SOMMARIO SOLE: FONTE DI ENERGIA ENERGIA SOLARE DISPONIBILE SULLA TERRA SOLARE TERMICO: PRINCIPI E APPLICAZIONI ENERGIA SOLARE

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Taddeo Basso
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1 Rigenergia Aosta 9 giugno 007 SOLARE TERMICO: PRINCIPI E APPLICAZIONI A cura di Luca Degiorgis Politecnico di Torino DENER ENERGIA SOLARE SOMMARIO Sole: fonte di energia Misura della radiazione solare: strumenti e dati Possibilità di sfruttamento dell energia solare: solare termico solare fotovoltaico Esempi di applicazioni: inserimento dei sistemi solari nelle strutture edilizie in Italia e in Europa luca.degiorgis@polito.it Radiazione elettromagnetica Spettro solare 0,5 µm < λ <,5 µm Costante solare 1367 W/m (extratmosferica) SOLE: FONTE DI ENERGIA Radiazione globale = diretta + diffusa Quantità di energia solare sulla Terra: Tep/anno (400 volte il fabbisogno energetico annuo mondiale) Aleatorietà disponibilità energetica Sfasamento domanda - offerta E n e r g i a estate inverno Tempo (anno) Energia solare Richiesta di energia ENERGIA SOLARE DISPONIBILE SULLA TERRA tep sulle sole terre emerse tep = tonnellata equivalente di petrolio (4 GJ) 1 tep = necessità energetica di riscaldamento annuo di una famiglia media in Italia Centrale Sole mette a disposizione 3100 tep/abitante Terra 6 miliardi abitanti

e in Europa E-mail luca.degiorgis@polito.

2 POSSIBILITA DI SFRUTTAMENTO ITALIA: PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA DA FONTI RINNOVABILI passivo Energia prodotta, Mtep attivo diretto indiretto termico fotovoltaico Biomassa Idraulica Vento Tecnologia Geotermia Solare termico Biomasse Rifiuti totale totale term + elettr Schema TITOLO: di ARIAL funzionamento NARROW 36 di un impianto solare Radiazione emessa dal sole: ENERGIA Il collettore (o pannello) solare, di colore scuro, trasforma la radiazione solare in calore utile, riscaldando l acqua che lo attraversa Agli utilizzatori: bagni, docce, lavandini, Collegamento con la rete idrica Il serbatoio di accumulo immagazzina l acqua calda durante il giorno per renderla disponibile al momento del bisogno UTILIZZI TIPICI DI COLLETTORI SOLARI TERMICI Produzione acqua calda sanitaria (ACS) Integrazione al riscaldamento (solar combisystem) Calore di processo Raffrescamento solare Abitazioni singole Piscine e impianti sportivi Condomini Ospedali, case di cura Industria Agricoltura Dissalazione Abitazioni Condomini Quartieri Uffici, abitazioni

97 Schema TITOLO: di ARIAL funzionamento NARROW 36 di un impianto solare Radiazione emessa dal sole: ENERGIA Il collettore (o pannello) solare, di colore scuro, trasforma la radiazione solare in

3 ASPETTI TECNICI DELLA PROGETTAZIONE MONTAGGIO Facilità, aspetti estetici, manutenzione. ACCUMULO DI CALORE Giornaliero, settimanale, stagionale Spazio, carico strutturale REGOLAZIONE Ottimizzazione del funzionamento dell impianto solare e integrazione con gli altri sistemi (produzione di calore tradizionale e carichi termici) ECONOMIA Costi-benefici Pay back time investimento COLLEGAMENTI IDRAULICI COLLETTORI Sfiati e disareatori per bolle d aria Batterie serie parallelo Metodo di Thichelmann Portate classiche (110 l/mq ora) Low-flow (0 l/qm ora) CORROSIONE Circuiti monometallici Correnti galvaniche Erosione TIPOLOGIE DEI COLLETTORI SOLARI 1 Piani scoperti Piani vetrati Piani sottovuoto A tubi sottovuoto CPC TIPOLOGIE DEI COLLETTORI SOLARI VISTA IN SEZIONE DI UN COLLETTORE A bassa temperatura (40-90 C) Piani (vetrati, non vetrati) a tubi sottovuoto A media temperatura (60-50 C) a tubi di calore (heat pipes) e sottovuoto con bassa concentrazione Ad alta temperatura (> 50 C) a concentrazione Ad aria DIMENSIONI TIPICHE: Circa 1m x m = mq Esistono sistemi preassemblati fino a 10 mq Si possono realizzare su misura con extracosto 1. Bordo metallico. Portasonda 3. Assorbitore 4. Foglio riflettente gli IR 5. Isolante termico 6. foglio riflettente gli IR 7. strato di isolante termico 8. Scatola di contenimento 9. Tubicino in parallelo ( 8-1 mm)

di calore tradizionale e carichi termici) ECONOMIA Costi-benefici Pay back time investimento COLLEGAMENTI IDRAULICI COLLETTORI Sfiati e disareatori per bolle d aria Batterie serie parallelo Metodo di

