Collettori solari

Prof.ssa Matilde Pietrafesa

Università MediterraneaReggio Calabria

Dipartimento DIIES dell’Informazione, delle Infrastrutture

e dell’Energia Sostenibile

04/04/2016 1

Riscaldamento edifici

Produzione acqua calda sanitaria

Produzione energia

elettrica

Generazione distribuitaEnergia solare in edilizia

Raffrescamento edifici

Impianto a collettori solari

Viene utilizzato per produrre acqua calda a temperatura chepuò raggiungere 80°C

Le parti che lo compongonosono essenzialmente tre:

• Il collettore solare: trasferisce il calore dalla luce solare all'acqua

• Il serbatoio: per contenere l'acqua

• La pompa: per la circolazione dell'acqua.

serbatoio

pannello solare

pompa

Collettore solare

È formato da:• una lastra nera (in rame, in acciaio)• un sistema di tubazioni• una superficie di vetro• un involucro isolato

lastra

vetro

involucro

tubazioni

Componenti del collettore solare piano

Elevato isolamento termico

Elevato assorbimento a (PIASTRA)

Elevata trasparenza t (COPERTURA)

REQUISITI

Assorbitore: ha la funzione di captare l’energia solare e trasferirla sotto forma di energia termica al fluido che circola all’internoCopertura trasparente: permette il passaggio della radiazione solare, ma è opaca alla radiazione emessa dalla piastra assorbente (con lunghezze d’onda > 3 μm)Isolante: limita le dispersioni termicheTelaio: racchiude i componenti del collettore solare e costituisce la struttura di supporto

Il Collettore a tubi evacuati

Qualche altra immagine ….

La risorsa solare: bilanci annuali

Posizionamento dei collettoriBisogna evitare l’ombreggiamento

reciproco fra i collettori

L’angolo di inclinazione alle nostre

latitudini assume i valori:

Equazione di bilancio energetico

In = radiazione solare incidente

Ac = superficie utile del collettore

τ = coeff di trasmissione della copertura

Perdite per convezione

Perdite per irraggiamento

Radiazione riflessa

Radiazione diffusa

Perdite per conduzione

Acqua calda

Acqua fredda

= coefficiente di assorbimento della piastra

qut = calore trasferito al fluido termovettore

qp = calore disperso verso l’ambiente

Equazione di bilancio

Radiazione incidente

Efficienza e potenza dispersa

Efficienza del collettore solare: rapporto fra il calore utile

trasferito al fluido ed il flusso solare totale disponibile :

Potenza termica dispersa dal collettore (per convezione,

conduzione e irraggiamento):

tc : temperatura media del collettore

ta : temperatura ambiente

UL : coefficiente di perdita globale

Potenza utile

Dal bilancio energetico del collettore determiniamo

l’espressione del calore utile trasferito al fluido:

Si può riscrivere l’efficienza del collettore:

Efficienza

tmf = temperatura media del fluidoη0, k1 e k2 sono riportati nellascheda tecnica

η

ESTATEIsol = 800 ta = 30°C

tmf = 70°C

Isol = 500 ta = 10°C

tmf = 60°C

η = 0.6

η = 0.35INVERNO

2

n

amf2

n

amf1oc

I

ttk

I

ttk

05.0800

3070

I

tt

sol

amf

1.0500

1060

I

tt

sol

amf

I costruttori forniscono l’efficienza nella forma:

Confronto delle prestazioni 2

n

amf2

n

amf1oc

I

ttk

I

ttk

η0 k1

Temperatura aria: 30 °C

Irraggiamento: 800 W/m2

Temperatura aria: 20 °C

Irraggiamento: 500 W/m2

Confronto delle prestazioni in diverse condizioni climatiche

Esempio di scheda tecnica

Valori di default (UNI 11300/4)

Altri componenti di impiantoSerbatoio di accumulo: immagazzinal’acqua riscaldata dall’energia solare perutilizzarla al bisogno.E’ isolato con spessori di 50-80 mm.Ha dimensioni pari a 50-100 litri/m2 disuperficie captante.

Pompa: consente la circolazione nel circuito primario. La portata d’acqua è 50-80 l/h m2 di superficie captante

Fluido : miscela acqua-glicole (circa 10-20% in volume)con funzioni antigelo.

Schema di impiantoL'acqua riscaldata dal pannello riscalda, attraverso unoscambiatore di calore, l'acqua da utilizzare per scopi sanitari,contenuta nel serbatoio.Dal serbatoio partono due circuiti idraulici separati: quello perscopi sanitari e quello per il riscaldamento.

Se l’acqua accumulata nel

serbatoio (parte alta, dove

avviene il prelievo)

ha una temperatura inferiore a

quella desiderata, si attiva un

sistema ausiliario (caldaia,

resistenza elettrica) per

raggiungere tale temperatura.

Circolazione naturale/forzata

In un impianto a circolazione forzata il circuito primario

contiene una serie di dispositivi di sicurezza e controllo.

