Riscaldamento solare come complemento alla caldaia

Il sole colpisce il tetto della casa gratis ogni giorno, ma la stragrande maggioranza delle famiglie non lo utilizza affatto per riscaldare l'acqua – la caldaia o la pompa di calore devono quindi accendersi anche in una calda giornata di luglio solo per riscaldare una dozzina di litri di acqua calda per la doccia. Il riscaldamento solare come integrazione alla caldaia è esattamente su questo: non si tratta di un sostituto del principale impianto di riscaldamento, ma di un'integrazione sensata che, nei mesi caldi, assume una gran parte del riscaldamento dell'acqua calda sanitaria e allevia la caldaia da cicli inutili.

L'impianto solare per il riscaldamento dell'acqua (unità solare termica) è composto da collettori solari installati sul tetto, che riscaldano il fluido termovettore – una miscela di acqua e di una sostanza antigel –, da un serbatoio solare con scambiatore di calore, da un'unità di pompaggio che garantisce la circolazione del fluido, e da un'unità di controllo che valuta e attiva l'intero processo. Tutti questi componenti formano un circuito chiuso e autonomo, che si collega all'impianto di riscaldamento esistente della casa solo nel punto del serbatoio solare.

In questo articolo analizzeremo in dettaglio di cosa è realmente composta l'unità solare, qual è la differenza tra collettori piani e collettori a vuoto, come funziona il serbatoio solare, l'unità di controllo e l'unità di pompaggio, come si risolve la distribuzione dei tubi e il fissaggio dei collettori su diversi tipi di tetti, e infine anche il motivo per cui il circuito solare necessita della propria vasca di espansione e di un riempimento regolare. Se state valutando un'integrazione solare per la vostra caldaia, questo riepilogo vi aiuterà a comprendere in cosa state realmente investendo e cosa potete e non potete aspettarvi da un tale sistema.

L'unità solare è composta da quattro componenti interconnessi.

Cosa contiene esattamente l'unità solare e come collabora con la caldaia

L'impianto solare non è un singolo apparecchio, ma la somma di diversi componenti interconnessi. Sul tetto sono installati i collettori solari, il cui compito è catturare la radiazione solare e trasformarla in calore nel fluido termovettore – una miscela di acqua e di una sostanza antigel che deve resistere al gelo in inverno e alle alte temperature in estate, quando il collettore non è utilizzato (ad esempio durante le vacanze). Questo fluido circola in un circuito chiuso verso la stanza tecnica, dove cede il calore attraverso lo scambiatore nel serbatoio solare.

Il serbatoio solare è il punto centrale in cui si incontra il circuito solare con l'impianto di riscaldamento esistente della casa. La caldaia (a gas, elettrica o un'altra fonte di calore) riscalda ulteriormente l'acqua nel serbatoio fino alla temperatura desiderata ogni volta che non c'è abbastanza calore solare – in pratica, il sistema integra la fonte principale di calore, ma non la sostituisce. L'unità solare riesce a coprire al massimo il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria nei mesi estivi, quando c'è abbastanza radiazione solare e il consumo di calore per il riscaldamento degli ambienti è minimo o nullo.

L'unità di controllo è la "mente" dell'intera unità – confronta la temperatura del collettore con quella del serbatoio e, sulla base di questa differenza, decide quando ha senso avviare la circolazione. L'unità di pompaggio è invece il "cuore" – garantisce fisicamente il movimento del fluido nel circuito. Senza uno qualsiasi di questi elementi, il sistema non funzionerebbe affatto o funzionerebbe in modo inefficiente (ad esempio, la pompa potrebbe funzionare anche quando il collettore è più freddo del serbatoio, sottraendo calore invece di fornirlo). Un panorama completo su come scegliere l'unità adatta per una casa specifica si trova nell'articolo Come scegliere un impianto solare per il riscaldamento dell'acqua.

La scelta del tipo di collettore dipende da se si tratta principalmente di un riscaldamento estivo o da una potenza anche fuori stagione.

