Introduzione al SOLARE TERMICO

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1 Fonti Rinnovabili di Energia A.A Introduzione al SOLARE TERMICO ing. Simona Bartocci

2 COLLETTORI SOLARI: Aspetti introduttivi Il collettore solare è un dispositivo in grado di convertire la radiazione solare in energia termica. L energia radiante assorbita dal dispositivo e non dispersa nell ambiente esterno viene utilizzata per riscaldare un fluido termovettore che scorre al suo interno. Tale fluido viene in seguito immagazzinato in un accumulatore coibentato per essere utilizzato dall utenza o per riscaldare un altro fluido.

3 COLLETTORI SOLARI: Aspetti normativi DETRAZIONI FISCALI DEL 55%: L Italia è da anni uno dei Paesi europei in cui l installazione di impianti solari termici è maggiormente incentivata e favorita. Questo accade grazie alla detrazione fiscale dall imposta lorda (pari al 55%) delle spese di riqualificazione energetica (tra cui appunto l installazione di impianti solari termici per la produzione di acqua calda sanitaria) su un orizzonte di tempo di cinque anni. OBBLIGO DEL SOLARE TERMICO NEGLI EDIFICI: Il Decreto Rinnovabili introduce anche degli obblighi in merito all integrazione delle fonti rinnovabili negli edifici di nuova costruzione e in quelli esistenti sottoposti a rilevanti ristrutturazioni. Questi obblighi riguardano, oltre che gli impianti di produzione di energia elettrica, anche quelli per la generazione di energia termica, che devono essere progettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto della copertura del 50% dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria e delle seguenti percentuali della somma dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria, per il riscaldamento ed il raffrescamento: il 20% nel periodo compreso tra il 31 Maggio 2012 ed il 31 Dicembre 2013; il 35% tra il 1 Gennaio 2014 ed il 31 Dicembre 2016; il 50% dopo il 1 Gennaio 2017.

4 CONTO TERMICO; COLLETTORI SOLARI: Aspetti normativi Con la pubblicazione del DM 28/12/12, il c.d. decreto Conto Termico, si dà attuazione al regime di sostegno introdotto dal decreto legislativo 3 marzo 2011, n. 28 per l incentivazione di interventi di piccole dimensioni per l incremento dell efficienza energetica e per la produzione di energia termica da fonti rinnovabili. Gli interventi incentivabili si riferiscono sia all efficientamento dell involucro di edifici esistenti (coibentazione pareti e coperture, sostituzione serramenti e installazione schermature solari) sia alla sostituzione di impianti esistenti per la climatizzazione invernale con impianti a più alta efficienza (caldaie a condensazione) sia alla sostituzione o, in alcuni casi, alla nuova installazione di impianti alimentati a fonti rinnovabili (pompe di calore, caldaie, stufe e camini a biomassa, impianti solari termici anche abbinati a tecnologia solar cooling per la produzione di freddo). L incentivo è un contributo alle spese sostenute e sarà erogato in rate annuali per una durata variabile (fra 2 e 5 anni) in funzione degli interventi realizzati Il decreto stanzia fondi per una spesa annua cumulata massima di 200 mln di euro per gli interventi realizzati o da realizzare dalle Amministrazioni pubbliche e una spesa annua cumulata pari a 700 mln di euro per gli interventi realizzati da parte dei soggetti privati

5 CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI La classificazione dei sistemi solari termici avviene in base: A. alla temperatura del fluido scaldato (acqua, aria o altro); B. alla tipologia d impianto; TEMPERATURA DEL FLUIDO SCALDATO - Bassa temperatura (sono in grado di produrre acqua calda in un range compreso tra i 40 C ed i 120 C in funzione della tecnologia dei collettori solari e del tipo di impianto) - Media temperatura (forni solari, 120 C < Temp. < 300 C); - Alta temperatura (sistemi a concentrazione parabolici lineari o puntuali > 300 C).

