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:
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
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
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.
inc/orient.
Gen
Feb
Mar
Apr
Mag
Giu
Lug
Ago
Set
Ott
Nov
Dic
media
Orr.
1,37
2,03
3,30
4,53
5,16
5,76
6,2
5,4
4,06
2,79
1,64
1,29
3,64
10° S
1,67
2,34
3,63
4,78
5,28
5,83
6,34
5,65
4,41
3,20
1,98
1,63
3,9
30° S
2,15
2,78
4,02
4,94
5,18
5,59
6,18
5,77
4,79
3,78
2,50
2,18
4,16
Lat.
2,36
2,93
4,07
4,78
4,84
5,14
5,75
5,33
4,79
3,98
2,72
2,45
4,12
60° S
2,47
2,94
3,91
4,37
4,24
4,41
4,99
4,98
4,53
3,97
2,82
2,60
3,86
S vert.
2,26
2,52
3,05
3,02
2,70
2,67
3,02
3,30
3,38
3,32
2,54
2,43
2,85
SO/SE vert.
1,8
2,10
2,77
3,09
2,94
3,08
3,42
3,48
3,19
2,79
2,04
1,88
2,72
O/E vert.
1,03
1,37
2,14
2,77
2,91
3,26
3,45
3,21
2,56
1,85
1,21
0,96
2,73
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.