La tecnologia per l'utilizzo termico dell'energia solare ha raggiunto maturità ed affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per scaldare l'acqua o l'aria nell'utilizzo domestico e produttivo.La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/m² solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre.Il rendimento dei pannelli solari è aumentato di un buon 30 % nell'ultimo decennio, rendendo varie applicazioni nell'edilizia, nel terziario e nell'agricoltura commercialmente competitive. L'applicazione più comune è il collettore solare termico utilizzato per scaldare acqua sanitaria.

 ma più sensibili a questioni economico ambientali relative a questo settore. Il parco del solare termico in Italia è oggi di 350.000 m², l'utilizzo maggiore è dovuto all'utenza domestica, ad impianti di prevalente utilizzo estivo ed alle piscine.

TIPOLOGIE DI COLLETTORI SOLARI TERMICI

Collettori solari piani vetrati

l pannello solare classico (collettore piano vetrato) raccoglie l’energia del sole attraverso:

•un assorbitore, costituito da una lastra simile ad un radiatore, all’interno del quale è inserito un fascio di tubi in cui scorre il fluido termovettore del circuito primario, destinato ad essere riscaldato dal sole. Tale fluido è costituito normalmente da acqua addizionata con antigelo propilenico atossico, per tollerare il freddo invernale senza congelarsi. • una lastra di vetro, posta superiormente all’assorbitore, che protegge l’apparato e permette il passaggio dei raggi solari. L’assorbitore, scaldandosi, riemette energia in forma di radiazione infrarossa, che è trattenuta all’interno dal vetro e provoca una specie di effetto serra. • un isolante termico (in fibra di vetro o in poliuretano espanso) posto nella parte sottostante del pannello, per ridurre le dispersioni di calore. • una scocca in lamiera, collocata posteriormente al collettore che assembla le parti e conferisce al pannello robustezza e stabilità.

I collettori solari a piastra selettiva subiscono un trattamento elettro-chimico che consente di ottenere una superficie di colore nero, con alto coefficiente di assorbimento e basso coefficiente di riflessione, che permette di raggiungere un buon rendimento anche durante i mesi invernali.

L’installazione dei pannelli a superficie selettiva, per il loro elevato rendimento, è consigliata quando si prevede di utilizzarli tutto l’anno.

Collettori solari sottovuoto

Sono progettati con lo scopo di ridurre le dispersioni di calore verso l’esterno. Infatti il calore raccolto da ciascun elemento (tubo sottovuoto) viene trasferito alla piastra, generalmente in rame, presente all’interno del tubo. In tal modo il fluido termovettore si riscalda e, grazie al vuoto, minimizza la dispersione di calore verso l’esterno.

Essi si presentano come tubi di vetro contenenti un elemento assorbitore di calore, al cui interno la pressione dell’aria è ridottissima, così da impedire la cessione del calore. A questo scopo, in fase di assemblaggio, l’aria tra assorbitore e vetro di copertura viene aspirata. L’involucro deve assicurare una tenuta perfetta, che rimanga tale nel tempo.

I pannelli solari sottovuoto hanno un ottimo rendimento in tutti i mesi dell’anno e sono particolarmente adatti ad essere installati nelle zone ad insolazione medio-bassa, anche con condizioni climatiche rigide.

Pannelli solari con serbatoio integrato

Nei pannelli con serbatoio integrato l’assorbitore di calore ed il serbatoio di accumulo sono compresi in un unico oggetto e l’energia solare giunge direttamente a scaldare l’acqua accumulata.

Per effetto del principio che l’acqua calda tende a salire e quella fredda a scendere, si viene a creare all’interno del serbatoio un moto cosiddetto convettivo che distribuisce il calore captato a tutta la massa d’acqua.

Questi collettori solari, formati da un unico blocco, sono di facile trasportabilità e di altrettanto facile installazione ed hanno un costo relativamente basso.

Alcuni di essi non sono idonei all’utilizzo nelle località ove l’inverno è lungo e rigido, perché il loro rendimento in quel periodo è scarso e perché l’acqua contenuta nel serbatoio potrebbe congelarsi e rovinare il pannello. Sono comunque disponibili sul mercato anche sistemi compatti adatti per ogni condizione climatica.

Pannelli solari scoperti

I pannelli solari scoperti sono privi di vetro e l’acqua passa direttamente all’interno dei tubi del pannello, dove viene riscaldata direttamente dai raggi solari ed è pronta per essere usata.

Essi sono adatti nella stagione estiva per il riscaldamento di piscine scoperte, per fornire acqua calda alle docce negli stabilimenti balneari, nei campeggi, ecc.

Non essendo coibentati, funzionano con una temperatura ambiente di almeno 20°C e producono acqua calda a circa 40°C.

