Preparazione invernale dello scaldabagno solare: come prevenire il congelamento dei tubi e i danni

Protezione antigelo per sistemi di riscaldamento solare dell'acqua

I collettori e le relative tubazioni esterne negli impianti solari termici sono spesso danneggiati dall'espansione dell'acqua ghiacciata durante i rigidi mesi invernali, soprattutto nelle regioni fredde e ad alta latitudine. Pertanto, è necessario prendere in considerazione misure di protezione invernale per gli impianti solari termici. Attualmente, di seguito sono riportate alcune delle misure di protezione dal gelo più comuni per gli impianti solari termici.

Scelta di collettori solari antigelo

Il collettore è un componente fondamentale di un impianto solare termico e deve essere esposto all'esterno. Scegliere un collettore antigelo elimina il rischio di danni dovuti al gelo durante i rigidi mesi invernali.

Il collettore a tubi sottovuoto a tubi di calore (heat pipe) e il collettore a tubi sottovuoto interamente in vetro con tubi inseriti internamente, introdotti nel Capitolo 1 di questo libro, sono entrambi collettori resistenti al gelo. Poiché l'acqua riscaldata non entra mai direttamente nei tubi sottovuoto, i tubi di copertura in vetro dei tubi sottovuoto non entrano in contatto con l'acqua. Inoltre, i tubi sottovuoto stessi hanno una capacità del fluido di lavoro molto bassa, quindi i tubi sottovuoto sono protetti dal gelo anche a temperature di diverse decine di gradi Celsius sotto lo zero.

Un altro tipo di collettore con caratteristiche antigelo è il collettore piano a tubi di calore (heat pipe). A differenza dei collettori piani convenzionali, questo utilizza tubi di calore (heat pipe) al posto dei tubi nel tubo dell'assorbitore. Questi tubi utilizzano come fluido di lavoro un fluido con basso punto di ebollizione e basso punto di congelamento, impedendo il congelamento dell'assorbitore. Tuttavia, poiché le prestazioni tecniche ed economiche dei collettori piani a tubi di calore sono inferiori a quelle dei collettori a tubi sottovuoto sopra menzionati, non sono ancora ampiamente utilizzati.

Sistema a doppia circolazione con antigelo

Un sistema a doppia circolazione (o sistema a doppio circuito) incorpora uno scambiatore di calore nell'impianto solare termico. Il collettore e il lato caldo dello scambiatore di calore formano il primo circuito (o circuito primario). Un fluido antigelo a basso punto di congelamento viene utilizzato come mezzo di trasferimento del calore, garantendo così l'antigelo del sistema. I sistemi a doppia circolazione possono essere utilizzati sia in impianti solari termici a circolazione naturale che forzata.

Negli impianti a circolazione naturale, sebbene nel circuito primario venga utilizzato un antigelo, il serbatoio di accumulo dell'acqua è situato all'esterno, e anche il serbatoio dell'acqua fredda e le tubazioni di alimentazione dell'acqua calda del sistema sono parzialmente installati all'esterno. Anche con l'isolamento, queste tubazioni esterne non possono garantire che l'acqua al loro interno non congeli nelle fredde notti invernali. Pertanto, durante la progettazione dell'impianto, è importante considerare alcuni metodi per drenare l'acqua calda dalle tubazioni dopo l'uso. Ad esempio, un tubo di aspirazione dell'acqua calda a sifone potrebbe fungere anche da tubo di alimentazione dell'acqua fredda, con una valvola atmosferica installata nella parte superiore per controllarne l'apertura e la chiusura, svuotando così il tubo.

