Come realizzare un collettore solare per riscaldamento fai-da-te: guida passo passo

L'aumento dei costi delle fonti energetiche tradizionali spinge i proprietari di case private a cercare alternative per il riscaldamento degli ambienti e dell'acqua. D'accordo, la componente finanziaria gioca un ruolo non secondario nella scelta del sistema di riscaldamento.

Uno dei metodi più promettenti per l'approvvigionamento energetico è la conversione della radiazione solare. A tal fine si utilizzano impianti solari. Comprendendo il principio del loro funzionamento e il meccanismo, realizzare un collettore solare per il riscaldamento fai da te non sarà difficile.

Vi parleremo delle caratteristiche costruttive degli impianti solari, vi proporremo un semplice schema di montaggio e descriveremo i materiali che si possono utilizzare. Le fasi del lavoro sono accompagnate da foto illustrative, e il materiale è integrato con video sulla creazione e messa in funzione di un collettore fatto in casa.

Principio di funzionamento e caratteristiche costruttive

I moderni sistemi solari – uno dei tipi di fonti alternative di calore. Sono utilizzati come apparecchiature di riscaldamento ausiliarie, che convertono l'irradiazione solare in energia utile per i proprietari di casa.

Possono soddisfare completamente il fabbisogno di acqua calda e riscaldamento nella stagione fredda solo nelle regioni meridionali. E anche solo se occupano una superficie sufficientemente grande e sono installati in aree aperte, non ombreggiate da alberi.

Nonostante l'elevato numero di varietà, il principio di funzionamento è lo stesso. Ogni sistema solare rappresenta un circuito con una disposizione sequenziale di dispositivi, sia per fornire energia termica che per trasferirla al consumatore.

Gli elementi di lavoro principali sono i pannelli solari a celle fotovoltaiche o i collettori solari. La tecnologia di assemblaggio di un generatore solare su lastre fotovoltaiche è leggermente più complessa di quella di un collettore tubolare.

In questo articolo esamineremo la seconda opzione: l'impianto solare a collettore.

I collettori solari per ora fungono da fornitori ausiliari di energia. Passare completamente il riscaldamento della casa a un sistema solare è pericoloso a causa dell'impossibilità di prevedere il numero esatto di giorni di sole.

I collettori sono un sistema di tubi collegati in serie con la mandata e il ritorno, o disposti a serpentina. Nei tubi circola acqua tecnica, flusso d'aria o una miscela di acqua con un liquido antigelo.

La circolazione è stimolata da fenomeni fisici: evaporazione, variazione di pressione e densità dovuta al passaggio da uno stato di aggregazione all'altro, ecc.

Il principio di funzionamento dei collettori solari si basa sulla cattura e l'accumulo di energia solare, che viene trasmessa al fluido termovettore (+)

La raccolta e l'accumulo di energia solare sono effettuati dagli assorbitori. Questi sono o una lastra metallica continua con superficie esterna annerita, o un sistema di lastre separate collegate ai tubi.

Per la realizzazione della parte superiore del corpo, il coperchio, si utilizzano materiali con elevata capacità di trasmettere il flusso luminoso. Può essere plexiglass, materiali polimerici simili, vetri temperati tradizionali.

Per evitare perdite di energia dal lato posteriore del dispositivo, nella scatola viene inserito un isolamento termico.

Va detto che i materiali polimerici resistono piuttosto male all'influenza dei raggi ultravioletti. Tutti i tipi di plastica hanno un coefficiente di dilatazione termica piuttosto elevato, che spesso porta alla perdita di tenuta del corpo. Pertanto, l'uso di tali materiali per la costruzione del corpo del collettore dovrebbe essere limitato.

L'acqua come fluido termovettore può essere utilizzata solo in sistemi progettati per fornire calore aggiuntivo nel periodo autunnale/primaverile. Se si prevede un uso annuale del sistema solare, prima del primo freddo l'acqua tecnica viene sostituita con una miscela di antigelo.

Nei sistemi solari ad aria, come fluido termovettore viene utilizzata l'aria. I canali per il suo movimento possono essere realizzati in normale lamiera grecata (+)

Se il collettore solare viene installato per riscaldare un piccolo edificio non collegato al riscaldamento autonomo della villetta o alle reti centralizzate, si realizza un semplicissimo sistema a singolo circuito con un dispositivo di riscaldamento all'inizio.

Nella catena non vengono inclusi pompe di circolazione e dispositivi di riscaldamento. Lo schema è estremamente semplice, ma può funzionare solo nelle estati soleggiate.