Il loro costo è abbastanza basso e l’installazione è talmente semplice da poter essere fatta da soli.  

Applicazioni

Le applicazioni più comuni sono relative ad impianti per acqua calda sanitaria, riscaldamento degli ambienti e piscine; sono in aumento casi di utilizzo nell' industria, nell'agricoltura e per la refrigerazione solare. I collettori solari ad aria calda si differenziano da quelli ad acqua per il fatto che in essi il fluido termovettore è costituito da aria. I campi d'applicazione per tali impianti sono tipicamente quelli di riscaldamento dell'aria per la climatizzazione ambientale e, in campo industriale, per i processi d'essiccazione di prodotti alimentari.
Nel campo della climatizzazione ambientale il vantaggio di utilizzare i collettori ad aria consiste nel fatto che l'aria in essi riscaldata può essere inviata direttamente all'ambiente senza scambiatori di calore intermedi. Ciò permette un notevole aumento di efficienza del sistema, basti pensare che, di solito, con un sistema ad acqua, per riscaldare un ambiente a 20÷22 °C, occorre portare l'acqua almeno a 60÷70 °C (negli impianti tradizionali) oppure a 25÷30 °C con impianti tecnologici (riscaldamento a pavimento, ecc.). Il principio di funzionamento dei collettori ad aria è pressoché lo stesso di quelli ad acqua, ma i parametri di dimensionamento variano sostanzialmente, in quanto l'aria scambia calore con maggiore difficoltà dell'acqua.

Occorre perciò assicurare all'aria un tempo di permanenza più lungo all'interno del collettore; per questo motivo il percorso di solito è tortuoso, per rallentare il flusso dell'aria. Per il resto, il collettore ad aria, come quello ad acqua, è costituito da una piastra captante, una o più coperture trasparenti e l'isolamento termico.
I collettori solari per piscina possono fornire fino al 100% delle necessità termiche delle piscine. Sono inoltre i più semplici da installare della categoria. La combinazione di un sistema di riscaldamento solare e l'utilizzo di una copertura notturna può accrescere sensibilmente la lunghezza della stagione balneare con un incremento dei costi gestionali molto contenuto.

Potenzialità

Le tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo e di prestazioni. Per di più, essendo l'energia solare una fonte aleatoria sulla superficie terrestre, i collettori solari termici vanno realisticamente considerati integrativi rispetto alle tecnologie tradizionali; essi vanno quindi considerati capaci di fornire direttamente solo parte dell'energia necessaria all'utenza, energia che altrimenti dovrebbe essere prodotta dalla caldaia tradizionale. La percentuale di energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo.

A Roma, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta, questo fattore non supera il 65%. Questo limite è comune a moltissime tecnologie basate su fonti rinnovabili, il più delle volte caratterizzate da disponibilità aleatoria o periodica. A causa di ciò, con il crescere delle dimensioni dell'impianto, cresce il fattore di copertura del carico termico, ma la relazione tra il costo dell'energia e l'energia prodotta resta lineare fino al 55%÷60%. E' per questo motivo che un collettore solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria dimensionato correttamente viene progettato per soddisfare il 60÷65% del fabbisogno termico.

Paragone tra diverse tipologie di impianti per la produzione di acqua calda

In ambito urbano l'acqua calda sanitaria è per la maggior parte dei casi prodotta con scaldabagni elettrici o caldaie a gas. La produzione di acqua calda sanitaria, con l'uso di energia elettrica dissipata dalla resistenza presente nello scaldabagno, risulta un processo costoso dai punti di vista energetico, ambientale ed economico, se confrontato con la produzione di acqua calda con caldaie a gas. L'introduzione aggiuntiva di un collettore solare termico, che sostituisca parte della produzione di calore, comporta benefici ancora maggiori. Di seguito vengono analizzati brevemente gli effetti energetici, economici ed ambientali che l'introduzione di tre diverse tipologie di impianti per il riscaldamento per acqua sanitaria possono conseguire, in relazione all'introduzione di un sistema solare termico attivo, in particolare si analizzeranno le seguenti possibili soluzioni:

1. sostituzione dello scaldabagno elettrico con un sistema integrato solare/gas
2. integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare
3. integrazione del sistema elettrico con impianto solare (per impossibilità di sostituzione con sistema gas).