Collettori piani o a vuoto – come scegliere

Nella scelta del collettore si risolve quasi sempre la questione se optare per il tipo piano o a vuoto (a tubi). I collettori piani hanno una superficie assorbente coperta da vetro temperato inserito in un telaio isolato. Il loro vantaggio principale è il costo d'acquisto inferiore e la maggiore resistenza meccanica – sopportano ad esempio la grandine meglio dei tubi a vuoto più fragili. Per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria tipico delle nostre condizioni climatiche, i collettori piani sono in genere sufficienti e sono quindi la scelta più comune per un'integrazione solare alla caldaia.

I collettori a vuoto (a tubo) raggiungono un rendimento maggiore soprattutto a basse temperature esterne e a intensità ridotta della radiazione solare – tipicamente in inverno, in primavera o in autunno, quando il sole non è così forte e l'aria è fredda. Questa proprietà ha però un prezzo letterale e figurato: i collettori a vuoto sono più costosi e fragili rispetto alle varianti piane. Nella scelta quindi conta soprattutto il ruolo che il sistema solare ha nella casa specifica – se l'obiettivo è principalmente un riscaldamento economico dell'acqua calda sanitaria in estate come integrazione alla caldaia, i collettori piani sono una scelta logica ed economica. Se invece si vuole ottenere la massima quantità di energia solare anche al di fuori dei mesi estivi, i collettori a vuoto offrono un migliore rendimento a fronte di un investimento maggiore e della necessità di trattarli con maggiore attenzione durante l'installazione e l'uso (ad esempio durante la pulizia della neve dal tetto).

Un confronto più dettagliato dei due tipi di collettori, incluso la loro adatto per diversi tipi di edifici, lo trova nell'articolo separato Collettori solari piani vs. a vuoto. Lì trova anche informazioni su cosa tenere in considerazione nella scelta del modello specifico.

Accumulatore solare – serbatoio con due scambiatori di calore

Un normale scaldabagno elettrico non è adatto per il riscaldamento solare, perché non ha uno scambiatore collegato al circuito solare. L'accumulatore solare ha rispetto al normale scaldabagno almeno uno scambiatore di calore in più, che è appunto collegato al circuito solare – spesso ne ha addirittura due, dove il secondo serve per il riscaldamento supplementare tramite la caldaia, quando l'energia solare non è sufficiente. Grazie a questa organizzazione l'acqua nell'accumulatore viene riscaldata in modo indiretto: il fluido termovettore solare circola separatamente nel suo circuito chiuso e non entra mai in contatto diretto con l'acqua potabile che Lei fa scorrere dal rubinetto.

Questo isolamento è importante per due motivi. Primo, il fluido termovettore nel circuito solare contiene una componente antigel e non è adatto al contatto diretto con l'acqua potabile. Secondo, grazie ai due scambiatori indipendenti l'accumulatore può ricevere calore contemporaneamente da due fonti diverse – dal sole attraverso il circuito solare e dalla caldaia attraverso il circuito di riscaldamento tradizionale – e combinare intelligentemente entrambe le fonti in base a quale è disponibile in quel momento. In pratica, questo significa che in una giornata soleggiata estiva quasi tutto il calore viene fornito quasi esclusivamente dal circuito solare, mentre in una giornata nuvolosa invernale quasi l'intero carico viene assunto dalla caldaia attraverso il secondo scambiatore – l'accumulatore stesso non commuta manualmente tra questi modi, ma riceve semplicemente calore da quella fonte che in quel momento è più calda.

La scelta della giusta dimensione e configurazione dell'accumulatore solare dipende dal numero di membri della famiglia, dalla superficie dei collettori e da se l'accumulatore deve servire solo per l'acqua calda sanitaria o deve contribuire anche al riscaldamento. Una guida dettagliata per la scelta dell'accumulatore specifico la trova nell'articolo Quale accumulatore solare Le serve.

