Il riscaldamento dell’acqua tramite energia solare ( SWH ) consiste nel riscaldare l’acqua utilizzando la luce solare , tramite un collettore solare termico . Sono disponibili diverse configurazioni a costi variabili per fornire soluzioni adatte a climi e latitudini differenti. Gli SWH sono ampiamente utilizzati in ambito residenziale e in alcune applicazioni industriali. Un collettore solare riscalda un fluido di lavoro che passa in un sistema di accumulo per un utilizzo successivo. I sistemi solari termici (SWH) sono attivi (a pompaggio) e passivi ( a convezione ). Utilizzano solo acqua o sia acqua che un fluido di lavoro. Il riscaldamento avviene direttamente o tramite specchi che concentrano la luce. Funzionano in modo indipendente o in combinazione con riscaldatori elettrici o a gas. Negli impianti su larga scala, gli specchi possono concentrare la luce solare in un collettore più piccolo. Alla fine del 2023, la capacità termica globale dell’acqua calda solare era di 560 GWth , con un aumento del 3% rispetto al 2022. Il mercato è dominato da Cina , Stati Uniti e Turchia. Barbados , Austria , Cipro , Israele e Grecia sono i paesi leader per capacità pro capite. Alla fine del 2022 erano in funzione 122 milioni di sistemi solari per la produzione di acqua calda
Le prime testimonianze di collettori solari negli Stati Uniti risalgono a prima del 1900, e riguardavano un serbatoio verniciato di nero montato su un tetto. Nel 1896 Clarence Kemp di Baltimora racchiuse un serbatoio in una scatola di legno, creando così il primo “riscaldatore d’acqua a lotti” come sono conosciuti oggi. Frank Shuman costruì la prima centrale solare termica al mondo a Maadi, in Egitto, tra il 1912 e il 1913, utilizzando collettori parabolici per alimentare un motore da 45 a 52 kilowatt (da 60 a 70 cavalli vapore) che pompava 23.000 litri (6.000 galloni USA ) di acqua al minuto dal fiume Nilo ai campi di cotone adiacenti. I collettori a piastra piana per il riscaldamento solare dell’acqua furono utilizzati in Florida e nella California meridionale negli anni ’20. L’interesse crebbe in Nord America dopo il 1960, ma soprattutto dopo la crisi petrolifera del 1973.
La diffusione della tecnologia tra i paesi del Mediterraneo:
Israele, Cipro e Grecia sono i leader pro capite nell’uso di sistemi di riscaldamento dell’acqua solare, che supportano il 30%-40% delle abitazioni. I sistemi solari a piastra piana furono perfezionati e utilizzati su larga scala in Israele. Negli anni ’50, una carenza di carburante portò il governo a vietare il riscaldamento dell’acqua tra le 22:00 e le 6:00 . Levi Yissar costruì il primo prototipo di scaldabagno solare israeliano e nel 1953 fondò la NerYah Company, il primo produttore commerciale israeliano di scaldabagni solari. Nel 1967, il 20% della popolazione utilizzava scaldabagni solari. In seguito alla crisi energetica degli anni ’70, nel 1980 Israele impose l’installazione di scaldabagni solari in tutte le nuove abitazioni (tranne i grattacieli con superficie del tetto insufficiente). Di conseguenza, Israele divenne leader mondiale nell’uso dell’energia solare pro capite, con l’85% delle famiglie che utilizzavano sistemi solari termici (3% del consumo energetico primario nazionale), con un risparmio stimato di 2 milioni di barili (320.000 m³ ) di petrolio all’anno. Nel 2005, la Spagna è diventata il primo paese al mondo a richiedere l’installazione di impianti fotovoltaici per la produzione di energia elettrica nei nuovi edifici, e il secondo (dopo Israele) a richiedere l’installazione di sistemi solari per il riscaldamento dell’acqua, nel 2006.
In Asia:
Dopo il 1960, i sistemi furono commercializzati in Giappone. L’Australia ha una varietà di normative nazionali e statali per il solare termico a partire dal MRET nel 1997. I sistemi di riscaldamento dell’acqua solare sono popolari in Cina, dove i modelli base partono da circa 1.500 yuan (235 dollari USA), circa l’80% in meno rispetto ai paesi occidentali per una data dimensione del collettore. Almeno 30 milioni di famiglie cinesi ne possiedono uno. La popolarità è dovuta all’efficienza dei tubi sottovuoto che consentono ai riscaldatori di funzionare anche sotto cieli grigi e a temperature ben al di sotto dello zero.
Requisiti di progettazione:
Il tipo, la complessità e le dimensioni di un impianto solare per il riscaldamento dell’acqua sono determinati principalmente da:
- Variazioni della temperatura ambiente e della radiazione solare tra estate e inverno
- Variazioni della temperatura ambiente durante il ciclo giorno-notte
- Possibilità di surriscaldamento o congelamento dell’acqua potabile o del fluido di raccolta.
I requisiti minimi del sistema sono generalmente determinati dalla quantità o dalla temperatura dell’acqua calda richiesta durante l’inverno, quando la potenza erogata dal sistema e la temperatura dell’acqua in ingresso sono solitamente al minimo. La potenza massima del sistema è determinata dalla necessità di impedire che l’acqua nel sistema si surriscaldi eccessivamente.
Protezione antigelo
Le misure di protezione antigelo prevengono danni al sistema dovuti all’espansione del fluido termovettore che si congela. I sistemi di svuotamento automatico scaricano il fluido termovettore dal sistema quando la pompa si arresta. Molti sistemi indiretti utilizzano antigelo (ad esempio, glicole propilenico ) nel fluido termovettore.
In alcuni sistemi diretti, i collettori possono essere svuotati manualmente quando si prevede il congelamento. Questo approccio è comune nei climi in cui le temperature sotto zero non si verificano frequentemente, ma può essere meno affidabile di un sistema automatico poiché dipende dall’intervento di un operatore.
Il terzo tipo di protezione antigelo è la tolleranza al gelo, in cui i tubi dell’acqua a bassa pressione realizzati in gomma siliconica si espandono semplicemente quando si congelano. Un collettore di questo tipo ha ora ottenuto la certificazione europea Solar Keymark.