Quando si inserisce un collettore in una struttura tecnica a doppio circuito, tutto è molto più complesso, ma anche l'intervallo di giorni idonei all'utilizzo è notevolmente ampliato. Il collettore tratta un solo circuito. Il carico prevalente è affidato all'unità di riscaldamento principale, che funziona con elettricità o qualsiasi tipo di combustibile.

Per realizzare un collettore solare si può utilizzare uno schema già pronto, oppure costruire un proprio modello pilota e testarlo nella pratica (+)

Nonostante la diretta dipendenza delle prestazioni dei dispositivi solari dal numero di giornate soleggiate, essi sono richiesti e la domanda di dispositivi solari è in costante aumento. Sono popolari tra gli artigiani che cercano di incanalare tutti i tipi di energia naturale in una direzione utile.

Classificazione in base ai criteri di temperatura

Esiste un numero piuttosto elevato di criteri in base ai quali vengono classificati i vari progetti di impianti solari. Tuttavia, per i dispositivi che si possono realizzare da soli e utilizzare per la produzione di acqua calda sanitaria e il riscaldamento, la suddivisione più razionale è in base al tipo di fluido termovettore.

I sistemi possono essere a liquido o ad aria. Il primo tipo è più comunemente utilizzato.

Inoltre, viene spesso utilizzata una classificazione in base alla temperatura che gli elementi di lavoro del collettore possono raggiungere:

1. A bassa temperatura. Versioni in grado di riscaldare il fluido termovettore fino a 50°C. Vengono utilizzati per riscaldare l'acqua in serbatoi per l'irrigazione, in bagni e docce durante l'estate e per migliorare il comfort nelle serate fredde di primavera e autunno.
2. A media temperatura. Garantiscono una temperatura del fluido termovettore di 80°C. Possono essere utilizzati per il riscaldamento degli ambienti. Queste versioni sono più adatte per l'allestimento di case private.
3. Ad alta temperatura. La temperatura del fluido termovettore in questi impianti può raggiungere 200-300°C. Vengono utilizzati su scala industriale, installati per il riscaldamento di capannoni di produzione, edifici commerciali, ecc.

Nei sistemi solari ad alta temperatura viene utilizzato un processo piuttosto complesso di trasferimento dell'energia termica. Inoltre, occupano uno spazio considerevole, cosa che la maggior parte dei nostri amanti della vita di campagna non può permettersi.

Il processo di fabbricazione è laborioso, la realizzazione richiede attrezzature specializzate. Realizzare da soli un simile sistema solare è praticamente impossibile.

Realizzare in casa pannelli solari ad alta temperatura basati su convertitori fotovoltaici è piuttosto difficile.

Realizzazione fai da te del collettore

Realizzare un dispositivo solare con le proprie mani – è un processo affascinante che porta numerosi vantaggi. Grazie ad esso è possibile utilizzare razionalmente la radiazione solare gratuita e risolvere diverse importanti questioni domestiche. Analizziamo le specifiche per la creazione di un collettore piano che fornisce acqua calda all'impianto di riscaldamento.

Materiali per l'assemblaggio autonomo

Il materiale più semplice ed economico per l'assemblaggio autonomo del telaio di un collettore solare – è un blocco di legno con tavola, compensato, pannelli OSB o opzioni simili. In alternativa, si può utilizzare un profilo in acciaio o alluminio con fogli analoghi. Un telaio metallico costerà un po' di più.

I materiali devono soddisfare i requisiti imposti alle strutture utilizzate all'aperto. La durata di vita di un collettore solare varia da 20 a 30 anni.

Di conseguenza, i materiali devono possedere un determinato insieme di caratteristiche operative che consentano di utilizzare la struttura per tutta la sua durata.

L'opzione più economica e semplice per i materiali per la realizzazione del telaio – l'uso di legname e pannelli truciolari

Se il telaio è realizzato in legno, la durabilità del materiale può essere garantita mediante impregnazione con emulsioni acqua-polimero e rivestimento con materiali vernicianti.

Il principio fondamentale da seguire nella progettazione e nell'assemblaggio di un collettore solare è la disponibilità dei materiali in termini di prezzo e possibilità di acquisto. In altre parole, si possono trovare in vendita libera oppure realizzare autonomamente con mezzi di fortuna disponibili.

Dettagli sull'isolamento termico

Per prevenire le perdite di energia termica, sul fondo del cassonetto viene montato un materiale isolante. Può essere polistirolo espanso o lana minerale. L'industria moderna produce una gamma abbastanza ampia di materiali isolanti.

Per l'isolamento del cassonetto si possono utilizzare varianti di isolanti rivestiti in alluminio. In questo modo si può garantire sia l'isolamento termico che la riflessione dei raggi solari dalla superficie rivestita.

