A differenza di un impianto fotovoltaico che produce energia elettrica, un impianto solare termico sfrutta l’energia del sole per generare energia termica, ossia calore.
Tale energia viene poi utilizzata per la produzione di acqua calda sanitaria o per l’alimentazione di impianti di riscaldamento a bassa temperatura come quelli a pannelli radianti.
Le componenti che costituiscono un impianto solare termico sono:
un collettore solare;
un serbatoio di accumulo;
un generatore di integrazione come una pompa di calore o una caldaia a condensazione;
una centralina di controllo.
Il funzionamento di un impianto solare termico è piuttosto semplice.
Attraverso il pannello solare, la luce del sole colpisce l’assorbitore che, scaldandosi, trasferisce calore ad un fluido termovettore.
A sua volta il fluido termovettore – solitamente una miscela di acqua ed antigelo – trasferisce l’acqua calda alle utenze la quale può essere utilizzata o come acqua calda sanitaria o come vettore per l’impianto di riscaldamento.
Tipologie di pannelli solari termici.
Di pannelli solari termici sostanzialmente ve ne sono di due tipologie:
Pannelli solari vetrati piani, più indicati in zone con clima prevalentemente mite o arido;
Pannelli con tubi sottovuoto, più indicati in zone con clima molto freddo.
Nelle zone del sud Italia, specialmente in Sicilia, vengono adoperati i pannelli solari termici vetrati in quanto quelli con tubi sottovuoto possono danneggiare l’intero impianto nei periodi estivi per via delle elevate temperature.
A sua volta, esistono due tipologie di impianto solare termico, ovvero quello:
Impianto solare a circolazione naturale, più economico e compatto;
Impianto solare a circolazione forzata, avente una migliore resa e un costo di installazione superiore.
Come funziona un impianto solare termico a circolazione naturale
L’impianto solare a circolazione naturale utilizza il principio fisico dei moti convettivi dove l’acqua calda tende a salire e quella fredda a scendere.
Installando un boiler sopra il pannello solare è possibile accumulare il calore raccolto dal fluido termoconvettore che circola nel circuito in modo naturale.
È una tipologia di impianto più adatto a climi miti e poco freddi in quanto le basse temperature dei climi invernali particolarmente rigidi generano una maggiore dispersione termica in quanto il serbatoio tende a raffreddarsi più velocemente.
L’impianto a circolazione naturale viene più che altro impiegato in unità abitative di piccole dimensioni per la produzione di acqua calda sanitaria.
Dato che viene solitamente installato per riscaldare quantità di acqua ridotte, questa tipologia di impianto utilizza prevalentemente tecnologie a circuito aperto, ossia l’acqua calda utilizzata è la stessa che viene riscaldata dall’impianto.
Mentre se l’intento è riscaldare un quantitativo di acqua maggiore, occorrerà procedere con una tecnologia a circuito chiuso dove, mediante uno scambiatore di calore, viene riscaldato il serbatoio dell’acqua sanitaria che sarà poi quella utilizzata dall’abitazione.
I vantaggi di un impianto solare termico a circolazione naturale sono:
Basso costo di investimento;
Manutenzione ridotta nel tempo;
Elevata resistenza ai guasti;
Acqua calda sanitaria se integrata una resistenza elettrica.
Gli svantaggi sono:
Impatto estetico poco gradevole per via del boiler;
Peso elevato;
Maggiore dispersione termica, soprattutto durante le stagioni invernali.
Come funziona un impianto solare termico a circolazione forzata
L’impianto solare a circolazione forzata utilizza la tecnologia a circuito chiuso, ossia mediante uno scambiatore di calore.
Non fa uso di boiler e grazie alla tecnologia che ha permesso di creare il vuoto nei tubi dove scorre il liquido, è possibile godere di un isolamento termico è ottimale.
Oltretutto grazie all’ausilio di una pompa elettrica è possibile collocare altrove il serbatoio di accumulo.
È una tipologia di impianto impiegata in quei contesti dove non è possibile posizionare il boiler o quando è necessario riscaldare quantitativi di acqua molto elevati.
Inoltre per via dell’elevato isolamento termico è ideale per climi freddi come al nord Italia, mentre è d’obbligo per i paesi del nord Europa.
