Impianti solari termici. Manuale per la progettazione e costruzione

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1 Impianti solari termici Manuale per la progettazione e costruzione

2 Impianti solari termici - Manuale per la progettazione e costruzione Versione 2.0, Gennaio 2002 Aggiornamento 2.1, Maggio 2003 Questo manuale è a cura di Thomas Pauschinger (Ambiente Italia) con contributi di Martin Ménard (Ambiente Italia) e Monika Schulz (Ambiente Italia). Traduzioni di Chiara Wolter, Milano Questo manuale è stato realizzato nell'ambito del progetto Altener Europeo Qualisol - Installer qualification on solar heating systems. Ringraziamenti: la realizzazione di questo manuale è stata cofinanziata dalla Commissione Europea, DG TREN nell'ambito del programm ALTENER, e non sarebbe stata altrimenti possibile. I risultati sono di responsabilità esclusiva degli autori e non rappresentano in alcun modo le opinioni della Commissione né i suoi servizi. Ambiente Italia srl via Carlo Poerio Milano tel fax info@ambienteitalia.it Partita Iva

3 Impianti solari termici pagina Introduzione L Italia offre condizioni meteorologiche molto buone per l uso dell energia solare. Il valore di insolazione compreso tra 1200 e 1750 kwh/m 2 all anno presenta una differenza tra nord e sud intorno al 40%, rimanendo in entrambi i casi maggiore del fabbisogno annuo procapite di calore necessario per la preparazione di acqua calda nel residenziale. A queste condizioni un impianto solare standard consente di risparmiare fino all 80% dell energia necessaria per la preparazione di acqua calda e fino al 40% della domanda complessiva di calore per l acqua calda sanitaria e per il riscaldamento degli ambienti. Condizioni tanto favorevoli e la disponibilità di una tecnologia affidabile ed efficace conferiscono all Italia un alto potenziale economico e tecnico per il solare termico. Sebbene l Italia presenti condizioni favorevoli il mercato italiano del solare termico può essere considerato piuttosto basso e stagnante in confronto ad altri paesi europei come Austria, Danimarca, Germania e Grecia. La superficie di collettori attualmente installata in Italia è di circa 4 m 2 per 1000 abitanti, in confronto a una media europea di 19 m 2 per 1000 abitanti. Il tasso annuale di installazione di collettori solari in Italia è di circa m 2 all anno, oppure 0,5 m 2 per 1000 abitanti all anno. Circa la metà di questi sono localizzati nelle province di Trento e di Bolzano. Tuttavia all interno dell Europa l Italia viene attualmente considerata essere un mercato molto promettente, per il quale nei prossimi anni viene pronosticata una forte crescita. Dopo il fallimento della prima espansione del mercato negli anni ottanta, che marchiò la tecnologia solare con un immagine negativa purtroppo ancora percepibile, ora è ancora più importante presentare all utenza le tecnologie del solare dal loro lato migliore: le attrattive di questa tecnologia sono inconfutabili e i prodotti reperibili oggi sul mercato sono affidabili e giunti a piena maturità. Non sufficientemente adeguato invece è il livello di formazione nel campo della progettazione e dell installazione degli impianti solari termici. In questo manuale tecnico abbiamo raccolto proposte, indicazioni, regole e fatti che derivano dall esperienza della realizzazione di molte centinaia di migliaia di m 2 di collettori solari in Italia e in altri paesi europei. Nel capitolo 2 vengono presentati i fondamenti per lo sfruttamento termico dell energia solare. Schemi impiantistici sperimentati e la loro integrazione negli impianti domestici vengono trattati nei capitoli 3 e 4. Il quinto capitolo è dedicato alla progettazione e al dimensionamento di un impianto solare, mentre nel sesto sono riportati i regolamenti da rispettare nella realizzazione di un impianto solare. Il capitolo 7 contiene considerazioni sulla redditività degli impianti solari e i programmi di finanziamento. La costruzione, la messa in opera e la manutenzione degli impianti solari termici viene descritta nei capitoli 8, 9 e 10. Ci auguriamo che questo Manuale Tecnico possa costituire un contributo all installazione di un gran numero di impianti solari termici ben funzionanti, perché i clienti soddisfatti sono la migliore pubblicità per questa tecnologia affascinante, sostenibile e che rispetta l ambiente. Gli autori Milano, Febbraio 2001 Manuale Ver 2_1, 12/05/03