Caso di Produzione di acqua calda con scaldabagno elettrico

In questo caso, l'utilizzo di energia termica per produrre acqua sanitaria comprende una doppia trasformazione. In una prima fase occorre produrre energia elettrica (tipicamente, in centrali termoelettriche, più raramente in idroelettriche). L'energia elettrica prodotta, poi, trasportata all'utenza, dovrà a sua volta trasformarsi in energia termica per effetto Joule per essere conferita all'acqua. Per produrre con uno scaldabagno elettrico 1500 kcal (1,7 kWh termici) sono necessari circa 1,94 kWh elettrici, avendo stimato l'efficienza di conversione dello scaldabagno elettrico pari al 90%. Mediamente, una famiglia di quattro persone utilizza, quindi, 7,74 kWh elettrici al giorno per la produzione di acqua calda sanitaria. Ma è da considerare che, per la produzione di ogni kWh elettrico, vengono consumati dal parco di centrali elettriche italiane, circa 2,54 kWh, sotto forma di energia primaria.

Considerando questa doppia trasformazione da energia primaria in energia elettrica e da elettrica a termica, emerge che, per produrre l'acqua calda necessaria giornalmente per soddisfare il fabbisogno pro capite sono necessarie 2,54x1,94 = 4,93 kWh primari equivalenti a 4.240 kcal. In tal modo solo il 35% dell'energia primaria consumata viene effettivamente utilizzata dall'utente. Nel caso, poi, di una famiglia di quattro persone, si arriva a 16.960 kcal/giorno, pari a 17,72 kWh (termici).

Caso di produzione di acqua calda con caldaia a gas

Una caldaia a gas ha ovviamente una resa energetica diretta più alta. Per questo la resa globale si aggira sull'80÷85%. La produzione di calore e il conseguente riscaldamento dell'acqua sanitaria avviene per combustione diretta del metano. Nel caso peggiore di rendimento del 80%, per produrre 1500 kcal sono quindi necessarie in un giorno 1875 kcal (ossia 2,18 kWh). Nel caso di una famiglia di quattro persone si arriva a 7500 kcal/giorno.

Confronto di consumi energetici tra i casi esaminati

La figura seguente mostra il risultato del confronto tra il fabbisogno energetico necessario per la produzione di acqua calda sanitaria con uno scaldabagno elettrico, con una caldaia a gas, un sistema caldaia gas/collettore solare termico ed un sistema scaldabagno elettrico/collettore solare termico, ferme restando le ipotesi sopra enunciate ed il quantitativo procapite di acqua necessaria.

Costi

Nel caso dei collettori solari il costo al metro quadro è, in realtà poco indicativo, poiché il vero costo deve essere correlato alla quantità di acqua calda prodotta in un anno. Una famiglia di 4 persone che consuma 50÷60 litri di acqua calda a persona ogni giorno, per un totale di 80÷100 mila litri annui spende circa 500 euro per riscaldare l'acqua con energia elettrica e 370 euro se la scalda con caldaia a metano. Se l'impianto solare integra la caldaia per un 60÷70% il risparmio annuo oscilla tra 250 e 350 euro ed in 5 anni si ammortizza una spesa di 1.300 ÷ 1.800 euro. Le agevolazioni statali consentono, inoltre, di detrarre dalle tasse parte delle spese di acquisto e di installazione.

Vantaggi ambientali

Un primo indicatore di confronto tra le diverse tecnologie a disposizione può essere ritenuta la quantità di anidride carbonica mediamente immessa nell'ambiente per produrre, nelle stesse condizioni, acqua calda sanitaria. Nel corso dell'analisi energetica, si è stimato che il fabbisogno di energia elettrica di un'utenza monofamiliare (4 persone) per produrre acqua calda sanitaria con uno scaldabagno elettrico è pari a 7,74 kWh (elettrici) /giorno. In Italia, per produrre un kWh elettrico, le centrali termoelettriche emettono nell'atmosfera in media 0,58 kg di anidride carbonica (CO_²), uno dei principali gas responsabili dell'effetto serra [Dati ENEL 1999]. Pertanto, lo scaldabagno in esame è indirettamente responsabile dell'immissione nell'atmosfera di:

0,58 kg CO_² / kWh (elettrico) .7,74 kWh (elettrici) /giorno = 4,5 kg CO_²/giorno,

Questo significa che, per la sola acqua calda sanitaria, utilizzando lo scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell'ambiente 4,5 kg CO_² (con una media procapite di 1,125 kgCO_²/giorno).

Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano 0,25 kg CO_² per ogni kWh termico; una famiglia di 4 persone dà quindi origine alla seguente produzione giornaliera di anidride carbonica:
0,25 kg CO_² . 6.97 kWh (termici) = 1,74 kg CO_² /giorno

con una media procapite di 0,435 kgCO_²/ giorno.

Nel caso di impianti ibridi solare /gas, ossia impianti solari posti ad integrazione della caldaia a gas, assicurando lo stesso comfort durante tutto l'arco dell'anno, è possibile risparmiare, a Roma, il 60% del consumo di gas: la stessa famiglia produrrà, allora, giornalmente 0,69 kg CO_², con una media procapite di 0,174 kgCO_²/ giorno.