In particolare, mentre la necessità di protezione antigelo è stata tradizionalmente un fattore di complicazione, i sistemi con collettori a tubi sottovuoto possono essere utilizzati in climi con gelate moderate senza bisogno di spurgo o antigelo. Questo perché in un sistema a tubi sottovuoto l’acqua circola solo nel collettore termicamente isolato, non nei tubi stessi. Un’ulteriore protezione è fornita dal controllore: se la temperatura del collettore scende al di sotto di un valore preimpostato (in genere da 2 a 4 °C), la pompa di circolazione si attiva automaticamente per un breve periodo per far circolare acqua più calda nel collettore.
Protezione contro il surriscaldamento
In tutti i sistemi non a svuotamento, quando non viene utilizzata acqua calda per uno o due giorni, il fluido nei collettori e nel serbatoio può raggiungere temperature elevate. In un sistema a svuotamento, invece, quando il serbatoio raggiunge la temperatura desiderata, le pompe si arrestano, interrompendo il processo di riscaldamento e impedendo così il surriscaldamento del serbatoio.
Alcuni sistemi attivi raffreddano deliberatamente l’acqua nel serbatoio di accumulo facendo circolare acqua calda attraverso il collettore nei momenti in cui c’è poca luce solare o di notte, con conseguente dispersione di calore. Questo sistema è più efficace negli impianti idraulici ad accumulo termico diretto ed è praticamente inefficace nei sistemi che utilizzano collettori a tubi sottovuoto, grazie al loro isolamento superiore. Qualsiasi tipo di collettore può comunque surriscaldarsi. I sistemi solari termici ad alta pressione e a circuito chiuso si basano in ultima analisi sul funzionamento delle valvole di sicurezza per la temperatura e la pressione . I sistemi di riscaldamento a bassa pressione e a sfiato aperto hanno controlli di sicurezza più semplici e affidabili, in genere uno sfiato aperto.
Struttura e funzionamento
Tra i progetti più semplici si annoverano una semplice scatola isolata con coperchio in vetro e un assorbitore solare piatto in lamiera scura, collegato a tubi di rame per lo scambio termico , oppure un insieme di tubi metallici circondati da un cilindro di vetro sottovuoto (quasi sottovuoto). In ambito industriale, uno specchio parabolico può concentrare la luce solare sul tubo. Il calore viene immagazzinato in un serbatoio di accumulo di acqua calda . Il volume di questo serbatoio deve essere maggiore nei sistemi di riscaldamento solare per compensare le intemperie [ chiarimento necessario ] e perché la temperatura finale ottimale per il collettore solare [ chiarimento necessario ] è inferiore rispetto a quella di un tipico riscaldatore a immersione o a combustione. Il fluido termovettore (HTF) per l’assorbitore può essere acqua, ma più comunemente (almeno nei sistemi attivi) è un circuito separato di fluido contenente antigelo e un inibitore di corrosione che fornisce calore al serbatoio attraverso uno scambiatore di calore (generalmente una serpentina di tubi di rame all’interno del serbatoio). Il rame è un componente importante nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento solare termico grazie alla sua elevata conduttività termica, alla resistenza alla corrosione atmosferica e idrica, alla tenuta e alla giunzione tramite saldatura e alla resistenza meccanica. Il rame viene utilizzato sia nei ricevitori che nei circuiti primari (tubi e scambiatori di calore per serbatoi d’acqua). [ 19 ]
Il sistema di ‘drenaggio inverso’ è un altro concetto che richiede una manutenzione minima. [ 20 ] Non è necessario alcun antigelo; al contrario, tutte le tubature sono inclinate per far sì che l’acqua defluisca nel serbatoio. Il serbatoio non è pressurizzato e funziona a pressione atmosferica. Non appena la pompa si spegne, il flusso si inverte e le tubature si svuotano prima che si verifichi il congelamento.
Gli impianti solari termici residenziali si dividono in due gruppi: passivi (a volte chiamati “compatti”) e attivi (a volte chiamati “a pompa”). Entrambi includono in genere una fonte di energia ausiliaria (elemento riscaldante elettrico o collegamento a un sistema di riscaldamento centralizzato a gas o gasolio) che si attiva quando l’acqua nel serbatoio scende al di sotto di una temperatura minima impostata, garantendo che l’acqua calda sia sempre disponibile. La combinazione del riscaldamento solare dell’acqua e del calore di supporto proveniente da una canna fumaria di una stufa a legna [ 21 ] può consentire a un sistema di acqua calda di funzionare tutto l’anno nei climi più freddi, senza che il fabbisogno di calore supplementare di un sistema di riscaldamento solare dell’acqua venga soddisfatto con combustibili fossili o elettricità.
Quando si utilizzano insieme un sistema di riscaldamento dell’acqua solare e un sistema di riscaldamento centralizzato dell’acqua calda, il calore solare viene concentrato in un serbatoio di preriscaldamento che alimenta il serbatoio riscaldato dal riscaldamento centralizzato , oppure lo scambiatore di calore solare sostituisce la resistenza inferiore e quest’ultima rimane per fornire calore supplementare. Tuttavia, il fabbisogno principale di riscaldamento centralizzato si manifesta di notte e in inverno, quando l’irraggiamento solare è inferiore. Pertanto, il riscaldamento dell’acqua solare per lavarsi e fare il bagno è spesso un’applicazione migliore rispetto al riscaldamento centralizzato, poiché l’offerta e la domanda sono meglio bilanciate. In molti climi, un sistema solare per la produzione di acqua calda può fornire fino all’85% dell’energia necessaria per la produzione di acqua calda sanitaria. Questo può includere sistemi solari termici a concentrazione non elettrici per uso domestico . In molti paesi del Nord Europa, i sistemi combinati di produzione di acqua calda e riscaldamento degli ambienti ( sistemi solari combinati ) vengono utilizzati per fornire dal 15 al 25% dell’energia necessaria per il riscaldamento domestico. Se combinato con l’accumulo , il riscaldamento solare su larga scala può fornire dal 50 al 97% del consumo annuo di calore per il teleriscaldamento . [ 22 ] [ 23 ]
Trasferimento di calore:
I sistemi a circuito aperto o diretto fanno circolare l’acqua potabile attraverso i collettori. Sono relativamente economici. Gli svantaggi includono:
- Offrono una protezione dal surriscaldamento scarsa o nulla, a meno che non siano dotati di una pompa di calore per l’esportazione del calore.