In termini di guadagno rispetto ai tradizionali pannelli, è considerevole nei mesi invernali e davvero minimo nei mesi estivi.
L’installazione di un impianto con tubi sottovuoto deve essere effettuata da tecnici veramente specializzati per evitare un deterioramento precoce del sistema a causa delle temperature elevate che i tubi possono raggiungere nei mesi estivi.
In Estate, infatti, i tubi possono raggiungere temperature superiori a 250 °C e danneggiare il sistema, motivo per cui non vengono impiegati in zone che godono prevalentemente di un clima mite o arido come il sud Italia ed in particolar modo in Sicilia.
I vantaggi di un impianto solare termico con pannelli solari a circolazione forzata sono:
Miglior impatto estetico per via dell’assenza del boiler;
Dispersione termica ridotta;
Acqua calda subito disponibile;
Possibile integrazione con impianto di riscaldamento.
Gli svantaggi sono:
Costo di investimento medio-alto;
Possibili problemi di ristagno in assenza di sistemi a svuotamento.
Caldaie con pannelli solari.
L’abbinamento tra solare termico e caldaia a condensazione consente di ottenere un notevole livello di efficienza, che può raggiungere anche il 50%. Ciò si traduce in una significativa riduzione dell’utilizzo di gas da parte della caldaia, ottimizzando così l’efficienza energetica complessiva del sistema
È importante sottolineare che, al fine di integrare correttamente caldaia e pannelli solari, è necessario avere a disposizione una caldaia compatibile con tale sistema.
Solare termico e caldaia a condensazione.
L’integrazione solare termico caldaia rappresenta una scelta ecologica e vantaggiosa. Il solare termico offre diverse funzioni:
Produzione di acqua calda sanitaria: l’impianto solare termico è principalmente dedicato a fornire acqua calda per le necessità quotidiane ed è facilmente integrabile con caldaie solari dotate di un bollitore solare dedicato.
Integrazione nel sistema di riscaldamento: il solare termico può supportare il generatore di calore principale nel riscaldamento degli ambienti domestici, consentendo un risparmio sui consumi e sui costi.
Riscaldamento delle piscine: l’energia solare è particolarmente adatta per riscaldare le piscine poiché richiedono temperature dell’acqua relativamente basse.
Collegare una caldaia a condensazione con pannelli solari offre numerosi vantaggi, tra cui:
Riduzione del consumo di gas e dei costi di riscaldamento.
Minore emissione di sostanze inquinanti nell’ambiente.
Accesso agli incentivi fiscali offerti per l’utilizzo di energie rinnovabili.
Aumento del valore dell’immobile.
Prima di procedere all’installazione di un sistema solare termico in supporto alla caldaia a condensazione, è importante verificare alcuni requisiti fondamentali. In particolare, è necessario dotare l’impianto di un accumulatore per immagazzinare l’energia termica, in modo da avere a disposizione acqua calda sanitaria in qualsiasi momento.
Altri aspetti da considerare sono i seguenti:
Superficie del tetto: è importante valutare la robustezza e lo spazio disponibile per l’installazione dei collettori solari in modo adeguato.
Orientamento del tetto: per ottenere prestazioni ottimali, il tetto dovrebbe essere orientato verso sud.
Inclinazione delle falde del tetto: l’inclinazione dipende dalla pendenza del tetto. È preferibile un angolo di inclinazione compreso tra 45° e 60°.
Inoltre, è importante ricordare che l’integrazione di un impianto solare termico può avvenire sia con caldaie pensate per il solo riscaldamento sia con sistemi combinati, in cui le caldaie producono anche acqua calda sanitaria.
Nel primo caso, sarà necessario installare un bollitore bivalente, che può essere riscaldato sia dalla caldaia a gas che dal sistema solare termico.
Nel secondo caso, sarà necessario installare un sistema a circolazione naturale o un bollitore monovalente.
Inclinazione pannelli solari termici.
L’efficienza energetica di un impianto solare termico dipende dalla qualità dei componenti, dalle dimensioni e dall’orientamento e dall’inclinazione dei pannelli solari termici.
I raggi solari che colpiscono i pannelli vengono convertiti in energia termica, che viene utilizzata per il riscaldamento dell’acqua sanitaria e degli ambienti. Questo sistema è molto più economico rispetto agli impianti tradizionali a gas.
