Impianti Solari Termici

Possibilità di impiego degli impianti solari termici a livello domestico
Quando installarli


Un impianto solare termico domestico può essere installato per coprire una parte del fabbisogno di acqua calda sanitaria, oppure in modalità combi per soddisfare anche ad una parte del fabbisogno per il riscaldamento.

In maniera molto simile a quanto visto per un impianto fotovoltaico, il tempo di ritorno dell’investimento alle nostre latitudini è compreso fra 7 e 12 anni circa, il che permette di ottenere un risparmio di energia e denaro importanti per tutta la durata restante di funzionamento dell’impianto, pari ad almeno 20 anni.

Indicativamente, il risparmio per la produzione di acqua calda sanitaria può arrivare anche al 50%-80% del fabbisogno annuo domestico. Nel caso di impianto combinato per la produzione di acqua calda sanitaria e riscaldamento, invece, in genere il risparmio per il riscaldamento può essere compreso fra il 20% e il 40%.

Nei box successivi, cercheremo di spiegare meglio le caratteristiche dei sistemi solari termici, la loro convenienza economica e gli aspetti da prendere in considerazione in fase di installazione e nella successiva manutenzione in fase di esercizio.

Pannelli piani vetrati e a tubi sottovuoto

La distinzione principale fra i pannelli solari termici è fra collettori solari piani vetrati e collettori a tubi sottovuoto.

Pannello solare termico a collettori piani vetrati. Fonte immagine wikipedia, licenza CC BY-SA 3.0.

Nel primo caso, il pannello è dotato internamente di una piastra metallica ad alta assorbanza (ad esempio rame), in grado di captare la radiazione solare e di trasferirla alla serpentina metallica all’interno della quale scorre il fluido termovettore. Il pannello è isolato termicamente ed è chiuso nella parte superiore da un vetro trasparente.

Pannelli solari a tubi sottovuoto. Fonte immagine wikipedia, licenza CC BY-SA 4.0.

Nel secondo caso, i collettori sono rappresentati da condotti cilindrici di vetro all’interno dei quali è fatto il vuoto, al fine di aumentare l’isolamento termico. All’interno dei tubi di vetro sono presenti le tubazioni che sono in grado di assorbire la radiazione solare per trasferirla al fluido termovettore.

I pannelli solari a tubi sottovuoto sono più efficienti, più complessi e costosi e risultano più adatti per località caratterizzate da climi rigidi e bassa irradiazione solare. In località con clima più mite, invece, possono risultare addirittura svantaggiosi soprattutto in estate, quando un eccessivo innalzamento della temperatura del fluido termovettore può causare problemi di funzionamento all’impianto (stagnazione, evaporazione del fluido).

Impianti solari termici a circolazione naturale

Legenda (A) entrata dell’acqua fredda, (B) serbatoio coibentato, (C) pannello solare termico, (D) radiazione solare, (E) uscita dell’acqua calda. Immagine tratta da wikipedia, licenza CC BY-SA 4.0.

Negli impianti a circolazione naturale il fluido termovettore scorre all’interno di un circuito chiuso che comprende una serpentina presente all’interno del pannello solare termico, le tubazioni che collegano il pannello al serbatoio di accumulo termico e una serpentina presente all’interno del serbatoio, grazie alla quale il calore viene ceduto all’acqua sanitaria. Il movimento del fluido termovettore all’interno del circuito chiuso avviene grazie alla circolazione naturale che si sviluppa per la differenza di temperatura tra la parte del fluido esposta direttamente ai raggi solari all’interno del pannello (più leggera) e la parte di fluido presente nei tubi e nel serbatoio (più pesante). Grazie al sole quindi, il fluido si muove e si riscalda progressivamente, cedendo poi il calore all’acqua sanitaria contenuta nel serbatoio di accumulo. Il fluido termovettore tipicamente è formato da acqua e glicole propilenico, con il glicole che funge da antigelo, impedendo all’acqua di ghiacciare nei periodi più freddi. L’immagine a fianco ha la finalità di mostrare i componenti di un impianto a circolazione naturale,

Impianto solare termico a circolazione naturale. Fonte immagine wikipedia, licenza CC BY 3.0.

Tuttavia è imprecisa, nella misura in cui il serbatoio di accumulo in realtà si trova in posizione orizzontale nella parte alta dell’impianto. La seconda figura qui a fianco chiarisce quanto appena detto. Vi sono poi dei casi in cui non è presente un vero e proprio serbatoio di accumulo, ma la serpentina presente nel pannello solare è sostituita da tubi collettori di ampio diametro e volume, tali da poter operare direttamente sia come recettori dell’energia solare sia come serbatoio di accumulo. In questo caso si parla anche di impianti ad accumulo integrato.

Talvolta è presente anche una resistenza elettrica che permette di riscaldare ulteriormente l’acqua nei momenti di maggiore bisogno.