- Offrono una protezione dal gelo scarsa o nulla, a meno che i collettori non siano resistenti al gelo o del tipo a tubi sottovuoto.
- Nelle zone con acqua dura, i collettori tendono ad accumulare calcare , a meno che non si utilizzi un addolcitore a scambio ionico.
L’avvento dei modelli resistenti al gelo ha ampliato il mercato degli scaldabagni solari anche ai climi più freddi. In condizioni di gelo, i modelli precedenti si danneggiavano quando l’acqua si trasformava in ghiaccio, provocando la rottura di uno o più componenti.
Indiretto
I sistemi indiretti o a circuito chiuso utilizzano uno scambiatore di calore per trasferire il calore dal fluido termovettore (HTF) all’acqua potabile. Il fluido termovettore più comune è una miscela di antigelo e acqua che in genere utilizza glicole propilenico non tossico . Dopo essersi riscaldato nei pannelli, il fluido termovettore passa allo scambiatore di calore, dove il suo calore viene trasferito all’acqua potabile. I sistemi indiretti offrono protezione dal gelo e in genere anche protezione dal surriscaldamento. [ citazione necessaria ]
Propulsione
Passivo
I sistemi passivi si basano sulla convezione termica o sui tubi di calore per far circolare il fluido di lavoro. I sistemi passivi costano meno e richiedono poca o nessuna manutenzione, ma sono meno efficienti. Il surriscaldamento e il congelamento rappresentano i principali problemi. [ citazione necessaria ]
Attivo
I sistemi attivi utilizzano una o più pompe per far circolare acqua e/o fluido termovettore . Ciò consente una gamma molto più ampia di configurazioni di sistema. I sistemi a pompaggio sono più costosi da acquistare e da gestire. Tuttavia, funzionano con maggiore efficienza e sono più facili da controllare. I sistemi attivi dispongono di centraline con funzionalità quali l’interazione con uno scaldabagno elettrico o a gas di riserva, il calcolo e la registrazione del risparmio energetico, funzioni di sicurezza, accesso remoto e display informativi.
Un sistema di accumulo a collettore integrato (ICS o collettore a lotti) utilizza un serbatoio che funge sia da accumulatore che da collettore. I collettori a lotti sono serbatoi sottili e rettilinei con un lato in vetro rivolto verso il sole a mezzogiorno . Sono semplici e meno costosi dei collettori a piastre e tubi, ma potrebbero richiedere dei rinforzi se installati su un tetto (per sostenere 180-320 kg di acqua ) , soffrono di una significativa dispersione di calore durante la notte poiché il lato esposto al sole è in gran parte non isolato e sono adatti solo a climi temperati.
Un sistema di accumulo termico a convezione (CHS) è simile a un sistema ICS, con la differenza che il serbatoio di accumulo e il collettore sono fisicamente separati e il trasferimento di calore tra i due avviene per convezione. I sistemi CHS utilizzano in genere collettori standard a piastre piane o a tubi sottovuoto. Il serbatoio di accumulo deve essere posizionato sopra i collettori affinché la convezione funzioni correttamente. Il principale vantaggio dei sistemi CHS rispetto ai sistemi ICS è che la dispersione di calore è in gran parte evitata, poiché il serbatoio di accumulo può essere completamente isolato. Poiché i pannelli sono posizionati sotto il serbatoio di accumulo, la dispersione di calore non causa convezione, in quanto l’acqua fredda rimane nella parte più bassa del sistema. [ citazione necessaria ]
Sistemi indiretti attivi
I sistemi antigelo pressurizzati utilizzano una miscela di antigelo (quasi sempre glicole propilenico a bassa tossicità) e acqua come fluido termovettore per prevenire danni da congelamento.
Sebbene efficaci nel prevenire i danni da gelo, i sistemi antigelo presentano degli svantaggi:
- Se il fluido termovettore si surriscalda eccessivamente, il glicole si degrada trasformandosi in acido, perdendo così la protezione antigelo e iniziando a dissolvere i componenti del circuito solare.
- I sistemi senza serbatoi di svuotamento devono far circolare il fluido termovettore, indipendentemente dalla temperatura del serbatoio di stoccaggio, per impedirne il degrado. Temperature eccessive nel serbatoio causano un aumento della formazione di incrostazioni e sedimenti, possibili gravi ustioni se non è installata una valvola miscelatrice e, se utilizzato per lo stoccaggio, un possibile guasto del termostato.
- Il fluido termovettore glicole/acqua deve essere sostituito ogni 3-8 anni, a seconda delle temperature a cui è stato esposto.
- Alcune giurisdizioni richiedono scambiatori di calore a doppia parete, più costosi, nonostante il glicole propilenico sia a bassa tossicità.
- Sebbene il fluido termovettore contenga glicole per prevenire il congelamento, fa circolare acqua calda dal serbatoio di accumulo ai collettori a basse temperature (ad esempio inferiori a 4 ° C ), causando una notevole perdita di calore.