Unità di regolazione e gruppo pompa – cervello e circolazione del sistema

L'unità di regolazione (solare) confronta continuamente la temperatura del collettore e la temperatura dell'accumulatore tramite sensori installati in entrambi i punti. Non appena il collettore è più caldo dell'accumulatore di una differenza di temperatura preimpostata, l'unità di regolazione accende la pompa di circolazione del gruppo solare e il calore inizia a trasferirsi all'accumulatore. Quando la differenza scende sotto la soglia impostata (ad esempio la sera, quando il sole tramonta, o quando l'accumulatore è già sufficientemente riscaldato), la pompa si spegne di nuovo – il sistema funziona quindi in modo automatico, senza la necessità di interventi manuali.

L'unità pompa garantisce fisicamente la circolazione del fluido termovettore e in un unico blocco compatto contiene spesso la pompa di circolazione stessa, valvole di chiusura, termometri e manometri per il controllo della temperatura e della pressione nel circuito, e una valvola di sicurezza in caso di pressione eccessiva. Questa soluzione compatta semplifica notevolmente l'installazione e l'assistenza successiva – tutti gli elementi importanti sono chiaramente disposti in un unico posto invece di essere sparsi per tutta la stanza tecnica.

Proprio per il fatto che l'unità di regolazione e il gruppo pompa devono essere compatibili tra loro e correttamente regolati, conviene dedicare loro la stessa attenzione nella scelta che si dedica ai collettori stessi. Per saperne di più su come questi due componenti funzionano insieme e su cosa tenere d'occhio nella loro combinazione, trova informazioni nell'articolo Unità di regolazione e gruppi pompa dei sistemi solari.

Distribuzione tra collettore e stanza tecnica

Il fluido termovettore deve percorrere la strada dal collettore sul tetto fino all'accumulatore solare nella stanza tecnica, spesso attraverso il sottotetto, un camino o la facciata della casa. Per questa distribuzione si usa tradizionalmente il tubo in rame o in acciaio inox, che viene successivamente isolato direttamente sul posto durante l'installazione – quindi l'installatore deve prima posare il tubo e poi isolarlo passo dopo passo per prevenire le perdite di calore e gli effetti atmosferici.

Un'alternativa è il tubo flessibile preisolato 2in1, che in un unico involucro flessibile conduce contemporaneamente il tubo di alimentazione e il tubo di ritorno (ritorno), già isolato fin dalla produzione. Questa costruzione riduce notevolmente il tempo di installazione, perché non è necessario isolare niente in più né sul tetto né nel camino – basta semplicemente tirare il tubo dal punto A al punto B e collegarlo. Per le aziende di installazione e per le famiglie che risolvono la ristrutturazione del tetto o hanno un tempo limitato per l'installazione, è una scelta pratica che riduce il rischio di errori nell'isolamento sul tetto in altezza.

I tratti di distribuzione più brevi, ad esempio direttamente nella stanza tecnica durante il collegamento al gruppo pompa o all'accumulatore, si risolvono spesso con il tubo flessibile in acciaio inox (ondulato), che è resistente alle alte temperature che si verificano comunemente nel circuito solare, soprattutto quando il collettore non è evacuato e il fluido al suo interno può raggiungere alte temperature.

La scelta tra tubazioni tradizionali e tubo flessibile 2in1 dipende soprattutto dalla lunghezza del tracciato, dall'accessibilità del tetto e da quanto tempo l'azienda installatrice ha a disposizione per l'installazione. Un'analisi dettagliata di entrambe le soluzioni la trova nell'articolo Tubazioni solari e onde di acciaio inox – come funzionano.

Fissaggio dei collettori in base al tipo di tetto

I collettori non si possono semplicemente appoggiare sul tetto – richiedono una struttura di montaggio specializzata che corrisponda esattamente al tipo di tetto e alle dimensioni del collettore specifico. Sui tetti inclinati la struttura varia in base al tipo di copertura – tegole, lamiera o onduline richiedono modi diversi di fissaggio, in modo che la copertura non venga danneggiata durante l'installazione e il fissaggio rimanga stabile nel lungo termine anche in caso di vento forte e carico nevoso.