4 Impianti solari termici pagina Fondamenti 2.1 La radiazione del sole Il sole è costituito da un enorme palla infuocata di gas incandescenti. Il processo di fusione trasforma l idrogeno in elio e contemporaneamente sprigiona una potenza di 36 x Watt. La parte che incide sulla superficie terrestre sarebbe sufficiente a coprire volte il fabbisogno di energia primaria di tutto il mondo. La potenza radiante del sole prima di entrare nell atmosfera misura in media 1367 W/m 2 e viene chiamata costante solare. Quando il cielo è sereno ne arrivano circa 1000 W/m 2 sulla superficie terrestre, mentre quando il cielo è completamente coperto l irradiazione diminuisce fino a circa 100 W/m 2. Per l utilizzo solare a scopo termico è interessante la somma della radiazione disponibile su tutto l anno. L Italia offre condizioni meteorologiche molto buone per l uso dell energia solare. Il valore di insolazione compreso tra 1200 e 1750 kwh/m 2 all anno presenta una differenza tra nord e sud intorno al 40%, rimanendo in entrambi i casi maggiore del fabbisogno annuo procapite di calore necessario per la preparazione di acqua calda nel residenziale. Circa il 75% della quantità di energia irradiata è da ascrivere ai mesi estivi, da aprile a settembre. La radiazione solare è composta da una determinata combinazione di raggi elettromagnetici di diversa lunghezza d onda (spettro). L atmosfera terrestre si comporta come un filtro permettendo il passaggio solo di determinati range di lunghezze d onda. Una buona penetrazione si verifica nella zona della luce visibile. I raggi ultravioletti, più corti, o quelli infrarossi, più lunghi, vengono riflessi, assorbiti o diffusi nell atmosfera esterna. La somma della radiazione incidente su una superficie orizzontale viene definita radiazione globale. E costituita dalla radiazione diretta, che arriva direttamente dalla direzione del sole, e dalla radiazione diffusa, che dopo una o più deviazioni arriva da tutte le direzioni del cielo. In Italia la parte di radiazione diffusa copre al sud il 25% e al nord il 40% della radiazione incidente durante tutto l anno. La somma della radiazione su una superficie con orientamento qualsiasi dipende essenzialmente dal suo orientamento (angolo sull orizzontale e orientamento cardinale). La somma di radiazione massima si ottiene su una superficie orientata a sud con un angolo di inclinazione di circa 30. Una superficie con angolo 45 con orientamento a sud-est o a sud-ovest registra una diminuzione della radiazione globale media annua inferiore al 5%. L angolo di inclinazione ottimale dipende tuttavia anche dal tipo di impiego previsto. Per lo sfruttamento dell energia solare per il riscaldamento degli ambienti può essere vantaggiosa un inclinazione più ripida. 2.2 Il collettore solare Un collettore solare trasforma la radiazione solare in calore e si distingue così da un pannello fotovoltaico, che trasforma la luce del sole in corrente elettrica. La figura 2.1 mostra la struttura di un collettore piano. L elemento principale è l assorbitore, che ha la funzione di assorbire la radiazione solare incidente a onde corte e di trasformarla in calore (trasformazione fototermica). Solitamente è composto da un metallo con buona capacità di condurre il calore (per esempio il rame) e dovrebbe riuscire a trasformare il più completamente possibile la radiazione solare in calore. Al giorno d oggi nella maggior parte dei collettori piani o a tubi sottovuoto vengono impiegati assorbitori dotati di un cosiddetto strato selettivo, che determina un alto grado di assorbimento (α > 0,95) nel range delle lunghezza d onda della radiazione solare e contemporaneamente irradiano poca energia, grazie a un basso fattore di emissività (ε < 0,1) nelle lunghezze d onda della radiazione termica. Gli strati selettivi possono essere ottenuti con procedimento galvanico (cromo, alluminio con pigmentazione al nickel) oppure applicati sotto vuoto (per esempio Tinox o Cermet). Un buon contatto termico tra l assorbitore e un fluido termovettore in circolazione (per esempio acqua, glicole oppure aria) permette la cessione del calore al fluido termovettore e di conseguenza il trasporto fuori dal collettore del calore pronto per essere usato. Per ridurre le dispersioni termiche e per migliorare il rendimento del collettore, l assorbitore viene provvisto di una copertura trasparente frontale, mentre lateralmente e sul retro viene coibentato. Nei collettori a tubi sottovuoto ogni striscia di assorbitore è inserita in un tubo di vetro in cui è stato creato il vuoto. Questo comporta un ottima coibentazione che rende possibile il raggiungimento di temperature di lavoro anche nel campo del calore per processi industriali. Per il riscaldamento dell acqua di piscine si utilizzano collettori senza copertura in materiale plastico (per esempio PP = polipropilene, EPDM = caucciù sintetico), poiché le temperatura necessarie sono relativamente basse.

