Il solare termico

di Gian Andrea Pagnoni
ultima modifica 26 febbraio 2015

Per "energia solare" si intende l'energia emessa dal Sole per effetto di reazioni nucleari (fusione dell'idrogeno in elio) che avvengono nel suo nucleo interno. Tale energia si propaga nello spazio sotto forma di radiazioni elettromagnetiche a diverse lunghezze d'onda (radio, microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X e raggi γ). La radiazione solare che raggiunge la parte esterna della atmosfera terrestre ha una potenza di 1.366,9 W/m2 ed è detta costante solare. Ma diversamente dalle applicazioni spaziali, che hanno a disposizione tutta la suddetta energia, nelle applicazioni terrestri la radiazione disponibile è inferiore in quanto intervengono fattori che globalmente determinano un effetto netto attenuativo: nell’attraversare l’atmosfera una frazione dei raggi solari viene assorbita o deviata (scattering). Le onde elettromagnetiche che superano l'atmosfera e raggiungono il suolo terrestre sono soprattutto quelle comprese tra l'infrarosso e l'ultravioletto, in cui si trova anche il visibile e si suddivide in diverse componenti:

1. radiazione solare diretta, ovvero quella costituita dai soli raggi che attraversano lo spessore atmosferico senza esserne perturbati, arriva al suolo dalla direzione in cui è posizionato il Sole nella volta celeste, e quindi cambia continuamente durante l’intervallo diurno;
2. radiazione solare diffusa, ovvero la frazione della radiazione solare che urta le molecole dell’atmosfera e, se non assorbita, è deviata in tutte le direzioni;
3. radiazione solare riflessa, ovvero quella parte di radiazione che ricevono gli oggetti vicino al suolo, una volta che i raggi vengono deviati da superfici riflettenti quali specchi d'acqua, terreni, rocce, ecc.

Una porzione di superficie terrestre di 60 km2 (circa 7,7 km di lato) riceve l'energia solare alla potenza elettrica prodotta da tutte le centrali elettriche italiane (poco più di 80.000 MW). Ma l'energia che raggiunge il suolo non è ugualmente distribuita sul pianeta, essa è maggiore in aree tropicali desertiche come gli Stati Uniti meridionali (attorno a 2500 kWh/m2/anno), si riduce all'equatore per l'elevata presenza di nubi (attorno a 2000 kWh/m2/anno) e si riduce ulteriormente andando verso i poli. L'Europa si attesta tra i 700 e i 1.900 kWh/m2/anno a seconda che si parli di Europa settentrionale o meridionale.
La situazione cambia notevolmente anche tra estate e inverno, infatti in luglio la radiazione solare che raggiunge il nord Europa (es. Irlanda, Gran Bretagna, Danimarca, ecc.) è di circa 4-5 kWh/m2/giorno, mentre nell'area mediterranea (Spagna, Italia, Grecia, ecc) è di 6-7 kWh/m2/giorno. Nelle stesse aree i valori di gennaio sono rispettivamente di 0,6 e 2 kWh/m2/giorno. Dato che 5 kWh sono l'energia sufficiente per una doccia calda abbondante, ne consegue che in Europa meridionale l'utilizzo in ambito domestico si può estendere a tutto l'anno, mentre in Europa settentrionale si limita al periodo estivo. Inoltre risulta evidente che le analisi energetiche, economiche e finanziarie variano molto a seconda del luogo in cui siamo, in funzione dell'insolazione, della temperatura, della tecnologia utilizzata e dei costi impiantistici.

