Nell'ambito delle energie rinnovabili, gli impianti solari termici hanno da tempo saputo imporsi come una soluzione che ben riesce a bilanciare i costi da sostenere ed i benefici. Tali impianti sono infatti impiegati per la produzione di acqua calda sanitaria, ma anche per il riscaldamento degli edifici e la produzione di calore nel settore industriale e agricolo. Possono inoltre essere impiegati per il raffrescamento estivo mediante l'utilizzo di macchine ad assorbimento negli impianti di solar cooling.
Gli impianti solari termici sono sostanzialmente costituiti da pannelli che producono acqua calda sfruttando l'energia del sole. Portando quindi il concetto all'estremo, una tubazione dell'acqua, esposta ai raggi solari per un lungo tratto, potrebbe essere considerata una sorta di estremamente rudimentale impianto solare termico. La differenza tra una simile soluzione ed un vero e proprio impianto, consiste nella possibilità che ha quest'ultimo di riscaldare un maggior quantitativo di acqua e di poter essere efficace anche durante i mesi freddi.
All'interno dei pannelli infatti, non circola direttamente l'acqua dell'impianto domestico, ma un altro fluido, generalmente una miscela di acqua e glicole propilenico. La radiazione solare riscalda il liquido, che quindi trasferisce il calore assorbito ad un serbatoio di accumulo d'acqua tramite uno scambiatore di calore. L'uso dell'accumulo è essenziale in quanto permette di avere una scorta di acqua calda da utilizzare nei momenti di bisogno, ma soprattutto permette di smorzare le variazioni di efficienza del pannello, dovute al cambiamento del tempo atmosferico o semplicimente al calare della notte.
È inoltre consigliabile, tranne in alcuni casi estremamente specifici, abbinare il pannello solare termico a una caldaia a gas che assicuri la costante presenza di acqua calda nell'accumulo. Un pannello solare termico impiega, infatti, circa 10 ore per riscaldare l'acqua del serbatoio, ma il periodo di tempo necessario è fortemente variabile in base all'esposizione solare, alla stagione, alle condizioni meteorologiche e alla latitudine. Utilizzando solo i pannelli solari si corre quindi il rischio, soprattutto durante l'inverno, di non avere disponibilità di acqua sufficientemente calda.
Per gli stessi motivi è indispensabile un corretto dimensionamento dell'impianto in base alle esigenze dell'utenza e al clima del luogo di installazione. Un pannello termico della dimensione di un metro quadro riesce a soddisfare in media 80-130 litri d'acqua calda al giorno, alla temperatura media di 40°. Il consumo medio di acqua calda per persone è di circa 30-50 litri al giorno, pertanto un metro quadro di pannello dovrebbe soddisfare le esigenze d'acqua calda di 1-2 persone.
Un altro aspetto da tenere in considerazione è la tipologia di impianto da installare. Gli impianti solari termici infatti si possono suddividere in più categorie, in base alla tipologia di pannello utilizzata ed alla modalità in cui avviene la circolazione del fluido. Le tipologie di pannelli solari termici più diffusi sul mercato sono principalmente due: i pannelli vetrati ed i pannelli sottovuoto.
I pannelli piani vetrati sono costituiti da una piastra metallica posta all'interno di un involucro isolato termicamente, ricoperto anteriormente da una superficie vetrata. La radiazione solare attraversa la superficie vetrata ed è assorbita dalla piastra metallica che si riscalda. Il vetro è utilizzato perché impedisce alla radiazione riflessa dalla piastra di essere dispersa nell'ambiente, realizzando quello che viene definito "effetto serra". Sul retro della piastra metallica sono saldati i tubi in cui circola il liquido che trasferisce il calore dal pannello al serbatoio di accumulo.
Questi pannelli hanno un buon rapporto costi/benefici e un buon rendimento termico in applicazioni in cui le temperature richieste non sono molto elevate, ad esempio per la produzione di acqua calda sanitaria, per il riscaldamento degli ambienti con elementi radianti a pavimento o per il riscaldamento delle piscine.
I pannelli sottovuoto sono caratterizzati da condotti di vetro posti sottovuoto, al cui interno sono posizionate le tubazioni che, assorbendo la radiazione solare, riscaldano il liquido in circolazione.