Impianti solari termici a circolazione forzata

 

Impianto solare termico a circolazione forzata. 1. Pannello solare. 2. Regolatore. 3. Pompa. 4. Pressostato. 5. Serbatoio dell’acqua. 6. Altra fonte di calore (caldaia, pompa di calore, etc). Fonte immagine wikipedia, licenza CC BY 2.5.

Negli impianti solari termici a circolazione forzata il serbatoio di accumulo dell’acqua calda sanitaria è distante dal pannello solare termico e l’acqua scaldata nel pannello raggiunge il serbatoio grazie all’azione di una pompa elettrica di circolazione, che viene attivata quando la temperatura presente nel pannello è superiore alla temperatura di riferimento impostata nel serbatoio di accumulo.

In questi impianti i serbatoi spesso presentano una stratificazione delle temperature dell’acqua, con le temperature più elevate presenti nella parte superiore, adatte per le richieste istantanee di acqua calda sanitaria da parte dell’utenza e con la parte inferiore più fredda, che può essere scaldata nel lungo periodo dagli stessi pannelli solari oppure da una fonte di riscaldamento integrativa connessa al serbatoio di accumulo, quale ad esempio una caldaia a gas o una pompa di calore.

Gli impianti a circolazione forzata in genere sono più adatti quando le superfici dei collettori sono estese o in presenza di un riscaldamento centralizzato.

Dimensionamento di un impianto solare termico

Quanto deve essere grande il nostro impianto solare termico di casa?

In quale percentuale riesce a soddisfare il fabbisogno di acqua calda sanitaria e, eventualmente, quello del riscaldamento?

Con riferimento all’acqua calda sanitaria (ACS), indicativamente possiamo dire che per una famiglia di 2-4 persone può essere sufficiente un impianto da 2 m2, capace di coprire circa il 50% del fabbisogno di casa. Per famiglie più numerose, invece, può essere indicato un impianto da 3 m2 o 4 m2. Per quanto riguarda gli impianti solari termici combi per la produzione di ACS e riscaldamento, indicativamente si può dire che la superficie dei collettori può andare dai 6 m2 ai 10 m2, mentre il serbatoio di accumulo può essere di 80 -100 l per m2 di collettore. Con queste dimensioni, è possibile coprire circa il 30% del fabbisogno del riscaldamento di casa (vedi articolo su QualEnergia.it). Si tenga presente che l’installazione di un impianto solare termico combinato è consigliato nel caso in cui la casa presenti un elevato isolamento e disponga di corpi scaldanti a bassa temperatura, come i pannelli radianti.

Ma da cosa dipendono queste dimensioni e queste quote percentuali di copertura dei consumi domestici?

Il corretto dimensionamento di un impianto solare termico non è un compito semplice. Infatti, come evidenziato dalle due immagini sottostanti, questo tipo di impianto ha tipicamente una produzione maggiore di energia nel periodo estivo ed una minore nel periodo invernale. Al contrario, il fabbisogno di acqua calda sanitaria tipicamente si mantiene costante durante tutto l’anno, o addirittura è maggiore in inverno rispetto all’estate, mentre il fabbisogno di energia per il riscaldamento si concentra nel periodo invernale. Concentriamoci per ora sulla sola acqua calda sanitaria, dato che poi un discorso analogo vale per il riscaldamento. Per quanto riguarda l’ACS quindi, è evidente che se vogliamo coprire il più possibile il fabbisogno durante tutto l’anno dovremo aumentare la superficie dei collettori solari termici, ma lo svantaggio sarà che avremo sovradimensionato l’impianto e una sovrapproduzione di acqua calda sanitaria (vedi figura 2 sottostante). Il sovradimensionamento comporta un aumento dei costi e del tempo di ritorno dell’investimento, oltre a portare alla stagnazione l’impianto nei periodi più caldi. Proprio per questa ragione, un impianto di circa 2 m2 (allineato alla figura 1 sottostante) è più indicato per coprire una quota parte dei consumi domestici di acqua calda sanitaria garantendo allo stesso tempo un buon tempo di ritorno dell’investimento.

Figura 1. Impianto solare termico da 2 m2 per soddisfare un fabbisogno di circa 150 l di acqua calda sanitaria al giorno in tutti i mesi dell’anno, con eccezione di giugno (170 l), luglio e agosto (200 l). L’impianto soddisfa il 56% del fabbisogno di acqua calda sanitaria. I dati di fabbisogno e produzione in ordinata sono espressi in kWh

Figura 2. Impianto solare termico da 4 m2 per soddisfare un fabbisogno di circa 150 l di acqua calda sanitaria al giorno in tutti i mesi dell’anno, con eccezione di giugno (170 l), luglio e agosto (200 l). L’impianto è sovradimensionato rispetto al fabbisogno di acqua calda sanitaria e soddisfa circa il 76% del fabbisogno di acqua calda sanitaria. I dati di fabbisogno e produzione riportati in ordinata sono espressi in kWh.

