centrale di regolazione flussi collettori solari

Un sistema di riscaldamento solare dell'acqua ha come componente principale un collettore. La funzione del collettore è quella di catturare l'energia solare che cade su di esso sotto forma di calore per il fluido nel collettore. Il sistema a circolazione "indiretta" è il più comune:

come funziona un collettore solare
 
Il principale componente comune dei collettori solari è la piastra assorbente. Una piastra metallica rivestita assorbe la radiazione solare e fa sì che la sua temperatura salga al di sopra dell'ambiente. La piastra rilascia quindi energia per irraggiamento e convezione all'ambiente circostante. Il calore viene così trasferito al fluido termovettore che a sua volta alimenta il sistema di acqua calda.

Tipi di collettori: due categorie generali
  
Collettori piani

 
Un collettore piano è costituito da un assorbitore, una copertura trasparente, un telaio e un isolamento. Di solito come copertura trasparente si utilizza un vetro solare di sicurezza povero di ferro, che trasmette gran parte dello spettro luminoso a onde corte.

Solo una minima parte del calore emesso dall'assorbitore sfugge alla copertura (effetto serra).

Inoltre, la copertura trasparente impedisce al vento e alle brezze di portare via il calore raccolto (convezione). Insieme al telaio, la copertura protegge l'assorbitore dalle condizioni atmosferiche avverse. I materiali tipici del telaio sono l'alluminio e l'acciaio zincato; a volte viene utilizzata plastica rinforzata con fibra di vetro.

L'isolamento sul retro dell'assorbitore e sulle pareti laterali riduce la perdita di calore per conduzione. L'isolamento è solitamente in poliuretano espanso o in lana minerale.
 
Collettori a tubi evacuati

componenti del tubo di calore solare

In questo tipo di collettore sottovuoto, la striscia assorbente si trova in un tubo di vetro evacuato e resistente alla pressione. Il fluido di trasferimento del calore scorre attraverso l'assorbitore direttamente in un tubo a U o in controcorrente in un sistema tubo nel tubo. Il collettore solare è costituito da più tubi singoli, interconnessi in serie, o da tubi collegati tra loro tramite collettori. Un collettore a tubi di calore incorpora un fluido speciale che inizia a vaporizzare anche a basse temperature. Il vapore sale nei singoli tubi di calore e riscalda il fluido vettore nel tubo principale per mezzo di uno scambiatore di calore. Il liquido condensato rifluisce quindi nella base del tubo di calore.

I tubi devono essere inclinati a un determinato grado sopra l'orizzontale in modo che il processo di vaporizzazione e condensazione funzioni. Esistono due tipi di collegamento del collettore al sistema di circolazione solare. Lo scambiatore di calore si estende direttamente nel collettore ("collegamento a umido") oppure è collegato al collettore da un materiale termoconduttore ("collegamento a secco"). Un "collegamento a secco" consente di sostituire i singoli tubi senza svuotare l'intero sistema del suo fluido. I tubi evacuati offrono il vantaggio di funzionare in modo efficiente con temperature elevate dell'assorbitore e con un basso irraggiamento.

Piastra piatta contro tubo evacuato

Il dibattito sulle prestazioni relative dei collettori a piastra piana e a tubi evacuati continua, senza che nessuna delle due parti sia in grado di fornire l'argomentazione "vincente".

In generale, tuttavia, si può affermare che, a parità di superficie dell'assorbitore, i tubi evacuati hanno maggiori probabilità di mantenere la loro efficienza in un'ampia gamma di temperature ambientali e di requisiti di riscaldamento. In climi costantemente soleggiati i collettori a piastra piana sono più efficienti, mentre in condizioni di maggiore nuvolosità la loro resa energetica diminuisce rapidamente rispetto ai tubi sottovuoto.

Distribuzione del calore

 
I circuiti primari del riscaldamento solare trasferiscono il calore dai collettori solari al bollitore di preriscaldamento. Possono essere "diretti" o "indiretti".

