Collegamento in serie vs. parallelo dei collettori solari termici – cosa scegliere
Collegamento in serie vs. collegamento in parallelo dei collettori solari – cosa scegliere e perché è importante
Quando si intende espandere un sistema solare da un singolo collettore a due, tre o più unità, si arriva a una domanda che la maggior parte dei clienti sottovaluta: come collegare tra loro i collettori? Potrebbe sembrare un dettaglio, ma il modo in cui si collega idraulicamente il campo dei collettori ha un impatto diretto sull'efficacia dell'intero sistema, sulla durata dei componenti, sui costi operativi e – nel peggiore dei casi – sull'emergere di problemi difficili da diagnosticare. In questo articolo analizzeremo in dettaglio queste due configurazioni di base, vi mostreremo quando utilizzare ciascuna e aggiungeremo anche esempi concreti tratti dalla pratica – quelli con cui ci si imbatte ripetutamente in commesse reali.
Principio base: cosa succede al fluido in ciascun collegamento
Prima di passare al confronto, richiamiamo un po' di fisica, per parlare della stessa cosa. Nel circuito solare scorre un fluido non congelante (di norma una soluzione acquosa di propilenglicole) tra il campo dei collettori e il serbatoio. I collettori assorbono il calore irradiato dal sole e lo trasferiscono a questo fluido, che lo trasporta successivamente al cambio termico nel serbatoio.
La differenza tra collegamento in serie e collegamento in parallelo sta in come questo fluido attraversa i collettori:
- Collegamento in serie: il fluido scorre attraverso il primo collettore, riscaldato entra nel secondo, da lì al terzo e così via – quindi i collettori sono "disposti uno dietro l'altro" come anelli in una catena.
- Collegamento in parallelo: il fluido si divide in tutti i collettori simultaneamente, attraversa ciascuno con lo stesso volume e in uscita si ricongiunge – i collettori sono "disposti uno accanto all'altro" tra lo stesso immissione e lo stesso scarico.
Da questa differenza fondamentale derivano tutti i vantaggi, svantaggi e limiti di cui parleremo.
Collegamento in serie dei collettori – quando e come funziona
Nel collegamento in serie il fluido attraversa i collettori in sequenza, uno dopo l'altro. Ogni collettore riceve quindi in ingresso un fluido che è leggermente più caldo rispetto a quello che entra nel collettore precedente. Ad esempio, se il fluido in ingresso al primo collettore ha una temperatura di 20 °C e il primo collettore lo riscalda di 20 K, il fluido in ingresso al secondo collettore avrà una temperatura di 40 °C, e in uscita dal secondo collettore avrà una temperatura di 60 °C.
Questo è un punto fondamentale: una temperatura più alta del fluido comporta un differenziale termico maggiore tra il collettore e l'ambiente circostante, il che porta a perdite termiche più elevate. Il rendimento del collettore con una temperatura d'ingresso più alta è oggettivamente inferiore – e questo vale sia per i collettori piani che per quelli a tubi, senza differenze. La fisica lo prevede semplicemente così e non esiste un trucco progettuale che possa cambiarlo.
Limiti pratici del collegamento in serie
Per il motivo sopra menzionato, il collegamento in serie si consiglia al massimo per due collettori, occasionalmente per tre – ma solo in determinate condizioni. In pratica, con un collegamento in serie di due collettori piani con una superficie totale di circa 4–5 m², si può riscaldare l'acqua per un nucleo familiare di 3–4 persone in modo sicuro ed efficiente. Nel caso di tre collettori collegati in serie, si considera che il terzo collettore operi in un regime termico sostanzialmente sfavorevole e il suo contributo alla produzione complessiva di calore è notevolmente inferiore.
Un altro limite è la resistenza idraulica: nel collegamento in serie il flusso complessivo passa attraverso ciascun collettore singolarmente – il che significa che la resistenza idraulica si somma con ogni collettore aggiunto. Con due collettori non è generalmente un problema (un circolatore standard lo gestisce), ma con tre o quattro collettori in serie può diventare critico e il circolatore deve essere significativamente più potente, il che riduce l'efficienza energetica complessiva del sistema.
