La radiazione del sole

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1 La radiazione del sole 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. Circa il 75% della quantità di energia irradiata è da ascrivere ai mesi estivi, da aprile a settembre. Fonte: Ambiente Italia

2 Spettro della radiazione solare 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. Fonte: Target/ISFH

3 Radiazione solare al suolo Fonte: Target/e.u.z. 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.

4 Il movimento della terra intorno al sole Fonte: Target/ISFH

5 Altezza del sole e stagioni Fonte: Target/ISFH

6 Diagramma delle traiettorie del sole Fonte: Target/e.u.z.

7 Radiazione solare diretta e diffusa Fonte: Target/e.u.z.

8 Radiazione solare al suolo Fonte: Target/e.u.z.

9 Irradianza solare con condizioni meteorologiche diverse Fonte: ITW

10 Radiazione solare globale in Italia Fonte: Ambiente Italia

11 La radiazione del sole La somma della radiazione su una superficie qualsiasi dipende essenzialmente dal suo orientamento (angolo sull orizzontale e orientamento cardinale). La somma di radiazione massima sommando i contributi da gennaio a dicembre alle nostre latitudini si ottiene su una superficie orientata a sud con un angolo di inclinazione di circa 30. Se si rimane su inclinazioni e orientamenti che si possono trovare solitamente sui tetti, non si rilevano grosse variazioni di radiazione. 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 perché garantisce contributi maggiori nei mesi tra Novembre e Febbraio. Fonte: Ambiente Italia

12 Andamento annuale della radiazione globale su superfici inclinate Fonte: Target/ISFH

13 Percentuale di irraggiamento al variare dell orientamento e dell inclinazione del collettore Assumendo 100% un orientamento perfettamente a sud e inclinato di 30, le perdite per esposizioni fino a est e a ovest e per inclinazioni fino a 10 e 50 sono nell ordine di 10 20% Fonte: Target/ISFH

14 Diagramma delle traiettorie del sole e ostruzione degli edifici e della vegetazione Gli edifici e la vegetazione rappresentano un ostruzione alla radiazione solare. Per determinare l effettivo contributo su una superficie, è necessario compilare un diagramma come quello indicato con tutti gli ombreggiamenti che raggiungono una superficie nel corso dell anno. Le ore all anno di effettivo irraggiamento corrispondono ai tratti di traiettoria del sole nella zona bianca del diagramma. Fonte: Ambiente Italia

15 Ambiente Italia srl, 2001 Strumento Horizon Fonte: Sonnenkraft 2.3 Componentistica

16 Ambiente Italia srl, 2001 Strumento Horicatcher Fonte: Sonnenkraft 2.3 Componentistica

17 Applicazioni di impianti solari termici Fonte: Ambiente Italia

18 Brevetti di impianti solari: Kemp (1891) Walker (1902) Fonte: Ornetz La tecnologia del solare termico è oramai nota e collaudata da tempo

19 Struttura di un collettore 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. Fonte: Target/DGS

20 Struttura di un collettore 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, ma anche spesso alluminio) e dovrebbe riuscire a trasformare il più completamente possibile la radiazione solare in calore. Al giorno d oggi nella maggior parte dei collettori vengono impiegati assorbitori dotati di un cosiddetto strato selettivo, che determina un alto grado di assorbimento (a > 0,95) nel range delle lunghezza d onda della radiazione solare e contemporaneamente irradiano poca energia, grazie a un basso fattore di emissività (e < 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). Fonte: Ambiente Italia

21 Assorbitore: funzionamento dello strato selettivo Fonte: Target/Wagner & Co

22 Struttura di un collettore 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. Fonte:

23 Fenomeni di trasporto del calore Fonte: Target/ISFH

24 Tipi di collettore Ci sono diverse forme dei collettori solari termici. Quelle commercialmente diffuse sono il collettore piano standard (ca. 80% del mercato), il collettore a tubi sottovuoto (ca. 18%) e il collettore scoperto per piscine (ca. 2%) Fonte: Target/ISFH