5 Impianti solari termici pagina 2.2 Nella Fig. 2.2 sono indicate le diverse forme dei collettori solari termici. Fig. 2.1: Struttura di un collettore piano Fig. 2.2: Forme dei collettori solari termici 2.3 Funzionamento di un impianto solare Un impianto a circolazione forzata è formato da un collettore solare a sé stante, connesso attraverso un circuito con un serbatoio localizzato nell edificio. All interno del circuito solare si trova acqua o un fluido termovettore antigelo. La pompa di circolazione del circuito solare è attivata da un regolatore differenziale di temperatura quando la temperatura all interno del collettore è superiore alla temperatura di riferimento impostata nel serbatoio di accumulo. Il calore viene quindi trasportato al serbatoio di accumulo e ceduto all acqua sanitaria mediante uno scambiatore di calore. Mentre in estate l impianto solare copre tutto il fabbisogno di energia per il riscaldamento dell acqua sanitaria, in inverno e nei giorni con scarsa insolazione serve per il preriscaldamento dell acqua. La parte del serbatoio che contiene l acqua calda a pronta disposizione, cioè quella da tenere sempre in temperatura, può essere riscaldata da uno scambiatore di calore legato a una caldaia. Il riscaldamento ausiliario viene comandato da un termostato quando nel serbatoio la temperatura dell acqua nella parte a pronta disposizione scende al di sotto della temperatura nominale desiderata.

6 Impianti solari termici pagina 2.3 Fig. 2.3: Schema di funzionamento di un impianto a circolazione forzata (Grafica: DGS/target) Fig. 2.4: Schema di funzionamento di un impianto a circolazione naturale Negli impianti a circolazione naturale la circolazione tra collettore e serbatoio di accumulo viene determinata dal principio di gravità, senza energia addizionale. Il fluido termovettore si riscalda all interno del collettore. Il fluido caldo all interno del collettore è più leggero del fluido freddo all interno del serbatoio, tanto che a causa di questa differenza di densità si instaura una circolazione naturale. Il fluido riscaldato cede il suo calore all acqua contenuta nel serbatoio e ricade nel punto più basso del cricuito del collettore. Negli impianti a circolazione naturale il serbatoio si deve trovare quindi in un punto più alto del collettore. Negli impianti a un solo circuito l acqua sanitaria viene fatta circolare direttamente all interno del collettore. Negli impianti a doppio circuito il fluido termovettore nel circuito del collettore e l acqua sanitaria sono divisi da uno scambiatore di calore. Gli impianti a circolazione naturale vengono offerti come un unità premontata fissata su una struttura di supporto oppure vengono integrati nel tetto. Il riscaldamento ausiliario può essere ottenuto con una resistenza elettrica inserita nel serbatoio oppure con una caldaia istantanea a valle del serbatoio.

7 Impianti solari termici pagina Le varianti tecniche oggi possibili Gli impianti solari oggi offerti sul mercato si sono dimostrati essere una tecnologia arrivata a piena maturazione. Il maggiore settore di applicazione risulta essere quello degli impianti solari termici per la preparazione di acqua calda sanitaria e/o per il riscaldamento nelle abitazioni private, dove i risparmi di energia sono tipicamente del 50 80% per la preparazione di acqua calda e del 20 40% per la domanda totale di calore sia per la preparazione di acqua calda che per il riscaldamento degli ambienti. Oltre alle suddette applicazioni, l energia solare termica trova un impiego anche in altri settori, come illustrato nei paragrafi a seguire L uso dell energia solare termica in abitazioni private L energia necessaria per la preparazione di acqua calda nelle abitazioni private è di circa 1000 kwh per persona all anno. Poiché la domanda di calore è pressoché costante durante tutto l anno e quindi presente anche nel periodo estivo, il riscaldamento dell acqua domestica è una delle applicazioni più adatte per gli impianti solari termici. In condizioni meteorologiche simili a quelle italiane, l area di collettore necessaria varia tra 0,5 m 2 a persona per i climi caldi meridionali e 1 m² a persona per l Italia settentrionale. Nelle aree meridionali, dove non esistono significativi fenomeni di gelo, per il riscaldamento dell acqua domestica si possono utilizzare impianti compatti ad accumulo integrato e impianti a circolazione naturale. Questi impianti sono economici e possono essere integrati nel tetto come singola unità. Gli impianti a circolazione forzata sono adatti quando i collettori hanno dimensioni maggiori e dove ci sono sistemi centralizzati per il riscaldamento. In zone con significativi fenomeni di gelo, il circuito del collettore è riempito con liquido antigelo. L uso dell energia solare è possibile anche per il riscaldamento ambienti utilizzando impianti combinati per il riscaldamento dell'acqua calda e degli ambienti, anche se l irraggiamento disponibile durante la stagione di riscaldamento è molto minore che in estate. L uso di impianti combinati è raccomandato nei casi in cui sono già stati realizzate altre misure per il risparmio energetico (per esempio adeguata coibentazione termica) e si prevede un sistema di riscaldamento a bassa temperatura. L area di collettore necessaria varia da 1,5 a 3 m²/kw di potenza nominale per il riscaldamento dell'edificio. I diversi tipi di impianto sono indicati nella tabella 2.1.