Quando il collegamento in serie è sensato
- Collegamento massimo di due collettori in una sola fila (abitazione familiare tipo, produzione di acqua calda).
- Situazioni in cui si desidera raggiungere una temperatura di uscita più alta con un flusso minore (ad esempio, fonte di supporto per il riscaldamento o sistema solare per piscina con idraulica separata).
- Installazioni in cui il collettore di distribuzione/non è tecnicamente realizzabile o non economicamente giustificabile.
- Sistemi con un collegamento semplice dei collettori utilizzando raccordi standard – senza la necessità di un elemento distributivo speciale.
Per il collegamento in serie standard di due collettori si utilizza collegamento tra collettori, accessori – questo collegamento completo include tutti i raccordi, tubi flessibili e elementi di fissaggio necessari, progettati direttamente per il circuito solare. Si evita così l'improvvisazione con materiali inadatti (ad esempio, raccordi in rame comuni senza isolamento, che nel circuito solare portano rapidamente a problemi).
Collegamento parallelo dei collettori – quando e come funziona
Nel collegamento parallelo il fluido entra in tutti i collettori alla stessa temperatura. Ogni collettore riceve una parte del flusso totale, lo riscalda e il fluido caldo viene raccolto in uscita da tutti i collettori. La temperatura di uscita risultante è inferiore rispetto al collegamento in serie nelle stesse condizioni, ma l'energia termica complessiva recuperata è maggiore – e soprattutto, ogni collettore lavora con un gradiente termico ottimale.
Questo tipo di collegamento è lo standard tecnico per i campi collettori più grandi (tre o più collettori), e nei sistemi moderni lo si trova nella quasi totalità delle realizzazioni superiori a 6 m² di superficie. Il collegamento parallelo richiede l'uso di un collettore di distribuzione e di raccolta – un elemento idraulico speciale che distribuisce uniformemente il flusso tra i collettori e poi riunisce nuovamente le uscite.
Equilibrio idraulico – problema fondamentale del collegamento parallelo
Il collegamento parallelo ha una condizione fondamentale spesso sottovalutata in pratica: l'equilibrio idraulico. Il fluido in un sistema ramificato scorre naturalmente dove incontra minore resistenza. Se i tubi flessibili verso i singoli collettori hanno lunghezze diverse o i diametri dei tubi non sono uguali, il fluido preferirà alcuni collettori a scapito di altri. Il collettore con maggiore flusso si surriscalda meno, mentre il collettore con minore flusso potrebbe stagnare o surriscaldarsi oltre i limiti di sicurezza in estate.
Per questo motivo, nel collegamento parallelo di più collettori si utilizza la cosiddetta schematizzazione a Tichelmann (inversa): il tubo di alimentazione e il tubo di ritorno sono collegati in modo che la lunghezza idraulica di ogni ramo sia uguale. Il fluido entra nel primo collettore per la via più breve, ma torna dal collettore di raccolta per la via più lunga – e viceversa per l'ultimo collettore. Risultato: ogni collettore ha la stessa resistenza idraulica, e il flusso è distribuito uniformemente.
Quando utilizzare l’impianto in parallelo
- Con tre o più collettori – praticamente sempre.
- Negli impianti combinati per la produzione di acqua calda sanitaria e supporto al riscaldamento (maggiore potenza = più collettori).
- Negli impianti solari per piscine con grandi superfici di collettori.
- Ovunque si desideri una produzione stagionale massima di calore con una stabilità operativa a lungo termine.
- Nelle installazioni commerciali (case vacanza, edifici residenziali, impianti industriali).
Per un impianto in parallelo con un numero maggiore di collettori è indispensabile un buon collettore di distribuzione e un distributore. A tale scopo si utilizza ad esempio l’installazione del collettore di distribuzione/zona in acciaio inox industriale con valvole a sfera 6/4"x1", 2-ways, che permette una divisione pulita e regolabile del flusso tra i rami e al contempo include elementi di chiusura per interventi di assistenza tecnica su singoli collettori senza dover svuotare l’intero sistema.
