Ingegnerie Solari - Il Portale delle Energie Rinnovabili

Come sistemi solari attivi vengono classificati gli impianti e i dispositivi di tipo meccanico, o talvolta chimico, atti a raccogliere trasportare e accumulare calore. Gli elementi captanti possono essere costituiti da collettori piani o da collettori ad alta selettività. I più diffusi sono attualmente i collettori piani (pannelli solari), il cui principio di funzionamento,in molti casi, può essere assimilato a quello del muro di Trombe. Anche in questo caso, infatti, la radiazione solare assorbita da un corpo nero verrebbe dissipata per irraggiamento se non si anteponessero alla superficie assorbente una o due lastre di vetro o plastica trasparente che realizzano l'effetto serra. Per ridurre le perdite verso l'ambiente circostante, la superficie posteriore della lastra assorbente viene adeguatamente isolata e il tutto viene racchiuso in un apposito telaio di contenimento. La lastra nera, colpita dalle radiazioni solari, può così raggiungere temperature di equilibrio superiori anche ai 100°C. A contatto del corpo nero surriscaldato si fa passare un fluido (glicole), predisponendo a tal fine un'apposita rete o fascio di tubi (caldaia) tra la lastra e il retrostante isolamento termico. Quasi sempre, soprattutto per evitare problemi connessi al gelo e alle incrostazioni calcaree, il liquido che circola nei collettori non è la stessa dei circuiti d'utenza. Per trasmettere il calore, dai fluidi termovettori dei pannelli solari all'acqua utilizzata dagli impianti idrosanitari o a quelli di riscaldamento, vengono quindi impiegati appositi scambiatori, a valle dei quali potranno poi essere previsti impianti ausiliari a gas o elettrici (integratori). La saltuarietà e variabilità del flusso solare impone un sistema di accumulo dell'energia termica così prodotta, costituito nei casi più semplici da masse d'acqua o, se il fluido vettore è l'aria, da pietrisco. Per quanto concerne i materiali più comunemente utilizzati per la realizzazione dei pannelli solari, pur premettendo che in questo settore la tecnologia è in rapida e costante evoluzione, si possono fare le seguenti osservazioni:

• Lo schermo ottimale deve risultare trasparente alle radiazioni ultraviolette e a quelle visibili, mentre deve essere opaco alle radiazioni infrarosse del corpo nero. Vengono generalmente utilizzati vetri normali, vetri selettivi, vetri speciali borosilicati Pirex, policarbonato e plexiglas. Lo schermo deve ovviamente garantire anche una buona resistenza meccanica al vento, alla neve, alla grandine e alla abrasione.
• L'intercapedine, tra lo schermo e il corpo nero assorbente, dovrà essere a tenuta stagna, per evitare fenomeni di condensa e per ridurre i moti convettivi: potrà contenere aria, gas inerte o essere sottovuoto.
• Il corpo assorbente nero deve risultare inalterabile nel tempo e garantire un'elevata conduttività. Può essere costituito da rame, alluminio ossidato, acciaio zincato, PVC, polipropilene, ABS rivestiti con apposite vernici nere o con resine siliconiche. Alcune soluzioni prevedono in alternativa l'uso di un fluido nero altamente assorbente (ad esempio solfuro di antimonio) che scorrendo in superficie non richiede l'impiego di un metallo intermedio.
• I condotti possono essere realizzati con tubi di ferro, di rame, di alluminio o di polipropilene o da piastre stampate e accoppiate ottenute con gli stessi materiali.
• Il fluido termovettore deve possedere un elevato calore specifico, una bassa viscosità, una bassa reattività chimica e essere non gelivo. Si utilizzano normalmente l'acqua miscelata con anticongelanti specifici, l'olio, l'aria. I sistemi ad aria hanno avuto un particolare successo commerciale negli Stati Uniti dove molto diffusi sono gli impianti di termoventilazione.