8 Impianti solari termici pagina 2.5 Impianto compatto per il riscaldamento dell acqua sanitaria Esempio per una famiglia di quattro persone: Superficie collettore: 2 m 2 Volume serbatoio: 150 l Costo impianto: 750 Euro/m 2 (Tutti i dati sono teorici e non relativi a un impianto particolare) Fonte: Solahart Impianto a circolazione naturale Esempio per una famiglia di quattro persone: Superficie collettore: 2-5 m 2 Volume serbatoio: l Costo impianto: 750 Euro/m 2 (Tutti i dati sono teorici e non relativi a un impianto particolare) Fonte: Solahart Impianto a circolazione forzata per riscaldamento di acqua calda sanitaria Esempio per una famiglia di quattro persone: Superificie collettore: 2-5 m 2 Volume serbatoio: l Costo impianto: 750 Euro/m 2 Impianto combinato per riscaldamento di acqua calda sanitaria e di ambienti Esempio per una casa unifamiliare e una famiglia di quattro persone: Superificie collettore: m 2 Volume serbatoio: l Costo impianto: Euro/m 2 Fonte: ASDER Tab. 2.1: Esempi di impianti solari termici in abitazioni private

9 Impianti solari termici pagina Impianti solari di grande dimensione Impianti solari a grande scala con superficie di collettore dai 100 m² ai 1000 m² possono essere impiegati in grandi edifici multifamiliari, in reti di teleriscaldamento, ospedali, residenze per anziani o per studenti e nel settore turistico. Impianti di grandi dimensioni di questo tipo, con un accumulo giornaliero in grado di coprire il 20 % circa del fabbisogno termico totale per ACS e per riscaldamento ambienti, risultano essere tra le applicazioni più economicamente vantaggiose del solare termico. Grazie alle dimensioni, il costo specifico dell impianto diminuisce senza penalizzarne l efficienza. Lo sviluppo tecnologico dei grandi collettori integrati nel tetto degli edifici ha portato a un mercato accessibile e disponibile. La copertura del fabbisogno termico da parte degli impianti solari può anche arrivare al 80 % con impianti solari centralizzati ad accumulo stagionale, nei quali l energia solare termica captata durante i mesi estivi viene stoccata e utilizzata per il riscaldamento durante la stagione fredda. L applicazione ideale di questi impianti è quella di un gruppo di edifici, connessi tra loro da una rete di distribuzione del calore, con un fabbisogno termico superiore a 1500 MWh all anno. La tabella 2.2 riporta i parametri dimensionali per gli impianti di riscaldamento solare di grande dimensione. Fabbisogno minimo di calore Impianti solari di grande dimensione con accumulo giornaliero > 30 appartamenti > 60 persone Impianti solari centralizzati con accumulo stagionale > 100 appartamenti / edifici Superficie dei collettori 0,8 1,2 m 2 per persona 1,5-2,5 m 2 /(MWh a) Volume di accumulo l/m 2 1,5 2,5 m 3 /m 2 Risparmio energetico kwh/(m 2 a) kwh/(m 2 a) Risparmio energetico relarivo al fabbisogno di acqua calda sanitaria al fabbisogno totale di calore per acqua e riscaldamento ambienti % % % Tab. 2.2: Parametri dimensionali per un impianto di riscaldamento solare di grandi dimensioni. I requisiti e i presupposti per l installazione e il favorevole esercizio di un impianto solare di grandi dimensioni sono qui di seguito sintetizzati: - impianto termico centralizzato (riscaldamento ambienti e sistema di distribuzione ACS); - superficie del tetto sufficiente (poche ombre, orientamento, altre installazioni); - disponibilià di spazio per il serbatoio di accumulo all interno o in prossimità dell impianto; - se previsto il riscaldamento ambienti, bassa temperatura di ritorno dal sistema interno di riscaldamento; - sistema di produzione ACS ben bilanciato.

