Genova        
Numero 28, anno VIII        
Aprile 2008        

     di: Diego Rosa
 

Parte prima – Il solare termico

Fonte pressoché inesauribile, il sole trasmette alla terra, ai confini dell’atmosfera, ca. 1350 joule al secondo (1,350 kW) di energia raggiante su ogni m2 di superficie perpendicolare ai raggi (costane solare). Tale energia è dovuta alle reazioni nucleari di fusione che avvengono all’interno dell’astro dove la temperatura raggiunge i 15 106 °C. Quattro nuclei di idrogeno (protoni) si fondono per dare origine ad un nucleo di Elio, 4He, secondo lo schema seguente:

1. In una prima reazione 2 protoni ¹H si uniscono per originare un nucleo di deuterio (²H ) un elettrone positivo (positrone) e⁺ ed un neutrino ν; l’elettrone positivo molto rapidamente incontra un elettrone negativo e- dando origine a due fotoni γ

2. In una seconda ed una terza reazione, un nucleo di deuterio ed un protone si congiungono per originare un nucleo dell’isotopo 3 dell’Elio(³He) ed emettendo un fotone γ

3. In una quarta reazione due nuclei di ³He danno luogo ad un nucleo dell’isotopo 4 dell’Elio (⁴He) più due protoni ¹H

Fig.1: Schema delle reazioni di fusione che si generano nella parte centrale del sole

Il nucleo dell’Elio così formato ha una massa inferiore di quella dei quattro nuclei di idrogeno iniziali. Tale differenza pari a circa 0,007 unita di massa atomica u ( u = 1/12 della massa di un atomo di carbonio ¹²C ≈ 1,660 • 10^-27 kg) si trasforma in energia secondo la formula di Einstein E = m c². Così ogni secondo ca. 600 10⁶ tonnellate di idrogeno si tramutano in ca. 596 10⁶ tonnellate di Elio e viene erogata dall’astro una fantastica potenza di 3,86 10²³ kW che durerà ancora per alcuni miliardi di anni data l’enorme massa di idrogeno presente nel sole.

Parte di questa potenza arriva ai confini dell’atmosfera con un flusso medio pari a 1,366 kW/m² e con una variazione stagionale di circa il 7% dovuta alla differente distanza della terra dal sole lungo la sua orbita elittica ( distanza minima al solstizio d’inverno, massima al solstizio d’estate). Ulteriori seppur minori variazioni della costante solare sono dovute al ciclo undecennali delle macchie solari ed in misura estremamente ridotta (e su scala di milioni di anni)al variare dell’attività di fusione dell’idrogeno nel nucleo solare .
Lo spettro della radiazione solare ai confini dell’atmosfera è abbastanza simile quello di un corpo nero alla temperatura di 5550 K mentre la potenza globale irraggiata è ca. uguale a quella che irradierebbe un corpo nero alla temperatura di 5780 K; tale temperatura è assunta come temperatura effettiva del sole. Al suolo tale spettro è modificato dall’assorbimento dell’aria e del vapor acqueo (Fig. 2 )

Fig.2: Spettro della radiazione solare ai confini dell’atmosfera ed al suolo in funzione della lunghezza d’onda espressa in nm (10-9 m)

Una frazione della potenza arriva al suolo può essere, con buon rendimento, trasformata in calore mediante gli impianti solari termici per essere utilizzato per il riscaldamento degli ambienti e/o la produzione di acqua calda sanitaria.

E’ da notare che agli inizi del 2000 in Italia il consumo energetico del comparto civile rappresentava circa il 30 % dei consumi finali totali di energia e nelle sole abitazioni se ne consumavano il 23%. Le emissioni di CO₂ attribuibili al settore domestico rappresentavano più del 20% delle emissioni totali e di esse il contributo dovuto al riscaldamento superava il 50%.

L’irraggiamento al suolo, pur comprensivo di quello indiretto, a causa dell’assorbimento, riflessione e dispersione dell’atmosfera, raramente tocca, alle nostre latitudini, su una superficie posta perpendicolarmente ai raggi, i 1000 W/m², con cielo perfettamente sereno e sole a mezzogiorno.

Ovviamente l’irraggiamento medio, ad esempio giornaliero, è molto più basso e dipende dal calendario (altezza del sole e durata del giorno) e dallo stato del cielo.

Tab.1: Irraggiamento medio a Genova in kWh/(m² giorno)

Importante dato, seppur non sufficiente a denotare il potenziale energetico di un sito (ai fini dello sfruttamento dell’energia solare), è il numero medio di ore di sole nei vari mesi e nell’anno (eliofania).

