Sistemi di riscaldamento solare dell'acqua: una guida completa a tipologie e funzionamento

Introduzione alla tecnologia del riscaldamento solare dell'acqua

Sistema di riscaldamento solare istantaneo dell'acqua a circolazione non motorizzata

Componenti del sistema: collettore a tubi sottovuoto, serbatoio dell'acqua collegabile, staffa regolabile e scambiatore di calore.

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

Sistema di riscaldamento solare dell'acqua 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 termosifone che fa circolare l'acqua nel sistema. Contemporaneamente, l'energia utile ricavata dal collettore viene costantemente immagazzinata nel serbatoio riscaldando l'acqua.

Durante il funzionamento del sistema, l'acqua nel collettore viene riscaldata dalla radiazione solare, aumentandone la temperatura e diminuendone la densità. L'acqua riscaldata sale gradualmente all'interno del collettore, fluendo attraverso il tubo di circolazione superiore del collettore nella parte superiore del serbatoio di accumulo. Contemporaneamente, l'acqua fredda dal fondo del serbatoio di accumulo scorre attraverso il tubo di circolazione inferiore nella parte inferiore del collettore. Nel tempo, si formano distinte stratificazioni di temperatura nel serbatoio di accumulo: lo strato superiore d'acqua raggiunge prima una temperatura utilizzabile, e questo processo continua fino a quando l'intero serbatoio non è completamente utilizzabile.

Esistono due metodi per ottenere acqua calda. Il primo utilizza un serbatoio di reintegro, che reintegra l'acqua fredda sul fondo del serbatoio di accumulo, spingendo fuori l'acqua calda dallo strato superiore per l'utilizzo. Il livello dell'acqua è controllato da una valvola a galleggiante all'interno del serbatoio di reintegro. Questo metodo è talvolta chiamato metodo di rabbocco. L'altro metodo, senza serbatoio di reintegro, consente all'acqua calda di cadere dal fondo del serbatoio di accumulo per gravità. Questo metodo è talvolta chiamato metodo di caduta.

Sistema di riscaldamento solare dell'acqua a circolazione forzata

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

Durante il funzionamento dell'impianto, l'attivazione e la disattivazione della pompa di circolazione devono essere controllate, altrimenti si sprecano sia energia elettrica che energia termica. Il controllo differenziale della temperatura è generalmente il metodo più diffuso e talvolta vengono utilizzati contemporaneamente sia il controllo differenziale della temperatura che il controllo fotovoltaico.

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

Dopo l'alba, l'acqua nel collettore viene riscaldata dalla radiazione solare, aumentando gradualmente la sua temperatura. Quando la differenza di temperatura tra l'uscita del collettore e l'acqua sul fondo del serbatoio di accumulo raggiunge un valore impostato (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 nuvolosità o nel pomeriggio prima del tramonto, l'irradiazione solare diminuisce, causando un graduale abbassamento della temperatura del collettore. Quando la differenza di temperatura tra l'uscita del collettore e l'acqua sul fondo del serbatoio di accumulo raggiunge un altro valore impostato (generalmente 3-4 °C), il regolatore di temperatura genera un segnale per spegnere la pompa di circolazione e il sistema smette di funzionare.

Sistemi solari di riscaldamento dell'acqua

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

Il metodo a 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 a flusso a goccia sfrutta la caduta dell'acqua calda dal fondo del serbatoio per gravità. Grazie alla circolazione forzata, l'acqua nel serbatoio viene miscelata accuratamente, evitando una significativa stratificazione della temperatura. Pertanto, sia il metodo a flusso dall'alto che quello a goccia forniscono acqua calda fin dall'inizio. Rispetto al metodo a flusso dall'alto, il vantaggio di quest'ultimo è che il getto 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 nel serbatoio. Sebbene il metodo a flusso dall'alto abbia il vantaggio di impedire la miscelazione di acqua calda e fredda, presenta anche lo svantaggio che l'acqua calda cade per gravità, compromettendo il comfort dell'utente e rendendo necessario riempire il serbatoio dell'acqua quotidianamente.

In un sistema a circolazione forzata a doppio circuito, lo scambiatore di calore può essere uno scambiatore di calore a immersione posizionato all'interno del serbatoio dell'acqua o uno scambiatore di calore a piastre posizionato all'esterno del serbatoio. Gli scambiatori di calore a piastre offrono numerosi vantaggi rispetto agli scambiatori di calore a immersione: in primo luogo, gli scambiatori di calore a piastre hanno una maggiore area di trasferimento del calore, gradienti di temperatura di trasferimento del calore più ridotti e un impatto minore sull'efficienza del sistema. In secondo luogo, gli scambiatori di calore a piastre sono posizionati all'interno delle tubazioni del sistema, offrendo maggiore flessibilità e facilitando la progettazione e la configurazione del sistema. In terzo luogo, gli scambiatori di calore a piastre sono disponibili in commercio e standardizzati, semplificando la garanzia di qualità e l'affidabilità.

I sistemi a circolazione forzata sono adatti per impianti solari termici di grandi, medie e piccole dimensioni.

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

Durante il funzionamento del sistema, viene in genere utilizzato un metodo di scarico a temperatura costante per garantire che l'acqua calda soddisfi il fabbisogno dell'utente. Il tubo di ingresso del collettore è collegato alla linea dell'acqua del rubinetto. L'acqua nel collettore viene riscaldata dalla radiazione solare, aumentando gradualmente la sua temperatura. Un sensore di temperatura è installato all'uscita del collettore. Un regolatore di temperatura controlla l'apertura di un'elettrovalvola installata all'ingresso del collettore. Questo regolatore di temperatura regola la portata in ingresso al collettore in base alla temperatura in uscita dal collettore, mantenendo costante la temperatura dell'acqua in uscita. L'affidabilità di questo sistema dipende dalle prestazioni dell'elettrovalvola a portata variabile e del regolatore.

Per evitare requisiti rigorosi sulla valvola elettrica e sul regolatore, alcuni sistemi installano la valvola elettrica all'uscita del collettore, che ha solo due stati: aperto e chiuso. Quando la temperatura all'uscita del collettore raggiunge un valore impostato, un regolatore di temperatura apre la valvola elettrica, consentendo all'acqua calda di fluire dall'uscita del collettore al serbatoio di accumulo. Contemporaneamente, viene aggiunta acqua fredda (acqua del rubinetto) al collettore finché la temperatura all'uscita del collettore non scende al di sotto del valore impostato. La valvola elettrica si chiude e il processo si ripete. Sebbene questo metodo di scarico 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 numerosi vantaggi: in primo luogo, 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 prima ogni giorno e una certa quantità di acqua calda utilizzabile può essere ottenuta purché ci sia un periodo di bel tempo; in quarto luogo, è facile implementare un progetto per lo svuotamento dell'impianto durante la notte per prevenire il congelamento in inverno. Uno svantaggio di un sistema a flusso diretto è che richiede valvole e regolatori elettrici a portata variabile affidabili, il che complica il sistema e aumenta gli investimenti.

Un sistema a flusso diretto è adatto principalmente per impianti solari termici di grandi dimensioni.