10 Impianti solari termici pagina 2.7 Impianto solare di grandi dimensioni con accumulo giornaliero Risparmio energetico: kwh/(m 2 a) % del fabbisogno termico per ACS % del fabbisogno termico totale, per ACS e riscaldamento ambienti Costo impianto: 500 Euro/m 2 Fonte: ITW Impianto solare centralizzato con accumulo stagionale Risparmio energetico: kwh/(m 2 a) % del fabbisogno termico totale per ACS e riscaldamento ambienti Costo impianto: Euro/m 2 Fonte: ITW Tab. 2.3: Esempi di impianti solari termici di grandi dimensioni Riscaldamento di piscine pubbliche Il fabbisogno termico per il riscaldamento di una piscina pubblica o privata varia, a seconda della temperatura desiderata dell acqua (20 27 C), tra i 500 e i 1500 kwh per anno e per m² di superficie della piscina. Il riscaldamento delle piscine è il sistema economicamente più vantaggioso di usare il contributo solare per i seguenti motivi: - la simultaneità tra domanda termica e massima radiazione solare in estate; - la bassa temperatura: si possono usare anche collettori più economici senza involucro e copertura vetrata; - nella maggior parte dei casi non è necessario alcun impianto di riserva. Se il dimensionamento dell impianto solare è corretto la temperatura della piscina scende di alcuni gradi solo nei giorni di scarsa insolazione. - per queste ragioni gli impianti solari di riscaldamento di piscine hanno un ritorno anche economico, cioè il capitale investito e i costi di gestione e manutenzione sono inferiori al costo evitato del combustibile fossile. Impianto per riscaldamento di una piscina publica Esempio per una piscina di m 2 di superficie: Superficie collettori: m 2 Risparmio energetico: kwh/(m 2 /a) Costo impianto: Euro/m 2 Fonte: AEE Tab.2.4: Esempio di un impianto per una piscina pubblica

11 Impianti solari termici pagina Applicazioni nel settore turistico Gli alberghi, i centri agrituristici e i campeggi hanno un consumo importante di acqua calda per gli ospiti, la cucina e i lavaggi. Questa domanda si accoppia molto bene con la disponibilità di energia solare, determinando condizioni favorevoli per l applicazione di impianti solari, soprattutto se la struttura turistica è localizzata in un area isolata dove solitamente il costo dell energia convenzionale è maggiore. La crescente coscienza ambientale e la domanda di un turismo verde sono altri fattori di stimolo per l uso di tecnologie ambientalmente compatibili in questo settore. Impianto solare per una azienda agrituristica Esempio: Superficie collettori: 24 m 2 Volume serbatoio: 1500 l Risparmio energetico: in [%]: 83 in [kwh/a]: posti letti, ristoro Costo impiant: 500 Euro/m 2 Foto: AI Tab. 2.5: Esempio di impianto solare in un agriturismo Applicazioni nel settore agricolo Le applicazioni nel settore agricolo per le quali l uso dell energia solare oltre a essere tecnicamente fattibile è anche economicamente interessante sono: - essiccatori solari per particolari prodotti agricoli; - riscaldamento solare di serre. L uso dell energia solare è molto indicato soprattutto per essiccatori a bassa temperatura, che utilizzano aria leggermente riscaldata come sorgente di energia, in combinazione con una sorgente di calore ausiliare per i periodi notturni o nuvolosi. L uso di aria preriscaldata aumenta considerevolmente il tasso di essiccazione. Sono disponibili essiccatori solari per frutta, vegetali, piante aromatiche e medicinali, tabacco, legna.

12 Impianti solari termici pagina Integrazione dell impianto solare 3.1 Impianti solari a circolazione naturale e impianti compatti per l acqua sanitaria Impianto senza dispositivo di riscaldamento ausiliario Accumulo Collettore solare Miscelatore Linea acqua fredda Fig. 3.1: Impianto compatto o a circolazione naturale per il riscaldamento dell acqua senza dispositivo di riscaldamento ausiliario Circuito solare: Accumulo: Integrazione dell impianto: Riscaldamento ausiliare: Negli impianti a circolazione naturale il serbatoio di accumulo può essere riscaldato direttamente dalla circolazione naturale che si instaura nel circuito solare oppure mediante uno scambiatore di calore. Negli sistemi integrato collettore-accumulo, il collettore e l accumulo compongono una sola unità compatta. Non è presente alcun dispositivo di regolazione attiva del circuito solare. Negli impianti a circolazione naturale il serbatoio di accumulo deve necessariamente trovarsi a un livello più alto del collettore. L acqua sanitaria viene prelevata direttamente dall accumulo. Per impianti in cui l acqua può raggiungere una temperatura superiore ai 65 C è necessario installare un miscelatore a valle del serbatoio. Nessuno. Per un uso sporadico può essere prevista l installazione di una resistenza elettrica all interno del serbatoio. Nel caso di serbatoi di accumulo orizzontali, in particolare, questa non deve essere utilizzata in maniera permanente.