Collegamento combinato (gruppo-parallelo) per impianti più grandi
Nella pratica, negli impianti di medie e grandi dimensioni non si utilizza esclusivamente uno solo dei due collegamenti – si combinano. Esempio tipico: Lei ha sei collettori che desidera collegare in modo ottimale. Una soluzione potrebbe essere disporli in due gruppi da tre collettori in serie (o due gruppi da due collettori in serie), dove tali gruppi sono collegati tra loro in parallelo.
Questo cosiddetto collegamento gruppo-parallelo (o “serie-parallelo”) combina i vantaggi di entrambi gli approcci: all’interno del gruppo si raggiunge una temperatura di uscita più alta (che può essere desiderabile), mentre il collegamento parallelo dei gruppi riduce la resistenza idraulica complessiva del sistema e garantisce un carico più uniforme per il circolatore. Al contempo permette una migliore dimensione dei tubi – attraverso ciascun ramo parallelo scorre solo una parte del flusso totale.
Per un tale sistema è indispensabile dimensionare correttamente il collettore di distribuzione e il distributore, regolare correttamente il flusso (di norma con valvole di regolazione) e affidare l’impostazione finale a un tecnico o comunque verificare attentamente le temperature in uscita da ciascun ramo dopo il primo avvio.
Valori specifici e dimensionamento – cosa Lei deve sapere prima dell’installazione
La progettazione di un impianto solare non è solo una questione di schema di collegamento. Per il corretto funzionamento Lei deve rispettare diversi parametri chiave:
Flusso per collettore
I produttori di collettori solari piani indicano in genere un flusso ottimale compreso tra 40–60 litri all’ora e m² di superficie del collettore. Per un collettore pannello con 2 m² di superficie assorbente ciò significa 80–120 l/h. Nel collegamento in serie di due tali collettori, il flusso totale del sistema deve essere lo stesso che attraversa un singolo collettore (80–120 l/h), perché il fluido passa per entrambi consecutivamente. Nel collegamento in parallelo di due collettori, il flusso totale deve essere doppio (160–240 l/h), perché ciascun collettore deve ricevere la sua quota.
Questo calcolo apparentemente semplice ha un grande impatto sulla scelta del circolatore e sulla dimensione dei tubi. Un’omissione porta o a un flusso insufficiente (il fluido si surriscalda, l’impianto si ferma) o a una pompa eccessivamente grande (rumore, maggiore consumo, usura più rapida).
Resistenza idraulica
Nel collegamento in serie le resistenze idrauliche dei singoli collettori si sommano. Se un collettore ha una resistenza idraulica di 2 kPa a un certo flusso, due in serie avranno 4 kPa, tre 6 kPa ecc. Nel collegamento in parallelo la resistenza idraulica rimane praticamente uguale a quella di un singolo collettore (a condizione di una perfetta equilibrio idraulico), perché il flusso totale si divide tra i collettori.
Volume del vaso di espansione
Ogni collettore aggiuntivo aggiunge volume al sistema – incluso il volume del fluido nei tubi e negli accessori. Il vaso di espansione deve essere dimensionato con una riserva sufficiente. Nella pratica, per il circuito dei collettori si utilizza un vaso di espansione di almeno 10–12 % del volume totale del sistema, con una pressione minima di 1,5 bar. Questo numero è particolarmente importante per grandi campi di collettori, dove il volume del fluido nei tubi non è trascurabile.
Installazione del supporto e suo impatto sulla scelta del collegamento
Il modo in cui i collettori sono collegati è direttamente legato al loro posizionamento fisico sul tetto. Se installa due collettori uno accanto all’altro su un tetto inclinato, è ideale utilizzare un supporto standard per l’installazione di due collettori, che mantiene entrambi i collettori nella stessa piano e alla stessa altezza. Questo è la premessa per un corretto sfiato del sistema – l’aria deve poter salire fino al punto più alto, da dove la valvola di sfiato la espelle.
