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Gli impianti solari termici: dove e come collocare i pannelli solari

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Indicazioni pratico-operative per individuare correttamente l’orientamento e l’inclinazione dei pannelli solari in un edificio.

L’orientamento e l’inclinazione sono due fattori fondamentali per determinare il rendimento di un pannello solare. Il rendimento massimo si ottiene nel momento in cui i raggi solari irraggiano il pannello in modo diretto e perpendicolare. Un cattivo orientamento può causare forti perdite di rendimento energetico. Al pari può accadere con una cattiva inclinazione.
Partiamo dal presupposto che un pannello solare deve catturare la maggiore quantità di energia solare possibile. Durante la giornata la posizione del Sole nel cielo non è mai la stessa. Inoltre, le zone d’ombra causate dalla presenza di ostacoli (alberi, palazzi ecc.) sono sempre in agguato (Fig 1). Per catturare l’irraggiamento solare in modo perpendicolare i pannelli solari sono sempre rivolti verso il Sole. La nostra stella percorre il cielo nella zona sud del cielo nell’emisfero boreale del pianeta (in pratica il nostro). Al contrario, nell’emisfero australe il percorso del Sole nel cielo ha luogo a nord. Pertanto nel nostro continente tutti i pannelli solari sono “teoricamente” orientati verso sud. L’inclinazione è invece determinata dalla latitudine del luogo di installazione dei pannelli. Il motivo è molto semplice: quanto più ci si allontana dall’equatore, tanto più il percorso del Sole si svolge più in basso nell’orizzonte.
Possono però verificarsi delle eccezioni alla regola teorica dell’orientamento verso sud. Alcune zone geografiche sono caratterizzate da alcune regolarità meteorologiche locali nel corso della giornata, ad esempio, la foschia nelle ore del mattino o le precipitazioni piovose in quelle pomeridiane. In questi casi l’orientamento verso sud non è detto sia la soluzione migliore.
Per ottenere l’orientamento migliore dei pannelli solari occorre tenere in conto dei fattori meteo e della morfologia del territorio.

Orientamento verso sud-ovest
Molti progettisti tendono a orientare i pannelli solari verso sud/sud-ovest (ponente) per massimizzare il rendimento dei pannelli solari nelle ore pomeridiane, quando i raggi del Sole sono più caldi.
L’orientamento verso sud-ovest consente di catturare i raggi solari in modo perpendicolare nelle ore del pomeriggio, sacrificando quelli della mattina quando la foschia e la nebbia possono ostacolare l’irraggiamento.

Orientamento verso sud-est

Può accadere che una determinata regione geografica sia caratterizzata da regolari precipitazioni piovose nelle ore pomeridiane (ad esempio alcune zone costiere e montane). In quest’ultimo caso i progettisti tendono a orientare i pannelli solari verso sud/sud-est (levante) per massimizzare il rendimento dei pannelli solari nelle ore della mattina, sacrificando la fascia oraria pomeridiana della giornata.

Fattori morfologici del territorio

Oltre ai fattori meteo l’orientamento dei pannelli solari può essere determinato anche dalla presenza di ostacoli all’irraggiamento solare. Ad esempio, l’impianto a pannelli solari potrebbe subire delle zone d’ombra in alcune ore della giornata a causa della presenza di ostacoli naturali (alberi, montagne ecc.) o artificiali (edifici, costruzioni ecc.). In questi casi il progettista dell’impianto tenderà a valutare l’orientamento ottimale, in grado di
aumentare il rendimento dei pannelli solari soltanto nelle ore d’irraggiamento solare.

Inclinazione

Per quanto concerne l’inclinazione, essendo variabile nel corso dei 365 giorni dell’anno, l’inclinazione dei pannelli solari dovrebbe essere periodicamente modificata.
Per i piccoli impianti si opta per un’inclinazione fissa, in grado di massimizzare il rendimento medio del pannello
senza doverne modificare l’inclinazione durante l’anno. Negli impianti solari più grandi, invece, ogni pannello è integrato in una struttura automatica che consente di modificare l’inclinazione dei pannelli nel corso dei mesi.
Questi servomeccanismi sono tuttavia molto costosi ed economicamente poco convenienti per gli impianti solari di piccole dimensioni. Analizzando l’orientamento dei pannelli solari abbiamo compreso che essi sono sempre rivolti verso l’equatore (verso sud nell’emisfero boreale, verso nord nell’emisfero australe) indipendentemente dalla latitudine geografica dell’impianto.
Quando si affronta il tema dell’inclinazione, è pertanto necessario e indispensabile prendere in considerazione due fattori: latitudine del luogo e periodo dell’anno. L’altezza del Sole nel cielo varia in base al grado di latitudine. Ad esempio nell’emisfero boreale il Sole ci appare tanto più basso nel cielo, quanto più ci spostiamo verso il Polo Nord. La posizione del Sole nel cielo è determinata anche dal periodo dell’anno. In una località situata alle medie
latitudini dell’emisfero boreale l’altezza del Sole del cielo varia sensibilmente nel corso dell’anno. Nel giorno del solstizio d’inverno (21 dicembre) il Sole ci appare basso, mentre il Polo Nord è completamente in ombra. Al contrario, nel giorno del solstizio d’estate (21 giugno) il Sole ci appare alto nel cielo. Per ottenere un irraggiamento perpendicolare l’inclinazione dei pannelli solari dovrà pertanto tenere conto dell’esatta posizione nel cielo.
Generalmente, si tende a inclinare i collettori solari di un angolo pari alla latitudine del luogo. I pannelli ci appaiono tanto più verticali quanto più ci si sposta verso nord nell’emisfero boreale.