Un sistema a svuotamento automatico è un sistema indiretto attivo in cui il fluido termovettore (solitamente acqua pura) circola attraverso il collettore, azionato da una pompa. La tubazione del collettore non è pressurizzata e comprende un serbatoio di svuotamento aperto contenuto in un ambiente climatizzato o semi-climatizzato. Il fluido termovettore rimane nel serbatoio di svuotamento a meno che la pompa non sia in funzione e vi ritorna (svuotando il collettore) quando la pompa viene spenta. Il sistema di collettore, comprese le tubazioni, deve svuotarsi per gravità nel serbatoio di svuotamento. I sistemi a svuotamento automatico non sono soggetti a congelamento o surriscaldamento. La pompa funziona solo quando necessario per il recupero del calore, ma non per proteggere il fluido termovettore, aumentando l’efficienza e riducendo i costi di pompaggio. [ 24 ]
Fai da te (DIY)
I progetti per i sistemi di riscaldamento dell’acqua solare sono disponibili su Internet. [ 25 ] I sistemi SWH fai-da-te sono generalmente più economici di quelli commerciali e sono utilizzati sia nel mondo sviluppato che in quello in via di sviluppo. [ 26 ]
Confronto
| Caratteristica | ICS (Batch) | Sifone termico | Attivo diretto | attivo indiretto | Scaricare indietro | Pompa per bolle |
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| Profilo basso e discreto |  |
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| Collettore leggero | |
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| Sopravvive al gelo | |
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| Bassa manutenzione | |
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| Semplice: nessun controllo ausiliario | |
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| Possibilità di ristrutturazione del negozio esistente | |
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| Risparmio di spazio: non è necessario un serbatoio di stoccaggio aggiuntivo. | |
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| Confronto tra sistemi SWH. Fonte: Nozioni di base sul riscaldamento solare dell’acqua—homepower.com [ 27 ] | ||||||
Ingegneria
Collettore
I collettori solari termici catturano e trattengono il calore del sole e lo utilizzano per riscaldare un liquido. [ 28 ] Due importanti principi fisici governano la tecnologia dei collettori solari termici:
- Qualsiasi oggetto caldo alla fine ritorna all’equilibrio termico con il suo ambiente, a causa della perdita di calore per conduzione , convezione e irraggiamento. [ 29 ] L’efficienza (la proporzione di energia termica trattenuta per un periodo di tempo predefinito) è direttamente correlata alla perdita di calore dalla superficie del collettore. La convezione e l’irraggiamento sono le fonti più importanti di perdita di calore. L’isolamento termico viene utilizzato per rallentare la perdita di calore da un oggetto caldo. Ciò segue la seconda legge della termodinamica (l'”effetto di equilibrio”).
- Il calore si disperde più rapidamente se la differenza di temperatura tra un oggetto caldo e il suo ambiente è maggiore. La perdita di calore è governata principalmente dal gradiente termico tra la superficie del collettore e le temperature ambiente. Conduzione, convezione e irraggiamento avvengono tutti più rapidamente in presenza di grandi gradienti termici [ 29 ] (effetto delta -t ).
pannello solare piano
I collettori a piastra piana sono un’estensione dell’idea di posizionare un collettore in una scatola simile a un “forno” con il vetro rivolto direttamente verso il Sole. [ 30 ] La maggior parte dei collettori a piastra piana ha due tubi orizzontali in alto e in basso, chiamati collettori, e molti tubi verticali più piccoli che li collegano, chiamati riser. I riser sono saldati (o collegati in modo simile) a sottili alette assorbenti. Il fluido termovettore (acqua o miscela acqua/antigelo) viene pompato dal serbatoio di accumulo dell’acqua calda o dallo scambiatore di calore nel collettore inferiore e sale lungo i riser, raccogliendo calore dalle alette assorbenti, per poi uscire dal collettore attraverso il collettore superiore. I collettori a piastra piana serpentina differiscono leggermente da questo design a “arpa” e utilizzano invece un singolo tubo che sale e scende lungo il collettore. Tuttavia, poiché non possono essere svuotati correttamente dall’acqua, i collettori a piastra piana serpentina non possono essere utilizzati nei sistemi di svuotamento a ritorno.
Il tipo di vetro utilizzato nei collettori a piastra piana è quasi sempre vetro temperato a basso contenuto di ferro . Questo tipo di vetro è in grado di resistere a grandinate di notevole entità senza rompersi, ed è uno dei motivi per cui i collettori a piastra piana sono considerati il tipo di collettore più durevole.
I collettori non vetrati o sagomati sono simili ai collettori a piastra piana, tranne per il fatto che non sono termicamente isolati né fisicamente protetti da un pannello di vetro. Di conseguenza, questi tipi di collettori sono molto meno efficienti quando la temperatura dell’acqua supera la temperatura dell’aria ambiente. Per le applicazioni di riscaldamento delle piscine, l’acqua da riscaldare è spesso più fredda della temperatura ambiente del tetto, punto in cui la mancanza di isolamento termico consente di prelevare ulteriore calore dall’ambiente circostante. [ 31 ]
Tubo sottovuoto
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I collettori a tubi sottovuoto (ETC) sono un modo per ridurre la perdita di calore intrinseca nelle piastre piane. [ 30 ] Utilizzano il vuoto per prevenire la perdita di calore per convezione. [ 32 ] Poiché due lastre di vetro piane generalmente non sono abbastanza resistenti da sopportare il vuoto, il vuoto viene creato tra due tubi concentrici, in modo molto simile a un thermos . Il tubo interno è rivestito con un assorbitore termico. [ 33 ] La durata del vuoto varia da collettore a collettore, con garanzie che vanno da 5 a 15 anni.
I tubi sottovuoto possono utilizzare diversi metodi per trasferire il calore all’acqua: possono far passare l’acqua nel tubo interno oppure utilizzare un design più avanzato a tubo di calore . Nel design a tubo di calore, un tubo di rame è parzialmente riempito con un liquido volatile, sigillato a entrambe le estremità e scorre lungo il centro del tubo. L’estremità superiore di questo tubo si innesta in una presa nel collettore (riempito d’acqua). Il calore assorbito dal tubo sottovuoto fa evaporare parte del liquido volatile nel tubo di rame, che passa al collettore. Nel collettore il gas condensa, rilasciando calore, e il liquido scorre di nuovo all’interno del tubo (un tubo di calore ). Poiché i tubi sottovuoto stessi non contengono acqua, i sistemi ETC a tubo di calore non sono vulnerabili al gelo. [ 30 ] L’acqua passa solo attraverso il collettore termicamente isolato e, nei climi con gelate moderate, non è necessario alcun sistema di drenaggio.
Gli ETC possono raccogliere energia dal sole tutto il giorno ad angoli bassi grazie alla loro forma tubolare. [ 34 ] Poiché gli ETC sono (anche) esposti sul lato inferiore: quando sono installati sollevati dal tetto (come nell’illustrazione) cattureranno non solo il calore diretto dall’alto, ma anche il calore irradiato dal tetto circostante sul lato inferiore.