25 Collettore piano Fonte: Target/Solvis

26 Collettore a tubi sottovuoto Rispetto al collettore piano, l isolamento è costituito dal vuoto realizzato nel tubo. Garantisce prestazioni più elevate, ma presenta costi maggiori di vendita. Fonte: Viessmann

27 Collettori scoperti 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. Fonte: Janus Energy

28 Curva di efficienza di un collettore solare Fonte: Ambiente Italia

29 Curva di efficienza di un collettore solare Sono tre i parametri che definiscono l efficienza di un collettore solare e disegnano la curva di resa di un pannello in funzione di T*, dove T* è un parametro indicatore delle condizioni di esercizio perché rappresenta la differenza di temperatura tra la temperatura media all interno del collettore e la temperatura ambiente (diviso per una costante Eglob ). η 0 rappresenta le perdite ottiche, cioè quello che viene perso per la non perfetta trasparenza del vetro. k 1 e k 2 rappresentano i coefficienti di perdita in funzione della temperatura e dipendono dall efficienza di assorbimento della piastra del collettore e del suo isolamento. Fonte: Ambiente Italia

30 Curve di efficienza di diversi tipi di collettore Fonte: Target/DGS

31 Curve di efficienza di diversi tipi di collettore A differenze di temperature basse tra collettore e temperatura ambiente, il pannello scoperto risulta più efficiente perché non ha le perdite ottiche dovute alla copertura vetrata. La maggiore efficienza del collettore sottovuoto diventa sensibile per differenze di temperature più elevate, ma per valori tipici dell esercizio per produzione di acqua sanitaria la differenza di resa rispetto a un collettore piano rimane attorno al %. I collettori a tubi sottovuoto diventano interessanti quando sono richieste temperature molto elevate, per esempio in alcuni processi industriali. Fonte:

32 Collettore solare piano Fonte: Stiebel Eltron

33 Collettore a tubi sottovuoto Fonte: Microtherm

34 Collettori a tubi sottovuoto Rivestimento altamente selettivo Tubi in vetro speciale Vuoto Raggi solari Assorbitore circolare in rame Tubi in rame Specchio CPC Fonte: Sonnenkraft

35 Collettore a tubi sottovuoto Principio: tubi di calore (heat pipe) Fonte: Target/Stiebel Eltron

36 Cos'è Heat-Pipe La caratteristica di un Heat-Pipe è di trasferire calore da un estremo caldo all'altro freddo del condotto per mezzo dell'evaporazione e condensazione del fluido contenuto. Il liquido a contatto con il calore vaporizza aumentando di conseguenza la pressione nella parte inferiore del tubo in rame, pertanto la differenza di pressione tra la parte superiore ed inferiore del tubo fa sì che avvenga un trasferimento molto veloce di vapore verso il bulbo superiore dove il vapore, cedendo calore, condensa e ridiscende come liquido. Fonte: Trevisolar

37 Impianto a circolazione naturale Fonte: Ambiente Italia

38 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 e i tubi di collegamento non devono presentare variazioni di pendenza. 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. Fonte: Ambiente Italia

39 Fonte: Ambiente Italia

40 Impianto a circolazione naturale Esempio di tipica installazione kit solare a circolazione naturale con serbatoio orizzontale montato sul tetto immediatamente sopra ai pannelli Fonte: Solahart

41 Impianto solare a circolazione forzata Fonte: Target/DGS

42 Impianto a circolazione forzata 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. Fonte: Ambiente Italia

43 I componenti di un impianto solare a circolazione forzata Fonte: Target

44 I componenti di un impianto solare a circolazione forzata Fonte: Solar Projekt

45 Impianto a circolazione forzata Fonte: Solvis

46 Fonte:

47 Quando un impianto solare rimane inutilizzato e il collettore non può più scambiare calore con un accumulo già in temperatura, si può raggiungere la situazione di stagnazione (ebollizione del circuito nel collettore) in cui diventa essenziale il corretto dimensionamento e funzionamento del vaso d espansione e delle tubazioni Fonte: Ambiente Italia