Se come materiale isolante viene utilizzata una lastra rigida di polistirolo espanso o polistirene espanso, per la posa della serpentina o del sistema di tubi è possibile ritagliare delle scanalature. Di solito l'assorbitore del collettore viene posato sopra l'isolamento termico e fissato saldamente al fondo del telaio in un modo che dipende dal materiale utilizzato per la fabbricazione del telaio stesso.

L'isolamento termico serve a ridurre le perdite di energia termica attraverso il fondo del telaio. Non è razionale costruire un apparecchio con telaio metallico senza isolamento termico (+)

Assorbitore termico del collettore solare

Questo è un elemento assorbente. È costituito da un sistema di tubi in cui avviene il riscaldamento del fluido termovettore e da componenti realizzati il più delle volte in lastre di rame. Il materiale ottimale per la fabbricazione del ricevitore di calore sono considerati i tubi di rame.

Gli artigiani domestici hanno inventato una variante più economica – uno scambiatore di calore a spirale in tubi di polipropilene.

Una soluzione economica interessante – un assorbitore di un sistema solare termico realizzato con un tubo polimerico flessibile. Per il collegamento con i dispositivi di ingresso e uscita vengono utilizzati raccordi adatti. La scelta dei materiali di recupero con cui realizzare lo scambiatore di calore del collettore solare è piuttosto ampia. Può essere lo scambiatore di calore di un vecchio frigorifero, tubi dell'acqua in polietilene, radiatori a pannello in acciaio, ecc.

Un importante criterio di efficienza è la conducibilità termica del materiale con cui è realizzato lo scambiatore di calore.

Per la costruzione fai-da-te, l'opzione migliore è il rame. Ha una conducibilità termica di 394 W/m². Per l'alluminio, questo parametro varia da 202 a 236 W/m².

I tubi di rame sono considerati l'opzione più ottimale per la fabbricazione del ricevitore di calore per le loro qualità termotecniche e resistenza all'usura.

Tuttavia, la grande differenza nei parametri di conducibilità termica tra i tubi di rame e quelli in polipropilene non significa affatto che lo scambiatore di calore con tubi di rame produrrà volumi d'acqua calda centinaia di volte maggiori.

A parità di condizioni, l'efficienza di uno scambiatore di calore in tubi di rame sarà superiore del 20% rispetto a quella delle varianti in metallo-plastica. Pertanto, gli scambiatori di calore realizzati con tubi polimerici hanno diritto di esistere. Inoltre, queste opzioni costeranno molto meno.

Indipendentemente dal materiale dei tubi, tutti i collegamenti, sia saldati che filettati, devono essere ermetici. I tubi possono essere disposti sia parallelamente tra loro che a forma di serpentina.

Lo schema a serpentina riduce il numero di giunzioni – ciò diminuisce la probabilità di perdite e garantisce un movimento più uniforme del flusso del fluido termovettore.

La parte superiore del contenitore in cui si trova lo scambiatore di calore viene chiusa con vetro. In alternativa, si possono utilizzare materiali moderni, come l'analogo acrilico o il policarbonato monolitico. Il materiale trasparente può non essere liscio, ma ondulato o opaco.

Nella versione classica, il contenitore con il collettore viene chiuso con vetro temperato, plexiglass, policarbonato o materiale simile. Gli artigiani fai da te si sono abituati a usare polietilene al posto del vetro.

Questo trattamento riduce le proprietà riflettenti del materiale. Inoltre, questo materiale deve sopportare carichi meccanici significativi.

Negli esemplari industriali di tali sistemi solari viene utilizzato un vetro solare speciale. Questo vetro è caratterizzato da un basso contenuto di ferro, che garantisce minori perdite di energia termica.

Serbatoio di accumulo o precamera

Come serbatoio di accumulo si può utilizzare qualsiasi contenitore con un volume da 20 a 40 litri. Andrà bene una serie di serbatoi di volume leggermente inferiore collegati da tubi in una catena sequenziale. Si consiglia di isolare termicamente il serbatoio di accumulo, poiché l'acqua riscaldata dal sole in un contenitore senza isolamento perderà rapidamente energia termica.

In sostanza, il fluido termovettore in un sistema solare di riscaldamento deve circolare senza accumulo, poiché l'energia termica ottenuta deve essere utilizzata durante il periodo di produzione. Il serbatoio di accumulo svolge piuttosto la funzione di distributore di acqua calda e di anticamera, che mantiene la stabilità della pressione nel sistema.

