giovedì 16 febbraio 2017

ORIENTAMENTO OTTIMALE DEI PANNELLI SOLARI

Vorresti installare dei pannelli solari ma non sei sicuro di avere l'orientamento e l'esposizione giusti? Non sbagliare. In questo post cerco proprio di spiegare qual'è l'orientamento ottimale dei pannelli solari termici.
Spesso purtroppo si vedono pannelli posizionati sui tetti in modo “brutale”, estraneo, senza l'apparenza di una minima progettualità e senza attenzioni nei confronti del fabbricato e dei suoi abitanti, come se per godere di energia gratuita fosse giusto infischiarsene di tutto il resto e come se si volesse far vedere a tutti che si è fatta una scelta ecologica. Questo certamente non aiuta a promuovere l'uso del solare termico.

pannelli solari termici non integrati

Prima di tutto devo dire che adoro i sistemi solari in genere, dai semplici pannelli agli apparati bioclimatici complessi (cercherò nel prossimo futuro di fare un post sulla progettazione bioclimatica). Credo che siano l'elemento chiave per uno sviluppo sostenibile del prossimo futuro. Li adoro perché producono energia da una fonte inesauribile e gratuita, in assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante, quindi risparmio di combustibili fossili e nessuna emissione di co2.
Ho iniziato riferendomi ai pannelli solari genericamente, ma in questo post parlerò del solare termico (per produrre acqua calda) e non fotovoltaico (per produrre energia elettrica). Hanno in comune la necessità di essere esposti al sole, ma nel dettaglio sono molto diversi.

Qual'è l'orientamento ottimale dei pannelli solari termici?
Non esiste un'unica soluzione per installare i pannelli solari e che sia valida per tutti i casi che si possono presentare. Quando si progetta questa tipologia di impianti bisogna assolutamente pensare allo scopo che andranno a soddisfare, perché il posizionamento più efficiente sarà molto diverso se vogliamo utilizzarli per integrazione al riscaldamento invernale, oppure per la produzione di acqua calda in estate (cosa che può essere utile in caso di stabilimento balneare o casa vacanza).
Credo che nessuno abbia bisogno di una doccia bollente in estate, eppure la realtà dice che abbiamo più disponibilità di acqua calda nelle ore e nei mesi estivi in cui ne faremmo volentieri a meno.

La cosa che comunemente viene fatta nel dimensionamento standard di un impianto a pannelli solari termici è prendere a riferimento una media annuale di produzione e consumi e, sulla base di quelli, stabilire la superficie necessaria. Questa di fatto è una soluzione sommaria che non garantisce l'ottimizzazione delle prestazioni.

Recentemente ho fatto delle verifiche per un impianto da realizzare in centro Italia (latitudine 43°) con superficie captante di circa 2 mq e un rendimento medio in base al dimensionamento standard pari al 77%. Ma questo valore percentuale non è rappresentativo di ciò che realmente avverrà e la lettura del grafico di dettaglio fornisce utili indicazioni.

grafico dimensionamento standard pannelli solari termici

Considerando un'inclinazione standard (33°) e confrontando i fabbisogni (curva blu) con la produzione durante l'arco dell'anno (curva gialla) si evidenzia un'ampia area (righe rosse) che corrisponde al surplus di produzione di acqua calda. Nello specifico caso la sovrapproduzione raggiunge anche i 100 litri al giorno in estate. Esattamente quello che dicevo prima: molta acqua bollente quando in realtà non mi serve.

C'è poi un'altra riflessione da fare e che non emerge dal grafico, relativa alla ulteriore e maggiore produzione che si verifica in caso di assenze prolungate (per esempio vacanze) che rischia di dare seri problemi al sistema. All'opposto nei mesi più freddi, da novembre a febbraio, l'impianto non garantisce nemmeno la copertura del 50% del fabbisogno.

Per approfondire faccio una simulazione riguardo all'irraggiamento solare in wh/mq nelle varie ore, per tutto l'arco dell'anno e per diverse inclinazioni. Nei grafici l'area blu corrisponde alle ore notturne, la parte celeste ha una radiazione solare da 158 a 316 wh/mq, quella rossa da 316 a 474 wh/mq, mentre il rosso più scuro ha valori di radiazione superiori a 474 wh/mq.

simulazioni irraggiamento per pannelli solari termici

I primi tre grafici corrispondono alla situazione in caso di esposizione a sud e inclinazione di 0°(orizzontale), 30° e 60°. Da questi si capisce come all'aumentare della pendenza diminuisce il picco massimo estivo e allo stesso tempo il rendimento si distribuisce più uniformemente durante tutto l'arco dell'anno.

I tre grafici in basso invece mettono a confronto il possibile rendimento di superfici verticali rivolte sia verso sud, che verso est ed ovest. Nel caso di esposizione a sud l'irraggiamento ha un picco massimo in estate, che però è quasi la metà rispetto all'esposizione orizzontale (451 wh/mq) e valori costanti durante tutto l'anno e tutte le ore del giorno, che superano di poco i 250 wh/mq.