48 Fonte: Ambiente Italia

49 Serve a mantenere costante la pressione di un impianto al variare della temperatura. Quando la temperatura di un impianto aumenta, la pressione spinge la membrana contenuta nel vaso comprimendo la parte piena di aria e, di conseguenza, aumentando il volume della parte collegata al circuito. Aumentando il volume, la pressione rimane costante. Fonte: Ambiente Italia

50 Il gruppo di sicurezza protegge l impianto da sovrapressioni. E tarato a 6 bar, oltre i quali il gruppo interviene. E inoltre provvisto di manometro e di connessione verso il vaso di espansione Box di isolamento in EPP Il regolatore permette di adattare la portata alle esigenze dell impianto, tramite una valvola a sfera a 3 vie. Fonte: Oventrop Circolatore a tre velocità regolabili manualmente. Grazie alla tenuta delle valvole a sfera a monte e a valle del circolatore, esso può essere rimosso senza svuotare l impianto.

51 Fonte: Rossato Group

52 Fonte: Rossato Group

53 Fonte: Target

54 Fonte: Target/Wagner & Co

55 Fonte: Target/Solvis Pompa solare viene attivata quando FKY > FRY + ΔT Riscaldamento ausiliario viene attivato quando FMY < 45 C

56 Fonte: Sonnenkraft

57 Impianto a svuotamento drain-back Fonte: Target

58 Fabbisogno di energia per il riscaldamento di ACS e degli ambienti e radiazione solare su una superficie inclinata Fonte: Ambiente Italia L uso di impianti combinati è raccomandato nei casi in cui sono già state 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.

59 Impianto solare combinato per il riscaldamento dell acqua calda e degli ambienti Fonte: ITW

60 Impianto combinato con il riscaldamento Gli impianti attualmente installati dimostrano come la tecnologia del riscaldamento solare sia valida anche per le condizioni climatiche tipiche dell Europa centrale e settentrionale. Tuttavia il dilemma del riscaldamento solare è noto: si vede nel grafico in calce che, mentre la maggior parte dell energia per il riscaldamento degli ambienti è richiesta in inverno, in questo periodo la disponibilità di radiazione solare è piuttosto ridotta quasi ovunque. Il massimo della radiazione si raggiunge durante i mesi estivi, quando di norma non è necessario riscaldare. Il fabbisogno di acqua calda sanitaria, invece, è costante durante tutti i mesi dell anno e si sposa bene con il funzionamento degli impianti solari. Misurazioni della radiazione hanno tuttavia dimostrato come gli impianti combinati possano fornire un contributo importante al riscaldamento degli ambienti principalmente nelle stagioni intermedie, da marzo a maggio e da settembre a ottobre e nei giorni invernali soleggiati. L uso di impianti combinati è raccomandato nei casi in cui sono già state 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. Fonte: Ambiente Italia

61 Impianto combinato con il riscaldamento Il mercato offre una grande varietà di tipologie di impianti solari combinati. L accumulo tampone è l unità termica centrale e come tale viene integrata nell impianto di riscaldamento. Per portare a regime termico l accumulo tampone, l impianto solare riscalda la parte inferiore del serbatoio, mentre la caldaia e altri eventuali generatori di calore, per esempio una stufa a legna, vengono collegati alla parte superiore. Il circuito di riscaldamento è allacciato direttamente al serbatoio, mentre l acqua sanitaria viene generalmente riscaldata indirettamente grazie a uno scambiatore. Il compito di un impianto combinato è quello di fornire contemporaneamente calore a diverse temperature, da una parte al circuito dell acqua sanitaria, dall altra a quello del riscaldamento. Per questo è ovviamente possibile operare con due diversi serbatoi, ma la maggior parte dei produttori ricorrono a sistemi integrati con un serbatoio centrale. Questi sistemi sfruttano il fenomeno della stratificazione termica dell acqua. Una buona stratificazione si ripercuote positivamente sul funzionamento e sull efficienza di un impianto solare. Le principali caratteristiche degli impianti sono rappresentate dal tipo di serbatoio, dalla gestione del sistema e dall integrazione dei componenti. Fonte: Ambiente Italia

