Rendimento pannello solare termico: da cosa dipende e come calcolarlo

Il solare termico è la tipologia di impianto a fonti rinnovabili per eccellenza per quanto riguarda la produzione di acqua calda sfruttando l’energia solare.

L’impianto solare termico, infatti, assicura una netta diminuzione dei costi in bolletta soprattutto se utilizzato in ambito domestico come integrazione all’impianto di riscaldamento.

Molti utilizzano il fotovoltaico per lo stesso obiettivo ma un solare termico risulta essere molto più efficiente poiché l’energia accumulata dal sole può essere immediatamente utilizzata anziché essere convertita e poi utilizzata da pompe di calore, scaldabagni o caldaie.

Questo si riflette sull’efficienza del solare termico, il quale possiede un rendimento compreso tra il 30% e il 60% a differenza del 14-20% del fotovoltaico.

Tuttavia, il pannello solare termico – detto anche collettore solare – ha una efficienza variabile che può essere condizionata da innumerevoli fattori.

Tecnicamente il rendimento di un pannello solare termico è definito come il rapporto fra l’energia acquisita dal fluido termovettore presente al suo interno e l’energia incidente sulla superficie del pannello stesso in una determinata unità di tempo.

Maggiore è l’efficienza, infatti, e maggiore è la percentuale di energia utilizzabile per il riscaldamento dell’acqua.

Rendimento solare termico: da cosa dipende

Il rendimento di un collettore solare dipende dai seguenti fattori che è importante considerare per ottenere prestazioni ottimali:

• Zona di residenza: la zona geografica in cui ci si trova influisce sull’irraggiamento solare, che varia a seconda della posizione. Le aree meridionali, le isole e le zone costiere beneficiano di un maggiore irraggiamento solare rispetto alle regioni settentrionali e montane. Di conseguenza, l’efficienza energetica del sistema solare termico varierà in base alla zona di residenza.
• Condizioni climatiche: le condizioni atmosferiche generali hanno un impatto significativo sulla rifrazione dei raggi solari sui pannelli. In presenza di nuvole o nebbia, l’irraggiamento solare può diminuire considerevolmente, oscillando tra 50 W/mq e 1000 W/mq in caso di cielo sereno.
• Inclinazione del tetto: l’orientamento e l’inclinazione del tetto sono fondamentali per il rendimento del collettore solare. I pannelli possono essere installati sul tetto o sulla facciata, sia in posizione verticale che orizzontale, o possono essere integrati nell’edificio. L’inclinazione ideale per massimizzare l’assorbimento delle radiazioni solari, anche in condizioni di scarsa luminosità, è tra 30° e 45°, con esposizione verso sud.
• Capacità di accumulo: il corretto dimensionamento del solare termico, compresa la scelta della capacità di accumulo adeguata alle esigenze domestiche e familiari, contribuisce a garantire un rendimento termico ottimale.
• Temperatura del fluido termovettore: una maggiore differenza di temperatura tra le tubazioni e il fluido consente uno scambio di calore più rapido ed efficiente.
• Caratteristiche costruttive del collettore: le caratteristiche del collettore solare, come i materiali utilizzati e il tipo di collegamento tra la piastra e i tubi, influenzano le prestazioni generali del sistema.

Dunque il rendimento di un pannello solare termico dipende dalla sua capacità di limitare le perdite di calore verso l’esterno.

Questo aspetto è fondamentale per confrontare diversi tipi di collettori solari e viene valutato attraverso le curve di efficienza, che rientrano nella documentazione da certificare attraverso l’applicazione degli standard ISO 9806-1.

L’efficienza di un collettore solare diminuisce proporzionalmente alla differenza di temperatura tra il fluido termovettore e l’ambiente circostante (delta T), e inversamente proporzionale all’irraggiamento solare, misurato in W/mq di superficie.

Nei collettori solari piani, la curva di efficienza è rappresentata da una linea retta e l’efficienza diminuisce all’aumentare di delta T.

Un buon isolamento termico riduce le perdite di calore per conduzione verso il fondo e le superfici laterali del collettore, rendendole trascurabili.

La perdita di calore più difficile da controllare è quella causata dai moti convettivi nell’intercapedine tra la piastra captante e la copertura trasparente.

La copertura trasparente dovrebbe essere realizzata con materiali termicamente isolanti. Ad esempio, è possibile utilizzare una doppia lastra di vetro, poiché l’intercapedine d’aria tra le due lastre funge da efficace barriera al calore.

Un’altra soluzione è l’utilizzo di una superficie trasparente in policarbonato alveolare, che grazie alle sue intercapedini impedisce i moti convettivi.