Sui tetti piani, invece, si utilizza una struttura di montaggio con inclinazione regolabile, generalmente almeno 15 gradi. Questo minimo di inclinazione non è casuale – garantisce che il collettore possa auto-pulirsi naturalmente con l'acqua piovana, che scorre lungo la superficie inclinata del collettore e porta via polvere e impurità. Senza un'inclinazione sufficiente, la sporcizia potrebbe rimanere a lungo sulla superficie del collettore, riducendone l'efficacia. Oltre ai tetti inclinati e piani, è possibile installare i collettori anche su una facciata o direttamente a terra, se la configurazione del terreno e l'orientazione verso il sole lo permettono.

È fondamentale che la struttura di montaggio corrisponda esattamente alle dimensioni del tipo specifico di collettore – non si tratta di un componente universale adatto a qualsiasi cosa, ma di un componente progettato per un modello preciso e un tipo di tetto definito.

Se deve risolvere l'installazione su un tetto non standard o non sa quale struttura è adatta al Suo collettore, un riepilogo delle soluzioni disponibili in base al tipo di tetto lo trova nell'articolo Fissaggio dei collettori – tetto inclinato, tetto piano, facciata.

I prezzi dei singoli componenti dell'impianto solare variano notevolmente in base al tipo e alla funzione.

Vaso di espansione, riempimento e pressione nel circuito solare

Il circuito solare è un sistema chiuso a pressione, il che significa che il fluido termovettore circola continuamente senza contatto con l'aria circostante. Alle alte temperature che il fluido raggiunge in estate sul collettore, il suo volume aumenta – e proprio per compensare questa espansione volumetrica serve il vaso di espansione del circuito solare. Senza di esso, la pressione crescente nel sistema potrebbe causare danni alle tubazioni, alle giunzioni o al collettore stesso.

Il sistema viene riempito e sfiatato tramite una pompa di riempimento manuale o elettrica attraverso le valvole di riempimento, come è d'uso comune per il circuito di riscaldamento domestico. Questo riempimento non è un'operazione unica solo all'installazione – nel corso dell'esercizio del sistema potrebbe essere necessario riempire o sfiatare nuovamente il circuito, ad esempio dopo un intervento di assistenza tecnica o se nel sistema si forma una bolla d'aria che ostacola il corretto movimento del fluido.

Il controllo della pressione nel circuito solare rientra tra i compiti fondamentali che l'utente di un sistema solare dovrebbe monitorare – per questo motivo l'unità pompa è dotata di un manometro, in modo che la pressione attuale sia sempre visibile. Informazioni più dettagliate sull'assistenza tecnica, il riempimento e i guasti più comuni negli impianti solari le trova nell'articolo Assistenza tecnica, riempimento e guasti comuni negli impianti solari.

Riscaldamento solare durante l'anno – estate, periodi intermedi, inverno

Il contributo dell'impianto solare varia notevolmente in base alla stagione. D'estate, quando c'è la massima quantità di irraggiamento solare e la casa non è riscaldata, l'installazione solare può assumere una gran parte del riscaldamento dell'acqua calda sanitaria – la caldaia in questo periodo entra in funzione raramente, addirittura mai, perché il serbatoio viene riscaldato sufficientemente direttamente dal sole. Questo è appunto il principale e più reale vantaggio dell'aggiunta solare alla caldaia, a cui ogni interessato dovrebbe pensare in primo luogo quando decide un investimento.

