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ⓘ Riscaldamento solare aerotermico




Riscaldamento solare aerotermico
                                     

ⓘ Riscaldamento solare aerotermico

Il riscaldamento solare aerotermico è una tecnologia del solare termico nella quale la radiazione proveniente dal Sole viene catturata da un mezzo assorbente ed in seguito usata per riscaldare laria. Il riscaldamento solare dellaria è una forma di sfruttamento dellenergia rinnovabile dal sole per riscaldare edifici o per essere usato in applicazioni che richiedono calore. Tipicamente si tratta della più efficace di tutte le tecnologie solari, specialmente in applicazioni commerciali e industriali, e risponde alla più grande quota dellenergia utilizzata dagli edifici, che è il riscaldamento degli ambienti.

I collettori daria solare possono essere comunemente divisi in due categorie:

  • Collettori solari "scoperti" o collettori solari traspirati
  • Collettori solari vetrati tipi a ricircolo che sono usualmente usati per riscaldare ambienti
                                     

1.1. Collettori solari "scoperti" e collettori solari "traspirati" Background

Il termine "collettore solare senza vetro" dallinglese "unglazed air collector" si riferisce ad un sistema di riscaldamento solare dellaria che consiste di una assorbitore metallico senza alcun vetro o superficie trasparente che lo ricopra. Il tipo più comune di collettore "unglazed" sul mercato è il collettore solare traspirato. Questa tecnologia è stata inventata e patentata con il nome "SolarWall" dalla Conserval Engineering Inc. negli anni novanta, che lavorava congiuntamente con il Department of Energy americano NREL e con la Natural Resources Canada per raggiungere la commercializzazione della tecnologia nel mondo. La tecnologia è stata monitorata estensivamente da queste agenzie governative, e la Natural Resources Canada ha sviluppato lo strumento informatico "RETScreen" per modellizzare i risparmi energetici consentiti dai collettori solari traspirati in un determinato edificio in una data situazione.

Da allora, diverse migliaia di collettori solari traspirati sono stati installati in diversi edifici commerciali, industriali, istituzionali, agricoli, e per applicazioni di processo in più di 30 paesi nel mondo. Allinizio la tecnologia veniva impiegata in applicazioni industriali come in impianti manifatturieri e di assemblaggio dove esistevano grosse richieste di ventilazione un caldo tetto stratificato, e spesso era necessaria una pressione dellaria negativa allinterno delledificio. Il primo collettore traspirato scoperto nel mondo è stato installato dalla Ford nel suo impianto di assemblaggio di Oakville, Canada.

Con laumento della necessità di installare sistemi a energia rinnovabili sugli edifici, attualmente i collettori solari a traspirazione sono usati in molti tipi di edifici grazie allalta produzione di energia fino a 500-600 Watt/metro quadro termici di produzione di picco, allalta capacità di conversione dellenergia solare in energia termica fino all80% e ai minori costi di capitale quando confrontati al fotovoltaico e al riscaldamento solare dellacqua.

                                     

1.2. Collettori solari "scoperti" e collettori solari "traspirati" Come funzionano i collettori solari aerotermici

I collettori solari aero-termici raccolgono laria ambientale dallesterno invece di far ricircolare laria delledificio.

I collettori solari traspirati sono abitualmente montati su pareti in maniera di catturare il basso angolo solare nei mesi invernali ma anche la luce riflessa dalla neve. La superficie esteriore di un collettore solare traspirato consiste di migliaia di piccole micro-perforazioni che permettono che lo strato superficiale di calore venga catturato e uniformemente veicolato verso una cavità piena daria dietro i pannelli esterni. Questaria di ventilazione riscaldata viene condotta allinterno del sistema di ventilazione delledificio grazie a una lieve pressione negativa dellaria generata grazie a ventole che spingono laria alla base delledificio al di fuori di esso, oppure sottraendo aria grazie ad un compressore che la immette in una bombola a pressione.

Il sistema di ventilazione distribuisce la restante aria calda con mezzi convenzionali oppure usando un metodo a dotti solari. Un esteso monitoraggio compiuto da Natural Resources Canada e dal NREL ha mostrato che i sistemi a collettore solare traspirato riducono la necessità di riscaldamento del 10-50% rispetto a quelli convenzionali e che il sistema informatico RETScreen 3.1 costituisce un valido strumento per predire la performance di un sistema.

I collettori solari traspirati agiscono come uno schermo contro la pioggia e catturano anche il calore che viene irradiato dal tetto o dalla parete "solare" dalledificio, asportandolo dal rivestimento delledificio che alla termografia appare relativamente fresco per poi raccoglierlo nella cavità del collettore daria e riportato indietro nel sistema di ventilazione. Non si richiede una grande quantità di manutenzione nei sistemi a riscaldamento solare dellaria e la vita utile attesa supera i 30 anni.