6 TIPOLOGIE DI IMPIANTO: impianti a bassa temperatura In base al tipo di circolazione del fluido termovettore, si possono distinguere le seguenti tipologie di impianti, entrambe comprendenti a loro volta impianti a circuito chiuso o aperto: - impianti a circolazione naturale; - impianti a circolazione forzata. IMPIANTI A CIRCOLAZIONE NATURALE Questi impianti sono economici e possono essere integrati nelle coperture come singola unità. Il fluido termovettore presente nel collettore, una volta riscaldatosi, presenta una minore densità rispetto al resto del circuito; Schema impianto a circolazione naturale e circuito chiuso la differenza di densità tra il fluido termovettore presente nei tubi di mandata e quello presente nei tubi di ritorno del collettore innesca la circolazione del fluido (effetto termosifone). Si noti che in questi impianti il serbatoio di accumulo deve necessariamente essere posizionato al di sopra del collettore solare, perché il punto in cui il fluido è più caldo (il collettore) non deve coincidere con il punto più alto del circuito, pena l'impossibilità della circolazione naturale.

7 TIPOLOGIE DI IMPIANTO: impianti a bassa temperatura IMPIANTI A CIRCOLAZIONE FORZATA Qualora non sia possibile posizionare l'accumulo sopra i pannelli, come richiesto per gli impianti a circolazione naturale, si deve necessariamente ricorrere all'utilizzo di una pompa di circolazione, così da non vincolare la posizione relativa tra serbatoio e pannelli. La presenza della pompa di circolazione rende necessario l'utilizzo di un termostato differenziale che provveda ad avviarla quando la differenza di temperatura tra fluido nel collettore e fluido nel serbatoio è superiore 5-10 C. Tale differenza di temperatura garantisce l'instaurarsi delle condizioni di scambio termico così che l'energia termica accumulata dal fluido termovettore venga ceduta al serbatoio di accumulo.

8 COLLETTORI SOLARI: Applicazioni Riscaldamento di acqua per piscine; Riscaldamento di acqua ad uso domestico; Riscaldamento (o preriscaldamento) di acqua ad uso industriale(allevamenti, concerie, sistemi di lavaggio, serre, ecc..); Riscaldamento di ambienti (diretto o tramite pompa di calore, pannelli radianti a pavimento o a parete); Produzione di energia elettrica (sperimentale) Raffrescamento estivo

9 COMPONETI PRICIPALI DI UN IMPIANTO SOLARE TERMICO I componenti principali di un impianto solare termico sono i seguenti: Collettori solari; Serbatoio di accumulo; Circuito distributivo; Centralina di accumulo e dispositivi di integrazione termica. Il collettore solare è l elemento base dell impianto perché ad esso è demandata la conversione dell energia solare sotto forma di radiazione elettromagnetica in energia termica immagazzinata dal fluido termovettore e successivamente distribuita alle utenze attraverso lo stesso fluido o un circuito secondario. I collettori solari si basano sul principio dell effetto serra che si produce attraverso un elemento captatore in grado si assorbire la maggior quantità di energia solare ed una copertura trasparente in grado di contenerne l effetto di re-irraggiamento.

10 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI SOLARI TERMICI VETRATI Sono senza dubbio i più utilizzati per applicazioni a bassa temperatura. Alle latitudini italiane sono caratterizzati da prestazioni buone/ottime in estate e nelle stagioni miti e da prestazioni accettabili in inverno. E COSTITUITO DA: Copertura trasparente: una o più lastre di vetro o di plastica poste al di sopra della piastra assorbente per ridurre gli scambi termici convettivi e radiativi tra la piastra e l atmosfera. Il vetro consente il passaggio della sola radiazione a bassa lunghezza d onda (λ< 3 µm). La radiazione che passa attraverso il vetro riscalda la piastra assorbente. Questa riscaldandosi riemette a sua volta energia termica nel campo dell infrarosso. Rispetto a queste λ il vetro si comporta come corpo opaco non consentendo quindi alla radiazione di fluire verso l esterno Piastra nera captante ad elevata conducibilità: provvede ad assorbire la radiazione ed a trasferire l energia raccolta a un fluido termovettore. Isolamento termico posteriore e laterale: per ridurre al minimo le perdite per conduzione della piastra Involucro metallico con funzione di contenimento e di protezione da plovere, umidità ed agenti atmosferici

