Appunti di Progetto degli impianti tecnici degli edifici

SOLAR THERMAL SYSTEMS

Il solare termico è in uso nelle varie parti del mondo in maniera diversa. In Europa ha comportato un sforzo industriale significativo fino al 2010-2012, poi la quota di mercato si è ridotta molto, i solari termici oggi nel mondo si usano soprattutto in Cina, per la produzione di ACS; l'Europa rappresenta una fetta <10% del mercato mondiale. È possibile che la tecnologia torni in voga nei prossimi decenni.

Nel civile vengono usati soprattutto per la produzione di ACS, in maniera meno importante per la produzione di calore.

Nel mondo il solare termico non ha una potenza installata significativamente minore rispetto al fotovoltaico.

Ci sono anche impianti solari termici usati per la produzione di potenza, ovvero per attivare cicli per produrre energia termica, in tal caso si tratta di tecnologie differenti. Noi ci riferiamo a sistemi utili per il settore civile, a temperature molto diverse rispetto a quelle per la produzione di potenza.

Dal 2011

ad oggi il tasso di crescita del solare termico è andato degradando negli anni, a differenza del fotovoltaico e dell'eolico, anche se la presenza del solare termico resta significativa. Con l'aumento del mercato su larga scala c'è stata una riduzione di prezzi sul fotovoltaico enorme, facendo perdere posti al solare termico. Non è da escludere una crescita del solare termico su impianti centralizzati. In questa direzione va il fatto che impianti solari termici di grandi dimensioni, con produzione industriale diversa per le dimensioni più importanti, restano una tecnologia che può avere applicazione nel futuro perché il costo resta assolutamente competitivo rispetto alle altre tecnologie. L'impianto solare termico può servire anche un'intera rete di teleriscaldamento scaldando un'intera città (esempio applicativo in Cina, con 35000 mq di pannello solare). La domanda di energia degli edifici non ènecessariamente in fase con il Sole, bisogna accumulare, mal'accumulo di energia elettrica costa di più dell'accumulo di energia termica, c'è quindi un costo maggiore. Se sulla villetta il costo specifico può indurre a fare una scelta diversa, nella centralizzazione da condominio a impianto il teleriscaldamento con solare termico ha una propria dignità. Moduli: 12 o 15 mq, collegati in serie o in parallelo. Un'altra questione riguarda le aree densamente abitate, dove c'è competizione sulle superfici disponibili. Quindi si parla di sistema PVT, sistemi che inglobano fotovoltaico e solare termico. Garantiscono produzione di energia termica a temperature non troppo elevate (le celle ad alta efficienza devono essere raffreddate). Da qui deriva il fatto che esiste la possibilità di avere collettori che producono contemporaneamente energia termica ed elettrica. Sul mercato non ci sono molti prodotti a disposizione. Possono essereraffreddati sia ad acqua, sia ad aria; nel secondo caso c'è maggiore complessità ma possono diventare elementi architettonici di facciata. Il mercato mondiale è distribuito per classi di tecnologie, ci sono collettori che usano come fluido termovettore un componente dove viene trasformata in energia termica la radiazione solare, è collegato ad un circuito. Il fluido può essere a base acqua o a base aria, non molto usati. Nel civile non si usano quelli a base aria perché in Europa quasi tutti gli impianti sono idronici: portiamo acqua negli edifici. In Australia gli impianti idronici non esistono, ci sono macchine che fanno riscaldamento dell'aria. I collettori ad aria sono tendenzialmente applicazioni industriali (essiccatura dei chicchi di caffè mediante aria calda). La radiazione solare viene assorbita dal collettore, che scalda il fluido termovettore; se voglio aumentare l'efficienza devo fare in maniera che il fluido non

Disperda velocemente. I collettori nonvetrati sono non protetti, quindi sono usati per lavorare su temperature basse; negli USA vengono usati per riscaldare l'acqua delle piscine poiché anche se il collettore non vetrato dovesse disperdere energia termica non è un problema perché il livello di temperatura della piscina è molto basso. I collettori non vetrati non possono essere usati per livelli di temperatura elevati. Siccome le dispersioni sono UA∆T tutto dipende dalla differenza di temperatura, quindi non posso usare i collettori non vetrati per climi rigidi.

Un'altra tipologia è quella dei collettori piani e quella dei collettori a tubi evacuati. I tubi evacuati sono un'evoluzione dei collettori piani, il vantaggio sta nel fatto che all'interno del volume (tubo di vetro) non ho aria e c'è l'assorbitore della radiazione solare. In un collettore piano ho aria all'interno della cassa contenente l'assorbitore.