I collettori a piastra piana sono generalmente più efficienti degli ETC in condizioni di pieno sole. Ciò è dovuto al fatto che lo spazio tra i tubi agisce come area sprecata. [ 35 ] In condizioni nuvolose o estremamente fredde, l’isolamento superiore degli ETC li rende più efficienti dei collettori a piastra piana. [ 30 ]
I vecchi ETC sono realizzati in vetro ricotto, che è suscettibile alla grandine e si guasta in presenza di particelle di dimensioni simili a quelle di una pallina da golf. I moderni ETC realizzati in “vetro coke”, che ha una tinta verde, sono più resistenti e meno soggetti a perdere il vuoto, ma l’efficienza è leggermente ridotta a causa della minore trasparenza. I modelli realizzati in vetro borosilicato combinano resistenza ed efficienza. [ 30 ]
Pompa
pompa fotovoltaica
Un modo per alimentare un sistema attivo è tramite un pannello fotovoltaico (FV) . Per garantire prestazioni e durata ottimali della pompa, la pompa (CC) e il pannello FV devono essere opportunamente abbinati. Sebbene una pompa alimentata da FV non funzioni di notte, il regolatore deve assicurarsi che la pompa non si attivi quando c’è il sole ma l’acqua nel collettore non è sufficientemente calda.
Le pompe PV offrono i seguenti vantaggi:
- Installazione e manutenzione più semplici/economiche
- L’energia fotovoltaica in eccesso può essere utilizzata per il consumo domestico o reimmessa nella rete elettrica.
- Può deumidificare lo spazio abitativo [ 36 ]
- Può funzionare anche in caso di interruzione di corrente.
- Evita il consumo di carbonio derivante dall’utilizzo di pompe alimentate dalla rete elettrica.
Pompa per bolle
Una pompa a bolle (nota anche come pompa a geyser) è adatta sia per sistemi a pannello piatto che a tubi sottovuoto. In un sistema a pompa a bolle, il circuito chiuso del fluido termovettore è a pressione ridotta, il che fa bollire il liquido a bassa temperatura quando viene riscaldato dal sole. Le bolle di vapore formano un geyser, causando un flusso ascendente. Le bolle vengono separate dal fluido caldo e condensate nel punto più alto del circuito, dopodiché il fluido scorre verso il basso in direzione dello scambiatore di calore a causa della differenza di livello del fluido. [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] Il fluido termovettore arriva tipicamente allo scambiatore di calore a 70 °C e ritorna alla pompa di circolazione a 50 °C. Il pompaggio in genere inizia a circa 50 °C e aumenta con il sorgere del sole fino al raggiungimento dell’equilibrio. [ citazione necessaria ]
Controllore
Un regolatore differenziale rileva le differenze di temperatura tra l’acqua in uscita dal collettore solare e l’acqua nel serbatoio di accumulo vicino allo scambiatore di calore. Il regolatore avvia la pompa quando l’acqua nel collettore è sufficientemente più calda di circa 8-10 °C rispetto all’acqua nel serbatoio e la arresta quando la differenza di temperatura raggiunge i 3-5 °C. Ciò garantisce che l’acqua immagazzinata si riscaldi sempre quando la pompa è in funzione e impedisce che la pompa si accenda e si spenga eccessivamente (nei sistemi diretti la pompa può essere attivata con una differenza di circa 4 °C perché non hanno uno scambiatore di calore). [ citazione necessaria ]
Cisterna
Il collettore più semplice è un serbatoio metallico pieno d’acqua in un luogo soleggiato. Il sole riscalda il serbatoio. Così funzionavano i primi sistemi. [ 6 ] Questa configurazione sarebbe inefficiente a causa dell’effetto di equilibrio: non appena inizia il riscaldamento del serbatoio e dell’acqua, il calore acquisito viene disperso nell’ambiente e questo continua finché l’acqua nel serbatoio non raggiunge la temperatura ambiente. La sfida è limitare la perdita di calore.
- Il serbatoio di accumulo può essere posizionato più in basso rispetto ai collettori, consentendo una maggiore libertà nella progettazione del sistema e permettendo l’utilizzo di serbatoi di accumulo preesistenti.
- Il serbatoio di stoccaggio può essere nascosto alla vista.
- Il serbatoio di accumulo può essere collocato in un ambiente climatizzato o semi-climatizzato, riducendo la dispersione di calore.
- È possibile utilizzare serbatoi di svuotamento. [ citazione necessaria ]
Serbatoio isolato
I collettori ICS o batch riducono la perdita di calore isolando termicamente il serbatoio. [ 30 ] [ 40 ] Ciò si ottiene racchiudendo il serbatoio in una scatola con coperchio in vetro che permette al calore del sole di raggiungere il serbatoio dell’acqua. [ 41 ] Le altre pareti della scatola sono termicamente isolate, riducendo la convezione e l’irraggiamento. [ 42 ] La scatola può anche avere una superficie riflettente all’interno. Questa riflette il calore perso dal serbatoio verso il serbatoio stesso. In modo semplice, si potrebbe considerare uno scaldabagno solare ICS come un serbatoio d’acqua racchiuso in una sorta di “forno” che trattiene il calore del sole e il calore dell’acqua nel serbatoio. L’utilizzo di una scatola non elimina la perdita di calore dal serbatoio verso l’ambiente, ma la riduce notevolmente.
I collettori ICS standard hanno una caratteristica che limita fortemente l’efficienza del collettore: un piccolo rapporto superficie-volume. [ 43 ] Poiché la quantità di calore che un serbatoio può assorbire dal sole dipende in gran parte dalla superficie del serbatoio direttamente esposta al sole, ne consegue che la dimensione della superficie definisce il grado in cui l’acqua può essere riscaldata dal sole. Gli oggetti cilindrici come il serbatoio in un collettore ICS hanno intrinsecamente un piccolo rapporto superficie-volume. I collettori cercano di aumentare questo rapporto per riscaldare l’acqua in modo efficiente. Le varianti di questo progetto di base includono collettori che combinano contenitori d’acqua più piccoli e la tecnologia dei tubi di vetro sottovuoto, un tipo di sistema ICS noto come collettore Evacuated Tube Batch (ETB). [ 30 ]
Applicazioni
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Tubo sottovuoto
I collettori solari termici (ETC) possono essere più utili di altri collettori solari durante la stagione invernale. Gli ETC possono essere utilizzati per il riscaldamento e il raffreddamento in settori industriali come quello farmaceutico, cartario, della pelle e tessile, nonché in abitazioni private, ospedali, case di cura, hotel, piscine, ecc.
Un ETC può funzionare a temperature comprese tra medie e alte per la produzione di acqua calda sanitaria tramite energia solare, per piscine, per il condizionamento dell’aria e per la cottura solare.