Negli periodi intermedi, cioè a primavera e autunno, c'è meno irraggiamento solare e la sua intensità varia in base alle condizioni meteorologiche – in questi mesi l'impianto solare contribuisce parzialmente al riscaldamento dell'acqua, ma la caldaia deve regolarmente integrare il riscaldamento attraverso il secondo scambiatore nel serbatoio solare. D'inverno, quando c'è la minima quantità di luce solare e la richiesta di calore per il riscaldamento è massima, l'intera carica del riscaldamento dell'acqua e del riscaldamento la assume la fonte principale di calore – la caldaia o la pompa di calore. L'impianto solare non è né deve essere progettato come sostituzione della caldaia, ma come integrazione, che risparmia soprattutto nei mesi in cui altrimenti la caldaia funzionerebbe in modo inefficiente a causa del basso consumo di acqua calda.

La procedura esatta per l'installazione passo dopo passo di un impianto solare – dal fissaggio dei collettori al posizionamento delle tubazioni fino all'allacciamento del serbatoio, dell'unità pompa e dell'unità di controllo – la trova nell'articolo Installazione dell'impianto solare – procedura passo dopo passo.

Esempi concreti dalla pratica

Casa familiare con tetto inclinato orientato a sud. Una famiglia di quattro persone utilizzava esclusivamente la caldaia a condensazione con riscaldatore ad accumulo esistente per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria. D'estate, nonostante non ci fosse alcun bisogno di riscaldamento, la caldaia entrava in funzione regolarmente solo per riscaldare l'acqua per la doccia e il lavaggio. Durante la ristrutturazione del tetto, la famiglia ha deciso di integrare il sistema con collettori solari piani, fissati tramite una struttura di montaggio adatta esattamente a questo tipo di tetto inclinato con tegole. Il riscaldatore ad accumulo esistente è stato sostituito con un serbatoio solare con due scambiatori – uno per il circuito solare, l'altro per l'integrazione con la caldaia. Il controllo della pompa è stato assunto da una regolazione solare, che confronta la temperatura del collettore e del serbatoio e attiva il circolatore solo quando ha senso trasferire il calore. Poiché la ristrutturazione del tetto avveniva contemporaneamente al cambio della copertura, per il collegamento tra i collettori e la stanza tecnica è stata utilizzata una tubazione flessibile 2in1 pre-isolata, che ha permesso un'installazione più rapida senza la necessità di un'isolazione aggiuntiva sul tetto in altezza. Il risultato è che durante i mesi estivi la caldaia in questa casa ha praticamente smesso di entrare in funzione per il riscaldamento dell'acqua – il calore lo fornisce quasi esclusivamente il circuito solare, la caldaia serve solo come riserva per i giorni nuvolosi.

Bungalow con tetto piano. Il proprietario di un bungalow con tetto piano ha risolto l'aggiunta di un riscaldamento solare TÜV al caldaio elettrico esistente. Dal momento che il tetto era piano, era necessario scegliere una struttura di montaggio con un'inclinazione regolabile di almeno 15°, in modo che il collettore potesse pulirsi autonomamente con l'acqua piovana e non si accumulasse la polvere del tetto. Un breve tratto del circuito all'interno della stessa stanza tecnica, dove il tubo era collegato alla pompa e al serbatoio, è stato risolto utilizzando un tubo flessibile in acciaio inox (ondulato), che resiste bene alle alte temperature, tali da essere raggiunte in estate da un fluido termovettore in caso di basso consumo. La regolazione è stata assunta da una regolazione solare collegata ai sensori del collettore e del serbatoio. Al primo avvio del sistema era necessario riempire e svuotare l'aria del circuito con una pompa di riempimento attraverso le valvole di riempimento – un'operazione comune, che l'azienda di installazione ha effettuato direttamente al momento della consegna del sistema. Il proprietario ha così ottenuto una fonte aggiuntiva per il riscaldamento dell'acqua senza intervenire sul caldaio elettrico esistente, che continua a funzionare come fonte principale di calore al di fuori dei mesi estivi.