Il serbatoio di accumulo nei sistemi solari funge da distributore d'acqua e da serbatoio di mantenimento della pressione (+)

Fasi di montaggio dell'impianto solare

Dopo aver realizzato il collettore e preparato tutti gli elementi strutturali del sistema, si può procedere al montaggio vero e proprio.

Una delle opzioni per realizzare una serpentina in tubi di polipropilene con raccordi e tee aiuta a montare rapidamente un collettore solare (+)

Il lavoro inizia con l'installazione di una camera di compensazione, che di solito viene posizionata nel punto più alto possibile: in soffitta, su una torre indipendente, su un cavalcavia, ecc.

Durante il montaggio, si deve considerare che, dopo il riempimento del sistema con il fluido termovettore, questa parte della struttura avrà un peso considerevole. Pertanto, è necessario assicurarsi dell'affidabilità del solaio o rinforzarlo.

Dopo l'installazione del serbatoio, si procede all'installazione del collettore. Questo elemento strutturale del sistema viene posizionato sul lato sud. L'angolo di inclinazione rispetto alla linea dell'orizzonte deve essere compreso tra 35 e 45 gradi.

Dopo l'installazione di tutti gli elementi, vengono collegati con tubi, formando un unico sistema idraulico. La tenuta stagna del sistema idraulico è un criterio importante da cui dipende il funzionamento efficiente del collettore solare.

Seguendo lo schema di montaggio del sistema solare per l'alimentazione dell'acqua in una doccia estiva, è possibile realizzare una struttura per riscaldare l'acqua per l'irrigazione o creare condizioni confortevoli nelle serate fresche (+)

Per collegare gli elementi strutturali in un unico sistema idraulico, vengono utilizzati tubi con diametro di un pollice e mezzo pollice. Il diametro minore viene utilizzato per la parte in pressione del sistema.

Per parte in pressione del sistema si intende l'ingresso dell'acqua nella camera di compensazione e l'uscita del fluido termovettore riscaldato verso l'impianto di riscaldamento e di acqua calda sanitaria. La parte restante viene montata utilizzando tubi di diametro maggiore.

Per prevenire perdite di energia termica, i tubi devono essere accuratamente isolati. A questo scopo si possono utilizzare polistirolo, lana di basalto o varianti rivestite in alluminio dei moderni materiali isolanti. Anche il serbatoio di accumulo e la camera di compensazione devono essere coibentati.

L'opzione più semplice ed economica per l'isolamento termico del serbatoio di accumulo è la costruzione di una cassa intorno ad esso in compensato o assi. Lo spazio tra la cassa e il serbatoio deve essere riempito con materiale isolante. Può essere lana di scoria, una miscela di paglia e argilla, segatura secca, ecc.

Il sistema solare viene installato in modo che i collettori solari siano posizionati sul lato più luminoso della casa o del terreno (+)

Collaudo prima della messa in servizio

Dopo il montaggio di tutti gli elementi del sistema e la coibentazione di alcune parti delle strutture, si può procedere al riempimento del sistema con il fluido termovettore. Il riempimento iniziale del sistema deve essere effettuato attraverso il raccordo situato nella parte inferiore del collettore.

Cioè, il riempimento viene effettuato dal basso verso l'alto. Grazie a questa procedura si può evitare la possibile formazione di sacche d'aria.

L'acqua o un altro fluido termovettore entra nella precamera. Il processo di riempimento dell'impianto termina quando l'acqua inizia a fluire dal tubo di scarico della precamera.

Mediante la valvola a galleggiante è possibile regolare il livello ottimale del liquido nella precamera. Dopo il riempimento dell'impianto con il fluido termovettore, questo inizia a riscaldarsi nel collettore.

Il processo di aumento della temperatura avviene anche in giornate nuvolose. Il fluido termovettore riscaldato inizia a salire verso la parte superiore del serbatoio di accumulo. Il processo di circolazione naturale continua fino a quando la temperatura del fluido termovettore che entra nel radiatore non si equalizza con quella del fluido uscente dal collettore.

Al consumo di acqua nel sistema idraulico, la valvola a galleggiante situata nella precamera si attiverà. In questo modo verrà mantenuto un livello costante. L'acqua fredda che entra nell'impianto rimarrà nella parte inferiore del serbatoio di accumulo. Il processo di miscelazione tra acqua fredda e calda è pressoché assente.

Nel sistema idraulico è necessario prevedere l'installazione di una valvola di intercettazione che impedisca la circolazione inversa del fluido termovettore dal collettore all'accumulatore. Ciò si verifica quando la temperatura ambiente scende al di sotto di quella del fluido termovettore.

Tale valvola di intercettazione viene generalmente utilizzata durante le ore notturne e serali.