Distribuzione diretta

Pro Semplicità e maggiore efficienza rispetto ai circuiti secondari, grazie alla riduzione delle perdite di trasferimento del calore.
Contro Soggetto al congelamento, a meno che l'acqua non venga drenata quando la pompa si spegne, il che pone dei vincoli al posizionamento dei collettori rispetto al serbatoio di alimentazione.
Con Dato che l'acqua nuova passa continuamente attraverso i collettori, questi possono essere soggetti a "furring" nelle vie d'acqua dei collettori, con conseguente perdita di efficienza.

Distribuzione indiretta

La maggior parte dei sistemi di circolazione sono indiretti. I circuiti indiretti utilizzano un circuito separato di "fluido termovettore" per trasferire il calore dai collettori al bollitore di preriscaldamento. Il loro principale vantaggio è che possono utilizzare un'ampia gamma di materiali e fluidi come parte della circolazione. Esistono diversi tipi di circolazione che possono essere utilizzati:
 
Sistemi di circolazione per la distribuzione "indiretta"
 
Circolazione passiva (o "circolazione per gravità")

 I sistemi passivi si basano sulla gravità e sulla tendenza dell'acqua a circolare naturalmente quando viene riscaldata, consentendo all'acqua o al fluido di trasferimento del calore di muoversi nel sistema senza pompe. Poiché non contengono componenti elettrici, i sistemi passivi sono generalmente più affidabili, più facili da mantenere e forse più duraturi dei sistemi attivi.
Pro Non sono necessarie pompe elettriche per far circolare il fluido termovettore.
Contro È necessaria un'attenta pianificazione per ottimizzare le prestazioni. I sistemi sono soggetti a prestazioni lente e a uno scarso controllo del riscaldamento.
Contro Il serbatoio di accumulo dell'acqua calda deve essere posizionato al di sopra del livello del collettore.
 
Circolazione attiva (o "circolazione con pompa")

 I circuiti indiretti a pompa, che incorporano un fluido termovettore comprendente antigelo e inibitore di corrosione, sono il tipo di sistema più diffuso.
La pompa, controllata da un regolatore di temperatura differenziale, fa circolare il fluido termovettore dai pannelli dei collettori attraverso lo scambiatore di calore nel bollitore dell'acqua calda e ritorna ai collettori solari per il riscaldamento. I sensori di temperatura del regolatore di temperatura differenziale sono situati sul collettore solare e sul bollitore dell'acqua calda. Assicurano che il fluido venga fatto circolare solo quando il fluido nei collettori è più caldo di quello nel bollitore.
 

Protezione integrale contro il congelamento
Controllo del surriscaldamento
Il calore viene erogato dal collettore alla velocità ottimale
Maggiore scelta del collettore e del layout delle tubazioni
Riduce la perdita di calore attraverso i tubi
Contro Aumento della complessità
Contro La pompa richiede elettricità (anche se questo problema può essere attenuato dalla fornitura di energia fotovoltaica)
Contro Più costoso

Configurazioni del serbatoio di accumulo

La configurazione di preriscaldamento per il tipico sistema solare di riscaldamento dell'acqua può essere realizzata in due modi: un bollitore di preriscaldamento separato può essere collocato tra l'alimentazione dell'acqua fredda esistente e il normale accumulo di acqua calda, oppure il bollitore di accumulo dell'acqua calda esistente può essere sostituito con un bollitore più grande a doppio scambio termico. Qualunque sia la soluzione scelta, è necessario un volume di accumulo supplementare. Lo spazio disponibile per ospitare questa capacità di accumulo supplementare sarà spesso il fattore determinante nella scelta del sistema e anche nella posizione del bollitore.

Progettazione di un sistema solare per la produzione di acqua calda

1 Dimensionamento del bollitore

Prevedere 40-60 litri/persona/giorno. Prevedere un minimo di 80 e preferibilmente 100 litri di accumulo per m2 di collettore. Una dimensione tipica per una famiglia di quattro persone è compresa tra 200 e 300 litri.
 
