solare termico

Che cosa sono i sistemi a circolazione naturale

I sistemi a circolazione naturale sono la soluzione impiantistica più facile ed economica per produrre acqua calda sanitaria. Si tratta di impianti solari di piccole dimensioni (2-4 m²), realizzabili sia con pannelli piani vetrati sia con pannelli sottovuoto.

Spesso i sistemi a circolazione naturale vengono proposti in kit monoblocco, completi di collettori, serbatoio, struttura di sostegno e di tutti i raccordi idraulici e gli accessori per il montaggio.

Si possono installare su tetti, terrazze, giardini e richiedono poca manutenzione. Hanno buoni rendimenti in quasi tutti i climi; in Italia sono sconsigliati soltanto per applicazioni in zone montane e dal clima particolarmente rigido, oppure per impianti di una certa dimensione. In questi casi sono da preferire sistemi a circolazione forzata, diffusissimi nei paesi del Nord Europa.

Come funzionano

Il principio di funzionamento è molto semplice: quando il fluido contenuto all’interno dei collettori si scalda, diviene più leggero e sale di moto spontaneo verso il serbatoio d’accumulo.

Il fluido riscaldato può essere utilizzato direttamente dall’utenza (“circuito aperto”) oppure può essere limitato a circolare tra i collettori e il serbatoio (“circuito chiuso”). Nei sistemi a circuito chiuso, il serbatoio d’accumulo è dotato di uno scambiatore di calore interno: il calore accumulato dal fluido circolante nei pannelli viene così ceduto all’acqua contenuta nel serbatoio, che viene poi distribuita all’utenza finale.La maggior parte degli impianti, sia a circolazione naturale sia a circolazione forzata, sono a circuito chiuso, con il vantaggio di poter utilizzare fluidi antigelo e anticorrosivi.

 Schema semplificato di un sistema a circuito chiuso

Di norma gli impianti solari non vengono dimensionati per produrre in ogni stagione tutta l’acqua calda sanitaria di cui si ha bisogno.
La copertura assicurata dal solare termico può arrivare fino al 70-80% del fabbisogno annuo di acqua calda sanitaria e la quota rimanente deve essere prodotta con tecnologie convenzionali.

Configurazioni impiantistiche

Con caldaia istantanea

Il serbatoio del sistema solare è collegato con una caldaia istantanea, cioè priva di accumulo.

Se l’acqua in uscita dal serbatoio solare è inferiore alla temperatura impostata, un’apposita valvola deviatrice provvede a inviarla alla caldaia istantanea, che la riscalda istantaneamente prima di portarla all’utenza.

Se invece l’acqua riscaldata dai pannelli è sufficientemente calda, viene convogliata direttamente all’utenza transitando attraverso una valvola miscelatrice, che ha la funzione di miscelare l’acqua calda del serbatoio solare con l’acqua fredda dell’impianto idraulico.

Questo sistema assicura l’erogazione di acqua calda a temperatura costante (di norma 45°).


 Sistema a circolazione naturale con caldaia istantanea (fonte: www.ingegneriadelsole.it)

A Collettore solare E Valvola miscelatrice
B Serbatoio d’accumulo F Caldaia istantanea
C Sensore di temperatura G Utenza
D Valvola deviatrice H Ingresso acqua fredda

Senza caldaia istantanea

Una seconda soluzione può essere quella di non avere alcun collegamento tra il sistema solare e una caldaia istantanea di supporto.

In questo caso il serbatoio solare è collegato direttamente all’impianto di distribuzione dell’acqua.
E’ comunque consigliato dotare il serbatoio di accumulo di una resistenza elettrica (circa 1,5 kW per 200 litri di accumulo), per contribuire a riscaldare l’acqua in caso di sovrautilizzo e di insolazione scarsa o assente.