Quando successivamente estende il sistema con un ulteriore collettore, è più pratico un supporto per l’installazione di un ulteriore collettore, che si monta come estensione della struttura esistente. Quando si pianifica un’estensione, si deve pensare in anticipo se il collegamento in serie originale dei due collettori rimarrà in serie (massimo tre in serie) oppure si passerà a un collegamento combinato con un collettore di distribuzione a gruppi. Ogni modifica idraulica in un sistema già realizzato è sempre più costosa rispetto a una corretta pianificazione dell’installazione fin dall’inizio.
A questa tematica è dedicato l’articolo Come scegliere il supporto giusto per il collettore solare – tetto piano vs. tetto inclinato e Quali dimensioni e tipo di supporto Lei ha bisogno in base al numero dei collettori nel Vademecum, dove trova anche le dimensioni specifiche per i tipi comuni di strutture.
Stagnazione e protezione del sistema – aspetto di sicurezza importante
Questo è un capitolo che gli installatori spesso trascurano, ma per cui i clienti pagano in seguito con le riparazioni. D’estate, quando il bollitore raggiunge la temperatura massima e il regolatore spegne il circolatore, il fluido nei collettori inizia a bollire e la pressione del vapore può raggiungere 3–5 bar. Questo è il cosiddetto fenomeno di stagnazione.
Nel collegamento in serie il vapore si forma e si diffonde lungo l’intera lunghezza della catena in serie. Il volume del vapore è minore (minore volume del fluido nei collettori), ma la temperatura e la pressione sono più elevate, perché il fluido nell’ultimo collettore aveva una temperatura alta durante l’operazione. Nel collegamento in parallelo il vapore si forma in ciascun collettore contemporaneamente, ma il volume del vapore è distribuito uniformemente in più rami e la pressione complessiva è minore.
Sotto l’aspetto della sicurezza durante la stagnazione, il collegamento in parallelo nei sistemi più grandi è in genere più sicuro – purché siano correttamente dimensionate le valvole di sicurezza (di norma regolate a 6 bar) e il vaso di espansione. Per entrambi i tipi di collegamento vale: mai trascurare il condotto di scarico del condensato e il manometro.
Riscaldamento elettrico di riserva e sua relazione con il collegamento dei collettori
Nelle condizioni climatiche della maggior parte della Slovacchia, l’impianto solare non è in grado di soddisfare l’intera richiesta annuale di acqua calda. Nei periodi di transizione e in inverno è necessario un riscaldamento ausiliario. Il bollitore con scambiatore solare ha in genere anche la possibilità di installare una resistenza elettrica. Nel catalogo trova ad esempio una resistenza elettrica da 2 kW per i bollitori OKC, che funge da fonte ausiliaria nei giorni con insufficiente irraggiamento solare.
La scelta tra collegamento in serie e in parallelo non ha un impatto diretto sulla potenza del riscaldamento elettrico ausiliario, ma ha un impatto su quanto spesso la resistenza elettrica si attiva. Un collegamento in parallelo idraulicamente bilanciato in modo ottimale con un campo di collettori più grande riduce naturalmente la durata per cui il riscaldamento ausiliario deve funzionare, riducendo così i costi operativi per l’energia elettrica.
Esempi pratici – scenari concreti da ordini
Scenario 1: Casa familiare, 4 persone, solo produzione di acqua calda
Questo è di gran lunga il caso più comune. Il cliente ha un bollitore da 300 litri con scambiatore solare e desidera aggiungere due collettori. Soluzione standard: due collettori piani con una superficie totale di circa 4,4 m² collegati in serie. Collegamento dei collettori con tubazioni standard, pompa con portata di circa 100 l/h, vaso di espansione da 18 litri. Il sistema funziona senza problemi, la copertura solare per l'acqua calda in estate è del 90–100 %, con una media annua intorno al 55–65 %.
Errore che si ripete spesso: il cliente riceve un buon set di collettori scontato, ma non richiede un collegamento di alta qualità. Vengono quindi utilizzati raccordi in rame senza isolamento termico e dopo tre anni si osserva sbiadimento, corrosione e perdite nei giunti. Per questo motivo è opportuno utilizzare un collegamento solare certificato progettato per alte temperature.