                                     

1.3. Collettori solari "scoperti" e collettori solari "traspirati" Varianti dei collettori solari traspirati

I collettori solari traspirati possono anche essere installati sui tetti per applicazioni nelle quali non esiste una appropriata parete rivolta a sud oppure per problemi di architettura. In questi casi il calore dal sistema viene veicolato attraverso i dotti verso lunità di aerazione più vicina.

I collettori solari traspirati possono essere combinati con i pannelli del solare fotovoltaico per creare un sistema solare ibrido. Il calore dalla parte posteriore dei moduli fotovoltaici che come energia termica spesso ammonta a quattro volte la quantità di energia elettrica prodotta dal modulo fotovoltaico viene rimossa dal sistema solare aero-termico che sta sotto, e viene utilizzata per scopi di riscaldamento che viene refrigerato, aumentando così la vita utile del pannello solare. In casi dove si rende necessario una richiesta di riscaldamento, lincorporazione di una componente aero-termica solare nel sistema PV produce due vantaggi tecnici; rimuove lenorme calore prodotto dal fotovoltaico e gli consente di operare nella sua migliore efficienza che avviene a 25 °C; e decresce il tempo di ammortizzamento totale associato al sistema combinato perché anche lenergia termica viene catturata ed utilizzata per sostituire il riscaldamento convenzionale.

Attualmente la Conserval Engineering esegue ricerche per approfondire la possibilità di usare il collettore solare traspirato per il condizionamento notturno degli ambienti per raffreddarli.



                                     

2. Sistemi vetrati Glazed Air Systems

Questi sistemi funzionano in maniera simile ad una fornace solare ad aria convenzionale, e forniscono calore grazie al ricircolo dellaria delledificio attraverso collettori - Solar thermal collector. Grazie allutilizzo di una superficie che assorbe molte delle radiazioni del sole, trasformandoli in energia termica, e facendo passare una ventilazione forzata in contatto con essa, si può costruire un collettore semplice ed efficiente per una buona quantità di applicazioni di riscaldamento dellaria e per processi che richiedono calore secco.

Un semplice collettore solare consiste di un materiale assorbente, spesso avente una superficie selettiva, per catturare la radiazione dal sole e trasferire questa energia termica allaria via un sistema di trasferimento del calore a conduzione. Questa aria riscaldata viene in seguito portata con condotti verso ledificio oppure allaria dove si eseguono i processi industriali che adoperano laria riscaldata, per il riscaldamento degli ambienti oppure nellessiccazione.

                                     

2.1. Sistemi vetrati Glazed Air Systems Tipi di collettori solari

A causa dei vari metodi per convogliare laria nei dotti, i collettori comunemente vengono classificati in uno di questi tipi:

  • Collettori dove laria passa dietro alla massa riscaldante "back pass",
  • Collettori dove laria passa di fronte alla massa riscaldante "front-pass",
  • Collettori che sono una combinazione del "front pass" e "back pass".
  • Collettori dove laria passa attraverso la massa riscaldante "through-pass collectors",
                                     

2.2. Sistemi vetrati Glazed Air Systems Collettore daria "Through-Pass"

Nel collettore "attraversato" dallaria through-pass configuration, laria viene convogliata su di un lato dell assorbitore passa attraverso un materiale perforato o fibroso e viene riscaldata per trasferimento di calore tramite conduzione e convezione dellaria in movimento. Gli assorbitori "through-pass" absorbers hanno una maggiore area superficiale di contatto con laria che permette tassi di trasferimento del calore relativamente alti, ma producono un significativo calo della pressione dellaria, che implica la necessità di una maggiore potenza dei ventilatori e il deterioramento di alcuni materiali assorbenti, che avviene dopo molti anni di esposizione alla radiazione solare e che può creare inoltre problemi con la qualità dellaria e la performance complessiva del sistema.

                                     

2.3. Sistemi vetrati Glazed Air Systems Collettori daria a passaggio dellaria frontale, posteriore e combinati

Nelle configurazioni back-pass, front-pass, and combinata, laria viene diretta verso il retro, oppure di fronte, o su entrambi i lati dellassorbitore per essere riscaldata e tornare alla testata dei dotti di riscaldamento. Anche se il far passare laria su entrambi i lati dellassorbitore amplierà la superficie di contatto per il trasferimento di calore tramite conduzione, alcuni problemi possono insorgere con la polvere fouling che può sollevarsi dallaria che passa in fronte al alto della massa assorbente esposta al sole, cosa che riduce lefficienza dellassorbitore perché riduce la quantità di luce solare ricevuta. Nei climi molto freddi, laria che passa vicino al rivestimento trasparente perderà ulteriormente calore, dando luogo ad una minore performance complessiva dei collettori a passaggio frontale.