Sistema a circolazione naturale senza caldaia (fonte: www.nuovambz.it)

La resistenza si aziona quando l’acqua nel serbatoio non è alla temperatura richiesta dall’utenza. Anche in questo caso è presente una valvola miscelatrice, che provvede ad abbassare la temperatura dell’acqua se questa è troppo calda.
Si tratta di una soluzione consigliata solo qualora non si possieda una caldaia istantanea. Infatti un utilizzo eccessivo della resistenza elettrica rischierebbe di minimizzare i benefici economici e ambientali del sistema solare.
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Che cosa sono i sistemi a circolazione forzata

Diversamente dai sistemi a circolazione naturale, in quelli a circolazione forzata ilserbatoio di accumulo per l’acqua calda è separato dal pannello.

Si tratta di una scelta impiantistica più complessa e costosa rispetto ai sistemi a circolazione naturale. Questa soluzione è consigliata nei climi freddi (Nord Italia e zone montane), in particolare per impianti utilizzati per tutto l’anno e integrati con il riscaldamento domestico.

Inoltre, la circolazione forzata si rende necessaria in tutti gli impianti medio-grandi(di solito oltre i 6 m²) e in quei casi in cui non è possibile posizionare il serbatoio ad un’altezza maggiore dei pannelli. Possono essere utilizzati sia i pannelli piani vetrati sia quelli sottovuoto.

Come funzionano

Il fluido termovettore generalmente è costituito da una miscela di acqua e antigelo; riscaldato dall’energia solare catturata dal pannello, il fluido viene fatto circolare nell’impianto grazie ad una pompa elettrica. Il fluido riscaldato transita all’interno del serbatoio d’accumulo, attraverso una serpentina che, fungendo da scambiatore di calore, riscalda l’acqua contenuta nel serbatoio.

Di norma sono sistemi a circuito chiuso, in cui cioè il fluido termovettore è separato dal circuito idraulico che porta l’acqua all’utenza.

Sul mercato si trovano dei kit a circolazione forzata, completi di pannelli, serbatoio d’accumulo, centralina solare, pompa di circolazione, valvole e tutti gli altri accessori indispensabili per l’installazione e la messa in opera dell’impianto.



Schemi impiantistici

Con caldaia ausiliaria

La figura sottostante illustra schematicamente il funzionamento di un tipico sistema a circolazione forzata con collettori piani vetrati per la produzione di acqua calda sanitaria, integrato da una caldaia a gas ausiliaria. La caldaia ausiliaria è dotata di uno scambiatore di calore, collegato alla parte alta del serbatoio d’accumulo.

Qui è presente un termostato che rileva la temperatura dell’acqua nel serbatoio: se questa è inferiore a quella impostata, entra in funzione la caldaia che provvede a fornire il calore mancante.

Come si può notare, è presente una centralina termica di controllo, che controlla il flusso e regola l’attivazione e lo spegnimento della pompa di circolazione. La centralina è collegata a due sonde, che misurano la temperatura del fluido presso i pannelli e presso il serbatoio.

Se la differenza tra le due temperature supera una certa soglia impostata (di solito 10 °C), si attiva la pompa di circolazione, che provvede a far circolare il fluido termovettore, che riscalda l’acqua del serbatoio. Questa, per i sistemi a circolazione forzata, è la tipologia impiantistica più diffusa.

Le altre possibili soluzioni differiscono soltanto per il modo in cui viene integrato il dispositivo ausiliario di produzione del calore. Ad esempio, la caldaia integrativa può anche essere priva di scambiatore di calore con il serbatoio d’accumulo.

In questo caso la caldaia deve essere di tipo istantaneo: quando l’acqua in uscita dal serbatoio d’accumulo è a temperatura inferiore a quella richiesta (di norma 45 °C), grazie a una valvola deviatrice viene inviata nella caldaia che provvede istantaneamente a riscaldarla e a portarla all’utenza.

Se invece l’acqua è ad una temperatura sufficientemente alta, viene inviata direttamente all’utenza transitando attraverso una valvola che miscela acqua calda e fredda, assicurando all’utenza l’erogazione di acqua a temperatura costante.


