PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
L’irraggiamento solare colpisce i tubi di vetro sottovuoto, contenenti il sottile strato nero che assorbe la radiazione emessa dal sole.
Nel punto centrale del tubo di vetro, c’è un tubetto di rame al cui interno c’è un liquido con basso punto di ebollizione, che riscaldato, evapora, salendo verso l’alto confluendo in un rigonfiamento a forma di ampolla dove condensa per scendere nuovamente verso il basso del tubetto in forma liquida; in questo modo riprende il ciclo ebollizione/condensazione.
Per favorire la liquefazione del vapore, l’ampolla di condensazione è a stretto contatto con lo scambiatore di calore percorso dal fluido che riscaldandosi, sottrae calore, facendolo condensare e ricadere verso il basso.
Solitamente, il fluido utilizzato è acqua addizionata con un liquido anticongelante, che raccoglie l’energia termica dallo scambiatore di calore e, con l’utilizzo di un sistema di accumulo, mediante un altro scambiatore di calore posto in prossimità del sistema di riscaldamento domestico, è connesso all’impianto per ottenere l’acqua calda per la doccia o il bagno.
L’acqua riscaldata con il sistema dei tubi solari termici, non è utilizzata direttamente.
L’acqua potabile utilizzata per bere o cucinare, si riscalda passando, con i propri tubi, attraverso lo scambiatore di calore ad accumulo.
Anche l’acqua circolante nei caloriferi, ha il suo impianto separato dal sistema solare termico, che passando attraverso lo scambiatore di calore ad accumulo, recupera il calore e messo in circolo dal sistema di pompe che spinge l’acqua calda nei caloriferi.
Per evitare danni al sistema solare termico, questo deve essere munito di propria pompa e vaso di espansione.
Nel mio caso, utilizzando l’aria come fluido, non ho la necessità di utilizzare il vaso di espansione e come pompa utilizzo una ventola tangenziale.
L’esposizione al sole dell’abitazione non permette l’utilizzo di accumulatori e scambiatori da collegare al sistema di riscaldamento centrale; poiché l’unica parete disponibile nell’abitazione, è rivolta a Est, l’esposizione solare tra novembre e dicembre è di 4 ore, dalle 9 alle 13.
Il solare termico, visibile in fotografia, funziona raccogliendo l’energia termica del sole che scalda i tubi sotto vuoto che a loro volta trasmettono l’energia raccolta, allo scambiatore di calore, dove una ventola tangenziale, preleva l’aria all’interno dell’appartamento e la invia allo scambiatore.
L’aria calda, così ottenuta, è immessa nuovamente nell’appartamento; nelle giornate di sole di novembre, l’aria, raggiunge gli 80 °C.
L’isolamento di poliuretano espanso, che isola i tubi di rame, accumula calore e permette di insufflare aria anche quando il sole non lambisce più i tubi sotto vuoto.
La ventola tangenziale, è costruita di proposito per non essere rumorosa; è ricavata da una vecchia ventola utilizzata per raffreddare i server.
La ventola in metallo, del diametro di 12 cm, è stata smontata in modo da poter eliminare le pale di metallo originarie, sostituendole con una ventola tangenziale prodotta con una stampante 3D.
Il telaio della ventola è forato e raccordato, sulla tangente, in modo da ottenere l’uscita tangenziale dell’aria aspirata dal centro.
Il funzionamento, della ventola, è attivato da un interruttore bimetallico che si chiude a 50°C e disattiva a 40°C, ciò significa che quando il tubo di rame in uscita dallo scambiatore di calore, raggiunge la temperatura di 50 °C, la ventola tangenziale inizia a spingere l’aria attraverso lo scambiatore di calore spingendo l’aria calda nell’interno dell’abitazione.
Intubando l’aspirazione centrale con il tubo che preleva l’aria all’interno dell’appartamento, il rumore che si sente all’esterno è appena percettibile.
SVILUPPI
Con il risparmio sulla bolletta del gas, ho acquistato di un climatizzatore a pompa di calore aria/aria, con un COP dichiarato di 4.5, che significa che per ogni Watt di elettricità consumato, la resa termica è di 4,5 volte superiore rispetto all’utilizzo della medesima potenza utilizzata per riscaldare l’ambiente, utilizzando una comune stufetta elettrica.
I parametri del costruttore indicano un consumo di energia, per l’utilizzo in modalità riscaldamento, di 800Wh, mentre quella misurata è di 900Wh.
Trattandosi di un sistema aria/aria, ho sfruttato il calore raccolto con il solare termico per riscaldare l’aria dello scambiatore di calore posto all’esterno della abitazione.