La sfida dell'utilizzo dell'energia del sole è quella di sviluppare tecnologie che la rendano economicamente conveniente al punto da competere con i sistemi convenzionali basati sui combustibili fossili a prezzi correnti. Antichi greci e romani cominciarono a sviluppare architetture e semplici tecnologie che sfruttavano la capacità del sole di illuminare e scaldare spazi interni, ciò che noi chiamiamo oggi riscaldamento solare passivo. Nel 1760, il naturalista svizzero Horace de Saussure, costruendo una scatola rettangolare di pino con una finestra di vetro sul lato superiore riuscì a portare la temperatura a 109°C (9°C al di sopra del punto di ebollizione dell'acqua). In Occidente, fino al XIX secolo, il riscaldamento dell'acqua domestica avveniva  scaldando un contenitore con una stufa a legna o a carbone il che poneva problemi di costo, di approvvigionamento di combustibile e di sicurezza. Per superare tali difficoltà alcuni contadini americani cominciarono a posizionare al sole contenitori metallici colorati di nero, i quali potevano fornire acqua calda per il periodo dal pomeriggio alla sera. Nel 1891, negli Stati Uniti, fu brevettato il Climax Solar Water Heater, il primo calorifero solare, cui seguì ai primi del '900 il Day and Night Solar Hot Water Heaters, una importante implementazione a due stati con accumulo di acqua calda all'interno della casa che permetteva di fare la doccia calda fino al mattino seguente. Il riscaldamento solare ebbe alterne vicende in diverse parti del mondo soprattutto in funzione del prezzo dei combustibili fossili e delle crisi energetiche. Dagli anni '70 i paesi che hanno particolarmente puntato su questa fonte sono stati Giappone, Australia, Israele, Svezia e Stati Uniti.

Nella concezione comune il solare termico è inteso come l'uso di pannelli appoggiati sul tetto per il riscaldamento di acqua da utilizzare in ambito domestico. In realtà, il solare termico in senso lato è caratterizzato da tecnologiche finalizzate al raccoglimento della radiazione solare per la produzione di calore ed eventualmente di energia elettrica. Possiamo quindi suddividere il solare termico da riscaldamento a bassa temperatura e il solare a concentrazione o termodinamico con il quale si raggiungono temperature sufficienti a far funzionare una turbina per la produzione di energia elettrica.
In questo articolo definiamo il solare termico come l'insieme delle tecnologie finalizzate alla conversione della radiazione solare in calore per il riscaldamento di un fluido (aria o acqua), che può avvenire in modo:

1. passivo, ovvero sfruttando le capacità di alcuni materiali come il vetro di lasciar passare in modo selettivo la radiazione solare o studiando l'orientamento di un edificio in modo da sfruttare al meglio l'insolazione (accennato nel prossimo paragrafo);
2. attivo, ovvero con una tecnologia a pannelli solari.

Schema del muro di Trombe

Il riscaldamento solare passivo
Si riferisce all'assorbimento di energia solare direttamente all'interno di un edificio al fine di ridurre l'energia richiesta per riscaldare gli spazi abitabili. Il riscaldamento avviene generalmente senza l'utilizzo di meccanismi che raccolgono e distribuiscono l'energia (serbatoi, pompe, ecc.) e il collettore di fatto è l'intero edificio o è parte integrante dell'edificio.
L'architettura solare passiva è stata sviluppata già in epoca romana, quando in alcune case la faccia a sud veniva ricoperta di piastrelle scure per assorbire l'energia solare nel periodo invernale. Attualmente è il mezzo energeticamente più conveniente di utilizzare l'energia solare. Un metro quadrato di solare fotovoltaico con tecnologia policristallina produce circa 120 kWh al massimo della potenza (mezzogiorno in estate), ma una finestra di eguali dimensioni posizionata a sud può arrivare a 150 kWh di illuminazione (Everett 2004).
Una struttura famosa tra gli addetti ai lavori, ma poco diffusa, è il muro di Trombe (1906-1985), dallo sviluppatore che negli anni '50 disegnò superfici murari esposte verso il sole in grado di riscaldare i vani interni di edifici. Trombe progettò un edificio con una parete scura rivolta a sud e ricoperta da un vetro. La radiazione solare, passando attraverso la lastra di vetro, scalda l'aria nell'intercapedine tra il vetro e la parete scura. L'aria viene scambiata con l'edificio per convezione: da fori nella parte bassa del muro l'aria fredda all'interno dell'edificio entra nell'intercapedine, si riscalda e rientra nell'edificio attraverso fori posti nella parte alta del muro.
L'edificio deve essere studiato in modo da ricevere radiazione solare in funzione delle esigenze termiche: in Europa settentrionale le superfici più ampie dell'edificio dovranno essere esposte a sud e dovranno avere molte vetrate in modo da sfruttare l'effetto serra, mentre in un'area mediterranea con estati molto calde potrebbe essere necessario il contrario. Dato che il riscaldamento solare passivo rientra più nel campo del risparmio energetico che nel campo dello sfruttamento delle energie rinnovabili, non approfondiamo l'argomento in questo manuale e rimandiamo a testi specializzati in energetica edilizia.