L’impianto solare termico raggiunge il massimo di produttività quando i raggi solari sono perpendicolari ai pannelli. Tuttavia, questa condizione ottimale varia durante il giorno e nelle diverse stagioni.
Per ottimizzare il funzionamento dell’impianto, è necessario orientare i pannelli nella direzione in cui l’incidenza dei raggi è maggiore. È importante tenere in considerazione i seguenti fattori:
Radiazione solare;
Direzione dei pannelli solari;
Inclinazione dei pannelli solari.
Per ottenere il massimo rendimento annuale, l’inclinazione ottimale dei collettori dovrebbe essere uguale alla latitudine locale sottratta di circa 10 gradi (ad esempio, da 45 gradi a Milano a 38 gradi a Palermo).
Semplificando, per ottenere la massima produzione annuale, l’inclinazione dei pannelli solari dovrebbe corrispondere alla latitudine del luogo di installazione.
In generale l’inclinazione ottimale dei pannelli solari termici in Italia varia tra i 25 e i 35 gradi.
Tuttavia, durante i mesi invernali, l’inclinazione dovrebbe essere di circa 60 gradi, mentre durante i mesi estivi può essere ridotta a circa 30 gradi, specialmente per il riscaldamento delle piscine.
Se si desidera combinare un sistema solare con un impianto di riscaldamento a bassa temperatura come il riscaldamento a pavimento, l’inclinazione dei collettori dovrebbe tener conto del maggior carico invernale rispetto agli impianti standard.
È importante considerare anche la superficie su cui saranno installati i pannelli. Se l’impianto solare termico viene installato su un tetto, i pannelli devono essere posizionati in modo complanare alla falda del tetto.
In caso contrario, è necessario calcolare con precisione l’inclinazione dei pannelli su un tetto piano per evitare ombreggiamenti tra i pannelli anteriori e quelli posteriori durante determinati periodi dell’anno.
Per determinare l’inclinazione corretta e la distanza minima tra le file di pannelli, è consigliabile utilizzare software professionale che può calcolare automaticamente tali parametri su qualsiasi superficie (orizzontale, verticale o inclinata).
Orientamento dei pannelli solari termici.
L’impianto solare termico è più produttivo quando i raggi solari sono perpendicolari ai pannelli, l’orientamento ottimale dei pannelli solari termici è verso sud, evitando ombreggiamenti il più possibile.
È importante evitare che alberi, pali della luce, antenne o edifici alti creino zone d’ombra che potrebbero ridurre l’efficienza dell’impianto.
Se non è possibile installare i pannelli in direzione sud o se ci sono ostacoli che causano ombreggiamenti, è possibile orientarli verso sud-est o sud-ovest, ma ciò comporterà una leggera riduzione annuale della produzione (1-3%).
Se l’angolazione rispetto al sud supera i 45 gradi, la produzione diminuirà significativamente.
L’effetto della radiazione solare su un pannello esposto a est o ovest è meno significativo, in quanto riceverà solo la radiazione del mattino o della sera.
Rendimento pannello solare termico.
Il solare termico è la tipologia di impianto a fonti rinnovabili per eccellenza per quanto riguarda la produzione di acqua calda sfruttando l’energia solare.
L’impianto solare termico, infatti, assicura una netta diminuzione dei costi in bolletta soprattutto se utilizzato in ambito domestico come integrazione all’impianto di riscaldamento.
Molti utilizzano il fotovoltaico per lo stesso obiettivo ma un solare termico risulta essere molto più efficiente poiché l’energia accumulata dal sole può essere immediatamente utilizzata anziché essere convertita e poi utilizzata da pompe di calore, scaldabagni o caldaie.
Questo si riflette sull’efficienza del solare termico, il quale possiede un rendimento compreso tra il 30% e il 60% a differenza del 14-20% del fotovoltaico.
Tuttavia, il pannello solare termico – detto anche collettore solare – ha una efficienza variabile che può essere condizionata da innumerevoli fattori.
Tecnicamente il rendimento di un pannello solare termico è definito come il rapporto fra l’energia acquisita dal fluido termovettore presente al suo interno e l’energia incidente sulla superficie del pannello stesso in una determinata unità di tempo.