Gli impianti a circolazione naturale sono molto più semplici

ed economici, ma il serbatoio deve essere posizionato più in

alto dei collettori per consentire la circolazione

Convezione naturale

Collegamento dei collettori

Possono essere collegati in serie,

ma in numero ridotto, per non

avere portate troppo elevate

attraverso il singolo collettore e

perdite di carico eccessive.

Collegamento

serie/parallelo

Pannelli radianti

L’impianto può essere efficacemente utilizzatoaccoppiandolo con dei pannelli radianti per il riscaldamentoambiente, che necessitano di acqua calda a bassatemperatura.

Produzione di acqua calda sanitaria

Fabbisogno quotidiano procapite di acqua calda: 60 litriTemperatura acqua calda: 50°CEnergia necessaria: 2,5 kWhIn un anno: 800 kWhInsolazione media (sud Italia): 1863 kWh/m2annoEfficienza collettore: 60%Produzione: 1120 kWh/m2anno

1m2 copre più del fabbisogno annuo di acqua calda di una persona

Costo dell’impianto circa 1000 €/m2

Dimensionamento della superficie captante

E’ funzione dell’irraggiamento solare del luogo e del fabbisogno termico

Per effettuarlo ci si basa su esigenze di:

• soddisfacimento del carico

• minimizzazione del costo di gestione

e di ammortamento dell’impianto

Metodo F-ChartConsente di determinare l’aliquota mensile f di fabbisogno (E)soddisfatta dall’impianto solare in funzione di due parametri X ed Y,indicativi rispettivamente delle perdite e degli apporti di calore sulcollettore:

• A è un fattore di qualità del collettore e dello scambiatore di calore;

• S è la superficie captante al netto dell’intelaiatura e dei supporti [m2]

• U è la trasmittanza del collettore [W/m2°C];

• ta è la temperatura dell’aria [°C];

• τα è il prodotto tra i coefficienti di trasmissione ed assorbimento;

• Iβ è la radiazione solare media mensile incidente [Wh/m2day]

Fabbisogno di energia per il riscaldamento

Il fabbisogno mensile di energia per il riscaldamento dell’acqua sanitaria è dato da:

E = (Cp l p ΔT ng)/860 [kWh]

• Cp è il calore specifico dell’acqua (1 kcal/kg°C)

• l è il consumo d’acqua per famiglia al giorno (l/famiglia)

• p è il numero di persone

• ΔT è il salto termico tra l’acqua calda e l’acqua di rete

• ng è il numero dei giorni del mese

Frazione solare mensile

Il suo valore può essere anche ottenuto per via analitica:

La frazione solare mensile è quindi individuata in funzione di X ed Y utilizzando appositi diagrammi:

Grado di copertura annualeA partire dalla frazione mensile coperta dal sistemasolare si può calcolare il grado di copertura annuale(rapporto tra l’energia fornita annualmente dal sistemasolare e il fabbisogno complessivo annuale dell’edificio)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80

f an

n

superficie (m2)

Determinazione della superficie ottimale

Il costo dell’impianto integrato (convenzionale + solare) varia al variare della superficie dei collettori. Al suo crescere:

a) aumenta il costo dei pannelli

b) diminuisce il costo del combustibile dell’impianto ausiliario.

Esiste una superficie che rende minimo il costo complessivo dell’impianto.

Esempio di determinazione della superficie ottimale

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

0 50 100 150 200 250 300 350

Net

Pre

sen

t C

ost

NP

C (

€)

Superficie (m2)

Impianto ad integrazione Impianto tradizionale

Solar cooling

L’energia termica serve alla produzione delfreddo, utilizzando cicli frigoriferi adassorbimento.

Attualmente questa tecnologia è in commercio solo con sistemi centralizzati che forniscono aria condizionata e/o acqua refrigerata ad un intero edificio o a vaste zone di esso.

Sistemi di piccola taglia (2-4 kW) utilizzabili per la climatizzazione di singoli ambienti, non sono ancora disponibili sul mercato

Diffusione della tecnologia

Esempio di profili annuali

Esempio di profili giornalieri

Riscaldamento

Raffrescamento

Radiazione solare

Coerenza tra fabbisogno e soleggiamento

Pannelli solari

sottovuoto

Collettore solare

Serbatoio accumulo Macchina ad

ASSORBIMENTO

Condizionatori

Torre

evaporativa

Solar cooling:schema semplificato

Per l’alimentazione sono necessarie

temperature dell’ordine degli 80-90°C

Un calcolo di massimaCollettori solari

Serbatoio accumulo Macchina ad

ASSORBIMENTO

Condizionatori

Torre

evaporativa

Pannello solare : S = 2 m2

Efficienza : η = 0.6

COP assorb. : COP = 0.7

Irraggiamento I = 800 W/m2

frigQ I S COP 670 W

S

I

η

Qfrig