Allora posso dire certamente che ci sono delle inclinazioni per il posizionamento dei pannelli solari termici che, seppure con valori di picco minori, assicurano una captazione più costante durante l'anno. Fattore decisamente auspicabile per evitare la sovrapproduzione estiva di cui vi ho detto prima e anche per scongiurare il pericolo di ebollizione. Per arrivare alla copertura del fabbisogno nei mesi invernali è allora necessario aumentare la superficie esposta.

C'è poi un altro elemento da considerare per capire qual'è l'orientamento ottimale dei pannelli solari termici ed è riferito ai possibili problemi di un tale tipo di impianto, che si voglia far funzionare correttamente in tutte le stagioni.

I due rischi principali che devono essere affrontati quando si installa un impianto solare termico a circuito chiuso, sono il congelamento del fluido vettore in inverno e l'ebollizione in estate.

In che modo si possono risolvere questi problemi del solare termico?

  1. Un primo modo, il più usato, è quello dell'inserimento nel circuito, assieme al fluido termo-vettore, di un glicole, liquido identico a quello che si usa nel radiatore della macchina per aumentare il range di temperatura di utilizzo (e cioè ha il punto di congelamento a circa -50° e punto di ebollizione a circa + 190°). E' un'ottima soluzione, ma che comunque non risolve definitivamente il rischio di surriscaldamento nel periodo estivo, sopratutto se l'efficienza invernale è ottenuta grazie ad un sovradimensionamento delle superfici esposte.
  2. Un secondo modo, poco comune, vede l'uso del glicole in abbinamento ad un sistema di schermatura dei pannelli come tende automatiche o manuali, da sfruttare per modulare la produzione. Non conosco però aziende che prevedono l'integrazione con schermature, perciò la scelta di questa soluzione è resa più rischiosa per quello che riguarda la gestione.  
  3. Un terzo modo è quello di realizzare un impianto a svuotamento. In questo caso si utilizza come liquido termo-vettore solo l'acqua e nei momenti critici il circuito si svuota nell'accumulo, eliminando cosi alla fonte i rischi di surriscaldamento e congelamento. Un difetto però è nel fatto che il sistema è un po' più energivoro a causa della presenza di due pompe sull'impianto, una di ricircolo (come negli altri sistemi) e una di riempimento. I vantaggi sono notevoli perché il sistema permette di realizzare grandi superfici di pannelli che garantiscono un ottimo contributo in inverno abbattendo i rischi.



Quanto è la perdita di rendimento in base alla posizione dell'impianto?

Molti fanno riferimento solo al rendimento al fine di ottenere la massima produzione dall'impianto e ogni possibile perdita di efficienza viene mostrata come assolutamente negativa. Questo modo di pensare porta a tutti quei pannelli che svettano in vario modo sui tetti, ma la perdita data da un'esposizione non perfetta è molto meno di quello che si può pensare.

Faccio un esempio: prendo a riferimento l'orientamento verso sud con inclinazione rispetto all'orizzontale tra 30° e 50° che garantisce un rendimento del 100%, mantenendo la stessa inclinazione rispetto all'orizzontale posso posizionare i pannelli fino a 30° verso est o verso ovest senza alcuna perdita in rendimento, se mi sposto di altri 10° mantengo comunque una resa del 95% , spostandomi ancora di 10° ho un rendimento del 90%. In sintesi una rotazione dei pannelli solari fino a 50° rispetto al sud genera una perdita di produzione limitata al 10%.

Può sembrare molto, ma considerando che i prodotti in commercio sono costituti da moduli di 2mq è chiaro che con molta facilità si verificherà un sovradimensionamento anche maggiore del 10% rispetto alla superficie necessaria a coprire il fabbisogno.

Conclusioni

Dopo tutto questo alla domanda riguardo alla posizione ottimale dei pannelli solari termici rispondo che:
  • è fondamentale avere a disposizione una superficie senza grandi ostacoli che possano creare ombreggiamento
  • è opportuno integrare i pannelli sulle falde del tetto o in facciata migliorando la resa estetica e la semplicità d’installazione
  • è necessario avere esposizione prevalentemente a sud, ma sono idonei anche orientamenti a sud-est o sud -ovest ammettendo limitate perdite di produzione
  • in caso di fabbisogno costante di acqua calda durante l’anno, l’inclinazione consigliata è pari indicativamente alla latitudine del luogo (per l'Italia da 35° a 45° circa)
  • in caso di fabbisogno di acqua calda prevalentemente estivo, l’inclinazione consigliata è pari alla latitudine del luogo diminuita di un valore compreso tra 15° e 30°
  • in caso di fabbisogno di acqua calda prevalentemente invernale, tipicamente per sistemi solari per il riscaldamento degli ambienti, l’inclinazione consigliata è pari alla latitudine del luogo aumentata di 15° (50°-60°).
Come hai visto esistono molte soluzioni tecniche e costruttive che permettono di soddisfare le varie esigenze, con un funzionamento semplice, senza troppe necessità manutentive, permettendo di risparmiare e ottenendo l'integrazione nel fabbricato, ma tutto questo e possibile se progettato con competenza.


Rodolfo Collodi architetto





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