Il riscaldamento solare attivo
Comporta l'utilizzo di pannelli solari, generalmente montati sul tetto di un edificio che raccoglie la radiazione solare. Il solare termico attivo si divide sostanzialmente in tre categorie:

1. Collettori a bassa temperatura (20-80°C) indicati per la produzione di acqua calda per usi igienico-sanitari domestici, per la produzione combinata di acqua calda e per il riscaldamento di ambienti (generalmente attraverso gli impianti a bassa temperatura sotto pavimento), analizzati in dettaglio in questo capitolo;
   
2. Collettori a media temperatura (80-250°C), indicati per applicazioni industriali quali sterilizzazione di strumenti o cibi, evaporazione o fusione, che utilizzano collettori tubulari sottovuoto ed alcuni avanzati pannelli piani, analizzati in dettaglio in questo capitolo;
   
3. Collettori ad alta temperatura (oltre 280°C) che richiedono il riscaldamento di fluidi per produrre lavoro per far funzionare dei motori da parte di sistemi a concentrazione, analizzati in dettaglio nel prossimo capitolo.
   

Considerata la condizione climatica dei paesi europei, il riscaldamento solare attivo ha grandi potenzialità di applicazioni. L'Europa si trova mediamente a latitudini temperate pertanto la richiesta di calore è presente tutto l'anno: in inverno per il riscaldamento degli edifici e in estate perché la maggior parte delle persone mantiene l'abitudine di lavarsi con acqua calda.

TECNOLOGIA
Un sistema solare termico normalmente è composto da un pannello solare termico (detto anche collettore solare) che riceve l'energia solare, da uno scambiatore dove circola il fluido utilizzato per trasferire il calore al serbatoio di accumulo. Quasi tutti i sistemi implementano in vario modo i seguenti componenti di base:

• collettore o pannello solare (solar panel o solar collector), piano o a tubi sottovuoto
  
• tubazioni di collegamento (pipes)
  
• scambiatore di calore (exchanger)
  
• accumulo di acqua (storage tank)

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Il pannello solare
Il collettore piano o pannello è il sistema più utilizzato nella tecnologia a bassa temperatura (20-80°C), ottenuta facilmente facendo riscaldare al Sole superfici piane. Il dato di temperatura fornito è molto generico perché, come vedremo sotto, dipende dalla tecnologia utilizzata: dai meno efficienti pannelli non vetrati, in grado di innalzare di pochi gradi la temperatura ambientale, ai più efficienti sistemi tubolari sottovuoto in grado di superare la temperatura di ebollizione dell'acqua.
Un collettore piano è costituito da:

1. assorbitore o piastra di assorbimento (absorber plate), di materiale conduttore di calore, in cui sono ricavati canali in cui circola acqua o aria;
   
2. isolante termico (insulation), sotto l'assorbitore, che impedisce la dispersione di calore;
   
3. eventuale copertura trasparente di vetro o plastica (glazing) sopra l'assorbitore, che fa passare le radiazioni in arrivo e blocca quelle in uscita;
   

Tutti i pannelli hanno un assorbitore di radiazioni, di colore scuro. Un oggetto è nero quando il materiale ha la capacità fisica di quanto assorbire gran parte della radiazione elettromagnetica incidente (una superficie bianca riflette circa l'80% della luce, un superficie scura assorbe circa il 90%). La radiazione elettromagnetica viene convertita in calore ed energia elettromagnetica sulle lunghezze dell'infrarosso. All'interno del pannello (a contatto con l'assorbitore) vi sono uno o più tubi nei quali passa il fluido che deve essere riscaldato. I pannelli sono sostanzialmente di tre tipi.

