Collettore solare a pannello piatto: motore di energia termica ad alta efficienza per l'integrazione negli edifici moderni

Nel vasto campo dell'utilizzo del solare termico, i collettori solari piani hanno occupato una posizione indispensabile e importante grazie alle loro eccezionali caratteristiche, come la struttura robusta, la perfetta integrazione con gli edifici e la lunga durata. Non rappresentano solo una scelta affidabile per la fornitura di acqua calda sanitaria, ma anche una delle principali soluzioni tecniche per il risparmio energetico negli edifici e la riduzione delle emissioni di carbonio. Con il progresso della scienza dei materiali e dei processi produttivi, le prestazioni dei moderni collettori piani sono state notevolmente migliorate, rendendoli la scelta preferita per progetti commerciali e industriali, nonché per residenze di lusso.

I. Struttura del nucleo e principio di funzionamento dei collettori solari piani

La struttura dei collettori solari piani è intuitiva e altamente efficiente, e il loro nome deriva dal loro aspetto simile a una piastra piatta. Il loro principio di funzionamento fondamentale è l'"effetto serra": la radiazione solare a onde corte attraversa la piastra di copertura trasparente, viene assorbita dall'assorbitore di calore e convertita in energia termica, mentre l'energia termica, sotto forma di radiazione a onde lunghe, non riesce a penetrare la piastra di copertura e a tornare indietro, rimanendo così di fatto intrappolata all'interno del collettore.

Un collettore piano ad alte prestazioni è composto principalmente dai seguenti componenti di precisione: 

Piastra di assorbimento del calore (piastra assorbitrice): è il "cuore" del collettore. È solitamente realizzata in metalli con un'eccellente conduttività termica (come leghe di rame e alluminio) e la sua superficie è rivestita con un rivestimento ad assorbimento selettivo scuro. Questo rivestimento non è una normale vernice nera. La sua caratteristica è un tasso di assorbimento (α) della luce solare estremamente elevato (>0,92), mentre la sua emissività della radiazione termica infrarossa (ε) è estremamente bassa (<0,10), massimizzando così l'assorbimento dell'energia solare e sopprimendo la propria dispersione di calore. 

Tubi/Tubi montanti: una rete di tubi metallici saldati o pressati saldamente su piastre di assorbimento del calore, solitamente realizzate in tubi di rame. Il fluido di lavoro riscaldato (acqua o antigelo) scorre attraverso questi tubi, assorbendo il calore accumulato dalle piastre di assorbimento del calore. La progettazione del canale di flusso (ad esempio, forma a serpentina, disposizione parallela verticale) influisce direttamente sull'efficienza di raccolta del calore e sulla capacità di sopportare la pressione. 

Lastra di copertura trasparente (vetro): strato protettivo sulla superficie del collettore, solitamente realizzato in vetro temperato a basso contenuto di ferro. Ha una trasmittanza solare estremamente elevata (>0,91) ed è anche robusto e durevole, in grado di resistere all'impatto di grandine e tempeste di sabbia e di ridurre la dispersione di calore convettiva e radiante all'interno del collettore. 

Isolamento: materiali isolanti ad alta efficienza (come lana di roccia, schiuma di poliuretano) posizionati sul retro e attorno alla piastra termoassorbente. La loro funzione è quella di creare una barriera termica per impedire al calore di fuoriuscire verso il retro e i bordi, garantendo che il calore possa essere trasferito solo al fluido di lavoro nel canale di flusso. 

Telaio e lamiera posteriore: solitamente realizzati in lega di alluminio o acciaio inossidabile, forniscono un solido supporto strutturale per l'intero collettore, garantendone la tenuta e la durata e possono essere comodamente installati e fissati alla struttura dell'edificio.

Ii. Perché scegliere i collettori solari piani? I suoi vantaggi insostituibili

Rispetto ai collettori a tubi sottovuoto, i collettori piani presentano una serie di vantaggi esclusivi, che li rendono una soluzione migliore in specifici scenari applicativi.