I pannelli sottovuoto sono di più complessa e costosa realizzazione rispetto ai pannelli piani. Allo stesso tempo però hanno un elevato rendimento grazie alle basse dispersioni di energia ottenute con l'impiego dei condotti sottovuoto. L'efficienza in questi collettori è ulteriormente migliorata dalla tecnologia "heat pipe" che, permettendo di lavorare a basse pressioni, favorisce la vaporizzazione del liquido a temperature relativamente basse (25-30 °C), aumentando così lo scambio di calore con l'assorbitore. Il loro impiego si presta particolarmente per località a bassa insolazione oppure per applicazioni in cui si richiedono elevate temperature (come per esempio il riscaldamento attraverso radiatori o la produzione di vapore).
Le principali e più comuni tipologie impiantistiche invece, si suddividono in base alla modalità con cui avviene il ricircolo del liquido termovettore all'interno dei pannelli. Si distinguono quindi impianti a circolazione naturale, impianti a circolazione forzata ed impianti a svuotamento.
Gli impianti a circolazione naturale, di semplice installazione e particolarmente adatti a piccole utenze, sono costituiti da un pannello solare e da un serbatoio di accumulo posto alla sua sommità.
Quando il pannello assorbe la radiazione solare, il liquido al suo interno si riscalda e sale verso l'alto passando dal pannello al serbatoio; contemporaneamente, il liquido dal serbatoio scende nel pannello, dove si riscalda nuovamente. In questo modo il liquido circola portando l'acqua contenuta nel serbatoio di accumulo alla temperatura desiderata. Questo tipo di impianti è utilizzato in particolar modo per la sola produzione di acqua calda sanitaria.
Negli impianti a circolazione forzata, il serbatoio di accumulo è posto al di sotto del pannello e la circolazione del liquido avviene grazie ad una pompa. Questa installazione è ideale negli impianti medio-grandi in cui, oltre all'acqua calda sanitaria, si vuole produrre anche acqua per il riscaldamento degli ambienti, potendo in alcuni casi essere utilizzata anche in abbinamento al sistema di riscaldamento tradizionale.
Gli impianti a svuotamento seguono lo stesso principio di funzionamento di quelli a circolazione forzata, con la differenza che l'impianto non deve necessariamente restare sempre in funzione. In assenza di sole i pannelli restano vuoti ed il fluido vettore (normale acqua) è raccolto tutto nell'accumulo termico. Se la temperatura nei pannelli, per effetto del sole, sale a sufficienza, le pompe partono per consentire il riempimento del circuito. In questa particolare fase è generalmente necessaria l'azione simultanea di due pompe allo scopo di portare l'acqua all'altezza necessaria. A riempimento del circuito avvenuto, la seconda pompa esaurisce il suo scopo e si ferma, mentre la prima permette il funzionamento come in un normale pannello a circolazione forzata.
Quando non ci sono più le condizione adatte al trasferimento di calore tra i pannelli e l'accumulo, la circolazione viene interrotta dalla fermata della pompa, l'aria entra tramite un apposito piccolo foro posto nel tubo della mandata solare e il circuito si svuota. Questo tipo di impianto ha la caratteristica di ovviare ai problemi delle sovratemperature estive in quanto, ogni qual volta viene raggiunta la temperatura impostata nel boiler o dovesse andare via l'energia elettrica, l'impianto si svuota automaticamente. Inoltre, potendo essere svuotato in presenza di temperature troppo rigide, l'impianto non necessita di liquido antigelo. È una soluzione più costosa di quella degli impianti a circolazione forzata, tuttavia è particolarmente adatta per i climi molto rigidi o per le seconde case, dove il funzionamento deve essere garantito per brevi periodi, mentre generalmente il sistema può restare inattivo.
Attualmente la tecnologia più diffusa sul mercato italiano è quella relativa ai collettori piani vetrati a circolazione forzata, ma, in base alle esigenze, anche altre architetture possono dimostrarsi valide. I prezzi variano indicativamente tra 2.500 e 5.500 euro, a seconda della complessità e delle soluzioni adottate. Tuttavia i costi di installazione si ammortizzano in pochi anni ed è inoltre possibile usufruire degli incentivi legati agli interventi di risparmio ed efficienza energetica, come il "Conto Termico" o le agevolazioni fiscali per il risparmio energetico.
Si tratta quindi di una scelta vincente e, nel prossimo futuro, vedremo sicuramente questi pannelli ricoprire sempre più i tetti delle nostre abitazioni.
Ing. Alfero Daniele
Professional Team
Collaboratore Tecnico