Scenario 2: Casa vacanze con piscina, 6 collettori
Il cliente ha una piscina da 40 m³ e desidera riscaldarla con energia solare. Potenza progettata: 6 collettori piani (superficie totale di circa 13 m²). Collegamento: due gruppi da tre collettori in parallelo, con collettore di distribuzione e di raccolta. Schema Tichelmann all'interno di ogni gruppo. Pompa con portata 400–500 l/h. Risultato: la piscina ha raggiunto una temperatura di 26–30 °C da aprile a settembre senza utilizzo di gas. La chiave è stata l'equilibrio idraulico corretto – durante l'avvio iniziale si sono misurate le temperature in uscita da ogni ramo e si è regolato il flusso con valvole regolatrici.
Scenario 3: Estensione di un sistema esistente in serie con un terzo collettore
Il cliente aveva due collettori in serie, successivamente ha voluto aggiungerne un terzo. Il primo installatore ha semplicemente inserito il terzo collettore in serie – risultato: efficienza visibilmente ridotta, il fluido nel terzo collettore si surriscaldava in estate, la valvola di sicurezza scaricava la pressione. La soluzione è stata passare a un collegamento in parallelo di due gruppi: due collettori in serie come un ramo, un collettore come l'altro ramo, entrambi in parallelo. Il sistema si è stabilizzato, la valvola di sicurezza ha smesso di scaricare.
Questo caso dimostra chiaramente perché è necessario pensare al collegamento in anticipo – e perché argomenti come Collettore e distributore in un sistema solare – a cosa servono e quando sono necessari e Installazione del supporto per collettore solare passo dopo passo non sono solo letture accademiche, ma conoscenze veramente necessarie prima dell'implementazione.
Confronto complessivo tra collegamento in serie e in parallelo
| Parametro | Collegamento in serie | Collegamento in parallelo |
|---|---|---|
| Numero raccomandato di collettori | massimo 2 (raramente 3) | 3 o più (senza limiti) |
| Temperatura in uscita | Maggiore | Minore (ma energia totale maggiore) |
| Resistenza idraulica | Aumenta con ogni collettore | Rimane costante (con equilibrio) |
| Richieste idrauliche | Semplici | Necessario equilibrio idraulico |
| Collettore/distributore | Non necessario | Necessario (con 3+ collettori) |
| Rendimento con campo più grande | Diminuisce con ogni collettore aggiuntivo | Rimane alto (ogni collettore lavora in modo ottimale) |
| Comportamento in caso di stagnazione | Pressione e temperatura più elevate alla fine della serie | Vapore distribuito uniformemente |
| Complessità dell'installazione | Minore | Maggiore (più tubazioni, collettore) |
Domande frequenti (FAQ)
Può collegare quattro collettori in serie, se desidera una temperatura più alta?
Tecnicamente è possibile, ma in pratica non si raccomanda. Il quarto collettore in serie lavora con una temperatura in ingresso di 60 K superiore rispetto al primo, il che significa perdite termiche enormi – il suo contributo alla produzione di calore è minimo, ma carica al massimo la pompa di circolazione (e le tubazioni). Una soluzione migliore per raggiungere temperature più alte è una portata ridotta con collegamento in parallelo, oppure l'utilizzo di collettori tubolari a vuoto, che hanno un'isolamento termico migliore e una temperatura operativa naturalmente più alta.
Come posso verificare che il mio collegamento in parallelo non sia idraulicamente bilanciato?
Il modo più affidabile è misurare le temperature in uscita da ogni ramo dei collettori in un giorno soleggiato (con intensità solare stabile). Se le temperature in uscita differiscono di più di 3–5 °C, il sistema non è bilanciato. Può controllare visivamente toccando le tubazioni – una tubazione di ritorno significativamente più fredda rispetto ad un'altra indica un flusso insufficiente in quel ramo. La soluzione sono valvole regolatrici su ogni ramo, idealmente con misuratore di portata.