Indicazioni per una corretta installazione e manutenzione

Affinché gli impianti solari termici operino al meglio, è necessario avere cura della loro corretta installazione e manutenzione. Infatti, nella maggior parte dei casi, i malfunzionamenti degli impianti sono legati ad una scarsa attenzione in fase di progettazione o a errori in fase di montaggio.

Di seguito riportiamo alcuni utili accorgimenti in fase progettuale, seguiti da indicazioni per una corretta manutenzione.

Limitazione delle perdite di fluido termovettore

Le perdite del fluido termovettore rappresentano una delle cause più frequenti di malfunzionamento di un impianto solare. Queste perdite possono dipendere da uno o più dei seguenti fattori: errori di saldatura nelle giunzioni, scelta di pompe, valvole o altri componenti che non garantiscono una resistenza adeguata alle alte temperature (durante il giorno si possono raggiungere anche i 90° C) o in presenza di fluidi contenenti glicole.

Occorre inoltre che l’impianto sia dotato di valvole di sfiato idonee. Le valvole di sfiato servono per espellere le bolle d’aria eventualmente presenti nel circuito in cui scorre il fluido termovettore. Queste valvole pertanto sono sempre aperte nella fase di riempimento dell’impianto, mentre durante l’esercizio devono essere chiuse, per impedire che il fluido fuoriesca, ad esempio a seguito di fenomeni di stagnazione. Per questa ragione tali valvole devono essere di tipo meccanico, oppure devono essere di tipo automatico ma dotate a monte di una valvola di intercettazione della loro posizione.

Corretto dimensionamento della valvola di espansione

La valvola di espansione è l’elemento di impianto deputato a compensare le dilatazioni del fluido termovettore all’aumento di temperatura e anche ad accogliere il vapore che si forma in fase di stagnazione, favorendo il raffreddamento del circuito. Un sottodimensionamento della valvola può portare ad un aumento della pressione nel circuito e all’apertura della valvola di sfiato, con il rischio di una fuoriuscita del fluido.

Oltre a dover essere dimensionato correttamente, quindi, il fluido deve anche essere posto in un luogo distante dai punti più caldi dell’impianto, per evitare stress termici che potrebbero danneggiarlo.

Protezione delle tubazioni esterne

Le tubazioni esterne che collegano i diversi elementi di un impianto solare termico devono essere rivestite di alluminio, in modo da proteggerle dagli attacchi degli uccelli e dei roditori. Così è possibile evitare il danneggiamento dell’isolante delle tubazioni, il quale perderebbe le sue proprietà se esposto alla pioggia.

La manutenzione dell’impianto

Per poter lavorare al meglio, l’impianto solare termico deve essere correttamente mantenuto. Tipicamente l’impianto non è complesso, specie se è a circolazione naturale, pertanto la manutenzione si focalizza sul controllo di alcuni suoi parametri di lavoro.

Di questi, alcuni parametri possono essere controllati direttamente dal proprietario. Ad esempio, è possibile controllare visivamente i pannelli solari termici, per individuare eventuali deformazioni della piastra assorbente, che comportano un calo di efficienza del sistema, oppure per visualizzare una formazione importante di condensa, dovuta ad una rottura del sigillante.

Per quanto riguarda la condensa, si presti comunque attenzione che questa in piccole quantità può essere presente, soprattutto nelle prime ore del mattino, per via della presenza di piccoli fori nel telaio pensati proprio per favorire l’espulsione dell’umidità eventualmente presente nel pannello.

Con riferimento al vetro del pannello, si può verificare che questo sia integro e, nei casi in cui sia sporco, si può pulirlo in maniera analoga a come si fa per qualsiasi superficie di vetro. Al proposito, si tenga comunque conto che il vetro viene tipicamente lavato dalle piogge (a meno che non siano piogge che portano sabbia), ragion per cui gli interventi di pulizia possono essere effettuati con una frequenza ridotta.

Un ultimo elemento di cui prestare attenzione è il controllo dei tratti di raccordo delle tubazioni, delle valvole, delle saldature e del sigillante della pompa, specie se il pannello è andato in stagnazione (può capitare in particolare d’estate).