2 Scelta del tipo di bollitore

Con sfiato, a pressione di rete o ad accumulo termico. I bollitori a pressione di rete (non ventilati) e i bollitori ad accumulo termico sono più costosi, ma consentono di mantenere l'acqua calda alla stessa pressione della rete elettrica.
 
3 Scelta del tipo di collettore e del sistema (vedi sopra)

- Scegliere il tipo di collettore, di solito a piastre piane o a tubi sottovuoto.
- Scegliere un sistema di distribuzione diretto o indiretto.
- Scegliere una circolazione a gravità o con pompa
- Determinare una strategia di accumulo per il preriscaldamento - fondamentalmente la scelta è tra un cilindro singolo con serpentine doppie o il posizionamento di un serbatoio di preriscaldamento distinto prima del cilindro convenzionale.
 
4 Posizionamento del collettore

 La posizione del collettore per ottenere una raccolta ottimale di energia durante tutto l'anno è orientata verso sud e con un'inclinazione di 35 gradi rispetto all'orizzontale. L'orientamento e l'angolo di inclinazione sono solitamente determinati dall'angolo del tetto. I collettori possono essere orientati ovunque, a sud, sud-est e sud-ovest, con angoli di inclinazione comunemente riscontrabili sui tetti delle case, ossia 15-50 gradi, senza perdere più del 5% della raccolta energetica annuale ottimale. Tuttavia, si potrebbe prendere in considerazione un angolo più ripido per ottimizzare le prestazioni primaverili e autunnali a scapito del surplus estivo. L'ombreggiamento da parte di alberi, edifici ecc. può produrre perdite significative nell'efficienza del sistema e dovrebbe essere evitato.
 
5 Dimensionamento della linea di tubazioni

Le tubazioni sono necessarie per instradare e controllare il flusso del fluido termovettore tra i vari componenti del sottosistema solare. L'obiettivo della progettazione delle tubazioni è quello di svolgere tutte queste funzioni con il miglior compromesso tra requisiti minimi di potenza parassita e costi minimi di capitale. Le dimensioni delle tubazioni devono essere determinate in base alla portata richiesta per il sistema di riscaldamento solare ed alla portata massima consentita

Un impianto solare convenzionale può disperdere molto calore perché i tubi utilizzati possono essere larghi. Gli aspetti da considerare in questo caso includono sia la superficie che il volume dei tubi. Ridurre la superficie significa ridurre le perdite termiche. L'uso di tubi stretti e microforati in combinazione con pompe a bassa portata, invece di tubi più larghi, riduce in genere le perdite di calore dai tubi di oltre il 50%.
 
6 Dimensionamento della pompa di circolazione

 Le pompe devono far circolare il fluido di trasferimento del calore alla portata di progetto con il minimo dispendio di energia elettrica. L'analisi dell'intera tubazione consentirà di determinare la prevalenza totale del sistema, descrivendo la variazione della perdita di carico totale del sistema con la portata di esercizio. Una pompa adeguata dovrebbe fornire la portata richiesta alla prevalenza necessaria, funzionando al massimo dell'efficienza.
 
Alcune considerazioni sulla progettazione

- Prima di installare un sistema di collettori solari, assicurarsi che siano state adottate misure di efficienza energetica.

- È probabile che sia necessario fornire acqua calda sanitaria laddove vi sia una carenza, di solito in inverno, di acqua calda solare. Esiste una serie di opzioni che variano dal riscaldamento elettrico a resistenza alle caldaie a gas o a biocombustibile. Se si opta per il riscaldamento elettrico, si deve tenere conto del costo delle emissioni di carbonio della rete elettrica.

- Assicurarsi che intorno al bollitore dell'acqua calda ci siano almeno 100 mm di isolamento.

- Tutte le tubature sono isolate - si consiglia di utilizzare circa 25 mm.

- Installare una valvola di non ritorno per evitare il termosifone.

- Assicurarsi che tutte le penetrazioni del tessuto siano sigillate per evitare perdite d'aria.

- Se i collettori sono installati a livello del tetto, le penetrazioni del tessuto del tetto devono essere accuratamente dettagliate per evitare infiltrazioni d'acqua.

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