11 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI SOLARI TERMICI VETRATI Vetro anteriore E a basso contenuto di ferro per dare la massima trasparenza (τ 0,92) E temperato e ha uno spessore generalmente compreso tra 4 e 6 mm Piastra assorbente E realizzata in rame, alluminio o acciaio inox Lo scopo della piastra assorbente è assorbire al massimo la radiazione solare, emetterla al minimo e permettere il trasferimento efficiente del calore al fluido di lavoro.

12 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI SOLARI TERMICI VETRATI Piastra assorbente La riduzione dell emissività spettrale dell assorbitore nell intervallo di λ compresi tra appena poco più di 2 e 20 µm, pur mantenendo elevati coefficienti di assorbimento alle lunghezze d onda della radiazione solare, può essere ottenuta: 1. Impiegando superfici selettive, ottenibili depositando sottilissimi strati di ossidi metallici, ad esempio rame, su substrati metallici di o lucidanti. Gli strati selettivi possono essere apportati con un trattamento galvanico vaporizzati sotto vuoto oppure prodotti con il cosiddetto procedimento di sputter. Le più recenti innovazioni si contraddistinguono soprattutto per il basso grado di emissione (in parte anche inferiore al 10%). 2. lavorando con scanalature a V la superficie della lastra, in modo da accrescerne per via geometrica l area captante. Nel caso di applicazioni che richiedono alte temperature vengono utilizzate anche scanalature rettangolari e triangolari 3. adottando superfici captanti con struttura a nido d ape sul piano della lastra, oppure disseminando micro pennelli di fibre captanti ortogonali al piano della lastra.

13 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI SOLARI TERMICI VETRATI Piastra assorbente

14 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI SOLARI TERMICI VETRATI Le canalizzazioni del fluido termovettore sono preferibilmente in rame. Possono essere: costituite da uno o più tubi saldati alla piastra assorbente ricavate dalla piastra assorbente Lo sviluppo delle canalizzazioni nel collettore solare può essere del tipo: A SERPENTINA AD ARPA

15 BILANCIO TERMICO COLLETTORI PIANI Illustrazione schematica della distribuzione dell energia nei collettori solari piani Si può osservare che l energia utile raccolta (quella che viene quindi trasformata in calore) varia dal 15 al 40 % a seconda delle condizioni operative. In particolare si hanno percentuali di raccolta (rendimenti di raccolta) maggiori, a pari condizioni esterne di temperatura dell aria e di velocità del vento, quanto più è la radiazione solare e quanto più bassa la temperatura di ingresso del fluido nel collettore.

16 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI SOLARI TERMICI NON VETRATI La caratteristica tecnologica che differenzia questi dispositivi piani da quelli con vetri è l assenza dell intercapedine isolante frontale. Nei collettori solari piani scoperti presentano i tubi, in cui scorre il fluido, scoperti; essi sono meno costosi, ma forniscono prestazioni accettabili solo se utilizzati durante la stagione estiva; infatti la mancanza del vetro, che svolge una funzione isolante e di trattenuta del calore, fa sì che il rendimento cali rapidamente al cambiare delle condizioni esterne ottimali. I tubi sono realizzati in materiale plastico (polipropilene, pvc e neoprene.) di colore scuro al fine di garantire il massimo assorbimento e vengono percorsi direttamente dall acqua da riscaldare che può dunque essere utilizzata senza necessità di accumulo. Quella dei collettori piani scoperti rappresenta pertanto la soluzione ideale per gli stabilimenti balneari, piscine scoperte e campeggi e per tutti gli ambiti residenziali con fabbisogno di acqua calda sanitaria prevalentemente estivo.