                                     

2.4. Sistemi vetrati Glazed Air Systems Applicazioni dellaria calda

Molte applicazioni possono utilizzare le tecnologie solari di riscaldamento per ridurre le emissioni di carbonio rispetto ai combustibili fossili, come mezzi sostenibili per produrre energia termica. Applicazioni come il riscaldamento dei locali a stufa, lestensione del periodo di utilizzo delle serre, il pre-riscaldamento dellaria di ventilazione, oppure il calore per i processi industriali possono essere soddisfatte con i sistemi di riscaldamento aero-termico. Nel campo della cogenerazione solare le tecnologie del solare termico che possono essere abbinate al fotovoltaico PV aumentano lefficienza del sistema refrigerando i pannelli fotovoltaici per aumentare la loro resa elettrica mentre allo stesso tempo riscaldano laria per il riscaldamento degli spazi.

                                     

2.5. Sistemi vetrati Glazed Air Systems Applicazioni per il riscaldamento degli ambienti

Il riscaldamento degli ambienti sia residenziali che commerciali può essere ottenuto grazie a pannelli solari che riscaldano laria. Questi funzionano prendendo laria dalla superficie interna delledificio o dallambiente esterno e facendolo passare attraverso i collettori dove laria si riscalda per conduzione dallassorbitore e in seguito viene spinta verso gli spazi di lavoro o abitativi sia con metodi passivi che con lassistenza di un ventilatore.

Una certa quantità di ventilazione, di aria fresca o di aria di sostituzione viene richiesta dalla maggioranza degli edifici commerciali, industriali e istituzionali per soddisfare le normative. Aspirando aria attraverso un sistema non rivestito, ma propriamente progettato, ad esempio un collettore solare daria traspirata oppure un collettore solare vetrato, si può ridurre la necessità di riscaldamento diurno in ambienti dove è necessario un buon ricambio daria, come ad esempio nelle cucine, oppure dove avvengono verniciature, fresature oppure dove si manipolano metalli in fusione. Attualmente vengono installati molto spesso come pre-riscaldatori, ad esempio i collettori traspirati preriscaldano laria fresca che entra in un ventilatore per il recupero del calore per ridurre il tempo di scongelamento dei HRVs.



                                     

2.6. Sistemi vetrati Glazed Air Systems Applicazioni del calore in altri processi

Laria calda prodotta dal solare può essere usata in applicazioni come per lasciugare il bucato, per tostare alcuni semi o coltivazioni e per altre applicazioni che richiedono essiccazione. Laria riscaldata attraverso un collettore solare che poi passa su di un materiale da asciugare può essere un mezzo efficiente per ridurre il contenuto di umidità del materiale.

                                     

2.7. Sistemi vetrati Glazed Air Systems Sistema Zerogas

Il sistema Zerogas è una modifica di questo tipo di progetti, che prevede la cattura dellaria calda prodotta da pannelli "vetrati" o "traspiranti" e la sua compressione in modo da avere un serbatoio di aria compressa molto calda, che può raggiungere temperature più elevate, sufficienti a permettere il riscaldamento dellacqua corrente da usare ad esempio in lavatrici e lavastoviglie raggiungendo anche i 60 °C e oltre, spingendosi fino a permettere lebollizione dellacqua.

Il calore prodotto dal sole, aumentato per compressione adiabatica, può essere immagazzinato e usato quando serve ma quando limmobile è vuoto può essere anche venduto allimmediato vicinato, grazie a contatori automatici, sia come aria compressa che grazie al trasferimento in un recipiente dacqua come un grosso scaldabagno ben coibentato, oppure condotto verso un recipiente con un fluido di lavoro ad alta capacità di immagazzinamento, oppure immesso nel terreno circostante e successivamente ricuperato grazie a cesti geotermici, ecc. Finalmente, laria compressa, che ha ceduto il calore in vari modi, ormai relativamente fresca, può essere utilizzata in un ciclo di espansione per refrigerare gli ambienti, oppure trasferita nella bombola di unautomobile con motore ad aria compressa.

A differenza del riscaldamento solare aero-termico che prevede lapertura di bocche di sfogo verso lalto in estate e in primavera, questo sistema può essere utilizzato anche in edifici con uno scarso ricambio daria, ed è utilizzabile anche in estate, per riscaldare lacqua corrente e per accumulare calore nel terreno recuperabile con sonda geotermica. Il sistema aerotermico "normale" è più utile in luoghi dove si richiede un costante ricambio daria, come in fabbriche dove si eseguono verniciature, saldature, si applicano lacche, si producono polveri, ecc.



                                     

3. Filmati sul riscaldamento solare aerotermico

  • Pompa di calore aria-acqua 65°, su YouTube.
  • Presentazione delle case a riscaldamento aerotermico della Zerogas, su YouTube.
  • Dimostrazione di un pannello solare Grammer ad aria calda, su YouTube.
  • Pannello solare ad aria auto-costruito con le lattine di alluminio 1/4, su YouTube.