L’ampio intervallo di temperatura operativa degli ETC (fino a 200 °C (392 °F) ) li rende adatti ad applicazioni industriali come la generazione di vapore, i motori termici e l’essiccazione solare.
Piscine
Per il riscaldamento delle piscine si utilizzano sistemi di copertura galleggianti e STC separati.
I sistemi di copertura per piscine, siano essi teli rigidi o dischi galleggianti, fungono da isolante e riducono la dispersione di calore. Gran parte della dispersione di calore avviene per evaporazione e l’utilizzo di una copertura rallenta questo processo.
L’acqua della piscina è leggermente corrosiva a causa del cloro. I collettori solari termici (STC) per l’acqua non potabile della piscina sono spesso realizzati in plastica per resistere alla corrosione. L’acqua viene fatta circolare attraverso i pannelli utilizzando il filtro della piscina esistente o una pompa supplementare. In ambienti miti, i collettori in plastica non smaltata sono più efficienti come sistema diretto. In ambienti freddi o ventosi, si utilizzano tubi sottovuoto o piastre piane in una configurazione indiretta in combinazione con uno scambiatore di calore. Ciò riduce la corrosione. Un regolatore di temperatura differenziale abbastanza semplice viene utilizzato per dirigere l’acqua verso i pannelli o lo scambiatore di calore, ruotando una valvola o azionando la pompa. Una volta che l’acqua della piscina ha raggiunto la temperatura richiesta, una valvola deviatrice viene utilizzata per far tornare l’acqua direttamente in piscina senza riscaldarla. [ 44 ] Molti sistemi sono configurati come sistemi a svuotamento automatico, in cui l’acqua defluisce in piscina quando la pompa dell’acqua viene spenta.
I pannelli collettori sono solitamente montati su un tetto vicino o a terra su un supporto inclinato. A causa della bassa differenza di temperatura tra l’aria e l’acqua, i pannelli sono spesso collettori sagomati o collettori a piastra piana non vetrata. Una semplice regola empirica per la superficie del pannello necessaria è il 50% della superficie della piscina. [ 44 ] Questo vale per le aree in cui le piscine vengono utilizzate solo durante la stagione estiva. L’aggiunta di collettori solari a una piscina esterna convenzionale, in un clima freddo, può in genere estendere l’utilizzo confortevole della piscina di mesi e anche di più se viene utilizzata una copertura isolante per piscina. [ 31 ] Quando dimensionati al 100% di copertura, la maggior parte dei sistemi solari per l’acqua calda sono in grado di riscaldare una piscina da un minimo di 4 °C per una piscina esposta al vento, fino a un massimo di 10 °C per una piscina riparata dal vento e coperta costantemente con una copertura solare per piscina. [ 45 ]
Un programma attivo di analisi dei sistemi di energia solare può essere utilizzato per ottimizzare l’impianto di riscaldamento solare della piscina prima della sua costruzione.
Produzione di energia
La quantità di calore fornita da un sistema di riscaldamento dell’acqua solare dipende principalmente dalla quantità di calore fornita dal sole in un determinato luogo ( insolazione ). Ai tropici l’insolazione può essere relativamente elevata, ad esempio 7 kWh/m² al giorno, rispetto ad esempio a 3,2 kWh/m² al giorno nelle zone temperate . Anche alla stessa latitudine l’insolazione media può variare notevolmente da luogo a luogo a causa delle differenze nei modelli meteorologici locali e nella quantità di copertura nuvolosa. Sono disponibili calcolatori per stimare l’insolazione in un sito. [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]
Di seguito è riportata una tabella che fornisce un’indicazione approssimativa delle specifiche e dell’energia che ci si può aspettare da un sistema di riscaldamento dell’acqua solare con una superficie di assorbimento del collettore di circa 2 m² , illustrando due sistemi a tubi sottovuoto e tre sistemi a pannelli piani. Vengono utilizzate informazioni di certificazione o valori calcolati a partire da tali dati. Le ultime due righe forniscono stime della produzione energetica giornaliera (kWh/giorno) per uno scenario tropicale e uno temperato . Queste stime si riferiscono al riscaldamento dell’acqua fino a 50 °C al di sopra della temperatura ambiente.
Nella maggior parte dei sistemi di riscaldamento dell’acqua solare, la produzione di energia aumenta linearmente con la superficie del collettore. [ 49 ]
| Tecnologia | Piastra piana | Piastra piana | Piastra piana | ETC | ETC |
| Configurazione | Attivo diretto | Sifone termico | attivo indiretto | attivo indiretto | Attivo diretto |
| Dimensioni complessive ( m² ) | 2,49 | 1,98 | 1,87 | 2,85 | 2,97 |
| Dimensioni dell’assorbitore ( m² ) | 2.21 | 1,98 | 1,72 | 2,85 | 2,96 |
| Massima efficienza | 0,68 | 0,74 | 0,61 | 0,57 | 0,46 |
| Produzione di energia (kWh/giorno): – Irraggiamento solare 3,2 kWh/m² / giorno ( temperato ) – ad esempio Zurigo, Svizzera |
5.3 | 3.9 | 3.3 | 4.8 | 4.0 |
| – Irraggiamento solare 6,5 kWh/m² / giorno (tropicale) – ad esempio Phoenix, USA |
11.2 | 8.8 | 7.1 | 9.9 | 8.4 |
Le cifre sono abbastanza simili tra i collettori sopra menzionati, producendo circa 4 kWh/giorno in un clima temperato e circa 8 kWh/giorno in un clima tropicale utilizzando un collettore con un assorbitore di 2 m² . Nello scenario temperato questo è sufficiente per riscaldare 200 litri d’acqua di circa 17 °C. Nello scenario tropicale il riscaldamento equivalente sarebbe di circa 33 °C. Molti sistemi a termosifone hanno una produzione energetica paragonabile a quella di sistemi attivi equivalenti. L’efficienza dei collettori a tubi sottovuoto è leggermente inferiore rispetto a quella dei collettori a piastra piana perché gli assorbitori sono più stretti dei tubi e i tubi hanno spazio tra di loro, con conseguente percentuale significativamente maggiore di superficie totale del collettore inattiva. Alcuni metodi di confronto [ 50 ] calcolano l’efficienza dei collettori a tubi sottovuoto in base alla superficie effettiva dell’assorbitore e non allo spazio occupato come è stato fatto nella tabella precedente. L’efficienza si riduce a temperature più elevate.