13 Impianti solari termici pagina Impianto con caldaia istantanea Collettore solare Accumulo Valvola a tre vie Miscelatore Caldaia istantanea Linea acqua fredda Fig. 3.2: Impianto a circolazione naturale o compatto per il riscaldamento dell acqua sanitaria con integrazione di caldaia istantanea. Circuito solare: vedi Accumulo: vedi Integrazione dell impianto: Riscaldamento ausiliario: L impianto compreso di riscaldamento ausiliario dovrebbe essere eseguito come centrale dislocata nel tetto, per evitare lunghe tubature tra il serbatoio e il dispositivo di integrazione del riscaldamento. L acqua sanitaria viene prelevata direttamente dal serbatoio di accumulo. Se la temperatura dell acqua sanitaria all interno dell accumulo è inferiore alla temperatura nominale desiderata (per esempio 45 C), l acqua viene convogliata da una valvola a tre vie a una caldaia istantanea, e qui riscaldata fino a raggiungere la temperatura richiesta. In alternativa l acqua sanitaria può anche essere condotta direttamente alle utenze (ai rubinetti) senza essere ulteriormente riscaldata. Negli impianti in cui l acqua può raggiungere una temperatura superiore ai 65 C è necessario installare un miscelatore a valle del serbatoio. Caldaia istantanea a gas oppure elettrica. La caldaia istantanea utilizzata deve essere predisposta per lavorare con le diverse temperature di ingresso che si possono verificare. La caldaia istantanea dovrebbe essere regolata non solo dalla differenza di pressione, bensì anche dalla temperatura di uscita.

14 Impianti solari termici pagina Impianti con collettore e accumulo separati Collettore solare Ricircolo Accumulo accumulo acqua di acqua calda calda Linea acqua fredda Fig. 3.3: Impianto con resistenza elettrica integrata Impianto con resistenza elettrica integrata Circuito solare: Accumulo: Integrazione dell impianto: Riscaldamento ausiliario: Ricircolo: Il circuito solare è composto dal collettore, dal gruppo pompe e sicurezza e dalle tubature di collegamento. La pompa di circolazione del circuito solare è attivata da un regolatore differenziale di temperatura quando la temperatura all interno del collettore è superiore alla temperatura di riferimento impostata nel serbatoio di accumulo. Serbatoio in verticale con integrato uno scambiatore di calore a cui collegare il circuito solare e una resistenza elettrica integrata. L acqua sanitaria viene prelevata direttamente dal serbatoio di accumulo. Negli impianti in cui l acqua può raggiungere una temperatura superiore ai 65 C è necessario installare un miscelatore a valle del serbatoio. La parte del serbatoio che contiene l acqua calda a disposizione, cioè quella da tenere sempre in temperatura, può essere riscaldata da una resistenza elettrica integrata. Il riscaldamento ausiliario viene attivato da un termostato quando nel serbatoio la temperatura dell acqua nella parte a disposizione scende al di sotto della temperatura nominale desiderata. Per evitare dispersioni di calore, il riscaldamento ausiliario può anche essere gestito da un timer. La linea del ricircolo viene ricondotta dall utenza (rubinetto) più lontana fino al serbatoio. Il funzionamento della pompa di circolazione dovrebbe essere limitato da un dispositivo a tempo perché rimanga in funzione solo quando è necessario. Si consiglia inoltre di prevedere l inserimento di un termostato che escluda la pompa quando si raggiunge una determinata temperatura nominale. (vedi anche capitolo 7.2.)

15 Impianti solari termici pagina Impianto con scambiatore di calore integrato per il riscaldamento ausiliario Collettore solare Ricircolo Accumulo accumulo acqua di acqua calda calda Caldaia Linea acqua calda Fig. 3.4: Impianto con scambiatore di calore integrato per il riscaldamento ausiliario Circuito solare: come Accumulo: Integrazione dell impianto: Riscaldamento ausiliario: Serbatoio verticale di accumulo con due scambiatori di calore integrati, uno per il circuito solare e l altro per il riscaldamento ausiliario. come Ricircolo: come La parte del serbatoio che contiene l acqua calda a disposizione, cioè quella da tenere sempre in temperatura, può essere riscaldata da uno scambiatore di calore legato a una caldaia. Il riscaldamento ausiliario viene comandato da un termostato quando nel serbatoio la temperatura dell acqua nella parte a disposizione scende al di sotto della temperatura nominale desiderata. Per evitare dispersioni di calore il riscaldamento ausiliario può in aggiunta essere comandato anche da un timer.