Oltre a queste ispezioni visive, è consigliato rivolgersi a dei tecnici che effettuino dei controlli periodici, meglio se annuali, su alcuni parametri e componenti di impiano. In particolare, i controlli dovrebbero interessare:

– la portata del fluido termovettore, che deve corrispondere a quella indicata nel progetto, mentre dei valori inferiori potrebbero essere dovuti alla formazione di callcare o alla presenza di altre ostruzioni;

– la verifica dell’assenza di aria nel circuito, che può essere individuata per via di rumori nelle tubazioni e che può essere allontanata aprendo le valvole di sfiato;

– la verifica dell’integrità di componenti quali la membrana del vaso di espansione, le valvole di sfiato e le valvole di sicurezza;

– la verifica della pressione nel circuito in cui scorre il fluido termovettore, che deve essere uguale a quella di progetto e di cui valori inferiori possono indicare danneggiamenti nella tenuta del circuito primario;

– la verifica della composizione e dell’acidicità del fluido termovettore, nel caso, oggi frequente, in cui questo sia costituito da acqua e glicole, per controllare che non ne sia evaporata una parte, specie a seguito di stagnazione;.

Il costo annuo della manutenzione tipicamente è pari a circa l’1%-2% dei costi di impianto.

Ritorno economico dell'investimento

Come abbiamo indicato nell’introduzione, un impianto solare termico si ripaga in circa 7-12 anni.

Il caso peggiore si ha per impianti molto costosi e famiglie che hanno un fabbisogno di energia termica molto limitato.

Nel presente box, faremo proprio questa ipotesi di lavoro, che ci porterà ad un tempo di ritorno dell’investimento di 12 anni. Inoltre si è ipotizzato un risparmio nel riscaldamento per i consumi annuali di acqua calda sanitaria pari al 56%.

Si tenga dunque conto che impianti meno costosi e risparmi più importanti sul consumo di gas naturale per la produzione di acqua calda sanitaria permettono di rientrare dall’investimento ben prima.

Fabbisogno ACS
Mese Fabbisogno (kWh) Risparmio (%) Risparmio (kWh) Risparmio (m3) Prezzo gas (€/m3) Risparmio (€)
gennaio 135,2
febbraio 122,1
marzo 135,2
aprile 130,8
maggio 135,2
giugno 148,3
luglio 180,2
agosto 180,2
settembre 130,8
ottobre 135,2
novembre 130,8
dicembre 135,2
Totale 1699,2 0,56 951,552 98,10 0,79 77,50

La tabella soprastante mostra dapprima il fabbisogno di acqua calda sanitaria domestico per la famiglia in esame. Tale fabbisogno è espresso in kWh ed è ottenuto moltiplicando la massa d’acqua consumata, per il calore specifico dell’acqua e per la differenza di temperatura fra l’acqua prelevata dalla rete idrica e la temperatura dell’acqua calda sanitaria. L’ipotesi relativa all’acqua consumata è di 150 l per tutto l’anno, fatta eccezione per giugno, in cui il consumo è di 170 l, luglio e agosto, in cui il consumo è di 200 l.

La seconda tabella riporta il ritorno economico dell’investimento, ipotizzando anche delle spese di manutenzione annue pari a 40 euro. Oltre al risparmio di energia, si tengono in considerazione anche le detrazioni fiscali del 65%.

SOLARE TERMICO
ANNO Spesa Impianto Spese Annue (€) Detrazioni 65% (€) Risparmio Gas (€) Risparmio Cumulato (€) Risparmio Cumulato Netto (€)
0 2500 40 162,50 77,50 200,00 -2340,00
1 40 162,50 77,50 400,00 -2100,00
2 40 162,50 77,50 600,00 -1900,00
3 40 162,50 77,50 800,00 -1700,00
4 40 162,50 77,50 1000,00 -1500,00
5 40 162,50 77,50 1200,00 -1300,00
6 40 162,50 77,50 1400,00 -1100,00
7 40 162,50 77,50 1600,00 -900,00
8 40 162,50 77,50 1800,00 -700,00
9 40 162,50 77,50 2000,00 -500,00
10 40 162,50 77,50 2200,00 -300,00
11 40 162,50 77,50 2400,00 -100,00
12 40 162,50 77,50 2600,00 100,00
13 40 162,50 77,50 2800,00 300,00
14 40 162,50 77,50 3000,00 500,00
15 40 162,50 77,50 3200,00 700,00
16 40 162,50 77,50 3400,00 900,00
17 40 162,50 77,50 3600,00 1100,00
18 40 162,50 77,50 3800,00 1300,00
19 40 162,50 77,50 4000,00 1500,00
20 40 162,50 77,50 4200,00 1700,00

In alternativa alle detrazioni fiscali, un impianto solare termico può beneficiare degli incentivi del Conto Termico, il quale tipicamente è di entità inferiore, ma ha il vantaggio di essere erogato sul conto corrente del proprietario in soli due anni, a differenza dei dieci anni richiesti per beneficiare di tutte le detrazioni fiscali.

Riferimenti utili

– T. Pauschinger et al (Ambiente Italia), “Impianti solari termici – Manuale per la progettazione e costruzione”, 2003;

– QualEnergia.it, Speciale Tecnico “Breve guida al solare termico residenziale”, 5 aprile 2011;