Devo cambiare la pompa quando passo da un collegamento in serie a uno in parallelo?
Di norma sì, almeno in termini di regolazione della velocità. Un collegamento in parallelo per tre collettori richiede un flusso totale triplo rispetto a un singolo collettore, ma la resistenza idraulica rimane simile a quella di un singolo collettore. Una serie di due collettori invece si accontenta della stessa portata di un singolo collettore, ma la resistenza idraulica è doppia. Prima di ogni modifica dello schema di collegamento verifichi se le caratteristiche della sua pompa soddisfano le nuove richieste – la maggior parte delle pompe elettroniche moderne può essere regolata, mentre con i tipi meccanici più vecchi potrebbe essere più complicato.
Vale lo stesso principio per i collettori tubolari (a vuoto) come per i collettori piani?
Il principio di base – la serie aumenta le perdite termiche, il collegamento in parallelo garantisce una temperatura operativa uniforme – vale per entrambi i tipi. I collettori tubolari hanno però un isolamento termico molto migliore e raggiungono temperature operative più alte, quindi la differenza termica tra i collettori in serie è relativamente minore. Anche per questo motivo si raccomanda il collegamento in parallelo per tre o più collettori tubolari, e non solo perché i collettori tubolari hanno una resistenza idraulica maggiore e il loro collegamento in serie caricherebbe inutilmente la pompa.
È possibile combinare diversi tipi di collettori in un unico sistema?
In teoria sì, ma in pratica non si raccomanda. I collettori piani e tubolari hanno resistenze idrauliche diverse, temperature operative diverse e potenze termiche diverse in condizioni diverse. Il collegamento di tipi diversi in un unico circuito idraulico porta quasi sempre a un utilizzo non uniforme e a una ridotta durata di vita di uno dei tipi. Se desidera estendere un sistema esistente con collettori piani, aggiunga lo stesso tipo.
Come influisce la miscela antigel sull'installazione?
La concentrazione e il tipo di miscela antigel influenzano la viscosità del liquido, che ha un impatto diretto sulla resistenza idraulica. Una maggiore concentrazione di propilenglicole (ad esempio 50 %) aumenta la viscosità e quindi anche la resistenza nei tubi e nei collettori, il che è particolarmente importante in un'installazione in serie con un percorso di flusso più lungo. Nei sistemi di grandi dimensioni non si consiglia quindi di superare la concentrazione del 45–50 % (che corrisponde a una protezione fino a circa –30 °C), ma piuttosto di preferire una miscela di alta qualità con additivi antincrostanti. Ne saprà di più nell'articolo Miscela antigel per impianti solari – come scegliere la composizione e la concentrazione giuste.
Conclusione: la scelta corretta dell'installazione risparmia denaro e prolunga la durata del sistema
L'installazione in serie è semplice, più economica in termini di materiali e adatta per sistemi a due collettori in case familiari normali. L'installazione in parallelo è tecnicamente più impegnativa, richiede un buon collettore di distribuzione e una precisa bilanciatura idraulica, ma con tre o più collettori non esiste un'alternativa sensata – qualsiasi compromesso significa una minore efficienza e un rischio di guasti più elevato. La combinazione di entrambi gli approcci (installazione in parallelo per gruppi) è la soluzione per impianti collettori di medie e grandi dimensioni, dove è necessario conciliare una temperatura di uscita sufficiente con la stabilità idraulica.
Prima di ogni installazione pensi non solo alla situazione attuale, ma anche al futuro – se sa che il sistema potrà essere ampliato, progetti fin dall'inizio l'idraulica in modo che l'ampliamento non richieda un rifacimento completo. L'investimento in un buon collettore di distribuzione, un collegamento di alta qualità dei collettori e una pompa adatta si ripaga con una maggiore durata senza guasti e un maggiore rendimento annuo di energia termica dall'impianto solare.
Ha una domanda su questo argomento?
Non riesce a decidere o deve risolvere una situazione specifica nella sua casa? Scrivici – siamo felici di aiutarla.