Maggiore è l’efficienza, infatti, e maggiore è la percentuale di energia utilizzabile per il riscaldamento dell’acqua.
Il rendimento di un collettore solare dipende dai seguenti fattori che è importante considerare per ottenere prestazioni ottimali:
Zona di residenza: la zona geografica in cui ci si trova influisce sull’irraggiamento solare, che varia a seconda della posizione. Le aree meridionali, le isole e le zone costiere beneficiano di un maggiore irraggiamento solare rispetto alle regioni settentrionali e montane. Di conseguenza, l’efficienza energetica del sistema solare termico varierà in base alla zona di residenza.
Condizioni climatiche: le condizioni atmosferiche generali hanno un impatto significativo sulla rifrazione dei raggi solari sui pannelli. In presenza di nuvole o nebbia, l’irraggiamento solare può diminuire considerevolmente, oscillando tra 50 W/mq e 1000 W/mq in caso di cielo sereno.
Inclinazione del tetto: l’orientamento e l’inclinazione del tetto sono fondamentali per il rendimento del collettore solare. I pannelli possono essere installati sul tetto o sulla facciata, sia in posizione verticale che orizzontale, o possono essere integrati nell’edificio. L’inclinazione ideale per massimizzare l’assorbimento delle radiazioni solari, anche in condizioni di scarsa luminosità, è tra 30° e 45°, con esposizione verso sud.
Capacità di accumulo: il corretto dimensionamento del solare termico, compresa la scelta della capacità di accumulo adeguata alle esigenze domestiche e familiari, contribuisce a garantire un rendimento termico ottimale.
Temperatura del fluido termovettore: una maggiore differenza di temperatura tra le tubazioni e il fluido consente uno scambio di calore più rapido ed efficiente.
Caratteristiche costruttive del collettore: le caratteristiche del collettore solare, come i materiali utilizzati e il tipo di collegamento tra la piastra e i tubi, influenzano le prestazioni generali del sistema.
Confronto del rendimento tra le diverse tipologie di pannelli solari termici
Il rendimento dei collettori solari termici varia in base alle diverse condizioni di lavoro, come l’irraggiamento solare e le temperature ambiente. Ecco riassunto il rendimento delle varie tipologie di pannelli solari termici:
Collettori non vetrati: Questi collettori, privi di copertura trasparente, hanno un rendimento che diminuisce rapidamente all’aumentare della differenza di temperatura (delta T). In zone con condizioni sfavorevoli, il loro rendimento si annulla praticamente, mentre altri collettori mantengono prestazioni significative.
Collettori con vetri piani non selettivi: Questi collettori hanno un rendimento maggiore rispetto ai non vetrati, ma comunque inferiore rispetto a quelli piani selettivi in tutte le condizioni di lavoro.
Collettori con tubi sottovuoto: Questi collettori offrono una curva di rendimento più stabile e migliore in assoluto, garantendo buone prestazioni anche in condizioni avverse. Sono la scelta ideale per un impianto solare termico “tradizionale”, senza concentrazione solare.
Consigli per aumentare il rendimento del solare termico
Le prestazioni di un impianto solare termico non dipendono solo dall’efficienza dei singoli pannelli solari. Per valutare correttamente l’efficienza complessiva del sistema, è necessario considerare altri fattori come la configurazione dell’impianto e la capacità di accumulo.
Ad esempio, la scheda tecnica di un collettore solare può indicare un rendimento dell’85%. Tuttavia, questa percentuale si riferisce solo al pannello stesso e non tiene conto delle perdite di calore nel sistema di distribuzione e accumulo.
Quindi, per ottimizzare l’efficienza dell’impianto solare termico, è importante considerare alcuni elementi chiave durante la fase di progettazione, tra cui:
Dimensione dell’abitazione: è importante valutare soprattutto il numero di bagni presenti.
Composizione del nucleo familiare: comprendere il numero di persone nella famiglia.
Esigenze e abitudini familiari: considerare l’uso e la durata media delle docce, ad esempio.
Valutando attentamente questi fattori, è possibile identificare la soluzione migliore per il contesto domestico, determinando il tipo di pannello solare termico da installare in base alla capacità di accumulo necessaria.
La scelta della tipologia di collettore solare – piano o sottovuoto – può garantire un buon isolamento termico e limitare le dispersioni di calore, soprattutto perché dal pannello dipende anche la dimensione del boiler.