 Impianto a circolazione forzata con caldaia istantanea (fonte: www.ingegneriadelsole.it)
A Collettore solare F Valvola miscelatrice
B Pompa G Caldaia immediata
C Serbatoio d’accumulo H Scambiatore
D Sonda I Utenza
E Valvola deviatrice L ingresso acqua fredda

Impianti a svuotamento o drain back

Esiste un’altra tipologia di impianti a circolazione forzata: gli impianti “a svuotamento” o drain-back, diffusi soprattutto nel nord Europa. Questi sistemi sono nati per evitare nella stagione invernale pericoli di congelamento del fluido termovettore all’interno dei collettori, scongiurandone il rischio di rottura.

Alle nostre latitudini, i sistemi a svuotamento risultano particolarmente utili nella stagione estiva. Può accadere infatti che a causa delle alte temperature esterne e di un sottoutilizzo dell’impianto, si verifichi il fenomeno della stagnazione. Questo problema si presenta quando il pannello non riesce più a cedere calore al serbatoio di accumulo, all’interno del quale per motivi di sicurezza l’acqua non può superare la temperatura limite di 90°.

La stagnazione può portare il fluido termovettore a raggiungere temperature superiori anche ai 150°, che danneggiano le proprietà antigelo del fluido termovettore, trasformandolo in un fluido corrosivo in grado di creare problemi a tutte le componenti dell’impianto.


Sistema a circolazione forzata a svuotamento o drain back (fonte www.accomandita.com)

I sistemi a svuotamento, del tutto simili a normali impianti a circolazione forzata, prevedono la presenza aggiuntiva di un serbatoio di recupero. Quando la temperatura nel collettore supera la soglia di sicurezza, il sistema provvede, a impianto fermo, a svuotare i tubi e i collettori, riversando il fluido termovettore nel serbatoio di recupero. Quando le temperature nel serbatoio d’accumulo ritornano nella norma, la pompa di circolazione si riattiva e il fluido termovettore viene reimmesso nel circuito.

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Sistemi per la produzione combinata di acqua calda sanitaria + riscaldamento

Un impianto solare termico a circolazione forzata può essere opportunamente progettato e dimensionato per produrre insieme acqua calda per usi sanitari e acqua calda per il riscaldamento degli ambienti.

L’aspetto più problematico degli impianti solari combinati è che necessitano di molta radiazione solare proprio nella stagione di minore disponibilità (l’inverno), mentre d’estate quando la radiazione è abbondante, non vi è più alcuna necessità di riscaldamento dell’edificio. La richiesta di acqua calda sanitaria, invece, risulta costante nel corso di tutte le stagioni.

Gli impianti solari combinati riescono a dare un buon apporto al fabbisogno di riscaldamento soprattutto nelle stagioni intermedie, nei mesi di settembre-ottobre e di marzo-aprile, ma anche nelle giornate invernali soleggiate.

In media, gli impianti combinati riescono a coprire il 15-40% del fabbisogno annuo di energia per il riscaldamento, mentre la quota restante deve essere fornita da un impianto termico ausiliario (caldaia, pompa di calore, ecc.). La percentuale coperta dal sistema solare potrebbe anche essere maggiore rispetto al 40%, ma di norma questo non viene realizzato per problemi di sovradimensionamento: infatti nella stagione estiva, con a disposizione una grande superficie di collettori ma senza necessità di riscaldamento degli ambienti, gran parte dell’acqua calda prodotta rimarrebbe inutilizzata.

Quando conviene installarlo

Ecco alcune condizioni di base indispensabili per poter installare un impianto solare combinato:

un elevato fabbisogno di riscaldamento, che vada almeno da ottobre ad aprile.