Togliendo l'aria diminuisce l'H convettivo e quindi ho meno dispersioni. I collettori a tubi evacuati sono il 70% del mercato mondiale perché i cinesi hanno puntato molto su questa tecnologia. In Europa si usano soprattutto collettori piani, ma l'Europa rappresenta pochissimo rispetto al mercato globale. Solar Heat Worldwide: rapporto sul tasso di crescita e sulla capacità installata. Illustra che la crescita si è saturata intorno al 2015. Tranne che per applicazioni particolari, con condizioni regolatorie diverse (ci sono Paesi come Cipro, Israele, Turchia che impongono l'installazione di solare termico per la produzione di ACS) il solare termico sta perdendo nel campo della produzione di energia elettrica. Ma questo non vale per impianti di grandi dimensioni. Il dato si muove, è in crescita nel mondo. Quando parliamo di grandi impianti parliamo di impianti sopra i 1000 mq, che servono comunità di centinaia di persone. In Paesi come laDanimarca esistono molte reti di teleriscaldamento alimentate da solare termico. Il principio si basa sul riscaldamento in estate per poi usare energia termica durante l'inverno. Questi impianti hanno una dignità in aree con bassa densità abitativa, a Milano sarebbe troppo difficile trovare 35000 mq per l'installazione dell'impianto. La Cina è il Paese con la capacità installata maggiore, il secondo Paese sono gli USA, dove si trovano quasi solo collettori non vetrati (per scaldare le piscine e non nel civile). Per avere un dato corretto bisognerebbe valutare l'installazione pro capite e non quella assoluta sul territorio. A tal proposito si osserva la market penetration (penetrazione nel mercato). La riduzione di emissione di CO2 è direttamente proporzionale alla potenza installata e si valuta in milioni di tonnellate (sotto alle 20 in Europa). Il collettore solare converte la radiazione elettromagnetica in energia termica. Il SoleÈ un corpo nero, come modello fisico, ovvero è un assorbitore ideale ed emette in funzione della sua temperatura assoluta, con una distribuzione sulle lunghezze d'onda data dalla legge di Planck, che contiene la temperatura del corpo nero. Avendo misurato la radiazione che arriva sulla Terra, facendo un conto a ritroso, si ottiene la temperatura del Sole (5777 K). Se ci mettessimo sulla congiungente Sole-Terra con uno strumento di misura sulla superficie esterna dell'atmosfera, misureremmo per ogni mq di superficie dell'atmosfera una radiazione massima di 1367 W. Questo valore è definito costante solare. La costante solare serve a calcolare quanta radiazione possiamo sfruttare. Se mi metto nella condizione migliore sulla superficie esterna dell'atmosfera, raccoglierei 1367 W per ogni mq di superficie ricevente. Il volume in cui si racchiude il Sole non è omogeneo, ha densità eterogenee, temperature diverse. Può essere diviso in zone (nucleo,che è ¼ del raggio; delle fasce concentriche che hanno a loro volta deilivelli di temperatura, di densità e si muovono in maniera diversa). Complessivamente irradia un numero di TeraWATT di energia enorme sottoforma di radiazione elettromagnetica, con temperature tra gli 8 e i 4 milioni di K. Emette nell'universo come un corpo nero con temperatura equivalente di 5777 K. È un modello semplificato ma sufficiente ai fini dei nostri conti ingegneristici. Per dimensionare una caldaia devo calcolare le dispersioni nelle condizioni di giorno di progetto per determinare la potenza necessaria (del generatore) per tenere bilanciato l'edificio. Per un solare termico non si può fare questo calcolo, per cui si fa sempre un calcolo sull'energia e non sulla potenza, ovvero la quota parte del fabbisogno annuale che deve essere coperta dall'impianto. Questo meccanismo si usa per dimensionare anche gli elementi capacitivi dell'impianto, ovvero il

serbatoio.Il conto si basa su un’analisi ora per ora sull’anno.Il normogramma che serve per dimensionare l’acs in Italia è dedotto da simulazioni fatte ora per ora.La radiazione solare è una radiazione elettromagnetica emessa dal Sole, ha una densità media fuoridall’atmosfera di 1367 W/mq, che varia di pochi punti percentuali. Se trovassi questa densità sullaTerra il conto sarebbe facile, ma non è così (condizioni di cielo coperto, cielo sereno, bisogna tenere inconsiderazione molte cose e difficilmente si arriva a più di 1000 W/mq).L’integrale della densità media è la curva di distribuzione della radiazione solare, simile a quella dicorpo nero. La distribuzione delle energie sulla lunghezza d’onda è peculiare, ci sono intervalli dilunghezze d’onda in cui la radiazione è inferiore. In arancione è rappresentato quello che arriva aTerra,

nell'attraversamento dell'atmosfera succede qualcosa per cui ci sono sacche di riduzione del quantitativo spettrale di potenza non omogenee. Questo ha un impatto anche sulla distribuzione per fase. I due fenomeni che influenzano il passaggio della radiazione dalla superficie esterna dell'atmosfera fino alla superficie terrestre sono:

• Assorbimento
• Scattering

Sono due fenomeni diversi ma sono entrambi responsabili della riduzione di potenza che percepisco misurando la radiazione sulla superficie terrestre.

Lo scattering è un reindirizzamento della radiazione, come una riflessione in tante direzioni. Può essere sia omogeneo (se la radiazione viene riflessa con la stessa intensità in tutte le direzioni) sia non omogeneo (se viene riflesso con moduli diversi in direzioni diverse). Questo dipende dalle interazioni con le particelle presenti nell'atmosfera (molecole d'acqua, particolato atmosferico).

Il fenomeno di assorbimento da parte

di CO2 presente nell'atmosfera. Questa concentrazione limite è nota come "concentrazione di CO2 di equilibrio" e rappresenta il punto in cui la terra è in grado di riemettere la radiazione solare in modo efficace. L'ozono (O3) è un altro componente importante dell'atmosfera che svolge un ruolo fondamentale nella protezione della vita sulla terra. L'ozono si trova principalmente nella stratosfera e agisce come uno schermo protettivo contro i raggi ultravioletti dannosi del sole. Senza l'ozono, la vita sulla terra sarebbe esposta a livelli pericolosi di radiazione UV. Il vapore d'acqua (H2O) è un altro componente chiave dell'atmosfera. Il vapore d'acqua è responsabile della formazione delle nuvole e delle precipitazioni. Inoltre, il vapore d'acqua svolge un ruolo importante nel bilancio energetico della terra, poiché assorbe e rilascia calore durante il processo di evaporazione e condensazione. In conclusione, l'atmosfera terrestre è composta da una varietà di componenti, tra cui l'ozono, il vapore d'acqua e la CO2. Questi componenti svolgono ruoli cruciali nel mantenimento delle condizioni adatte alla vita sulla terra.