costi
Nelle località soleggiate e calde, dove la protezione antigelo non è necessaria, uno scaldabagno solare ICS (a lotti) può essere economicamente vantaggioso. [ 42 ] Alle latitudini più elevate, i requisiti di progettazione per il clima freddo aumentano la complessità e il costo del sistema. Ciò aumenta i costi iniziali , ma non i costi del ciclo di vita. La considerazione più importante è quindi l’ingente spesa iniziale dei sistemi di riscaldamento dell’acqua solare. [ 51 ] L’ammortamento di questa spesa può richiedere anni. [ 52 ] Il periodo di ammortamento è più lungo negli ambienti temperati. [ 53 ] Poiché l’energia solare è gratuita, i costi operativi sono bassi. Alle latitudini più elevate, gli scaldabagni solari possono essere meno efficaci a causa della minore insolazione, il che potrebbe richiedere sistemi di riscaldamento più grandi e/o doppi. [ 53 ] In alcuni paesi gli incentivi governativi possono essere significativi.
I fattori di costo (positivi e negativi) includono:
- Prezzo di uno scaldabagno solare (i sistemi più complessi sono più costosi)
- Efficienza
- Costo di installazione
- Elettricità utilizzata per il pompaggio
- Prezzo del combustibile per il riscaldamento dell’acqua (ad esempio gas o elettricità) risparmiato per kWh
- Quantità di combustibile utilizzato per il riscaldamento dell’acqua
- sussidio governativo iniziale e/o ricorrente
- Costi di manutenzione (ad esempio, sostituzione del liquido antigelo o della pompa)
- Risparmi nella manutenzione degli impianti di riscaldamento dell’acqua convenzionali (elettrici/a gas/a gasolio).
I tempi di ammortamento possono variare notevolmente a causa dell’irraggiamento solare regionale, dei costi aggiuntivi dovuti alle esigenze di protezione antigelo dei collettori, del consumo di acqua calda sanitaria, ecc. Ad esempio, nella Florida centrale e meridionale il periodo di ammortamento potrebbe essere facilmente di 7 anni o meno, anziché i 12,6 anni indicati nel grafico per gli Stati Uniti. [ 54 ]
| Paese | Valuta | Costo del sistema | Sovvenzione(%) | Costo effettivo | Costo dell’elettricità/kWh | Risparmio energetico mensile | Periodo di recupero (anni) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Brasile |
BRL | 2500 [ 55 ] | 0 | 2500 | 0,25 | 50 | 4.2 |
 Sudafrica |
ZAR | 14000 | 15 [ 56 ] | 11900 | 0,9 | 180 | 5.5 |
 Australia |
AUD | 5000 [ 57 ] | 40 [ 58 ] | 3000 | 0,18 [ 59 ] | 36 | 6.9 |
 Belgio |
euro | 4000 [ 60 ] | 50 [ 61 ] | 2000 | 0,1 [ 62 ] | 20 | 8.3 |
 Stati Uniti |
Dollaro statunitense | 5000 [ 63 ] | 30 [ 64 ] | 3500 | 0,1158 [ 65 ] | 23.16 | 12.6 |
 Regno Unito |
Sterlina inglese | 4800 [ 66 ] | 0 | 4800 | 0,11 [ 67 ] | 22 | 18.2 |
Il periodo di ammortamento è più breve se l’insolazione è maggiore. Tuttavia, anche nelle zone temperate, il riscaldamento dell’acqua tramite energia solare è economicamente vantaggioso. Il periodo di ammortamento per i sistemi fotovoltaici è stato storicamente molto più lungo. [ 53 ] I costi e il periodo di ammortamento sono più brevi se non è richiesto alcun sistema complementare/di backup, [ 52 ] estendendo così il periodo di ammortamento di tale sistema.
sussidi
L’Australia gestisce un sistema di crediti per le energie rinnovabili, basato su obiettivi nazionali in materia di energie rinnovabili. [ 58 ]
La Toronto Solar Neighbourhoods Initiative offre sovvenzioni per l’acquisto di unità di riscaldamento dell’acqua a energia solare. [ 68 ]
Valutazione dell’impronta energetica e del ciclo di vita
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impronta energetica
La fonte di elettricità in un sistema SWH attivo determina la misura in cui un sistema contribuisce al carbonio atmosferico durante il funzionamento. I sistemi solari termici attivi che utilizzano l’elettricità di rete per pompare il fluido attraverso i pannelli sono chiamati “solari a basse emissioni di carbonio”. Nella maggior parte dei sistemi, il pompaggio riduce il risparmio energetico di circa l’8% e il risparmio di carbonio del solare di circa il 20%. [ 69 ] Tuttavia, le pompe a bassa potenza funzionano con 1-20 W. [ 70 ] [ 71 ] Ipotizzando un pannello collettore solare che eroga 4 kWh/giorno e una pompa che funziona a intermittenza con l’elettricità di rete per un totale di 6 ore durante una giornata di sole di 12 ore, l’effetto potenzialmente negativo di tale pompa può essere ridotto a circa il 3% del calore prodotto.
Tuttavia, i sistemi solari termici attivi alimentati da energia fotovoltaica utilizzano in genere un pannello fotovoltaico da 5-30 W e una piccola pompa a membrana o centrifuga a bassa potenza per far circolare l’acqua. Ciò riduce l’impronta di carbonio e il consumo energetico durante il funzionamento.
I sistemi di pompaggio alternativi non elettrici possono sfruttare l’espansione termica e i cambiamenti di fase di liquidi e gas.
Valutazione energetica del ciclo di vita
È possibile utilizzare standard riconosciuti per realizzare valutazioni del ciclo di vita (LCA) solide e quantitative. L’LCA considera i costi finanziari e ambientali relativi all’acquisizione delle materie prime, alla produzione, al trasporto, all’utilizzo, alla manutenzione e allo smaltimento delle apparecchiature. Gli elementi da considerare includono:
- costi e guadagni finanziari
- consumo di energia
- CO2 e altre emissioni
In termini di consumo energetico, circa il 60% va nel serbatoio, con il 30% verso il collettore [ 72 ] (termosifone a piastra piana in questo caso). In Italia, [ 73 ] circa 11 gigajoule di elettricità vengono utilizzati nella produzione di apparecchiature SWH, di cui circa il 35% va al serbatoio, con un altro 35% verso il collettore. Il principale impatto energetico è rappresentato dalle emissioni. L’energia utilizzata nella produzione viene recuperata entro i primi 2-3 anni di utilizzo (nell’Europa meridionale).