4 STRATI SELETTIVI FUNZIONE DELL ISOLANTE E DEL VETRO Tint= 60 C All interno del collettore la temperatura si mantiene elevata per l isolamento laterale e posteriore e per l effetto serra creato dal vetro Text=15 C La temperatura esterna può anche essere bassa, sono normali T (Tint-Text) = 35/55 C Tisol=5 C L isolante si riscalda per irraggiamento, conduzione e convezione Orditura primaria e secondaria su cui si fissa il collettore SEZIONE E INTEGRAZIONE IN COPERTURA Faldali superiore, laterale e inferiore in lamiera per la tenuta all acqua piovana COLLETTORE SOTTOVUOTO 1. Tubicino 4-6 mm entro il quale circola il fluido termovettore (diretto o heatpipe). Assorbitore 3. Sacchetto per rivelazione di ingresso d aria 4. Tubo di vetro esterno all interno del quale viene creato il vuoto

secondaria su cui si fissa il collettore SEZIONE E INTEGRAZIONE IN COPERTURA Faldali superiore, laterale e inferiore in lamiera per la tenuta all acqua piovana COLLETTORE SOTTOVUOTO 1.

5 EFFICIENZA DEI COLLETTORI COLLETTORI A CONFRONTO Coefficienti di efficienza (superficie dell'apertura): questi tre parametri descrivono il rendimento del collettore secondo precise condizioni d'irradiazione e di temperatura. Il rendimento di un collettore viene calcolato come segue (irradianza G, temperatura media del collettore Tm, temperatura esterna Ta): η = η dove x = (Tm Ta) / G a x 0 1 a x G Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) Vacuum Vetrato piano Non vetrato x [m² K / W] 0.1 con 40 (Energie Solaire AS) 344 (GreenOneTEC VK9) 474 (GreenOneTec IMK) η = η a x a G x 0 1 Tm Ta x = G Es. G = 800 W/mq, Tm = 50 C; Ta = 10 C -> x = 0,05 COLLETTORI A CONFRONTO Differenze tra collettori piani con vetro singolo e superfici selettive e non COLLETTORI A CONFRONTO 3 Differenze tra collettori sottovuoto: circolazione diretta, heat pipe e CPC Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) (Fercher F3000) 90 (Edwards SV Maxorb) 354 (IDALTERMO VENERE PC00) 474 (GreenOneTec IMK) 390 (KAGO-SOLAR) Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) (Viessm. VitoSol 00 D0) 444 (Ritter Solar CPC 1 OEM) 370 (Paradigma CPC 14 Star) 500 (Consolar TUBO 11 CPC) 404 (Schweizer Energie Swisspipe ) η = η a x a G x 0 Tm Ta con x = G η= η a x a G x 0 1 Tm Ta con x = G x [m² K / W] x [m² K / W]

Il rendimento di un collettore viene calcolato come segue (irradianza G, temperatura media del collettore Tm, temperatura esterna Ta): η = η dove x = (Tm Ta) / G a x 0 1 a x G Efficiency

6 ESEMPI DI POSA Montaggio classico su strutture e tetto piano ESEMPI DI POSA Montaggio classico su tetti in coppi Integrazione nella falda del tetto Con struttura ancorata superiormente alla falda del tetto

tetti in coppi Integrazione nella falda del tetto

7 IMPIANTI PER ABITAZIONI UNIFAMILIARI - 1 IMPIANTI PER ABITAZIONI UNIFAMILIARI - Schema d impianto: Integrazione elettrica o a gas Accumulatore di calore con doppio scambiatore: solare + fonte ausiliaria Sistema monoblocco: Circolazione naturale Basso costo Semplicità di installazione Schema d impianto: Integrazione elettrica o a gas Alimentazione in serie alla caldaia d integrazione Sistema a circolazione forzata: Il moto del fluido avviene tramite un circolatore Costo più elevato Possibile migliore integrazione estetica Dimensioni superiori COMPONENTI IMPIANTI A CIRCOLAZIONE FORZATA PROGETTAZIONE Dati meteo Consumi di calore Ombreggiamenti/orientamento 1,1/0,65 m /persona 50/75 l accumulo/persona Software dedicati Metodo f-chart

caldaia d integrazione Sistema a circolazione forzata: Il moto del fluido avviene tramite un circolatore Costo più elevato Possibile migliore integrazione estetica Dimensioni superiori