62 Serbatoio Tank-in-Tank In figura è rappresentata una tipica configurazione d impianto con il cosiddetto swiss tank o tank-intank, in cui il serbatoio per l acqua sanitaria, dalla forma a imbuto, viene inserito nel serbatoio tampone. L acqua sanitaria, contenuta nel serbatoio interno, può essere riscaldata nei periodi in cui non vi è domanda da parte dell utenza, in modo che al momento della richiesta sia disponibile una quantità sufficiente di calore. Fonte: Sonnenkraft

63 Impianto solare combinato per il riscaldamento dell acqua calda e degli ambienti In alternativa l acqua sanitaria viene riscaldata indirettamente mediante uno scambiatore di calore a immersione, attraverso cui l acqua scorre come nelle caldaie istantanee. Fonte: ITW

64 Impianto solare combinato con caldaia a condensazione integrata Fonte: Solvis

65 Condizioni necessarie per l uso di impianti solari combinati Fonte: Ambiente Italia

66 Risparmio di energia Fonte: Ambiente Italia

67 Risparmio di energia al variare della superficie dei collettori Risparmio di energia finale [%]_ Collettori sottovuoto Collettori piani Superficie collettori [m²] Volume dell'accumulo 70 l/m² Fonte: Ambiente Italia

68 Riscaldamento solare per la produzione di ACS in un agriturismo Fonte: Ambiente Italia

69 Impianti solari per quartieri residenziali, Salisburgo (AT) Fonte: GSWB

70 Fonte: STZ-EGS

71 Fonte: STZ-EGS

72 Fonte: STZ-EGS

73 Fonte: STZ-EGS

74 Impianti di teleriscaldamento con accumulo stagionale, Amburgo (D) Fonte: ITW

77 Fonte: ITW

78 Fonte: ITW

79 Fonte: ITW

80 Impianti di teleriscaldamento, Marstal (DK) Fonte: Marstal Fjernvarne

81 Fonte: ITW

82 Fonte: ITW

83 Fonte: AEE

84 Fonte: AEE

85 Fonte: AEE

86 Fonte: AEE INTEC

87 Fonte: AEE INTEC

88 Impianti solari per condomini, Barcellona (ES) Fonte: BCN Cambra Logica SL

89 Fonte: BCN

90 Fonte: BCN

91 Fonte: BCN

92 Fonte: Metec Engineering

101 Impianto solare per il riscaldamento di piscine scoperte Sonda di temperatura Valvola di sfiato Collettore scoperto Termometro Centralina Valvola a tre vie Filtro Pompa Fonte: Wagner

102 Fonte: Politecnico di Milano

105 Fonte: Comune S. Benedetto del Tronto

108 Stima del fabbisogno di acqua calda sanitaria (consumo a 45 C) Fonte: Ambiente Italia 3.1 Progettazione Ambiente Italia srl, 2001

109 Dimensionamento della superficie dei collettori per la produzione di acqua calda Fonte: Ambiente Italia 3.1 Progettazione Ambiente Italia srl, 2001

110 Dimensionamento della superficie dei collettori per la produzione di acqua calda frazione del fabbisogno coperta da energia solare 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, area di captazione [mq] andamento f Il fabbisogno di energia coperto dall impianto solare non aumenta proporzionalmente alla superficie captante installata. Fonte: Ambiente Italia 3.1 Progettazione Ambiente Italia srl, 2001

111 Dimensionamento del serbatoio Fonte: Ambiente Italia/Wagner 3.1 Progettazione Ambiente Italia srl, 2001

112 ESEMPIO Una famiglia di 4 persone 50l x 4= 200 l di consumo di acqua calda Superficie di pannelli = 4 x 1,2= 4,8 mq Orientamento ad EST,inclinazione 30 4,8 + 15%= 4,8+ 0,72= 5,52 PANNELLO DA 6 MQ SCELTA DEL BOLLITORE 4,8 x 50= 240l 4,8x70= 334l bollitore da 300 litri Fonte: Rete Autocostruzione Solare 3.1 Progettazione Ambiente Italia srl, 2001

113 Dimensionamento di impianti solari combinati se l inclinazione del collettore è di 30 Fonte: Ambiente Italia 3.1 Progettazione Ambiente Italia srl, 2001