17 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI A TUBI SOTTOVUOTO I collettori sottovuoto sono realizzati in modo che l'intercapedine tra piastra assorbente e copertura trasparente risulti priva d'aria. Questo accorgimento, di delicata realizzazione tecnica, permette di ottenere ottime prestazioni energetiche, e allo stesso tempo, raggiungere temperature elevate. Ovviamente, il prezzo di questi collettori è conforme alle loro prestazioni eccellenti in tutto l'arco dell'anno. Nei collettori sottovuoto l'assorbitore è inserito all'interno del tubo sottovuoto per ridurre le dispersioni di calore. Tale vuoto d'aria permette di ottenere ottime capacità di coibentazione e ridurre quasi completamente le dispersioni per convezione. Nei collettori sottovuoto il trasferimento dell'energia termica al fluido vettore avviene con modalità differenti rispetto ai collettori piani; nei collettori sottovuoto, infatti, esso può avvenire in due diversi modi e dipende dal tipo di scambio che si realizza tra il fluido che scorre lungo i tubicini all'interno delle zone sottovuoto ed il fluido che trasporta il calore verso l'utenza:

18 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI A TUBI SOTTOVUOTO 1. FLUSSO DIRETTO: il fluido termovettore scorre direttamente nell'assorbitore situato all'interno del tubo sottovuoto. La piastra è sostituita da cilindri di metallo (ad esempio rame) eventualmente alettati, trattati superficialmente con vernici nere e selettive; ciascuno di questi tubi è inserito in un tubo di vetro coassiale, a sua volta, a un altro tubo esterno di vetro. Durante l'assemblaggio del collettore, viene aspirata l'aria tra i due tubi di vetro per ottenere le condizioni di sottovuoto. I diversi tubi sono collegati tra loro come riportato nello schema semplificato di figura 1 tubi a flusso diretto possono essere installati in qualsiasi posizione; questo significa che le soluzioni possibili possono prevedere sia il posizionamento in facciata o sui parapetti dei balconi (posizione verticale), sia il montaggio orizzontale su tetti piani;

19 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI A TUBI SOTTOVUOTO 2. TECNOLOGIA DEL TUBO DI CALORE (HEAT-PIPE): il trasferimento del calore dalla piastra al fluido termovettore avviene grazie ad altro circuito. In questo caso, il fluido contenuto nelle sottili tubazioni sottovuoto evapora lungo il suo tragitto assorbendo il calore che successivamente cede condensando in un apposito scambiatore. Il fluido temovettore utilizzato è un liquido speciale che evapora già a basse temperature. Questo tipo di scambio termico, a parità di superficie utile, risulta più efficiente, ma tecnologicamente più complesso.

20 TIPOLOGIE DI COLLETTORI COLLETTORI A TUBI SOTTOVUOTO Tecnologia CPC Al fine di migliorare le prestazioni del sistema dei collettori a tubi sottovuoto, è stata sviluppata la tecnologia CPC (compound parabolic concentration). Essa prevede il montaggio, sotto ciascun tubo, di un laminato di materiale riflettente, di forma parabolica in grado di catturare e convogliare l irradiazione riflessa, sull elemento captante. L utilizzo di collettori a vuoto CPC permette quindi di sfruttare l ulteriore quota di radiazione che nei collettori a tubi viene persa nello spazio che si crea fra i tubi stessi del collettore. A parità di area lorda del collettore, si riesce quindi ad aumentare l area della superficie captante migliorando di conseguenza l energia prodotta a parità di superficie occupata.

21 RENDIMENTO DEI COLLETTORI Efficienza del collettore: η = energia resa / energia solare incidente Il rendimento di un collettore viene in genere determinato sperimentalmente e assume la seguente espressione: a1 e a2 : coefficienti determinati sperimentalmente G : radiazione solare globale sul piano dei collettori (W/m2) Tm : temperatura media del fluido all interno del pannello ( C) Ta : temperatura dell aria esterna, ( C) La capacità dei collettori di trasformare la radiazione solare incidente in calore è tanto più efficace quanto più è: maggiore la radiazione solare incidente maggiore la temperatura esterna ed elevato il coefficiente di assorbimento della piastra metallica efficace lo scambio termico piastra-fluido isolato termicamente dall esterno il processo.