Confronto del rendimento tra le diverse tipologie di pannelli solari termici

Il rendimento dei collettori solari termici varia in base alle diverse condizioni di lavoro, come l’irraggiamento solare e le temperature ambiente. Ecco riassunto il rendimento delle varie tipologie di pannelli solari termici:

• Collettori non vetrati: Questi collettori, privi di copertura trasparente, hanno un rendimento che diminuisce rapidamente all’aumentare della differenza di temperatura (delta T). In zone con condizioni sfavorevoli, il loro rendimento si annulla praticamente, mentre altri collettori mantengono prestazioni significative.
• Collettori con vetri piani non selettivi: Questi collettori hanno un rendimento maggiore rispetto ai non vetrati, ma comunque inferiore rispetto a quelli piani selettivi in tutte le condizioni di lavoro.
• Collettori con tubi sottovuoto: Questi collettori offrono una curva di rendimento più stabile e migliore in assoluto, garantendo buone prestazioni anche in condizioni avverse. Sono la scelta ideale per un impianto solare termico “tradizionale”, senza concentrazione solare.

Inoltre, ricordiamo che gli impianti solari termici possono essere suddivisi in due tipologie:

• Circolazione forzata: In questo caso, il serbatoio è posizionato più in basso rispetto al pannello. L’acqua circola attraverso una pompa quando la temperatura del liquido nel collettore supera quella dell’acqua nel serbatoio di accumulo.
• Circolazione naturale: In questo caso, il serbatoio è collocato più in alto rispetto al collettore solare. L’aumento di volume dei liquidi a causa dell’aumento di temperatura permette all’acqua di circolare naturalmente dal pannello al serbatoio.

Pertanto, i collettori solari sottovuoto rappresentano la scelta migliore per gli impianti solari termici tradizionali, e la tipologia di circolazione dell’acqua dipende dalla disposizione del serbatoio e del collettore.

Rendimento pannello solare termico: come calcolarlo

Abbiamo appurato che il rendimento di un pannello solare termico dipende dalla differenza di temperatura tra la piastra assorbitrice e l’ambiente esterno.

Questo rendimento non è costante e può essere valutato utilizzando un’equazione fornita dal produttore del pannello, come la seguente:

L’equazione tiene conto dei seguenti fattori:

• Tp: la temperatura media della piastra, che è generalmente la media delle temperature di ingresso e uscita del fluido solare dal collettore.
• Ta: la temperatura media esterna, indicata nelle tabelle dei dati climatici.
• G: la radiazione media giornaliera, che rappresenta l’energia media giornaliera divisa per la durata media del giorno.
• Tr: la temperatura ridotta.

I coefficienti dell’equazione del rendimento vengono determinati sperimentalmente utilizzando un piranometro per misurare l’irraggiamento solare e tre termometri per misurare le temperature del fluido solare in ingresso e in uscita, e dell’aria.

Conoscendo la superficie del pannello e l’irraggiamento solare, è possibile calcolare l’irraggiamento entrante. Conoscendo le temperature e la portata dell’acqua, è possibile calcolare la potenza termica uscente. Il rapporto tra questi due valori fornisce il rendimento del pannello.

Durante diverse condizioni di prova, i risultati vengono rappresentati graficamente in un piano cartesiano, con il rendimento sull’asse delle ordinate e la temperatura ridotta sull’asse delle ascisse. Attraverso l’analisi dei dati, è possibile determinare i coefficienti dell’equazione del rendimento, che rappresenta una retta con pendenza negativa.

Consigli per aumentare il rendimento del solare termico

Le prestazioni di un impianto solare termico non dipendono solo dall’efficienza dei singoli pannelli solari. Per valutare correttamente l’efficienza complessiva del sistema, è necessario considerare altri fattori come la configurazione dell’impianto e la capacità di accumulo.

Ad esempio, la scheda tecnica di un collettore solare può indicare un rendimento dell’85%. Tuttavia, questa percentuale si riferisce solo al pannello stesso e non tiene conto delle perdite di calore nel sistema di distribuzione e accumulo.

Quindi, per ottimizzare l’efficienza dell’impianto solare termico, è importante considerare alcuni elementi chiave durante la fase di progettazione, tra cui:

• Dimensione dell’abitazione: è importante valutare soprattutto il numero di bagni presenti.
• Composizione del nucleo familiare: comprendere il numero di persone nella famiglia.
• Esigenze e abitudini familiari: considerare l’uso e la durata media delle docce, ad esempio.

Valutando attentamente questi fattori, è possibile identificare la soluzione migliore per il contesto domestico, determinando il tipo di pannello solare termico da installare in base alla capacità di accumulo necessaria.

La scelta della tipologia di collettore solare – piano o sottovuoto – può garantire un buon isolamento termico e limitare le dispersioni di calore, soprattutto perché dal pannello dipende anche la dimensione del boiler.

Se si opta per un pannello solare termico di tipo piano, è consigliabile considerare almeno 50 litri per metro quadrato. Nel caso di un pannello solare termico sottovuoto, la capacità consigliata sale ad almeno 80 litri per metro quadrato.

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