La derivazione verso i punti di prelievo dell'acqua calda avviene tramite miscelatori standard. È meglio non utilizzare normali rubinetti singoli. In giornate soleggiate la temperatura dell'acqua può raggiungere gli 80°C – non è comodo utilizzare tale acqua direttamente. Pertanto, i miscelatori consentiranno un notevole risparmio di acqua calda.

La produttività di tale scaldacqua solare può essere aumentata aggiungendo sezioni aggiuntive di collettori. La struttura permette di installare da due a un numero illimitato di pezzi.

La produttività del sistema solare termico aumenta installando un maggior numero di collettori solari

Alla base di tale collettore solare per riscaldamento e acqua calda sanitaria vi sono il principio dell'effetto serra e il cosiddetto effetto termo-sifone. L'effetto serra viene sfruttato nella costruzione dell'elemento riscaldante.

I raggi solari passano liberamente attraverso il materiale trasparente della parte superiore del collettore e vengono convertiti in energia termica.

L'energia termica rimane confinata in uno spazio chiuso grazie alla tenuta del cassone della sezione del collettore. L'effetto termo-sifone viene sfruttato nel sistema idraulico: il fluido termovettore riscaldato sale verso l'alto, spostando il fluido freddo e costringendolo a muoversi verso la zona di riscaldamento.

Grazie all'effetto termosifone, nel sistema si verifica una circolazione naturale stabile e continua del fluido termovettore.

Rendimento del collettore solare

Il criterio principale che influenza le prestazioni dei sistemi solari è l'intensità della radiazione solare. La quantità di radiazione solare potenzialmente utile che cade su una determinata area è chiamata irraggiamento solare.

Il valore dell'irraggiamento solare in diversi punti del globo varia entro limiti piuttosto ampi. Per determinare i valori medi di questa grandezza esistono apposite tabelle. Esse mostrano il valore medio dell'irraggiamento solare per una determinata regione.

I dati sull'irraggiamento solare in una determinata regione possono essere ottenuti da mappe e tabelle speciali (+)

Oltre all'irraggiamento, le prestazioni del sistema sono influenzate dall'area e dal materiale dello scambiatore di calore. Un altro fattore che influisce sulle prestazioni è il volume del serbatoio di accumulo. La capacità ottimale del serbatoio viene calcolata in base all'area degli assorbitori del collettore.

Nel caso di un collettore piatto, si tratta dell'area totale dei tubi all'interno del telaio del collettore. Questo valore, in media, equivale a 75 litri di volume del serbatoio per metro quadrato di area dei tubi del collettore. Il serbatoio di accumulo funge da accumulatore termico.

Prezzi dei dispositivi di fabbrica

La maggior parte dei costi finanziari per la realizzazione di un tale sistema è dovuta alla produzione dei collettori. Non sorprende che, anche nei modelli industriali di sistemi solari, circa il 60% del costo sia dovuto a questo elemento strutturale. I costi finanziari dipenderanno dalla scelta del materiale.

Va notato che un tale sistema non è in grado di riscaldare un ambiente; aiuta solo a risparmiare sui costi, contribuendo a riscaldare l'acqua nell'impianto di riscaldamento. Considerando i notevoli costi energetici sostenuti per il riscaldamento dell'acqua, un collettore solare integrato nell'impianto di riscaldamento riduce significativamente tali spese.

Il collettore solare si integra abbastanza semplicemente nell'impianto di riscaldamento e di acqua calda sanitaria (+)

Per la sua realizzazione vengono utilizzati materiali abbastanza semplici e facilmente reperibili. Inoltre, tale struttura è completamente indipendente dal punto di vista energetico e non necessita di manutenzione tecnica. La manutenzione del sistema si riduce a un controllo periodico e alla pulizia del vetro del collettore dalle impurità.

Ulteriori informazioni sull'organizzazione del riscaldamento solare in casa sono presentate in questo articolo.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Processo di realizzazione di un collettore solare elementare:

Come assemblare e mettere in servizio un sistema solare:

Naturalmente, un collettore solare autocostruito non può competere con i modelli industriali. Utilizzando materiali di recupero, è abbastanza difficile ottenere l'alta efficienza dei modelli industriali. Tuttavia, i costi finanziari saranno molto inferiori rispetto all'acquisto di impianti già pronti.

Tuttavia, un sistema di riscaldamento solare fai-da-te aumenterà significativamente il livello di comfort e ridurrà le spese per l'energia prodotta da fonti tradizionali.

Ha esperienza nella costruzione di un collettore solare? O ha ancora domande sul materiale presentato? La preghiamo di condividere le informazioni con i nostri lettori. Può lasciare commenti nel modulo sottostante.