1. Collettori vetrati: la maggior parte dei pannelli presentano assorbitori coperti da una lastra di vetro (glazing) il quale ha la caratteristica di essere trasparente alla luce visibile ed opaco alle radiazioni infrarosse. La radiazione solare nel visibile attraversa il vetro, scalda l'assorbitore che assorbe la maggior parte delle radiazioni, emette radiazioni all'infrarosso bloccate dal vetro e rimandate all'assorbitore (effetto serra). Al fine di ridurre al massimo la dispersione termica, la ricerca ha cercato di produrre materiali vetrosi ad alta trasmittanza (trasparenza) e materiali assorbenti a bassa emissività all'infrarosso. Alcune plastiche hanno le stesse proprietà ottiche del vetro, ma tendono a deteriorarsi sotto l'effetto dei raggi ultravioletti e quindi devono essere rivestite di una superficie protettiva alzando i costi di produzione. Rispetto a pannelli non vetrati (trattati al successivo punto) hanno un rendimento leggermente inferiore in condizioni di illuminazione ottimale, ma in condizioni meno favorevoli hanno un rendimento molto più elevato, rendendoli complessivamente più efficienti nel corso della giornata e dell'anno. I collettori vetrati più diffusi sono a pannelli piani, ma per applicazioni industriali di media temperatura o in condizioni in cui è necessaria una efficienza maggiore di produzione di calore (es. in condizioni climatiche sfavorevoli) sono utilizzati i collettori tubulari sottovuoto.
2. Collettori scoperti o non vetrati: in alcuni pannelli l'assorbitore non è ricoperto dal vetro, sono più semplici e meno costosi, hanno rendimento elevato solo in condizioni ottimali di irraggiamento e temperatura atmosferica oltre i 20°C, al di fuori di tali condizioni hanno un rendimento basso. Sono quindi adatti ad uso stagionale e utilizzati soprattutto per riscaldamento di impianti sportivi come piscine, dove l'esigenza principale è quella di alzare di pochi gradi la temperatura in modo da renderla più confortevole. Il materiale usato per costruire i pannelli scoperti può essere PVC, Neoprene o Polipropilene. Generalmente non hanno scambiatori e l’acqua sanitaria passa direttamente all’interno del pannello, per questo il loro costo è inferiore ai pannelli vetrati e I'installazione è talmente semplice da poter essere fatta autonomamente.
3. Collettori ad aria: si tratta di collettori che hanno caratteristiche costruttive simili a quelle dei normali pannelli vetrati, tranne il fatto che in essi circola aria anziché acqua. L'aria viene fatta circolare tra vetro e l'assorbitore o, in alcuni casi, in un'intercapedine ricavata tra l'assorbitore ed il fondo di poliuretano isolante. Poiché l'aria scambia calore con più difficoltà dell'acqua, affinché questa assorba il calore della radiazione incidente, occorre assicurarle un tempo di permanenza abbastanza lungo all'interno del pannello. Per questo motivo I'assorbitore è generalmente alettato e offre percorsi tortuosi che rallentano il flusso d'aria. L'impiego combinato di questi collettori con i tradizionali impianti termici è particolarmente adatto per il riscaldamento degli edifici (i pannelli sono generalmente integrati su tetti o pareti) o per essiccare prodotti nelle industrie alimentari.

La produzione termica dei collettori varia a seconda dell'energia solare disponibile, della localizzazione geografica, dell'angolo di inclinazione, dell'esposizione e ovviamente della tecnologia utilizzata. Per avere un ordine di grandezza ricordiamo che in un paese centro europeo i collettori non vetrati (utilizzati per piscine o per l'asciugatura di prodotti o merci) possono arrivare a produrre circa 130 kWh/m2, mentre in un paese dell'Europa meridionale gli efficienti sistemi per l'acqua calda possono arrivare a produrre circa 900 kWh/m2 (IEA 2009 p20).

L'accumulo e lo scambiatore
Nel caso all'interno del pannello circoli acqua sanitaria, questa viene accumulata in un serbatoio (storage tank). Per migliorare il rendimento, ridurre la possibilità di gelate in climi rigidi ed ottimizzare le condizioni igieniche, il fluido che circola nel pannello è spesso separato dall'acqua sanitaria e lo scambio termico avviene attraverso serpentine (scambiatore) posizionate nel serbatoio. Il fluido vettore usato nel circuito primario del pannello è generalmente acqua con antigelo, la sostanza utilizzata è glicole-propilenico. In caso di insufficiente irradiazione solare, in zone a clima rigido, gli scambiatori possono essere più di uno perché l'impianto può essere integrato con i tradizionali sistemi per il riscaldamento dell'acqua sanitaria (caldaia a gas, boiler elettrico, termo-camino, ecc.).
L'accumulo può essere parte integrante del pannello o separato. In Europa meridionale è quasi sempre un cilindro coibentato posto immediatamente al di sopra del pannello.
Un’applicazione del solare termico riguarda il riscaldamento dell’acqua per le piscine coperte o scoperte. Si tratta di impianti particolarmente semplici in quanto non hanno il serbatoio, la piscina stessa svolge tale funzione.
Il solare termico a bassa temperatura può avere due tipi di circolazione, naturale o forzata, che trattiamo nei seguenti paragrafi. Subito dopo dedichiamo un paragrafo agli impianti solari termici a media temperatura, che possono raggiungere i 150°C.