Sistema di ritorno con scarico automatico

In un sistema a circolazione forzata a circuito singolo, un differenziale di temperatura viene in genere utilizzato per controllare il funzionamento della pompa di circolazione dell'acqua e il serbatoio di accumulo dell'acqua è solitamente situato all'interno (al piano terra o nel seminterrato). Durante il giorno in inverno, quando la radiazione solare è sufficiente, il regolatore del differenziale di temperatura attiva la pompa di circolazione dell'acqua, consentendo al collettore di funzionare normalmente. Di notte o nelle giornate nuvolose, quando la radiazione solare è insufficiente, il regolatore del differenziale di temperatura spegne la pompa di circolazione dell'acqua, consentendo all'acqua nel collettore e nelle tubazioni di defluire nel serbatoio di accumulo per gravità, prevenendo danni causati dal congelamento. Il giorno successivo, o quando la radiazione solare torna a livelli sufficienti, il regolatore del differenziale di temperatura riavvia la pompa di circolazione dell'acqua, pompando l'acqua dal serbatoio di accumulo nel deflettore, consentendo al sistema di continuare a funzionare. Questo sistema antigelo è semplice e affidabile e non richiede apparecchiature aggiuntive. Tuttavia, la pompa di circolazione dell'acqua nel sistema deve avere un'elevata prevalenza.

Negli ultimi anni, i paesi d'oltremare hanno iniziato ad applicare misure antigelo antiriflusso ai sistemi a doppio circuito. In questo sistema, il primo circuito non utilizza fluido antigelo, ma utilizza comunque l'acqua come fluido termovettore nel collettore. Di notte o nelle giornate nuvolose, quando la radiazione solare è insufficiente, la pompa di circolazione dell'acqua si spegne automaticamente e l'acqua nel collettore scorre attraverso un effetto sifone in un piccolo serbatoio di accumulo appositamente progettato. L'acqua viene quindi ripompata nel collettore il giorno successivo o quando la radiazione solare torna a essere sufficiente, consentendo al sistema di continuare a funzionare.

Utilizzo di un sistema di drenaggio per svuotare l'acqua immagazzinata

In un sistema a circuito singolo a circolazione naturale o forzata, un sensore di temperatura è integrato nella tubazione sotto l'assorbitore del collettore o alla temperatura ambiente esterna più bassa, collegato a un regolatore. Quando la temperatura dell'acqua nel collettore o nella tubazione esterna si avvicina al punto di congelamento (3-4 °C), il regolatore, in base a un segnale proveniente dal sensore di temperatura, apre la valvola di scarico e la valvola di sfiato. L'acqua nel collettore e nelle tubazioni esterne viene quindi scaricata per gravità fuori dal sistema, impedendone il riutilizzo e ottenendo l'effetto antigelo desiderato.

Circolazione notturna automatica dell'acqua calda da un serbatoio di accumulo

In un sistema a circuito singolo con circolazione forzata, un sensore di temperatura è integrato nella tubazione sotto l'assorbitore del collettore o alla temperatura ambiente esterna più bassa, collegato a un regolatore. Quando la temperatura dell'acqua nel collettore o nella tubazione esterna si avvicina al punto di congelamento (ad esempio, 3-4 °C), il regolatore attiva l'alimentazione, avviando la pompa di circolazione, che pompa acqua calda dal serbatoio di accumulo al collettore, aumentando la temperatura dell'acqua nel collettore e nelle tubazioni. Quando la temperatura dell'acqua nel collettore o nella tubazione raggiunge un valore impostato (o quando la pompa è in funzione per un periodo di tempo impostato), il regolatore interrompe l'alimentazione, arrestando la pompa di circolazione. Poiché questo metodo antigelo consuma una certa quantità di energia per azionare la pompa di circolazione, è adatto per aree con gelo occasionale, ma non con freddo intenso.

In un sistema a circuito singolo a circolazione naturale o forzata, un nastro riscaldante autoregolante viene installato nella sezione più soggetta al congelamento delle tubazioni esterne. Questo metodo utilizza un termistore situato vicino al nastro riscaldante e collegato al circuito del nastro riscaldante. Quando il nastro riscaldante viene alimentato, riscalda l'acqua nelle tubazioni e contemporaneamente aumenta la temperatura del termistore, che a sua volta ne aumenta la resistenza. Quando la resistenza del termistore raggiunge un certo valore, il circuito viene interrotto, il nastro riscaldante viene disalimentato e la temperatura diminuisce gradualmente. Questo processo viene ripetuto innumerevoli volte, impedendo all'acqua nelle tubazioni esterne di congelare e al contempo al nastro riscaldante di surriscaldarsi e causare pericoli. Questo metodo antigelo consuma una certa quantità di elettricità, ma è efficace nelle regioni molto fredde.