In caso contrario, un sottoutilizzo dell’impianto nella stagione invernale renderebbe questa soluzione poco conveniente. Per questo motivo, gli impianti combinati sono consigliati soprattutto nel nord Italia e nelle zone montane, anche del centro e del sud. In linea generale, si possono indicare come località ottimali per l’installazione di questo tipo di impianti quelle appartenenti alle zone climatiche E o F (vedi “Zone climatiche” nel menu di destra);

l’edificio deve essere termicamente ben isolato e dotato di una caldaia (o altro impianto termico) efficiente e ben regolata. 

Non avrebbe alcun senso, nè economico nè energetico, sovradimensionare l’impianto solare per compensare un isolamento o un impianto termico poco efficienti.

Requisiti per l’installazione

Bisogna tenere conto anche di alcuni requisiti tecnici e impiantistici:

• i pannelli consigliati per questo tipo di applicazione sono i vetrati selettivi oppure isottovuoto, entrambi particolarmente efficienti nei periodi più freddi. L’inclinazione dei pannelli deve rispondere alla necessità di catturare molta radiazione durante l’inverno, quando il sole è più basso sull’orizzonte.

L’inclinazione minima raccomandata è di 40°, anche se spesso viene consigliato un angolo di almeno 10° superiore a quello della latitudine locale. Secondo questa regola, i pannelli installati a Milano, città situata alla latitudine di 45°, dovrebbero avere un’inclinazione di circa 55°. L’inclinazione massima dei pannelli, alle latitudini italiane, difficilmente supera i 60-70°: per questa ragione gli impianti integrati in facciata, con collettori inclinati a 90°, hanno una certa diffusione solo nel nord Europa.

• il sistema di riscaldamento ottimale è quello a bassa temperatura, tipicamente a pannelli radianti (vedi “Pannelli radianti per il riscaldamento” nel menu di destra).

Questi sistemi lavorano a temperature di 30-40 °C, che sono all’incirca le stesse temperature prodotte da collettori efficienti durante i giorni invernali. Con alcuni impianti solari è possibile anche utilizzare i normali radiatori (vedi “Radiatori” nel menu di destra), ma con due accortezze: la temperatura dell’acqua di mandata e di ritorno non deve superare rispettivamente i 50 e i 30 °C. Inoltre l’edificio dev’essere ottimamente coibentato, per compensare la minore efficienza del sistema a termosifoni rispetto a quello a ai pannelli radianti.

• la superficie di pannelli solari negli impianti combinati è circa il doppio (per avere un’integrazione del 30% sul fabbisogno di riscaldamento) rispetto a quella necessaria per la sola produzione di acqua calda sanitaria.

Si consiglia di non sovradimensionare l’impianto, per evitare problemi di sovrapproduzione di acqua calda d’estate, con conseguenti pericoli di surriscaldamento e di stagnazione del fluido termovettore. I sistemi “a svuotamento” o drain-back (trattati brevemente in “Sistemi a circolazione forzata”) sono studiati proprio per scongiurare l’eventualità di dannosi fenomeni di surriscaldamento nell’impianto solare. In alternativa, per chi ha la fortuna di possedere una piscina all’aperto, un modo vantaggioso di sfruttare il calore in eccesso prodotto in estate è di collegare l’impianto solare alla piscina, per innalzarne la temperatura di qualche grado e prolungarne così il periodo di fruibilità (vedi anche “Il solare termico per piscine” nel menu di destra). Oppure si può anche pensare ad abbinare all’impianto solare una macchina frigorifera, per soddisfare le esigenze estive di raffrescamento (vedi anche “Solar cooling” nel menu di destra).

• il volume del serbatoio d’accumulo è di circa 700-1000 litri per un’abitazione unifamiliare, e quindi di dimensioni notevolmente maggiori rispetto ai serbatoi da 200-400 litri utilizzati per la produzione unicamente di acqua calda sanitaria.

• deve essere sempre presente una caldaia integrativa -meglio se a condensazione (vedi “Caldaie a condensazione”) o a biomasse (vedi “Impianti a biomasse dal legno”)- collegata al serbatoio d’accumulo. La caldaia provvede a integrare il fabbisogno di calore soprattutto nella stagione invernale, quando minore è l’efficienza dei collettori.