Schema generale di un solare termico domestico. A) l'acqua fredda (G-) entra dalla rete nell'accumulo (B). Un circuito chiuso porta l'acqua fredda (o un fluido vettore) dall'accumulo al pannello (C) il quale attraverso i raggi solari (D) scalda l'acqua e la porta nell'accumulo (F+). L'acqua calda accumulata può essere utilizzata direttamente (E) o attraverso uno scambiatore (non nella figura) può essere portata al sistema di riscaldamento (caldaia a gas o bollitore elettrico).

Schema generale di un pannello (collettore) piano che permette la conversione dell'energia elettromagnetica del sole (luce) in energia termica.

L'IMPIANTO

Impianti a bassa temperatura a circolazione naturale
Si tratta di soluzioni integrate semplici (pannello solare collettore, serbatoio e scambiatori) dove, per far circolare il fluido si sfrutta la convezione naturale: il liquido vettore nel circuito primario, riscaldato nel pannello, si dilata, diventa meno denso e tende salire nel serbatoio di accumulo dove uno scambiatore cede il calore al circuito secondario in cui vi è l'acqua sanitaria destinata all'utilizzo. Il serbatoio è un cilindro orizzontale protetto dalla dispersione da circa 5 cm di materiale coibente, e viene posizionato al di sopra dei pannelli. Tali impianti, essendo privi di pompe di circolazione, centralina di regolazione e relativi accessori e tubazioni, sono economici e semplici da installare, ma sono sensibili alle perdite di carico (pressione) del circuito primario, per questo i sistemi sono compatti ovvero il serbatoio di accumulo è molto vicino al pannello. Un impianto a circolazione naturale con serbatoio esterno è adatto in regioni con temperature notturne non rigide e sono quindi maggiormente utilizzati nell'Europa meridionale. I kit a circolazione naturale sono suddivisi per taglie, a seconda della superficie dei collettori solari e del volume del serbatoio (da 150 o 300 litri) con un collettore adatto ad un nucleo familiare rispettivamente di 2-3 o 5-6 persone. La maggior parte delle case produttrici fornisce le versioni sia per tetto piano sia per tetto a falda.

Impianti a bassa temperatura a circolazione forzata
L’impianto è dotato di pompa che movimenta il fluido all’interno dei collettori e di una centralina di regolazione con termostato che permette di spegnere ed accendere automaticamente la circolazione e comprende i seguenti elementi:

• pannello solare
• regolatore
• pompa
• pressostato
• accumulo d'acqua
• altra fonte di calore (caldaia, pompa di calore ecc.)

La circolazione del liquido avviene con l'aiuto di pompe solo quando nei pannelli il fluido vettore si trova ad una temperatura più elevata rispetto a quella dell'acqua contenuta nei serbatoi di accumulo. Per regolare la circolazione ci si avvale di sensori elettrici che confrontano la temperatura del fluido vettore nel collettore con quella nel serbatoio di accumulo. La presenza della pompa fa si che tali impianti non risentono dell'abbassamento di carico (pressione), per questo i serbatoi di accumulo possono essere posizionati distanti dal pannello. Questa tecnologia anche se più costosa rispetto a quella a circolazione naturale (circa il 15%) è maggiormente diffusa nei paesi dell'Europa settentrionale, in quanto permette di posizionare l'accumulo in una zona termicamente più isolata (generalmente all'interno dell'abitazione) e permette di combinarsi agli impianti tradizionali (caldaie a gas, legna, elettricità, termocamini, ecc.) per integrare la produzione di acqua calda nei periodi di prolungata assenza di sole o di basse temperature. Infine l'invisibilità dell'accumulo rende questa tecnologia meno assoggettabile a vincoli architettonici.