In Italia si va dalle 2800 ore dell’estremo Sud e dalle 2600 ore della Riviera di Ponente, alle 1700 ore della Valle Padana.

I valori di irraggiamento globale medio annuo, irraggiamento che comprende anche la radiazione diffusa dal cielo (irraggiamento indiretto) e riflessa dal suolo (albedo), su una superficie orizzontale, espressi in kWh/(m²*giorno), vanno dai i 3,4 di Bolzano ai 4,4 di Messina.

I valori medi annui totali nell’intero anno, su una superficie orizzontale variano tra i 1200 kWh/m² di Bolzano, i 1600 di Messina ed i 1300 di Genova (a Genova ca. 1500 per una inclinazione pari alla latitudine). Sempre per Genova il rapporto tra l’irraggiamento indiretto e quello totale su una superficie orizzontale varia tra poco più del 50% in dicembre a circa il 25% in luglio, mentre l’irraggiamento riflesso da suolo, che è nullo su un superficie orizzontale, raggiunge valori superiori al 20% in piena estate, su una superficie inclinata di 90°.

L’inclinazione ottimale su l’intero anno è pari alla latitudine del sito; per la stagione invernale, a questa più 10°. Ovviamente la direzione azimutale migliore è il Sud.

Nell’analisi della disponibilità di energia solare di un sito sono da considerare, oltre la latitudine, le caratteristiche del clima locale e l’ombreggiamento dovuto all’orografia o alla presenza di costruzioni in prossimità (diagrammi solari, fig. 3)

Fig. 3: Diagramma solare di un sito (44° latitudine Nord) dove è evidenziato l’ombreggiamento orografico

Cenno alla tecnologia degli impianti solari termici

Gli impianti solari termici trasformano l’energia raggiante diretta e diffusa in calore riscaldando un fluido termovettore, generalmente acqua od aria ad una temperatura attorno ai 50, 60 °C.

Elementi base di questi impianti sono:

• Il collettore o pannello solare che trasforma l’energia raggiante in calore
• Il serbatoio di accumulo ed il bollitore
• Il circuito di distribuzione del fluido termovettore
• La centralina di controllo.

I collettori o pannelli solari possono essere raffreddati ad aria (raramente) oppure ad acqua, con circuito assorbente la radiazione solare scoperto oppure collocato in una scatola, isolata inferiormente, vetrata superiormente. Esistono panelli in cui gli assorbitori della radiazione sono collocati in tubi di vetro sotto vuoto, detti collettori (fig. 4), per ridurre al minimo la dispersione del calore.

Fig. 4: Pannello con tubi sottovuoto (Viessmann)

Gli elementi di accumulo possono essere integrati al pannello oppure separati. Il loro volume è legato al tipo di funzionamento dell’impianto ed alle richieste dell’utenza.

Il bollitore è il serbatoio dove avviene lo scambio termico tra il fluido termovettore riscaldato nel panello e l’acqua sanitaria e/o l’acqua destinata al riscaldamento degli ambienti.

La circolazione del fluido può essere naturale oppure forzata.

La circolazione naturale ha il vantaggio della semplicità ma il serbatoio di accumulo deve essere posto ad una quota superiore a quella dei panelli e ciò può porre dei seri problemi architettonici ed estetici

L’impianto può essere destinato a:

• Fornire esclusivamente acqua calda sanitaria

Oppure:

• Fornire acqua calda sanitaria ed integrare il riscaldamento dell’abitazione in combinazione con la caldaia convenzionale.
• Riscaldamento dell’acqua delle piscine scoperte.

Una centralina di controllo può gestire l’impianto in funzione delle condizioni ambientali e delle temperature prefissate.

I panelli solari hanno un buon rendimento che è funzione oltre che della tecnica di realizzazione, della differenza di temperatura tra il liquido termovettore e l’aria esterna. Esso è dato dalla relazione

1)  η = η₀ –k₁ΔT/Eg- k₂ ΔT² /Eg

Dove:

η0 = rendimento ottico che supera di regola l’80%
ΔT = differenza di temperatura tra liquido termovettore ed aria esterna
Eg = irraggiamento
k1, k2 = coefficienti funzioni del tipo di panello

Per il panello Vitosol 200 (della ditta Viessmann), a tubi sottovuoto, abbiamo il grafico riportato in figura 5.

Fig. 5: Rendimento di un panello a tubi sottovuoto (Viessmann) in funzione della differenza di temperatura tra fluido termovettore ed ambiente esterno (energia raggiante = Eg)

I rendimenti dei panelli convenzionali sono inferiori anche del 50% rispetto a quelli indicati nel grafico per alti valori di ΔT.