Poichè le caldaie a biomassa necessitano in ogni caso di un accumulo dell’acqua calda, il principale vantaggio impiantistico di questa configurazione risiede nella possibilità di utilizzare un unico serbatoio per la caldaia e per l’impianto solare. Nelle stagioni intermedie, con una minore richiesta di calore per il riscaldamento, la presenza dell’impianto solare migliora l’efficienza complessiva del sistema. Infatti la caldaia a biomassa evita di lavorare a basso regime con conseguenti cali di rendimento, e l’acqua calda per il riscaldamento può essere in buona parte fornita dall’impianto solare. Inoltre, nella stagione estiva, l’acqua calda sanitaria viene interamente prodotta dall’impianto solare, eliminando la necessità di ricorrere alla caldaia. Una variante impiantistica particolarmente interessante prevede l’abbinamento tra il sistema solare e una pompa di calore.

Come funziona

Dal punto di vista impiantistico, gli impianti solari combinati funzionano con lacircolazione forzata del fluido. Sono cioè dotati, oltre che dei pannelli, anche di una pompa di circolazione, di una centralina di controllo, di un serbatoio d’accumulo e di una caldaia ausiliaria.

Poichè l’impianto deve fornire acqua calda sanitaria e per il riscaldamento a temperature diverse, il serbatoio presenta caratteristiche diverse rispetto ai normali serbatoi solari. Si tratta di serbatoi d’accumulo formati in realtà da due serbatoi, uno dentro l’altro (serbatoio “Tank-in-Tank“). Uno, più piccolo, a forma di imbuto e posto nella parte superiore, contiene l’acqua calda sanitaria, mentre l’acqua per il riscaldamento si raccoglie nel serbatoio più grande.

All’interno del serbatoio il calore si stratifica in maniera spontanea: l’acqua calda tende a salire nella parte alta, mentre quella fredda rimane nella parte inferiore. L’impianto solare è collegato alla parte bassa del serbatoio, mentre il tubo di mandata della caldaia ausiliaria riscalda la parte alta del serbatoio: questo fa sì che il serbatoio funga da “tampone” per la caldaia.

In questo modo il bruciatore della caldaia, invece di spegnersi e accendersi ad ogni minima richiesta di calore, può scaldare la parte alta del serbatoio, che è la prima ad essere erogata, per poi spegnersi per un certo tempo. Questa soluzione impiantistica, schematizzata nella figura sottostante, non esaurisce lo spettro delle opzioni relative agli impianti combinati.

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L’applicazione più diffusa del solare termico in Italia è senza dubbio quella della singola utenza per acqua calda sanitaria. Nell’ambito di questo utilizzo del solare, molto frequente è la combinazione con una caldaia individuale alimentata a gas metano. Vediamo allora quali costi richiede e quali risparmi questa soluzione è in grado di generare per l’utente finale.

Il primo parametro da valutare è il costo dell’impianto solare, considerando il suo valore “chiavi in mano”, comprensivo quindi di tutti gli eventuali lavori accessori (come quelli di muratura), dell’installazione, del collaudo e del primo avviamento. Esiste chiaramente una grande variabilità di tale costo, legata innanzitutto alle condizioni preesistenti, come la necessità di effettuare i già citati interventi di muratura, il dover lavorare in altezza per l’installazione, ecc. Molto rilevante, inoltre, è anche la variabilità commerciale dovuta al diverso costo di singoli prodotti, a eventuali promozioni o “svendite”, ecc.

Per fissare dei valori con i quali effettuare dei calcoli, considereremo qui una forbice, valida per sistemi di piccola taglia, che va dagli 800 € per ogni metro quadrato di collettore solare installato fino a 1.200 €/m2 (iva inclusa). Eseguendo delle valutazioni su un impianto solare per utenza singola, quindi, con un superficie, ad esempio, di 4 m2, avremo un costo “chiavi in mano” compreso tra 3.200 € e 4.800 €.