Al contrario, nel Regno Unito il tempo di recupero energetico è stimato in soli 2 anni. Questa cifra si riferisce a un sistema diretto, installato su un serbatoio idrico esistente, con pompaggio fotovoltaico, resistente al gelo e con un’apertura di 2,8 mq. Per confronto, secondo lo stesso studio comparativo, un impianto fotovoltaico impiega circa 5 anni per raggiungere il recupero energetico. [ 74 ]
In termini di emissioni di CO2 , una grande frazione delle emissioni risparmiate dipende dal grado in cui il gas o l’elettricità vengono utilizzati per integrare l’energia solare. Utilizzando il sistema Eco-indicator a 99 punti come parametro di riferimento (ovvero il carico ambientale annuo di un abitante europeo medio) in Grecia, [ 72 ] un sistema alimentato esclusivamente a gas può avere emissioni inferiori rispetto a un sistema solare. Questo calcolo presuppone che il sistema solare produca circa la metà del fabbisogno di acqua calda di una famiglia. Ma poiché le emissioni di metano (CH4 ) derivanti dal ciclo del gas naturale [ 75 ] superano di gran lunga l’impatto serra della CO2 , le emissioni nette di gas serra (CO2e ) dei sistemi alimentati a gas sono di gran lunga superiori a quelle dei sistemi di riscaldamento solare, soprattutto se anche l’elettricità supplementare proviene da una produzione a zero emissioni di carbonio. [ citazione necessaria ]
Un sistema di prova in Italia ha prodotto circa 700 kg di CO2 , considerando tutte le componenti di produzione, utilizzo e smaltimento. La manutenzione è stata identificata come un’attività costosa in termini di emissioni quando è stato sostituito il fluido termovettore (a base di glicole). Tuttavia, il costo delle emissioni è stato recuperato entro circa due anni di utilizzo dell’apparecchiatura. [ 73 ]
In Australia, sono state recuperate anche le emissioni del ciclo di vita. Il sistema SWH testato ha avuto circa il 20% dell’impatto di uno scaldabagno elettrico e la metà di quello di uno scaldabagno a gas. [ 52 ]
Analizzando il loro sistema di riscaldamento dell’acqua solare a basso impatto e resistente al gelo, Allen et al. (qv) hanno riportato un impatto di CO2 di produzione pari a 337 kg, che è circa la metà dell’impatto ambientale riportato nello studio di Ardente et al. (qv).
Specifiche del sistema e installazione
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- La maggior parte degli impianti SWH richiede un riscaldamento di supporto.
- La quantità di acqua calda consumata ogni giorno deve essere reintegrata e riscaldata. In un sistema esclusivamente solare, il consumo di un’elevata percentuale dell’acqua presente nel serbatoio implica significative variazioni di temperatura. Maggiore è la capacità del serbatoio, minore sarà la variazione di temperatura giornaliera.
- I sistemi SWH offrono significative economie di scala nei costi dei collettori e dei serbatoi. [ 72 ] Pertanto, la scala più economicamente efficiente soddisfa il 100% del fabbisogno di riscaldamento dell’applicazione.
- I sistemi diretti (e alcuni sistemi indiretti che utilizzano scambiatori di calore) possono essere installati anche in magazzini esistenti.
- Per sfruttare appieno i vantaggi del sistema, i componenti delle apparecchiature devono essere isolati. L’installazione di un isolamento efficiente riduce significativamente la dispersione di calore.
- Le pompe fotovoltaiche più efficienti si avviano lentamente in condizioni di scarsa illuminazione, pertanto potrebbero causare una piccola circolazione indesiderata quando il collettore è freddo. Il regolatore deve impedire che l’acqua calda accumulata subisca questo effetto di raffreddamento.
- I collettori a tubi sottovuoto possono essere regolati rimuovendo o aggiungendo tubi o i relativi tubi di calore, consentendo la personalizzazione durante e dopo l’installazione.
- Al di sopra dei 45 gradi di latitudine, i collettori solari montati sui tetti tendono a produrre più energia rispetto a quelli a parete. Tuttavia, le schiere di collettori a parete inclinati possono talvolta produrre più energia utile, poiché il guadagno derivante dall’energia utilizzata in inverno può compensare la perdita di energia inutilizzata (in eccesso) in estate.
Standard
Europa
- EN 806: Specifiche per gli impianti all’interno degli edifici che trasportano acqua per il consumo umano. Generale.
- EN 1717: Protezione contro la contaminazione dell’acqua potabile negli impianti idrici e requisiti generali dei dispositivi per prevenire la contaminazione da riflusso.
- EN 60335: Specifiche per la sicurezza degli apparecchi elettrici domestici e similari. (2–21)
- UNE 94002:2005 Sistemi solari termici per la produzione di acqua calda sanitaria. Metodo di calcolo del fabbisogno termico.
Stati Uniti
- OG-300: Certificazione OG-300 dei sistemi solari di riscaldamento dell’acqua. [ 76 ]
Canada
Australia
- Legge sulle energie rinnovabili (elettricità) del 2000
- Legge sulle energie rinnovabili (elettricità) (onere per la riduzione della produzione su larga scala) del 2000
- Legge sulle energie rinnovabili (elettricità) (tassa per la carenza di tecnologie su piccola scala) del 2010
- Regolamento sulle energie rinnovabili (elettricità) del 2001
- Regolamento sulle energie rinnovabili (elettricità) del 2001 – Metodologia di calcolo STC per scaldabagni solari e scaldabagni a pompa di calore aria-aria
- Regolamento di modifica (disposizioni transitorie) in materia di energie rinnovabili (elettricità) del 2010
- Regolamento di modifica (disposizioni transitorie) sulle energie rinnovabili (elettricità) del 2009
Tutti i partecipanti rilevanti dell’obiettivo per le energie rinnovabili su larga scala e del programma per le energie rinnovabili su piccola scala devono conformarsi alle leggi di cui sopra. [ 77 ]
Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_water_heating
#energia #riscaldamento