Impianti a media temperatura
Alcuni collettori hanno la capacità di produrre acqua con temperature superiori a 100°C, sono utilizzati per riscaldamento domestico, industriale e più raramente per la produzione di energia elettrica a piccola scala. Per raggiungere tali temperature la tecnologia è diversa dai modelli precedentemente analizzati in quanto la radiazione solare deve essere concentrata e i dispositivi non sono provvisti di pannelli piani.
Il tipo più diffuso a livello domestico è il collettore tubulare che consiste in due tubi in vetro termico, uno dentro l'altro. Il modello più diffuso è costituito da un tubo esterno che protegge il tubo interno (tubo di calore o heat pipe), il quale è chiuso ad una estremità e sigillato all’altra sul tubo esterno. Per eliminare le dispersioni termiche nell’intercapedine tra i due tubi vi è il vuoto, da cui il nome. Il colore argentato dello strato di bario assicura la permanenza del sottovuoto, la comparsa di un alone bianco sul fondo (ossido di bario) indica la perdita del sottovuoto, il che consente di verificare il corretto funzionamento del tubo. La superficie esterna del tubo di calore è rivestita con uno strato selettivo (con elevato coefficiente di assorbimento solare e bassa emissività termica) il quale converte l’energia solare in energia termica che viene ceduta alla parte interna tramite alette di materiale conduttore (es. alluminio). Nella parte bassa tubo di calore (assorbitore), un fluido costituito generalmente acqua distillata a bassa pressione evapora già a 30 °C, risale verso la sommità (condensatore), cede il calore ad uno scambiatore, il fluido ritorna allo stato liquido e scende verso il basso per gravità. Il calore ceduto allo scambiatore, viene raccolto nel collettore entro il quale circola il fluido termovettore (generalmente costituito da una miscela acqua e glicole). Questa circolazione continua fintantoché i tubi sottovuoto sono irradiati dal sole. Oltre alla versione heat pipe sono in commercio anche il tipo a flusso diretto ad U (direct flow U-shaped). Il principio è lo stesso, ma il rivestimento selettivo del tubo sottovuoto converte l’energia solare in energia termica che viene ceduta al tubo in rame ad U tramite alette di alluminio scaldando il fluido termovettore che circola nel tubo. La circolazione forzata nel tubo ad U permette un montaggio senza limiti di inclinazione, sia verticale che orizzontale.
I collettori vetrati piani stanno da anni dominando il mercato (86,6% delle vendite), seguiti dai collettori tubulari sottovuoto (9.8%) e dai pannelli non vetrati (3,8%) i quali sono in calo e, data la minore efficienza, sono generalmente utilizzati per il riscaldamento di piscine e più raramente per il riscaldamento di edifici.. Nell'Europa meridionale l'accumulo è generalmente posizionato all'esterno dell'edificio e direttamente collegato al di sopra del pannello nel cosiddetto sistema a termosifone. Nei paesi nordici o con temperature inferiori l'accumulo è all'interno dell'edificio generalmente vicino alla caldaia. La comprensione del mercato dei pannelli non vetrati è bassa perché le autorità pubbliche non hanno supportato in modo significativo sia perché i dati di produzione non sono costantemente monitorati e quindi la statistica è incerta (Eurobserver 2010 p93).
Le installazioni individuali sono la principale forma di utilizzo del solare termico, ma gli impianti collettivi si stanno espandendo soprattutto nel settore del riscaldamento di condomini, edifici industriali, hotel, strutture sportive, spesso combinando sistemi di riscaldamento e raffrescamento. Il solare termico collettivo necessita di grandi superfici, ma è semplice da combinare con altre modalità di produzione energetica (sia fossili che rinnovabili).

Impianto a circolazione a circolazione naturale costituito da un pannello piano direttamente collegato all'accumulo

Collettore a tubi sottovuoto, a sinistra lo schema dello scambio di calore in un tubo sottovuoto. L'accumulo è all'interno dell'abitazione l'impianto è quindi a circolazione forzata.

Impianti collettivi
In Austria e Francia il solare termico collettivo rappresenta circa il 18% nel 2008 e in Spagna il 21%, ma la penetrazione del mercato è maggiore in Nord Europa con il 55% in Svezia, il 42% in Danimarca e il 30% in Polonia. La Danimarca ha il record per il più grande impianto di riscaldamento collettivo a solare termico (18.189m2) che fornisce energia al sistema urbano della città di Marstal.