22 RENDIMENTO DEI COLLETTORI Interessante per le scelte progettuali è il confronto, in termini di rendimento, delle tecnologie fin qui esposte. Il collettore senza vetro presenta un rendimento elevatissimo quando la temperatura esterna è molto alta - temperatura esterna prossima alla temperatura media del modulo - per poi cadere rapidamente all'abbassarsi della temperatura esterna. Di contro, qualora sia necessario produrre acqua calda anche in inverno, con temperature esterne molto basse - quindi in tutti quei casi in cui si voglia riscaldare gli ambienti con il sole - la scelta del collettore a tubi sotto vuoto è praticamente obbligata.

23 POSIZIONAMENTO DEI COLLETTORI La quantità di radiazione solare intercettata dipende dal sito, dalle caratteristiche climatiche locali e dal posizionamento spaziale delle superfici captanti, definito dal- l orientamento e dall angolo d inclinazione rispetto all orizzontale. L orientamento dei pannelli solari ha un importanza fondamentale nella resa complessiva dell impianto. L inclinazione (α) di un pannello solare è pari all angolo tra il piano orizzontale e il piano del pannello stesso L azimut superficiale (γ) (orientamento) di un pannello solare è pari all angolo tra la proiezione orizzontale della normale al pannello con la direzione Sud

24 POSIZIONAMENTO DEI COLLETTORI L inclinazione dei pannelli solari è determinata dalla latitudine del luogo, in quanto l altezza del Sole nel cielo varia a seconda del grado di latitudine: ad esempio nell emisfero boreale quanto più ci si allontana dall Equatore, tanto più il percorso del Sole si svolge più in basso sull orizzonte. Alle nostre latitudini, l inclinazione ottimale per avere il massimo rendimento solare da un pannello durante tutto l arco dell anno è di circa 30-35, con orientamento Sud. Le figure mostrano i fattori di correzione per le diverse condizioni di orientamento e inclinazione alle latitudini italiane. Percentuale di sfruttamento dell insolazione incidente in funzione dell inclinazione dei piani, valido in Europa Fattori di correzione per inclinazione e orientamento

25 POSIZIONAMENTO DEI COLLETTORI Più in generale, però, a seconda delle caratteristiche climatiche del luogo e delle esigenze dell utenza servita, si può ottimizzare la produttività dell impianto optando per altre inclinazioni dei pannelli. Infatti, se ad esempio si vuole massimizzare la captazione solare durante la stagione invernale, è necessaria un inclinazione maggiore rispetto alla condizione ottimale in regime estivo, in quanto il Sole si presenta più basso sull orizzonte. La tabella sottostante mostra i possibili posizionamenti dei pannelli solari in funzione delle finalità e specificità del progetto, in particolare per sistemi fotovoltaici: Considerazioni sul posizionamento dei moduli in funzione delle specificità di progetto (Aste N., Aspetti tecnologici e prestazionali dell integrazione del fotovoltaico nelle strutture architettoniche, Rapporto del Politecnico di Milano, Dicembre 2005)

26 DIMENSIONAMENTO SUPERFICIE CAPTANTE

27 DIMENSIONAMENTO SUPERFICIE CAPTANTE In realtà il dimensionamento risulta più laborioso in quanto intervengono nella progettazione molte variabili: in primo luogo l energia solare incidente e le condizioni climatiche esterne non rimangono costanti in tutti i mesi dell anno; il fabbisogno termico può anche lui non restare costante per tutti i mesi dell anno (anche per sistemi atti alla produzione di ACS) e deve essere quindi valutato attentamente; la percentuale d'integrazione offerta dall impianto solare vista in una proiezione annuale e non mensile determina l economicità dell impianto; esistono infine vari ostacoli tecnici che limitano la possibilità di installare la superficie captante richiesta. Da quanto sopra si evince che per ottenere la giusta superficie captante bisogna tener conto di diversi parametri che si modificano secondo le circostanze contingenti.