Struttura robusta ed eccellenti prestazioni di resistenza alla pressione

Il collettore piano è un sistema completo e rigido. Tutti i canali di flusso interni sono saldati in metallo, in grado di resistere a pressioni di esercizio molto elevate e a colpi d'ariete. È direttamente collegato alla pressione dell'acqua di rubinetto. Il design del sistema è semplice e affidabile.

La scelta perfetta per l'integrazione con l'architettura (BIPV/BIPIT)

Questa è la caratteristica più competitiva dei collettori piani. Il loro aspetto liscio e uniforme è facile da integrare per gli architetti. Possono essere ingegnosamente integrati nel tetto dell'edificio, nelle ringhiere dei balconi, nella facciata e nei frangisole, creando un'armoniosa unità tra la struttura dell'edificio e l'impianto solare. Non solo non compromette l'estetica dell'edificio, ma può persino esaltarne il moderno aspetto tecnologico. Questo è di vitale importanza per residenze di lusso ed edifici pubblici che puntano sull'estetica.

Altamente efficiente e affidabile, con costi di manutenzione estremamente bassi

L'interno di un collettore piano è una cavità vuota e non presenta i problemi di esplosione e incrostazione dei tubi che possono verificarsi nei collettori a tubi sottovuoto. La sua superficie è liscia e piatta, con capacità "autopulente". L'acqua piovana può lavare via la maggior parte della polvere e della neve, mantenendo un'elevata efficienza di raccolta del calore. Ha una struttura semplice, praticamente priva di parti vulnerabili, e una durata di oltre 25 anni.

Prestazioni stabili e bassa inerzia termica

La velocità di avviamento dei collettori piani è leggermente inferiore a quella dei tubi sottovuoto, ma la loro capacità termica complessiva è ridotta. Una volta avviati, si riscaldano rapidamente e hanno un'elevata potenza di uscita. Sono particolarmente adatti per progetti centralizzati di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria su larga scala e possono fornire una produzione di acqua calda stabile e continua.

Potenziale di temperatura di esercizio più elevato

Le eccellenti prestazioni di resistenza alla pressione dei collettori piani consentono loro di funzionare a temperature più elevate, fornendo energia a sistemi quali il riscaldamento solare e l'aria condizionata che richiedono fonti di calore a media temperatura e, quindi, una gamma più ampia di applicazioni.

Iii. Scenari applicativi principali: dall'acqua calda sanitaria all'energia regionale

Il campo di applicazione dei collettori solari piani è in continua espansione e ha interessato molteplici aspetti del consumo energetico.

Acqua calda domestica e commerciale

Fornisce acqua calda sanitaria in qualsiasi condizione atmosferica per ville, residenze a più piani, hotel, ospedali, scuole, ecc. Le sue caratteristiche di resistenza alla pressione rendono l'esperienza d'uso non diversa da quella degli scaldabagni elettrici o a gas convenzionali. Può essere utilizzato immediatamente dopo l'apertura e ha una pressione idrica sufficiente.

Sistema combinato di energia solare (acqua calda + riscaldamento):

Nel mercato europeo, i collettori piani rappresentano il pilastro assoluto del sistema solare combinato (acqua calda sanitaria + riscaldamento). Abbinati a grandi accumuli di acqua calda, possono soddisfare dal 15% al ​​60% del fabbisogno termico degli edifici in inverno, riducendo significativamente il consumo energetico di caldaie a gas o elettriche.

Ingegneria edilizia integrata (BIPIT)

Come componente edilizio, può sostituire parte dei materiali di copertura, dei pannelli delle pareti esterne o delle ringhiere dei balconi. Oltre a svolgere le funzioni dell'edificio, genera energia termica, raggiungendo un duplice obiettivo: risparmiare sui costi dei materiali da costruzione. Questa è la direzione di sviluppo dei futuri edifici ecosostenibili.