A quali meccanismi di supporto economico potrebbe accedere un impianto di questo tipo?

Prima di tutto, sono ancora disponibili le buone vecchie detrazioni fiscali per gli interventi di efficienza energetica, che consentono di detrarre il 65% della spesa, spalmando il bonus sui 10 anni successivi all’installazione. In alternativa, il solare termico può usufruire anche delle detrazioni previste per le ristrutturazioni edilizie, pari al 50% della spesa affrontata e anch’esso diviso in dieci rate annuali di pari importo.

Le possibilità di detrazione, dopo la proroga inserita nella legge di Stabililità in fase di approvazione, dovrebbe restare valida fino al termine del 2015.

Un’opportunità più recente, poi, è quella del cosiddetto “Conto Termico”, strumento gestito oggi interamente dal GSE. Un impianto di questo tipo, cioè con una superficie captante inferiore a 50 m2, riceverebbe 170 €/m2 per ogni anno, su un periodo di 2 anni. Complessivamente, quindi, si tratta di 340 €/m2 che, applicati al nostro sistema di riferimento di 4 m2, diventerebbero 1.360 €. Il conto termico sarebbe allora in grado di coprire una quota dell’investimento che va dal 42% dello scenario di costo basso scendendo a meno del 30% per lo scenario di costo più elevato. Si tratta di percentuali decisamente inferiori a quelle ottenibili con le detrazioni fiscali, ma vale la pena sottolineare due differenze. Prima di tutto, questo incentivo viene corrisposto in un periodo più breve (2 anni invece dei 10 previsti dalle detrazioni) e, poi, è un sistema che prevede una reale remunerazione dell’utente finale e non un corrispettivo sotto forma di riduzione delle tasse.

Nel calcolo, comunque, non si terrà conto di queste due differenze, la cui valutazione viene lasciata alla discrezione dell’utente che, secondo la sua specifica situazione, deciderà quale scelta sia più adatta.

La tabella riassume, nei due scenari di costo ipotizzati, il costo di investimento netto ottenibile nel caso dei due differenti sistemi di incentivazione non considerando, come già segnalato, l’effetto dovuto al fatto che tali somme vengano corrisposte in un periodo più esteso.

Anche per quanto riguarda il risparmio, legato alla producibilità (output) dell’impianto, nonché ovviamente al costo del gas non consumato, si utilizzano tre scenari, localizzando l’ipotetica installazione a Milano, a Roma oppure a Palermo, ottenendo, tramite una simulazione con il software T*SOL, i risultati riportati in tabella.

Per quanto riguarda il costo del gas è stato valutato un consumo compreso tra i 200 e i 700 m3/anno, considerando anche le differenze regionali. Ne risulta un costo di 0,84 €/m3 in Lombardia, 0,93 €/m3 nel Lazio e 0,95 €/m3 in Sicilia (prezzi registrati da differenti gestori).

Il tempo di ritorno economico, calcolato in modo semplice senza tenere conto di eventuali effetti finanziari, deriva dal confronto tra le due tabelle sopra riportate.

La prima conclusione interessante è che tutti i valori, anche nei casi più sfavorevoli, sono inferiori ai 10 anni, mentre il tempo di vita utile solitamente considerato plausibile per un impianto solare di buona qualità è di almeno 20 anni. La seconda considerazione è che la detrazione fiscale, in valore assoluto, resta ancora la forma più interessante di supporto, anche se sarebbero da tenere in conto gli effetti finanziari della divisione del beneficio nei dieci anni successivi all’installazione.

La producibilità dell’impianto, infine, come d’altronde era da attendersi, gioca un ruolo fondamentale. In questa semplice simulazione, si è considerato solo l’effetto delle condizioni climatiche, ma non bisogna dimenticare la funzione essenziale legata alla qualità dell’impianto installato e, quindi, alla sua capacità di produrre una maggiore quantità di energia a parità di radiazione solare disponibile.