Una guida completa ai tipi e al funzionamento dei sistemi di riscaldamento solare dell'acqua

Introduzione alla tecnologia del riscaldamento solare dell'acqua

Sistema di Riscaldamento Istantaneo dell'Acqua Solare a Circolazione Non Motorizzata

Componenti del sistema: collettore a tubi evacuati, serbatoio d'acqua collegabile, supporto regolabile e scambiatore di calore.

Principio di funzionamento del sistema di riscaldamento solare istantaneo a circolazione non alimentata: l'acqua all'interno del tubo evacuato inizia a riscaldarsi quando viene esposta alla luce solare. Man mano che l'acqua si riscalda, la sua densità diminuisce e circola naturalmente verso il serbatoio, riscaldando gradualmente l'acqua. L'acqua riscaldata viene quindi immagazzinata in un serbatoio isolato con schiuma di poliuretano. L'acqua fredda proveniente dall'esterno scorre attraverso un canale a soffietto fisso all'interno del serbatoio, portando l'acqua pressurizzata del rubinetto a una temperatura quasi identica a quella dell'acqua nel serbatoio (con una differenza di temperatura inferiore a 2 gradi Celsius). Questo si traduce in acqua calda stabile, pressurizzata e pulita.

Sistema di Riscaldamento dell'Acqua Solare a Circolazione Naturale

Un sistema di riscaldamento solare dell'acqua a circolazione naturale sfrutta la differenza di temperatura tra il collettore e il serbatoio dell'acqua per creare un circuito termosifonico, che fa circolare l'acqua attraverso il sistema. Contemporaneamente, l'energia utile ottenuta dal collettore viene continuamente immagazzinata nel serbatoio riscaldando l'acqua.

Durante il funzionamento del sistema, l'acqua nel collettore viene riscaldata dalla radiazione solare, aumentando la sua temperatura e diminuendone la densità. L'acqua riscaldata sale gradualmente all'interno del collettore, fluendo attraverso il tubo di circolazione superiore del collettore verso la parte superiore del serbatoio di accumulo dell'acqua. Contemporaneamente, l'acqua fredda proveniente dal fondo del serbatoio di accumulo scorre attraverso il tubo di circolazione inferiore nella parte inferiore del collettore. Con il tempo, si forma una distinta stratificazione termica nel serbatoio di accumulo dell'acqua, con lo strato superiore dell'acqua che raggiunge per primo una temperatura utilizzabile, e questo processo continua fino a quando l'intero serbatoio non è completamente utilizzabile.

Esistono due metodi per ottenere acqua calda. Si utilizza un serbatoio di accumulo, che rifornisce il fondo del serbatoio con acqua fredda, spingendo l'acqua calda dall'alto verso l'esterno per l'utilizzo. Il livello dell'acqua è controllato da una valvola a galleggiante all'interno del serbatoio di riempimento. Questo metodo è talvolta chiamato metodo di top-up. L'altro metodo, senza serbatoio di accumulo, permette all'acqua calda di scendere dal fondo del serbatoio per gravità. Questo metodo è talvolta chiamato metodo a caduta.

Sistema di Riscaldamento dell'Acqua Solare a Circolazione Forzata

Un sistema di riscaldamento solare dell'acqua a circolazione forzata utilizza una pompa dell'acqua installata nella tubazione tra il collettore e il serbatoio di accumulo dell'acqua per far circolare l'acqua nel sistema. Contemporaneamente, l'energia utile ottenuta dal collettore viene immagazzinata nel serbatoio d'acqua riscaldando l'acqua.

Durante il funzionamento del sistema, è necessario controllare l'attivazione e la disattivazione della pompa di circolazione, altrimenti si sprecheranno sia energia elettrica che energia termica. Il controllo della differenza di temperatura è generalmente il metodo più diffuso e, a volte, si utilizzano contemporaneamente sia il controllo della differenza di temperatura che il controllo fotovoltaico.

Il controllo della differenza di temperatura utilizza la differenza di temperatura tra la temperatura dell'acqua all'uscita del collettore e la temperatura dell'acqua sul fondo del serbatoio di accumulo per controllare il funzionamento della pompa di circolazione.

Dopo l'alba, l'acqua nel collettore viene riscaldata dalla radiazione solare, aumentando gradualmente di temperatura. Una volta che la differenza di temperatura tra l'uscita del collettore e l'acqua sul fondo del serbatoio di accumulo raggiunge un valore prestabilito (generalmente 8-10 ° C), il regolatore di temperatura genera un segnale per avviare la pompa di circolazione e il sistema inizia a funzionare. Durante i periodi di copertura nuvolosa o nel pomeriggio prima del tramonto, l'irradianza solare diminuisce, causando una graduale diminuzione della temperatura del collettore. Una volta che la differenza di temperatura tra l'uscita del collettore e l'acqua sul fondo del serbatoio di accumulo raggiunge un altro valore prestabilito (generalmente 3-4 ° C), il regolatore di temperatura genera un segnale per arrestare la pompa di circolazione e il sistema smette di funzionare.

Sistemi di Riscaldamento dell'Acqua Solare

Esistono anche due metodi per ottenere acqua calda: a flusso dall'alto e a flusso dall'alto verso il basso.