8 METODO F-CHART Energia utile, Energia ausiliaria, f (TO) 0, , , , ,5 MJ/mese 500 0, , , 100 0,1 0 Obiettivo: minimizzare tempo di ritorno dell investimento fraz. copertura 1000 IMPIANTI PER PISCINE E USI COLLETTIVI Schema impianto per piscina senza accumulo Collettori utilizzabili: Piani vetrati Collettori non vetrati (EPDM, PP ) 0, E_ut El_aux f mesi Fattore di copertura annuo Inclinazione ideale dei collettori Superficie ideale (m ) Torino 58 % 33 4, Roma 77 % 38 4,8 Catania 88 % 4 4,7 IMPIANTI CONDOMINIALI Impianti su condomini già esistenti: Con produzione dell ACS centralizzata Con produzione dell ACS individuale Distribuzione ACS: anello di ricircolo Conservazione calore: unico accumulo, minime dispersioni Costi di installazione: un solo tubo acqua fredda e un solo tubo per distribuzione acqua calda Funzionalità impianto: la non contemporaneità di utilizzo prolunga l autosufficienza Impianto per riscaldamento ACS stabilimenti balneari OSPEDALI E CASE DI CURA Gli ospedali sono grandi consumatori di acqua calda a bassa temperatura: come tali ottimi utilizzatori di impianti a collettori solari. Nel 1983 nasce il sistema di GRS: garantie résultats solaires, integrato in seguito da sistemi di telecontrollo e telegestione dell impianto

E_ut El_aux f mesi Fattore di copertura annuo Inclinazione ideale dei collettori Superficie ideale (m ) Torino 58 % 33 4, Roma 77 % 38 4,8 Catania 88 % 4 4,7 IMPIANTI CONDOMINIALI Impianti su

SOLAR COMBISYSTEM: INTEGRAZIONE AL RISCALDAMENTO Abitazioni appositamente concepite: Bassi fabbisogni energetici Sistemi di riscaldamento a bassa temperatura Accumuli in grossi volumi (>1000 l)

9 SOLAR COMBISYSTEM: INTEGRAZIONE AL RISCALDAMENTO Abitazioni appositamente concepite: Bassi fabbisogni energetici Sistemi di riscaldamento a bassa temperatura Accumuli in grossi volumi (>1000 l) Solare copre il 5-30% dei fabbisogni di calore MERCATO DEL SOLARE TERMICO Il mercato europeo MERCATO DEL SOLARE TERMICO COSTI Potenza solare e superficie installata pro capite (kw/1000 abitanti o (m /1000 ab) Solare termico: solo collettore /m impianto completo /m Energia prodotta: kwh/m anno (collettori piani) Energy pay back time: < anni (costo energetico produzione 700kWh/m )

DEL SOLARE TERMICO COSTI Potenza solare e superficie installata pro capite (kw/1000 abitanti o (m /1000 ab) Solare termico: solo collettore 00 400 /m

10 NORME E LEGGI INCENTIVI E AUTORIZZAZIONI Legge 10/91: contenimento dei consumi D.P.R.41/93: attuazione L.10 Legge 46/90: sicurezza impianti D.L. 66: sicurezza sul lavoro UNI 8477: calcolo irraggiamento UNI 10349: dati irraggiamento EN , , Per soggetti IRPEF: detrazione del 55% in 3 anni Per Enti pubblici o Aziende gas (Decreto Min. Amb. 001 e 00): conto capitale 30% Iter per realizzazione impianto: D.I.A. e verifica vincoli architettonici-paesistici ISPESL Raccolta R COMPONENTI IMPIANTI Caldaia, Accumulo, Regolazione Estrazione ceneri Stoccaggio Integrazione con impianti solari COMPONENTI IMPIANTI Caldaia, Accumulo, Regolazione Estrazione ceneri Stoccaggio Integrazione con impianti solari L integrazione avviene attraverso il bollitore L integrazione avviene attraverso il bollitore

11 BIBLIOGRAFIA Cucumo M.A., Marinelli V. & Oliveti G., Ingegneria solare. Principi e applicazioni. Pitagora Editrice, Bologna. Duffie J. A. & Beckman W. A., Solar engineering of thermal processes. Wiley Interscience, nd ed., U.S.A. Siti web

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