’energia (i pannelli solari termici),
  • un sistema di accumulo,
  • ed eventualmente di una pompa di circolazione e di un sistema di regolazione.

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L’accumulo ha la funzione di rendere disponibile l’energia in tempi differiti rispetto all’insolazione. A seconda dell’impiego dell’impianto, potrà essere necessario un sistema di integrazione della produzione di energia termica da parte di una fonte sicura, che garantisca la produzione in ogni momento dell’anno, per compensare l’aleatorietà e la
variabilità della fonte solare.

Vediamo nel dettaglio quali sono le tipologie di pannelli più diffuse in questo articolo estratto dal volume Progettazione degli impianti di climatizzazione di Livio De Santoli e Francesco Mancini edito da Maggioli Editore.

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Le tipologie di pannelli solari termici

Le tipologie di pannelli solari termici più diffuse sul mercato sono principalmente due:

  1. i pannelli piani vetrati;
  2. i pannelli sottovuoto.

I pannelli piani vetrati sono costituiti da una piastra metallica posta all’interno di un involucro isolato termicamente, ricoperto anteriormente da una superficie vetrata. Il vetro è utilizzato perché, in virtù del suo comportamento selettivo, risulta trasparente alla radiazione solare, mentre impedisce al calore accumulato di essere reirradiato verso l’ambiente (effetto serra).

La radiazione solare che attraversa la superficie vetrata è assorbita dalla piastra metallica che riscalda il liquido termovettore che circola all’interno del pannello. Questi pannelli hanno un buon rapporto costi/benefici e un buon rendimento termico in applicazioni in cui le temperature richieste non sono molto elevate, ad esempio per la produzione di acqua calda sanitaria, per il riscaldamento degli ambienti con elementi radianti a pavimento o per il riscaldamento delle piscine. Possono produrre acqua calda fino a 90-95°C. La loro resa diminuisce però in modo sensibile oltre i 65-70°C.

I pannelli sottovuoto sono caratterizzati da condotti di vetro posti sottovuoto, al cui interno sono posizionate le tubazioni che, assorbendo la radiazione solare, riscaldano il liquido in circolazione. I pannelli sottovuoto hanno un elevato rendimento grazie alle basse dispersioni di energia ottenute con l’impiego dei condotti sottovuoto, tuttavia sono di più complessa e costosa realizzazione rispetto ai pannelli piani.

Sono solitamente utilizzati in località caratterizzate da bassa insolazione oppure per applicazioni in cui si richiedano temperature più elevate. Possono produrre acqua calda fino a 110-115°C: queste temperature consentono un’ampia gamma di utilizzazioni, in campo industriale, agricolo e alimentare. In impianti di climatizzazione estiva, l’energia termica a temperature elevate può essere impiegata per il funzionamento di gruppi frigoriferi ad assorbimento che producono acqua refrigerata.

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Il rendimento dell’impianto

L’efficienza di conversione (o rendimento) di un pannello solare è data dal rapporto tra l’energia termica prodotta dal collettore e l’energia solare che incide sulla sua superficie; ha un valore variabile, al variare della radiazione solare e della differenza di temperatura tra il fluido termovettore circolante nel pannello e l’ambiente. Il rapporto tra la suddetta differenza di temperatura e la radiazione solare è detto temperatura ridotta.

Fig.1_Rendimento di un collettore solare ©Progettazione degli impianti di climatizzazione – Maggioli Editore

I pannelli sottovuoto mantengono un rendimento elevato anche in condizioni climatiche sfavorevoli, mentre quelli piani vetrati hanno un basso rendimento per bassi valori di radiazione.

Il rendimento complessivo di un impianto solare dipende anche dal rendimento di tutti gli altri sottosistemi collegati (accumulo, regolazione, distribuzione, emissione).

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Circolazione naturale o forzata

Da un punto di vista funzionale, a seconda del moto del fluido termovettore, gli impianti solari termici possono essere a circolazione naturale o a circolazione forzata.

Negli impianti a circolazione naturale, il moto del fluido termovettore è generato dalla differenza di densità tra il fluido caldo ed il fluido freddo, conseguente alla captazione di energia solare; per effetto della dilatazione termica, il fluido caldo si muove verso l’alto, mentre il fluido freddo si muove verso il basso. La circolazione naturale che si genera è sfruttata per accumulare energia termica in un serbatoio, che, necessariamente, deve trovarsi ad una quota superiore rispetto al pannello e che non dovrà essere troppo distante, vista la bassa differenza di pressione disponibile per vincere le perdite di carico.

Fig.2_Collettore solare piano a circolazione naturale ©Progettazione degli impianti di climatizzazione – Maggioli Editore

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I vantaggi di questo tipo di impianti sono rappresentati principalmente dalla loro semplicità, dal momento che non sono necessari né una pompa di circolazione, né una centralina di regolazione. Gli svantaggi sono rappresentati dalla posizione quasi obbligata dell’accumulo, che spesso viene collocato in un ambiente non riscaldato o addirittura all’esterno, con conseguenti dispersioni termiche.

Questo tipo di impianti è utilizzato, prevalentemente, per la sola produzione di acqua calda sanitaria e può prevedere un’integrazione di tipo diverso con una fonte sicura (resistenza elettrica, caldaia, ecc.).

Negli impianti a circolazione forzata, il serbatoio di accumulo può essere collocato in qualsiasi posizione e la circolazione del liquido avviene grazie ad una pompa, comandata da una centralina di regolazione. Il sistema di regolazione fa partire la pompa quando la differenza tra la temperatura all’uscita dai collettori e la temperatura dell’accumulo supera un valore impostato, ossia quando il valore dell’energia termica che si ottiene dal pannello, grazie alla circolazione del fluido, è superiore al costo dell’energia elettrica consumata dalla pompa.

Con gli impianti a circolazione forzata, oltre che alla produzione di acqua calda sanitaria, si può provvedere alla produzione di acqua per il riscaldamento degli ambienti e per ogni altra necessità compatibile con le temperature che si raggiungono; resta la necessità di integrare la produzione di energia termica con fonte sicura. Qualora si preveda un utilizzo promiscuo dell’energia accumulata, è necessario prevedere un sistema di accumulo che consenta una buona stratificazione dell’acqua al suo interno, per poter prelevare l’acqua a temperature anche diverse; eventualmente si possono realizzare anche accumuli separati.

Fig.3_Schema di impianto a circolazione forzata per produzione acqua calda sanitaria e riscaldamento, con integrazione da caldaia ©Progettazione degli impianti di climatizzazione – Maggioli Editore

Il dimensionamento dei pannelli solari richiede un calcolo accurato in funzione:

  • della località e quindi della radiazione solare disponibile;
  • della collocazione del pannello, con valutazione di possibili ombreggiamenti;
  • delle richieste di energia termica e delle temperature necessarie.

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Foto:iStock.com/Vladimir Kazakov


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