Se si opta per un pannello solare termico di tipo piano, è consigliabile considerare almeno 50 litri per metro quadrato. Nel caso di un pannello solare termico sottovuoto, la capacità consigliata sale ad almeno 80 litri per metro quadrato.
Solare termico a svuotamento o Drain Back.
Il solare termico a svuotamento, detto anche Drain Back, è una tecnologia di solare termico che grazie ad un serbatoio di drenaggio evita problemi di stagnazione dell’impianto.
Un impianto solare termico a svuotamento è composto da tre componenti principali: i pannelli solari termici (detti anche collettori solari), il serbatoio di accumulo e la pompa di circolazione.
I pannelli solari termici a svuotamento sono costituiti da tubi di rame o alluminio contenenti un fluido termovettore, solitamente acqua o una soluzione antigelo, che assorbe il calore del sole. Il fluido termovettore viene portato alla temperatura desiderata attraverso l’effetto serra causato dalla copertura trasparente dei pannelli.
Il serbatoio di accumulo è un recipiente in cui l’acqua calda prodotta dai pannelli solari viene conservata fino a quando non è necessaria per l’uso. Il serbatoio può essere isolato termicamente per evitare la perdita di calore.
La pompa di circolazione, infine, è utilizzata per spostare il fluido termovettore dai pannelli solari al serbatoio di accumulo e da lì all’utilizzo finale. La pompa può essere azionata manualmente o automaticamente, a seconda del sistema.
Il funzionamento di un solare termico a svuotamento è analogo a quello a circolazione forzata. La differenza sostanziale del sistema Drain Back è che il circuito non è costantemente sotto pressione grazie al serbatoio di drenaggio che raccoglie tutto il liquido quando la pompa di circolazione risulta ferma.
Sostanzialmente in caso di scarso irraggiamento solare o al raggiungimento della temperatura massima del bollitore, la centralina sospende la circolazione, i pannelli si svuotano ed il fluido termovettore defluisce nel serbatoio di drenaggio.
Ciò significa che l’acqua non rimane inutilizzata nei pannelli solari e il sistema è sempre pronto per riscaldare l’acqua quando necessario. In questo modo si evitano i problemi dovuti al ristagno.
Lo svuotamento avviene per gravità e quindi l’installazione deve essere effettuata rispettando determinati vincoli di pendenza delle tubazioni e inclinazione dei pannelli.
Solare termico a svuotamento a riposo
Quando l’impianto non è in funzione o non c’è sufficiente irraggiamento solare, il fluido termovettore rimane nel serbatoio di drenaggio.
Solare termico a svuotamento in funzione
La centralina avvia il sistema ed i pannelli solari vengono riempiti dalla pompa di circolazione alla massima velocità.
Al raggiungimento del funzionamento regolare, la pompa torna a funzionare alla velocità standard per ottenere il massimo risparmio energetico.
Solare termico a svuotamento a serbatoio pieno
Quando viene raggiunta la temperatura massima del boiler, la pompa si disattiva. A quel punto il fluido caldo scorre nuovamente nel serbatoio di drenaggio, evitando problemi di surriscaldamento dell’impianto solare termico.
Vantaggi del solare termico a svuotamento rispetto ad altri tipi di impianti solari termici
Il solare termico a svuotamento presenta numerosi vantaggi rispetto ad altri tipi di impianti solari termici:
Manutenzione ridotta grazie al fatto che il fluido termovettore non ristagna nei collettori, per cui vengono meno problemi dovuti al gelo o al deterioramento;
Nessun utilizzo di sostanze chimiche nel circuito dell’impianto;
Risparmio di alcuni componenti impiantistici come manometro, valvola di sfiato ed altri;
Maggiore durata dell’impianto in quanto il sistema drain back evita i rischi legati all’alta pressione, ai colpi d’ariete dovuti al vapore, all’imbrattamento di valvole di non ritorno ed alla corrosione;
Risparmio energetico notturno grazie al minor consumo di energia elettrica che altrimenti sarebbe impiegata per il raffreddmento dello stesso;
Sicurezza in caso di blackout;
Nessun rischio di surriscaldamento o congelamento;
Niente aria nell’impianto.