16 Impianti solari termici pagina Impianto con caldaia istantanea Collettore solare Valvola a tre vie Miscelatore Accumulo acqua accumulo calda di acqua calda Caldaia istantanea Linea acqua fredda Fig. 5.5: Impianto con caldaia istantanea Circuito solare: come Accumulo: Integrazione dell impianto: Riscaldamento ausiliario: Serbatoio di accumulo verticale con integrato uno scambiatore di calore per il circuito solare. L acqua sanitaria viene prelevata direttamente dal serbatoio di accumulo. Se la temperatura dell acqua sanitaria è inferiore alla temperatura nominale desiderata (per esempio 45 C), l acqua viene convogliata da una valvola a tre vie fino a una caldaia istantanea e qui riscaldata fino a raggiungere la temperatura richiesta. In alternativa l acqua sanitaria può essere anche condotta alle utenze senza essere ulteriormente riscaldata. Negli impianti in cui l acqua può raggiungere una temperatura superiore ai 65 C è necessario installare un miscelatore a valle della valvola a tre vie oppure a valle del serbatoio. Caldaia istantanea a gas o elettrica. La caldaia istantanea deve essere predisposta per lavorare con le diverse temperature di ingresso che si possono verificare. La caldaia istantanea utilizzata dovrebbe essere regolata non solo dalla differenza di pressione ma anche dalla temperatura di uscita.

17 Impianti solari termici pagina Impianto con riscaldamento dell acqua sanitaria mediante uno scambiatore di calore collettore solare caldaia accumulo accumulo acqua di acqua calda calda scambiatore di calore ricircolo linea acqua fredda Fig. 3.6: Impianto con riscaldamento dell acqua sanitaria mediante scambiatore di calore In generale: (riscaldamento indiretto) Circuito solare: come Accumulo: Integrazione dell impianto: Riscaldamento ausiliario: Ricircolo: Questa variante è particolarmente adatta per impianti di grandi dimensioni con volumi di accumulo superiori a 1000 litri, poiché il riscaldamento dell acqua sanitaria mediante scambiatore di calore non crea problemi igienici nemmeno per grandi volumi d acqua. Serbatoio verticale di accumulo con scambiatore di calore integrato per il circuito solare. Questo può essere anche eseguito come scambiatore di calore esterno. Il serbatoio non deve avere caratteristiche prestazionali idonee a contenere acqua potabile. L acqua sanitaria viene riscaldata mediante uno scambiatore di calore esterno. La pompa del circuito primario (tra accumulo e scambiatore di calore esterno) deve essere regolata in modo che all uscita dello scambiatore di calore si raggiunga la temperatura nominale desiderata. La parte del serbatoio che contiene l acqua calda a disposizione, cioè quella da tenere sempre in temperatura, può essere riscaldata da uno scambiatore di calore legato a una caldaia. Il riscaldamento ausiliario viene comandato da un termostato quando nel serbatoio la temperatura dell acqua nella parte a disposizione scende al di sotto della temperatura nominale desiderata. Per evitare dispersioni di calore il riscaldamento ausiliario può in aggiunta essere comandato anche da un timer. La linea del ricircolo viene ricondotta dall utenza (rubinetto) più lontana fino al serbatoio. Il funzionamento della pompa di circolazione dovrebbe essere limitato da un dispositivo a tempo perché rimanga in funzione solo quando è necessario. Si consiglia inoltre di prevedere l inserimento di un termostato che escluda la pompa quando si raggiunge una determinata temperatura nominale. (vedi anche capitolo 7.2.)

18 Impianti solari termici pagina Impianto con centrale di riscaldamento sottotetto Collettore solare Valvola a tre vie Miscelatore Caldaia istantanea Accumulo acqua accumulo di acqua calda calda Linea acqua fredda Fig. 3.7: Impianto con centrale di riscaldamento sottotetto Circuito solare: come Accumulo: come fino a Integrazione dell impianto: Riscaldamento ausiliario: L impianto viene eseguito compreso di riscaldamento ausiliario come centrale di riscaldamento sottotetto. come fino a 3.2.4