Per evitare di disperdere il calore proveniente dal solare termico, attorno allo scambiatore di calore aria/aria del climatizzatore, è stata costruita una struttura in poliuretano espanso che, oltre a proteggerlo dal freddo invernale, funziona come accumulatore di calore; la struttura in poliuretano ha un lungo percorso a labirinto con lo scopo di evitare che l’aria troppo fredda proveniente dall’esterno blocchi il climatizzatore nella funzione “scongelamento”.
Il primo tentativo fu di indirizzare il flusso di aria calda proveniente dal collettore solare direttamente sulla struttura metallica dello scambiatore aria/aria.
Il sistema si è dimostrato fin troppo efficace tanto da impedire il funzionamento del climatizzatore in funzione riscaldamento, probabilmente a causa dei sensori termici posti all’interno dell’apparecchiatura per evitare l’uso della funzione “riscaldamento”, in estate.
Quando l’irraggiamento dei tubi del collettore solare è ottimale.
Con una temperatura esterna prossima allo zero, la temperatura interna dell’sistema di isolamento e accumulo, raggiunge i 17°C.
Con una temperatura esterna di 15°C, la temperatura interna del sistema di isolamento e accumulo, raggiunge i 27°C.
La parte interna, “splitter”, è posta sopra la porta d’ingresso dell’abitazione riscaldando il corridoio, la cucina, il mio studio e la sala; il calore si disperde lentamente verso il piano superiore dell’abitazione.
Dopo 20 minuti, il climatizzatore continua ugualmente a funzionare ma con un rendimento minore.
Aspettando altri 15 minuti, la temperatura nel poliuretano riesce nuovamente a raggiungere la temperatura ottimale permettendo un nuovo ciclo di 15 minuti.
Il consumo elettrico è di 225 Wh per ciclo.
Non ho mai avuto la necessità di mantenere il sistema attivo per più di 30 minuti, perché c’è comunque un impianto di riscaldamento che funziona; la temperatura nella abitazione è mantenuta tra 16°C e 18°C, solo quando sono fermo al computer, ho la necessita di avere quello “sprint”, di temperatura in più, in ogni caso mai superiore a 19°C.
Pannelli solari e accumulo di energia
La ventola dello scambiatore aria/aria riesce ad abbassare la temperatura interna della struttura in poliuretano vicina a quella esterna in 15 minuti, tempo sufficiente per alzare la temperatura dell’appartamento di 2 °C.
Continuando la sperimentazione, ho aggiunto al mio sistema solare termodinamico, alcuni pannelli con 500 VI, di erogazione.
Poiché, la parete è esposta a est, con solo 5 ore di irraggiamento solare, ho aggiunto 4 pannelli solari monocristallini, dimensione 1152x540 mm.
Due pannelli sono di tipo monocristallino tradizionale, con un rendimento di 120 W (6,7 A x 18 V ), e due pannelli “sunPower”, con un rendimento di 130W (7,2 A x 18 V).
I pannelli sono facilmente maneggiabili, perché sono leggeri e flessibili.
Per adattarli al mio terrazzo, con la giusta inclinazione, ho costruito una struttura di legno.
Trattandosi di un esperimento, per mettere a punto il sistema di stoccaggio della energia prodotta, ho preferito iniziare con pochi pannelli.
Dopo aver sperimentato, con successo, il climatizzatore a pompa di calore.
Voglio produrre l’energia necessaria per il suo utilizzo.
L’energia prodotta dai pannelli solari è immagazzinata in una batteria da 95 Ah, caricata durante le ore di insolazione mattutine, in modo da essere da aiuto all’energia erogata dai pannelli, che da sola non è sufficiente ad alimentare il climatizzatore.
struttura porta pannello solare in legno con rinforzo di alluminio
struttura porta pannello solare, montata sulla ringhiera
Ho utilizzato una tradizionale batteria da avviamento anziché adoperare una da trazione, perché è di dimensioni inferiori , facilmente trasportabile e posizionabile.
Come si vede dalla fotografia, è possibile aggiungere altri sei pannelli, per una produzione totale di 1200 W, che permetterebbero di alimentare direttamente il climatizzatore.
L’energia prodotta dai pannelli solari, non è sufficiente per alimentare il climatizzatore, pertanto è necessario accumulare l’energia in modo che possa essere utilizzata quando è necessario.
carico a 12 volt
uscita per alimentare il climatizzatore
Tubetto di rame contenente un liquido con basso punto di ebollizione.
Tubo di vetro con intercapedine privata dell’aria
Materiale che assorbe la radiazione luminosa.
rivestimento esterno.
Scambiatore di calore.
Isolante termico in poliuretano espanso.
Tubo di rame dove passa il fluido che preleva il calore dallo scambiatore.
Riccardo Monti