Anche nella realizzazione dei collettori solari è utilizzabile la l'accennata tecnologia dei Tims, che evitano qualsiasi problema di gelo e garantiscono un netto miglioramento delle prestazioni energetiche. Attualmente essi possono consentire di riscaldare il fluido usato nel collettori fino a temperature di circa 120-130 °C. I pannelli solari possono essere utilizzati:

• Per la produzione di acqua calda sanitaria durante tutto l'anno, nel qual caso la loro inclinazione sul piano orizzontale dovrà preferibilmente essere pari ai gradi di latitudine del luogo.
• Per il fabbisogno di acqua calda prevalentemente nella stagione estiva ( case per le vacanze, piscine, ecc.). La loro inclinazione dal piano orizzontale dovrà in questo caso essere orientativamente pari alla latitudine del luogo diminuita di 10° circa.
• Per il riscaldamento di ambienti. Poiché il fabbisogno è limitato al periodo invernale, quando il sole è basso sull'orizzonte, l'inclinazione dei collettori sarà pari alla latitudine del luogo aumentati di 15°.
• Per applicazioni miste che prevedano il riscaldamento invernale e la produzione di acqua calda nel c corso d tutto l'anno. È in questo caso opportuna un'inclinazione pari alla latitudine aumentata di circa 5°.

Orientamento delle stanze secondo l'illuminazione solare
Per risparmiare energia si possono utilizzare le radiazioni solari che comprende oltre ai raggi luminosi visibili, che trasportano circa il 40% dell'energia totale, anche i raggi ad onde corte (ultravioletti, X e gamma ) e i raggi ad onde lunghe (infrarosso). Grazie all'irradiazione solare, in particolare quando i raggi penetrano direttamente nelle stanze d'abitazione e determinano, nel corso della giornate e con il variare delle stagioni, condizioni sempre notevoli di illuminazione del colore si può ricevere un notevole grado di comfort psico-fisico. Per quanto riguarda l'orientamento preferenziale dei singoli ambienti in un appartamento, si può consigliare l'esposizione a sud/sud-ovest per le zone di soggiorno e il pranzo, l'est/sud-est per le camere da letto (al mattino, quando si arieggiano le stanze, vi è normalmente una maggiore incidenza dei raggi ultravioletti), il nord per la cucina e servizi. Nei locali esposti a sud, per sfruttare al massimo l'azione dei raggi solari, e in quelli orientati a nord è preferibile posizionare le aperture illuminanti al centro delle pareti esterne. Per le stanze esposte ad est o ad ovest è invece generalmente opportuno traslare le zone finestrate verso sud (compatibilmente con la prevedibile ottimale disposizione dell'arredamento). Per consentire il passaggio dei raggi ultravioletti ( ntercettati dai vetri di uso comune) si possono impiegare speciali cristalli al quarzo il cui costo è però piuttosto elevato. Per ciascun locale d'abitazione una dimensione minima delle zone finestrate (apribili) deve essere pari ad 1/8 delle superfici del pavimento; l'ampiezza delle superfici finestrate deve inoltre essere tale da assicurare un fattore medio di luce diurna non inferiore al 2%.
Non va infine dimenticato che negli spazi destinati al riposo e al sonno i serramenti devono essere dotati di dispositivi regolabili di oscuramento tali da poter eliminare, soprattutto nelle ore notturne, le proiezioni localizzate ed eventuali fonti illuminanti esterne.

La ventilazione sottotetto
Nel caso di coperture a falda con manto in tegole o coppi di laterizio, per migliorare il confort igrotermico degli ambienti interni è opportuno favorire la circolazione dell'aria negli spazi racchiusi tra l'ultimo solaio piano e la vera e propria copertura. In presenza di locali abitabili mansardati deve invece essere realizzata, sull'estradosso del solaio di falda opportunamente coibentato, un'apposita intercapedine ventilata di spessore variabile tra 7 e 15 cm circa. Per la formazione di tale intercapedine si potranno posare listelli di legno, perpendicolari alla linea di gronda: su questa listellatura verrà posato un tavolato continuo e quindi i listelli orizzontali per il posizionamento delle tegole e dei coppi di copertura. L'utilizzazione di listelli di supporto agli elementi di copertura consente l'attivazione di una micro ventilazione sottotegola, che favorisce la respirazione degli elementi di cotto e gli mantiene asciutti, aumentando nelle stagioni invernali la loro resistenza al gelo. Il naturale punto di ingresso dell'aria per la ventilazione sottomanto è lungo la linea di gronda: da qui l'aria, riscaldata dall'irraggiamento solare, tende a risalire sino alla linea di colmo. Per facilitare questo processo di ventilazione naturale è opportuno fissare i coppi formanti le linee di colmo con staffe metalliche ( anziché, come spesso avviene murarli con malta cementizia ) ed inserire elementi speciali di ventilazione lungo una fascia di coppi parallela al colmo, mediante uno ogni cinque tegole standard.