Quando modificare l’inclinazione dei pannelli solari

Poiché la produzione di acqua calda sanitaria e di riscaldamento è maggiore nei mesi invernali (e minore in estate) si tende ad aggiungere all’inclinazione determinata dalla latitudine altri 10÷15°. Questa maggiore inclinazione consente di massimizzare il rendimento dei pannelli solari nei mesi invernali a scapito di quelli estivi.
Al contrario, se l’impianto è destinato a soddisfare maggiormente i bisogni nei mesi estivi (ad esempio acqua sanitaria negli hotel in zone costiere) sarà necessario aumentare l’efficienza dei pannelli solari nei mesi estivi riducendo il loro angolo di inclinazione.

La collocazione di un impianto solare a collettori (pannelli solari termici) deve, da un lato, soddisfare l’esigenza dell’esposizione alla radiazione solare, dall’altro deve anche tenere in conto tutti gli altri aspetti legati allo spazio disponibile, all’estetica, alla capacità del tetto di sostenere il peso dell’impianto a pieno carico, alla riduzione delle dispersioni termiche, alla minimizzazione del rischio di accumulo della neve ecc.
I pannelli solari devono inoltre essere facilmente accessibili, tramite corridoi di accesso, per consentire la manutenzione ordinaria e straordinaria da parte delle ditte installatrici.
In genere i pannelli solari termici sono installabili sulle seguenti parti di un edificio, tenendo conto dei diversi aspetti legati alla struttura dell’edificio e al contesto architettonico in cui si trova:
• sui tetti piani;
• sui tetti inclinati;
• sul terreno;
• integrati nelle parti dell’edificio.

Gli elementi dell’impianto solare possono anche essere installati in luoghi separati.
Le soluzioni progettuali più frequenti sono le seguenti:
• collettori solari con serbatoio sul tetto piano o sul terrazzo dell’edificio;
• collettori solari sul tetto inclinato con serbatoio separato nel sottotetto;
• collettori solari (con serbatoio integrato o separato) sul giardino antistante l’edificio;
• collettori solari verticali integrati nell’edificio (ad esempio finestre) con serbatoio separato situato nel sottotetto.

In alcuni modelli il serbatoio e il collettore solare sono un corpo unico. Generalmente, in questi casi, il serbatoio è posto nella parte più alta del pannello solare e si presenta come un corpo cilindrico. In questi modelli la dispersione termica è minima in quanto il pannello solare è a diretto contatto con il serbatoio dell’acqua.
Tuttavia, la presenza del serbatoio d’acqua rende questi modelli molto pesanti e diventa di fondamentale importanza l’analisi della capacità del tetto a sostenerlo. Inoltre, la capacità in litri del serbatoio d’acqua è spesso limitata a 3-4 utenze giornaliere al massimo. Infine, essendo esterno, il serbatoio è maggiormente esposto allo scambio con le temperature esterne. Per evitare il problema del peso è possibile separare nell’impianto il pannello solare (esposto al Sole) dal serbatoio d’acqua, quest’ultimo situato in un’altra zona dell’edificio (ad esempio nel sottotetto).
Nei modelli con pannelli solari separati dal serbatoio dell’acqua, gli elementi separati causano una maggiore dispersione termica derivante dall’impianto, in compenso consentono di collocare il serbatoio dell’acqua in un luogo interno dell’edificio, al riparo delle intemperie e dalle temperature esterne. È una soluzione particolarmente
utile per installare i pannelli solari sopra tetti poco adatti a sostenere anche il peso del serbatoio. Questa soluzione può essere utilizzata anche nel caso dei tetti inclinati. La circolazione dell’impianto può essere naturale oppure forzata.


Fig. 1 – Orientamento dei pannelli rispetto all’equatore


Tab. 1 – Superficie di pannelli vetrati indicata per zone geografiche


Tab. 2 – Superficie di pannelli sottovuoto indicata per zone geografiche

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