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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
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:
Temperatura aria: 30 °C
Irraggiamento: 800 W/m2
Temperatura aria: 20 °C
Irraggiamento: 500 W/m2
Confronto delle prestazioni in diverse condizioni climatiche
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
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
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