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Dimensionare e installare un impianto solare termico
Installare i pannelli solari termici è una scelta privata che va valutata al momento dell'installazione sulla base degli incentivi disponibili, delle condizioni climatiche locali, dell'esposizione dell'edificio, della posa dei collettori in sovrapposizione o integrazione della copertura del tetto, delle regolamentazioni specifiche per i permessi di costruzione, del collegamento dell’impianto solare al sistema di distribuzione dell’acqua calda e all’impianto termico integrativo e dell'utilizzo di attrezzature durante il montaggio (gru, impalcature). Per queste ragioni, se non si è pratici del settore, è opportuno consultare figure qualificate che possono effettuare adeguati calcoli termotecnici, nel caso d’impianti individuali di piccole dimensione, e sviluppare approfonditi business-plan nel caso d’impianti termici solari industriali o collettivi.
Per quanto riguarda il posizionamento, i collettori solari possono essere collocati su qualsiasi pertinenza dell’immobile di proprietà dell’utente (sul tetto, sulla facciata, a terra), ma il progettista deve verificare i seguenti requisiti prima dell'installazione:

• eventuali limiti autorizzativi alla installazione dell'impianto (es. sito in ambito di tutela paesaggistica);
  
• disponibilità fisica della superficie necessaria per installare i pannelli;
  
• corretta esposizione ed inclinazione della suddetta superficie;
  
• presenza di ostacoli che determinano ombreggiamento dell'impianto in alcune ore del giorno.
  

In Italia godiamo di un'insolazione media annuale di 3,5-5 kWh/giorno/m2 che corrispondono ad una disponibilità totale annua di 1.250-1.800 kWh/m2 (fonte) e le condizioni ottimali di installazione sono:

• esposizione sud (è possibile anche una esposizione SE o SO sebbene determini una leggera perdita di produzione);
  
• in caso di fabbisogno per tutto l’anno, l'inclinazione consigliata equivale indicativamente alla latitudine del luogo (35°-45°);
  
• in caso di fabbisogno prevalentemente estivo, l’inclinazione consigliata equivale alla latitudine del luogo diminuita di 15° (20°-30°);
  
• in caso di fabbisogno prevalentemente invernale e per sistemi solari per il riscaldamento degli ambienti, l’inclinazione consigliata equivale alla latitudine del luogo aumentata di 15° (50°-60°).
  

Ciononostante, dato che le differenze di prestazioni alle diverse inclinazioni non sono determinanti, per le installazioni su tetti a falda è raccomandabile posizionare i collettori parallelamente alla falda sia per la migliore resa estetica sia per la maggiore semplicità d’installazione.
Per quanto riguarda il dimensionamento dell'impianto, questo deve essere tarato in base ai fabbisogni di calore dell’utenza. La produzione termica utile annua può essere stimata abbastanza accuratamente attraverso un calcolo che tiene conto dei seguenti fattori:

• fabbisogno termico dell’utenza in relazione al tipo di applicazione, ovvero produzione di acqua calda sanitaria, integrazione al riscaldamento degli ambienti, riscaldamento piscina;
  
• radiazione solare annuale disponibile nel luogo d’installazione;
  
• fattore di correzione calcolato sulla base dell'orientamento, dell'angolo d'inclinazione dei collettori solari ed eventuali ombre temporanee;
  
• prestazioni tecniche dei pannelli solari, del serbatoio di accumulo, degli altri componenti dell’impianto e dell’efficienza del sistema di distribuzione;
  
• grado di contemporaneità tra produzione e fabbisogno di calore.

Evoluzione dello sviluppo del solare termico (superficie in m2) in Europa dal 1994. Fonte: http://www.eurobserv-er.org/

Sviluppo del solare termico e del solare a concentrazione in Europa al 2013. In arancione la potenza totale (MW termici), in rosso la potenza installata nel 2013. Fonte: http://www.eurobserv-er.org/

Bibliografia
Boyle G. (ed.), 2004. Renewable Energy. Power for a sustainable future. Oxford.
Eurobserver 2010. Solar thermal barometer. www.eurobserv-er.org
Everett B., 2004. Solar thermal energy. In Boyle 2004.
IEA 2009. Renewables information. www.iea.org