Pannelli solari termici: criteri
di dimensionamento ed
applicazioni
M. D’Orazio, E. Di Giuseppe, S.Basile, Università Politecnica delle Marche (AN)
L’integrazione tra coperture in laterizio ed impianti solari passa attraverso la
conoscenza sia delle principali tecnologie, sia del calcolo per la produzione
di energia termica, evitando naturalmente errori oramai divenuti “classici”.
Nelle pagine che seguono, viene affrontato il tema dell’integrazione tra coperture in laterizio ed impianti solari, fornendo indicazioni per avvicinarsi alle tecnologie integrate in copertura per la produzione di energia termica a partire,
appunto, da quella solare. Si illustrano, in particolare, le prestazioni relative
alla produzione energetica in relazione a posizione geografica, condizioni
ambientali e disposizione dei moduli (inclinazione ed orientamento).
Generalmente, un impianto termico si compone di:
•collettore solare: trasforma la radiazione solare in calore;
•serbatoio di accumulo: deposito in cui si stocca l’acqua riscaldata attraverso uno scambiatore di calore collegato al circuito solare;
•stazione solare: controlla i flussi del fluido, la temperatura e la pressione
del circuito;
•regolatore solare: controlla la temperatura del collettore e dell’acqua contenuta nel serbatoio.
A loro volta, gli impianti termici possono essere a:
Gennaio 2012 - Numero 36
Un impianto termico sfrutta l’irradiazione
solare per riscaldare l’acqua sanitaria o
quella del sistema di climatizzazione domestica. Si compone di un collettore,
costituito da materiali che assorbono la
radiazione solare e la trasferiscono ad un
fluido che scorre all’interno dei pannelli,
fino al serbatoio di accumulo. All’interno
dei pannelli può essere presente: acqua
(utilizzata per scopi sanitari o per il riscaldamento); un fluido termo-vettore (solitamente composto da una soluzione glicolata) che trasferisce il calore accumulato, mediante scambio termico, all’acqua che si deve scaldare; aria che
viene riscaldata dall’irraggiamento ed immessa direttamente all’interno degli
edifici.
Mensile di informazione tecnica sulle Coperture in Laterizio
Funzionamento e componenti del sistema
1
NEWSLETTER DELLE COPERTURE
Come noto, il collettore solare rappresenta il componente principale di un
sistema termico da cui dipende il tipo di funzionamento e la qualità prestazionale dell’intero impianto. Tre sono le principali tipologie di collettori solari:
piani (vetrati e scoperti), sottovuoto, a concentrazione. Sistemi monoblocco,
collettori solari ad accumulo e pannelli scoperti in polipropilene rappresentano altrettante alternative meno diffuse.
•circolazione naturale: hanno un serbatoio di accumulo posto al di sopra dei pannelli. Il fluido all’interno dei collettori, riscaldandosi, diventa più leggero e sale
arrivando al serbatoio di accumulo termico posto sopra il collettore. Con la perdita di calore, il liquido diventa più pesante e riscende nel circuito per un nuovo
ciclo;
•circolazione forzata: il fluido circola all’interno del collettore, grazie ad una pompa. Il serbatoio può pertanto essere posto dove si desidera e consentire una
maggiore capacità di accumulo.
2 - Impianto solare termico a circolazione naturale (a sinistra)
e forzata (a destra).
Efficienza dei pannelli e dimensionamento della superficie
L’efficienza di conversione (o rendimento istantaneo) di un pannello solare è data
dal rapporto tra l’energia termica istantanea prodotta dal collettore e l’energia
solare che incide sulla sua superficie. Il diagramma di efficienza riportato in fig. 3
mostra le variazioni dell’efficienza istantanea dei collettori al variare delle condizioni di irraggiamento.
100
90
80
Rendimento [%]
2
Pannelli solari termici: criteri di dimensionamento
ed applicazioni
70
Pannello a tubi
sottovuoto
60
50
40
Pannello
non selettivo
30
Pannello piano
selettivo
20
10
0
Pannello
non vetrato
SOLEGGIATO
0,02
NUVOLOSO
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
(tm - ta)/G [°C m2/W]
3 - Rendimento dei collettori solari al variare delle condizioni climatiche.
Legenda
tm = temperatura media del fluido nel pannello
ta = temperatura ambiente
G = radiazione solare
Maggiore è la differenza tra tm e ta, minore è la resa del pannello a causa della
dispersione di calore dallo stesso.
La produzione di acqua calda sanitaria varia in funzione della radiazione solare media annua. Perciò
in tab. 1, per ogni zona climatica, variando la pendenza della copertura e l’orientamento, è stata
stimata la produzione di energia termica annua (kWh/m2 anno) di un impianto di collettori vetrati
piani, in grado di convertire il 50% dell’energia solare in energia utile (i collettori a tubi sottovuoto
hanno una resa maggiore del 25%).