19 Impianti solari termici pagina Progettazione 4.1 Introduzione Per un impianto domestico non è necessario effettuare un accurato dimensionamento dell impianto per il riscaldamento dell acqua sanitaria. È infatti possibile calcolarlo con formule spannometriche e valori di riferimento. Prima di passare alla progettazione vera e propria bisogna innanzitutto eseguire un rilievo e verificare a livello generale la fattibilità dell impianto. L elemento più importante per il dimensionamento è la definizione del fabbisogno di acqua calda, in riferimento al quale si determina la dimensione dell impianto solare, cioè la superficie dei collettori e il volume del serbatoio. I passi successivi sono costituiti dalla definizione della portata e del diametro delle tubature nel circuito del collettore, dalla scelta della pompa di circolazione e dal dimensionamento del vaso di espansione e della valvola di sicurezza. 4.2 Rilievo È sempre di grande aiuto avere il rilievo, cioè un disegno fatto a mano che riporti le dimensioni essenziali e le caratteristiche del manufatto. Fig. 4.1: Esempio di un rilievo I criteri più importanti per verificare la possibilità di installazione di un impianto solare sono riportati qui di seguito: Esiste un impianto centrale per il riscaldamento dell acqua sanitaria, oppure si può pensare di installare un impianto simile? La superficie del tetto a disposizione è sufficiente? Il tetto ha un orientamento adeguato? Il tetto viene messo in ombra da parti di edificio, alberi o altro?

20 Impianti solari termici pagina 4.2 Lo stato del tetto rende possibile l installazione dei collettori? Il tetto lascia la possibilità di accesso ai collettori per una successiva manutenzione? Le dimensioni di porte, scale e cantina permettono il trasporto e il passaggio del serbatoio? Esistono vincoli della soprintendenza? Sono necessari altri permessi per poter installare l impianto solare? 4.3 Analisi del fabbisogno di acqua calda Negli edifici residenziali il fabbisogno termico per la produzione di acqua calda rimane costante nel corso dell anno. Un indicazione sul fabbisogno di acqua calda è data dal numero di persone che abitano l edificio. Solitamente il consumo giornaliero pro capite di acqua calda a 45 C viene stimato intorno a queste cifre: comfort basso comfort medio comfort alto 35 l/(persona/giorno) 50 l/(persona/giorno) 75 l/(persona/giorno) Nel caso si vogliano collegare all impianto solare anche la lavatrice e la lavastoviglie, il fabbisogno deve essere aumentato di: Esempio: lavatrice lavastoviglie 20 l/giorno (1 lavaggio al giorno) 20 l/giorno (1 lavaggio al giorno) Una famiglia di quattro persone necessita, per avere un comfort medio, di circa (50 litri x 4 =) 200 l/giorno di acqua calda. Considerando anche la lavatrice si calcolano circa 230 l/giorno. Negli edifici con funzione ricettiva il fabbisogno di acqua calda è strettamente dipendente dalla presenza di clienti. Il calcolo del fabbisogno giornaliero viene eseguito sulla presenza media di persone nel periodo compreso tra maggio e agosto, e su questo dato si effettua il dimensionamento dell impianto. I valori di riferimento per il fabbisogno giornaliero medio pro capite sono qui riportati: ostello della gioventù standard semplice standard alto standard molto alto 35 l/(persone e giorno) 40 l/(persone e giorno) 50 l/(persone e giorno) 80 l/(persone e giorno) Se la struttura offre anche servizio cucina, il fabbisogno di acqua calda aumenta indicativamente in questo modo: Esempio: pasto semplice pasto a più portate 10 l/(giorno e pasto) 15 l/(giorno e pasto) Un agriturismo viene gestito da una famiglia di quattro persone. Durante il periodo estivo da maggio ad agosto la presenza media di ospiti è di circa 15 pernottamenti al giorno. Per gli ospiti vengono preparati due pasti al giorno. La lavatrice fa cinque lavaggi al giorno. Fabbisogno per la famiglia (4 x 50 l =) 200 l/giorno Fabbisogno per gli ospiti (15 x 50 l =) 750 l/giorno Cucina (30 x 10 l =) 300 l/giorno Lavastoviglie (5 x 30 l =) 150 l/giorno Totale 1400 l/giorno Se è previsto un circuito di ricircolo per la distribuzione dell acqua calda nell impianto, allora anche le sue dispersioni devono essere considerate come fabbisogno di acqua calda. È importante calcolare questo dato perché anche la sua dispersione può essere coperta dall impianto solare. La quantità di questo surplus di calore dipende strettamente dalla lunghezza del circuito di ricircolo, dalla sua coibentazione e dal tipo di funzionamento (gestione a timer o a temperatura), e deve quindi essere accuratamente stimato caso per caso. Il fabbisogno di acqua calda dipende direttamente dal comportamento individuale. Per un calcolo più preciso si possono utilizzare i dati delle bollette del gas o dell elettricità. Il fabbisogno può essere calcolato anche montando un semplice contatore di flusso nella tubatura dell acqua calda.