28 DIMENSIONAMENTO SUPERFICIE CAPTANTE E molto importante dimensionare correttamente la superficie captante necessaria, per sfruttare al massimo l energia solare senza incorrere in costi proibitivi. Anzitutto, non è consigliabile pretendere di soddisfare il fabbisogno delle utenze al 100% tutto l anno: se volessimo raggiungere l autosufficienza anche a dicembre, negli altri mesi avremo un energia esuberante, che resterebbe inutilizzata, ed un impianto costoso e di difficile ammortamento. Conviene invece coprire con l impianto solare la gran parte del fabbisogno, lasciando ad una fonte integrativa il compito di coprire le punte di carico nei mesi invernali o nelle giornate di cattivo tempo. 1. SCEGLIERE UN MESE PER IL QUALE SI DESIDERA: Fabbisogno medio mensile di ACS [kwh/mese] = Energia captata media mensile [kwh/mese] 2. SUPERFICIE CAPTANTE: S [m 2 ]= Fabbisogno medio mensile di ACS [kwh/mese]/energia unitaria captata media mensile [kwh/(m 2 *mese)] 3. NUMERO COLLETTORI N=S /S collettore

29 DIMENSIONAMENTO SUPERFICIE CAPTANTE 4. VERIFICARE: Superficie disponibile e Superficie occupata dall impianto Indicatori (fattore di integrazione e fattore di utilizzo) Analisi economica (tempo di ritorno) Stabilire quindi il NUMERO DI COLLETTORI da istallare: Ncol 5. SUPERFICIE CAPTANTE da istallare S= Ncol*Scollettore ENERGIA MENSILE CAPTATA E UTILIZZATA Q m c.u. = min(q m,f ACS,m ) [kwh / mese] FATTORE DI INTEGRAZIONE ANNUO Fint = (Q m c.u. / F ACS,m ) [%] FATTORE DI UTILIZZO Fut = (Q m c.u /Q m.) [%]

30 Fabbisogni di energia per la produzione ACS L'energia termica Qw richiesta per riscaldare una quantità di acqua alla temperatura desiderata è: Q w = i ρ c V w T er T 0 G (Wh) ρ è la massa volumica dell acqua (kg/m3) c è il calore specifico dell acqua pari a Wh/kg C Vw è il volume dell acqua richiesta durante il periodo di calcolo (m3/g) Ter è la temperatura di erogazione ( C) T 0 è la temperatura di ingresso dell acqua fredda sanitaria ( C) G è il numero di giorni del periodo di calcolo (G) VOLUMI D ACQUA RICHIESTI I volumi di acqua calda sanitaria sono riferiti convenzionalmente ad una temperatura di erogazione di 40 C e ad una temperatura di ingresso di 15 C. Il salto termico di riferimento ai fini del calcolo del fabbisogno di energia termica utile è, quindi, di 25 C. Il volume è dato da: Vw= a *Nu (l/g) a è il fabbisogno giornaliero specifico Nu è il parametro che dipende dalla destinazione d'uso dell'edificio

31 Fabbisogni di energia per la produzione ACS VOLUMI D ACQUA RICHIESTI - Destinazione d uso abitazione: Nel caso di abitazioni il valore Nu è il valore della superficie utile Su dell'abitazione, espressa in metri quadrati. Nu = superficie utile dell abitazione (m 2 )

32 Fabbisogni di energia per la produzione ACS VOLUMI D ACQUA RICHIESTI - Destinazione d uso abitazione: Nu = f(superficie utile dell abitazione) la Superficie utile è intesa come la superficie netta calpestabile dei locali riscaldati al netto di tramezzi e muri esterni e comprensiva delle soglie delle porte e degli spazi al di sotto dei terminali di emissione, così come evidenziato in rosso nelle immagini che seguono;

33 Fabbisogni di energia per la produzione ACS VOLUMI D ACQUA RICHIESTI - Altre destinazioni d uso:

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