Domande frequenti sul riscaldamento solare come integrazione del caldaio

Il sistema solare può sostituire completamente il mio caldaio?
No. Il sistema solare integra la fonte principale di calore – caldaio o pompa di calore – ma non la sostituisce in modo completo. Al massimo può coprire il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria nei mesi estivi, quando c'è abbastanza irraggiamento solare. In inverno e durante la stagione di riscaldamento, il carico principale rimane sul caldaio.

Quale tipo di collettore è più adatto – piano o a vuoto?
I collettori piani sono più economici e meccanicamente più resistenti, ad esempio rispetto alla grandine, e in genere sono sufficienti per il riscaldamento TÜV normale nelle nostre condizioni climatiche. I collettori a vuoto (a tubi) hanno un rendimento più elevato a basse temperature e con irraggiamento solare ridotto, ma sono più costosi e fragili. La scelta dipende da se si desidera un riscaldamento estivo economico, oppure una potenza anche al di fuori dell'estate.

Cos'è un serbatoio solare e perché non basta un normale scaldabagno?
Il serbatoio solare ha rispetto al normale scaldabagno almeno un ulteriore scambiatore di calore collegato al circuito solare, spesso anche un secondo scambiatore per il riscaldamento con il caldaio. L'acqua viene riscaldata in modo indiretto – il fluido solare circola separatamente in un circuito chiuso e non entra in contatto con l'acqua sanitaria. Il normale scaldabagno non ha questo scambiatore, quindi non è possibile collegare facilmente il circuito solare a esso.

L'unità di controllo accende e spegne automaticamente la pompa in base alla differenza di temperatura tra collettore e serbatoio.

Come l'unità di controllo sa quando accendere la pompa?
L'unità di controllo confronta la temperatura del collettore e del serbatoio utilizzando i sensori. Quando il collettore è più caldo del serbatoio di una differenza prestabilita, accende la pompa circolatrice del gruppo solare. Quando la differenza diminuisce, la pompa si spegne, in modo che il calore non venga ceduto in senso opposto.

Qual è la differenza tra tubi tradizionali e tubo flessibile 2in1?
I tubi tradizionali in rame o in acciaio inox devono essere isolati separatamente sul posto dopo l'installazione. Il tubo flessibile 2in1 pre-isolato conduce l'alimentazione e il ritorno in un unico involucro flessibile già isolato, quindi non è necessario alcun isolamento aggiuntivo né sul tetto né nel pozzo – l'installazione è quindi più rapida.

Come si fissano i collettori su diversi tipi di tetti?
I collettori si fissano con una struttura di montaggio specializzata in base al tipo di tetto: su un tetto inclinato in base al tipo di copertura (tegole, lamiera, onduline), su un tetto piano con una struttura con inclinazione regolabile, di norma almeno 15° per il lavaggio con la pioggia, eventualmente su una facciata o a terra. La struttura deve corrispondere esattamente alle dimensioni del tipo specifico di collettore.

Perché il circuito solare ha bisogno di un vaso di espansione?
Il circuito solare è un sistema chiuso a pressione. Quando la temperatura del fluido termovettore aumenta, il suo volume si espande e il vaso di espansione compensa questa espansione – senza di esso, nel circuito potrebbe verificarsi una pressione eccessiva che potrebbe danneggiare tubi, giunzioni o collettore.

Come si riempie e si svuota l'aria del sistema solare?
Il circuito solare si riempie e si svuota l'aria con una pompa manuale o elettrica attraverso le valvole di riempimento, come il circuito di riscaldamento domestico. Si tratta di un'operazione necessaria non solo all'installazione iniziale, ma occasionalmente anche in seguito, ad esempio dopo un intervento di assistenza tecnica.

Devo occuparmi dell'assistenza del sistema solare separatamente dal caldaio?
Il circuito solare è un sistema chiuso autonomo con una propria unità di pompaggio, che include anche i manometri per il controllo della pressione – questi permettono di monitorare facilmente lo stato del sistema. Dettagli sull'assistenza, il riempimento e i guasti più comuni si trovano in un articolo dedicato a questa tematica, il link è indicato di seguito tra gli argomenti correlati.

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