Preriscaldamento industriale e applicazioni agricole

Fornisce fonti di calore pulite per processi industriali come la galvanica, la lavorazione alimentare e il settore tessile che richiedono grandi quantità di acqua preriscaldata. Può essere utilizzato anche per riscaldare serre agricole, mantenere una temperatura costante in acquacoltura, ecc., riducendo i costi di produzione agricola.

Teleriscaldamento

Combinando campi di collettori solari piani di grandi dimensioni con la tecnologia di accumulo termico stagionale, è possibile fornire riscaldamento e acqua calda sanitaria a intere comunità o città. Si tratta di una forma avanzata di utilizzo del solare termico, che vanta numerosi casi di successo nel Nord Europa.

Iv. Status quo del mercato, sfide e tendenze future

Attualmente, i collettori solari piani occupano una posizione dominante sul mercato globale, soprattutto in Europa. Il loro sviluppo presenta sia opportunità che sfide.

Opportunità 

Basato sulle politiche: sussidi e politiche di installazione obbligatoria per edifici ecologici nell'ambito degli obiettivi globali di "doppio carbonio". 

Maturità tecnologica: il rivestimento selettivo, le tecniche di saldatura e le tecnologie di isolamento sono in costante evoluzione e l'efficienza è in continuo miglioramento. 

Miglioramento della consapevolezza: il mercato e gli utenti riconoscono sempre più i prodotti di lunga durata, a bassa manutenzione e integrati negli edifici.

Sfida 

Adattabilità ambientale: nelle regioni estremamente fredde, la perdita di calore è comunque superiore a quella dei tubi a vuoto e per risolvere questo problema è necessario adottare misure come l'uso di antigelo. 

Investimento iniziale: il costo dei collettori solari con nucleo in piastre di rame e alluminio di alta qualità è relativamente elevato ed è necessario convincere gli utenti considerando il costo totale del ciclo di vita. 

Educazione del mercato: è necessario invertire la percezione unilaterale diffusa in alcuni mercati secondo cui "l'efficienza dei tubi a vuoto deve essere superiore a quella delle piastre piane".

Le tendenze future si concentreranno su: 

Maggiore efficienza: sviluppare rivestimenti selettivi con tassi di assorbimento più elevati e minore emissività. 

Più sottile e leggero: ottimizza la struttura, riduce il peso e diminuisce il carico sulla struttura dell'edificio. 

Integrazione funzionale: abbinato ai pannelli fotovoltaici per formare un modulo fotovoltaico termico (PVT) integrato, genera simultaneamente elettricità e calore, massimizzando l'utilizzo dell'energia solare. 

Intelligentizzazione: combinata con l'Internet delle cose e i big data, consente il monitoraggio remoto, la diagnosi dei guasti e l'ottimizzazione dell'efficienza energetica.

V. Conclusione

I collettori solari piani, con i loro innumerevoli vantaggi in termini di durevolezza, elevata resistenza alla pressione, facile integrazione con gli edifici, semplicità di manutenzione e lunga durata, hanno costituito una soluzione di utilizzo del solare termico estremamente affidabile e pratica. Hanno trasceso il concetto di semplice scaldabagno, evolvendosi in parte integrante dell'architettura moderna. 

Nella scelta di un sistema di captazione solare termico, non si dovrebbe perseguire ciecamente l'obiettivo finale di un singolo parametro, ma si dovrebbero considerare in modo completo le condizioni climatiche, la tipologia di edificio, i requisiti applicativi e le esigenze estetiche. Per progetti su larga scala, residenze di lusso e progetti di riscaldamento che enfatizzano l'estetica architettonica, la stabilità del sistema a lungo termine e la durata utile, i collettori solari piani rappresentano senza dubbio una scelta saggia, collaudata e orientata al futuro. Continueranno a svolgere un ruolo chiave nella rivoluzione dell'energia verde, fornendo un supporto termico stabile e duraturo per la costruzione di una società sostenibile.