ORIENTAMENTO
100% = 980 kWh/m2 anno
SUD (0)
± 45
EST – OVEST (± 90)
35 – 45 %
97,0%
95,0%
85,5%
35 % Pendenza minima marsigliesi
96,0%
94,5%
87,0%
30 % Pendenza minima
95,0%
94,0%
87,0%
100% = 940 kWh/m2 anno
PENDENZA (%)
SUD (0)
± 45
EST – OVEST (± 90)
35 – 45 %
97,0%
94,0%
86,0%
35 % Pendenza minima marsigliesi
96,0%
93,5%
87,0%
30 % Pendenza minima
95,5%
93,0%
87,0%
100% = 910 kWh/m2 anno
SUD (0)
± 45
EST – OVEST (± 90)
35 – 45 %
97,0%
94,0%
85,0%
35 % Pendenza minima marsigliesi
95,5%
93,0%
86,0%
30 % Pendenza minima
95,0%
92,0%
86,5%
100% = 840 kWh/m2 anno
PENDENZA (%)
SUD (0)
± 45
EST – OVEST (± 90)
35 – 45 %
97,0%
94,0%
86,0%
35 % Pendenza minima marsigliesi
96,0%
93,0%
86,5%
30 % Pendenza minima
95,0%
92,5%
87,0%
100% = 735 kWh/m2 anno
PENDENZA (%)
SUD (0)
± 45
EST – OVEST (± 90)
35 – 45 %
96,5%
93,0%
84,0%
35 % Pendenza minima marsigliesi
95,0%
92,5%
85,0%
30 % Pendenza minima
94,5%
92,0%
85,5%
100% = 960 kWh/m2 anno
PENDENZA (%)
SUD (0)
± 45
EST – OVEST (± 90)
35 – 45 %
96,0%
93,0%
85,0%
35 % Pendenza minima marsigliesi
95,5%
92,0%
85,0%
30 % Pendenza minima
94,0%
92,0%
85,5%
ZONA
CLIMATICA
D
PENDENZA (%)
ZONA
CLIMATICA
E
3
ZONA
CLIMATICA
F
Tab. 1 – Produzione di energia termica annua di un impianto di collettori vetrati piani in funzione
di zona climatica, orientamento e pendenza.
Per eseguire il dimensionamento di massima di un sistema solare termico, si deve
considerare il numero degli utenti da servire ed il quantitativo di acqua calda sanitaria
giornaliera per utenza (in genere, 50 litri a persona, alla temperatura di 45°C). La superficie necessaria per la produzione di acqua calda sanitaria è riportata nella tab. 2
e varia a seconda della tipologia di collettore e della zona climatica.
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ZONA
CLIMATICA
B
PENDENZA (%)
ZONA
CLIMATICA
C
ZONA
CLIMATICA
A
ZONE CLIMATICHE
COLLETTORI SOLARI
VETRATI PIANI
COLLETTORI SOLARI
SOTTOVUOTO
PRODUZIONE
SUPERFICIE
ENERGIA
per produrre
TERMICA
50 l/g di ACS
(kW/m2/giorno) a 45°C (m2)
PRODUZIONE
SUPERFICIE
ENERGIA
per produrre
TERMICA
50 l/g di ACS
(kW/m2/giorno) a 45*C (m2)
Definite dalla
norma UNI 10349
CITTA’ DI
RIFERIMENTO
PER OGNI
ZONA CLIMATICA
ZONA A
Porto Empedocle
2,20 - 2,65 0,65 - 0,80
2,75 - 3,30 0,50 - 0,65
ZONA B
Palermo
2,15 - 2,60 0,67 - 0,82
2,70 - 3,25 0,53 - 0,67
ZONA C
Bari
2,10 - 2,50 0,70 - 0,85
2,60 - 3,10 0,55 - 0,70
ZONA D
Roma
1,90 - 2,30 0,75 - 0,90
2,40 - 2,90 0,60 - 0,75
ZONA E
Milano
1,65 - 2,00 0,85 - 1,10
2,10 - 2,50 0,70 - 0,85
ZONA F
Belluno
1,55 - 1,90 0,90 - 1,20
1,95 - 2,40 0,75 - 0,90
Tab. 2 –Superfice di pannelli solari necessaria per la produzione di 50 litri/giorno
di acqua calda sanitaria a 45°C.
4
Pannelli solari termici: criteri di dimensionamento
ed applicazioni
Errori da evitare
Se l’impianto solare risulta incongruente con gli aspetti morfologici della copertura
(forma, dimensioni, ecc.), l’intervento è di per se da ritenersi sconsigliato o non
idoneo in quel determinato contesto architettonico. Tale situazione si manifesta,
ad esempio, quando la dimensione dell’impianto solare è maggiore dello spazio
disponibile in copertura e perciò i moduli possono risultare sporgenti rispetto alla
falda (fig. 4). L’intervento può risultare ugualmente non idoneo, ad esempio, se
l’impianto non assume adeguata pendenza e orientamento (fig. 5), o ancora se non
viene rispettata la geometria del tetto (figg. 6 e 7) .
4 - Impianto sporgente dalla falda
del tetto.
5 - Impianto con inclinazione
differente rispetto alla copertura.
6 - Impianto con differente
geometria rispetto alla copertura.
7 - Impianto non integrato
correttamente.
E’ infine da segnalare che l’integrazione in copertura non è da ritenersi una operazione corretta se non sono stati usati appositi elementi di raccordo tipo guaine, scossaline, componenti appropriati, per coprire le discontinuità tra impianto
e manto al fine di garantire l’impermeabilità del tetto e la protezione degli strati
tecnologici sottostanti.