Il metodo del flusso dall'alto prevede l'aggiunta di acqua fredda (acqua del rubinetto) sul fondo del serbatoio di accumulo, spingendo l'acqua calda fuori dallo strato superiore per l'utilizzo. Il metodo del flusso a caduta si basa sul fatto che l'acqua calda scenda dal fondo del serbatoio a causa della gravità. Sotto circolazione forzata, l'acqua nel serbatoio viene mescolata accuratamente, prevenendo una significativa stratificazione termica. Pertanto, sia il metodo del flusso dall'alto che quello del flusso dall'alto verso il basso forniscono acqua calda fin dall'inizio. Rispetto al metodo topwater, il vantaggio del metodo topwater è che lo spruzzo di acqua calda pressurizzata migliora il comfort dell'utente e non c'è bisogno di preoccuparsi di riempire il serbatoio dell'acqua. Tuttavia, lo svantaggio è che l'acqua fredda che entra dal fondo del serbatoio può mescolarsi con l'acqua calda presente nel serbatoio. Sebbene il metodo topwater abbia il vantaggio di impedire la miscelazione dell'acqua calda e fredda, presenta anche lo svantaggio che l'acqua calda cade per gravità, compromettendo il comfort dell'utente, e la necessità di riempire il serbatoio dell'acqua ogni giorno è imprescindibile.

In un sistema a circolazione forzata a doppio circuito, lo scambiatore di calore può essere un scambiatore di calore a immersione posizionato all'interno del serbatoio dell'acqua oppure uno scambiatore di calore a piastre posizionato all'esterno del serbatoio dell'acqua. Gli scambiatori di calore a piastre offrono molti vantaggi rispetto agli scambiatori di calore a immersione: innanzitutto, gli scambiatori di calore a piastre presentano un'area di trasferimento termico più ampia, gradienti di temperatura di trasferimento termico più piccoli e un minore impatto sull'efficienza del sistema. In secondo luogo, gli scambiatori di calore a piastre sono posizionati all'interno della tubazione del sistema, offrendo maggiore flessibilità e facilitando la progettazione e la disposizione del sistema. In terzo luogo, gli scambiatori di calore a piastre sono disponibili in commercio e standardizzati, il che rende più semplici la garanzia della qualità e l'affidabilità.

I sistemi a circolazione forzata sono adatti per sistemi di riscaldamento solare dell'acqua di grandi, medie e piccole dimensioni.

I sistemi di riscaldamento solare dell'acqua a flusso continuo riscaldano l'acqua fino alla temperatura desiderata in un unico passaggio attraverso il collettore, per poi rilasciare l'acqua riscaldata nel serbatoio di accumulo in un flusso continuo.

Durante il funzionamento del sistema, viene generalmente utilizzato un metodo di scarico a temperatura costante per garantire che l'acqua calda soddisfi le esigenze degli utenti. Il tubo di ingresso del collettore è collegato alla rete idrica. L'acqua nel collettore viene riscaldata dalla radiazione solare, aumentando gradualmente di temperatura. Un sensore di temperatura è installato all'uscita del collettore. Un regolatore di temperatura controlla l'apertura di una valvola elettrica installata all'ingresso del collettore. Questo regolatore di temperatura regola la portata in ingresso del collettore in base alla temperatura in uscita del collettore, mantenendo una temperatura costante dell'acqua in uscita. L'affidabilità di questo sistema dipende dalle prestazioni della valvola elettrica a flusso variabile e del controller.

Per evitare requisiti rigorosi sulla valvola elettrica e sul controller, alcuni sistemi installano la valvola elettrica all'uscita del collettore, e la valvola ha solo due stati: aperto e chiuso. Quando la temperatura di uscita del collettore raggiunge un valore prestabilito, un regolatore di temperatura apre la valvola elettrica, consentendo all'acqua calda di fluire dall'uscita del collettore verso il serbatoio di accumulo dell'acqua. Contemporaneamente, viene aggiunta acqua fredda (acqua del rubinetto) al collettore fino a quando la temperatura in uscita dal collettore scende al di sotto del valore impostato. La valvola elettrica si chiude e il processo si ripete. Sebbene questo metodo di erogazione dell'acqua a temperatura costante sia relativamente semplice, a causa dell'isteresi nella chiusura della valvola elettrica, la temperatura dell'acqua calda risultante potrebbe essere inferiore al valore impostato.

Un sistema a flusso diretto presenta molti vantaggi: Innanzitutto, rispetto ai sistemi a circolazione forzata, non richiede una pompa dell'acqua; in secondo luogo, rispetto ai sistemi a circolazione naturale, il serbatoio di accumulo dell'acqua può essere posizionato all'interno; in terzo luogo, rispetto ai sistemi a ricircolo, l'acqua calda utilizzabile è disponibile più presto durante la giornata e una certa quantità di acqua calda utilizzabile può essere ottenuta purché vi sia un periodo di tempo di cielo sereno; In quarto luogo, è facile implementare un sistema di drenaggio notturno per prevenire il congelamento in inverno. Uno svantaggio di un sistema a flusso diretto è che richiede valvole elettriche a flusso variabile affidabili e controllori, il che complica il sistema e aumenta i costi di investimento.

Un sistema a flusso diretto è particolarmente adatto per sistemi di riscaldamento dell'acqua solare su larga scala.