La quota di copertura solare detta “fattore di integrazione solare”, per la fornitura di acqua calda sanitaria che si richiede ad un impianto solo a questo scopo dedicato, si aggira normalmente attorno al 60% all’anno, con la quota parte dell’energia captata che viene effettivamente utilizzata (fattore di utilizzo)che varia in funzione dell’irraggiamento tra 30 all’80% così che 1 m² di pannello può fornire fino a 300 l/giorno di acqua ad una temperatura compresa tra i 45 e 60°C. Andare oltre la copertura del 60% comporterebbe uno spreco di superficie installata durante l’estate e la necessità di predisporre volumi notevoli di accumulo per l’inverno con costi non giustificabili dal risparmio ottenibile.

La superficie di panello dei pannelli da installare è funzione dell’irraggiamento del sito, del consumo giornaliero di acqua calda e della quota di copertura richiesta.

Per il soddisfacimento del fabbisogno di riscaldamento ed acqua calda sanitaria con percentuali di integrazione annue totali attorno al 30%, si stima che siano necessari, nel Nord Italia, (irraggiamento annuo di 1300 - 1400 kWh/m² ) per un’abitazione di 100 m² , 4 persone ed un consumo d’acqua a 40 C° di 60-70 l al giorno per persona, dai 5 ai 10 m² di pannelli solari.

l modo più efficiente per trasferire il calore all’utenza domestica, è l’utilizzo, al posto dei caloriferi, di pareti o pavimenti radianti funzionanti a bassa temperatura (dai 30 ai 40 C°) dal momento che l’acqua calda in uscita dai pannelli solari ha una temperatura che non supera di regola i 50 C°. Tuttavia nel caso di interventi sull’esistente, non è economicamente proponibile la sostituzione degli elementi di distribuzione del calore gia esistenti. L’apporto energetico sarebbe comunque recuperabile mediante il preriscaldo dell’acqua di alimentazione della caldaia a combustibile tradizionale che ovviamente deve essere sempre presente.

Nelle figure 6 e 7 riportiamo due schemi di impianti della ditta Viessmann, uno destinato alla la sola produzione di acqua sanitaria, l’altro alla la produzione di acqua sanitaria ed al riscaldamento degli ambienti.

Fig. 6: Schema di un impianto per la produzione di acqua calda sanitaria (Viessmann)

Fig. 7: Schema di un impianto per la produzione di acqua calda sanitaria e per il supporto al riscaldamento (Viessmann)

In Europa gli impianti solari termici hanno notevole diffusione in Germania, discreta anche in Grecia ed Austria, ancora molto bassa in Italia.

Aspetti economici

Impianto per la produzione di acqua calda sanitaria

Per Roma si hanno i seguenti dati di massima a fronte di un irraggiamento annuo medio di ca. 1800 kWh/m² su un panello inclinato di 45° volto a S

• Superficie necessaria di collettore pro capite: 0,8 m².
• Costo dell’impianto (con finanziamento del 25%): dai 500 ai 600 €/m² (in funzione del pannello impiegato).
• Risparmio annuo (rispetto ad una caldaia a metano /elettrica): da 60-70/140-170 €.
• Tempo di ritorno semplice dell’investimento (rispetto ad una caldaia a metano /elettrica): 9-11/2-3 anni.

Impianto per la produzione di acqua calda sanitaria e riscaldamento degli ambienti
(integrato ad una caldaia a metano)

Ancora per Roma con panelli volti a S ed inclinati di 55° (1700 kWh/mq.anno)

• Superficie necessaria ogni 10 m² di abitazione: da 0,4 a 0,8 m² in funzione del tipo di pannello (fattore di integrazione annuo attorno al 30%).
• Costo dell’impianto (con finanziamento del 25% e per m² di pannello): dai 700 ai 1100 €/m² (in funzione del tipo di collettore impiegato).
• Risparmio (rispetto al riscaldamento con la sola caldaia a metano e con costo metano pari a 0,7 €/m³) : da i 40 ai 60 €/anno per m² di collettore solare.
• Tempo di ritorno semplice dell’investimento aggiuntivo: dai 13 ai 18 anni.

Tutti questi dati fanno astrazione della possibile detrazione del 55% (suddividibile in rate annuali nel numero di 3 sino a 10) dei costi sostenuti dall’IRPEF del proprietario come riconfermato dalla finanziaria 2008.

(fonte: www.romaenergia.org)