Edit 28-09-2014
Appunti sul solare termico
Estate 2012. Modifiche e aggiornamenti degli impianti di produzione acqua calda sanitaria, e riscaldamento.
Elementi principali inseriti.
- Termo accumulatore (puffer) Cordivari Eco-combi 3 da 600 litri (il più piccolo)
- 4 collettori solari piani Junker FCB
- Caldaia a gas Riello

Motivazione:
- Per la produzione di acqua calda sanitaria, recupero delle spese, nel giro di pochi anni, e maggiore capacità di produzione.
- Per il riscaldamento, Aggiunta di nuove fonti di calore che mi daranno, più flessibilità, e possibilità di modulare la produzione in base al periodo e alla rischiesta dell'abitazione.
Qualche accenno sull'energia solare. In Italia la potenza dell'irraggiamento solare in condizioni di cielo limpido si calcola sia circa 1 kwh per metro quadro. Con il solare termico la potenza del sole viene sfruttata tutta, mentre per il fotovoltaico le attuali celle (2012) hanno un'efficienza di circa il 15%.
Installando 4 pannelli (termico) di 2 mq ciascuno ho una potenza massima di 8 kwh. Con tre ore di sole realizzo 24 Kw che equivalgono a 1 ora di una caldaia a gas (in riscaldamento).
Qualche dettaglio sul termo accumulatore (puffer).
Si tratta di un serbatoio cilindrico in metallo, all'interno di questo modello 3 scambiatori.
Uno scambiatore basso per i collettori solari,
uno in alto per una caldaia piccola (gas),
uno scambiatore in acciaio inox che parte dal basso ed esce dall'alto, per produzione diretta di acqua sanitaria calda, questo sistema risulta più sicuro igienicamente, rispetto al sistema di accumulo di acqua sanitaria in un serbatoio di oltre 150 litri immerso all'interno del puffer, se l'acqua non viene ricambiata, e se non raggiunge una certa temperatura ci sono rischi di igiene.

Il termo accumulatore ha il compito di accumulare fonti di calore per poi renderle disponibili al sistema di riscaldamento, e alla produzione di acqua sanitaria calda.
I termo accumulatori si usano principalmente con caldaie o termo-camini a biomassa, sopratutto legna. In questo tipo di caldaie risulta particolarmente utile perchè consente alla caldaia di lavorare senza interruzioni, riversando il calore nel puffer, lavorando senza interruzioni si avrà una migliore combustione, e dunque non ci saranno resine nelle pareti della caldaia.
Le caldaie a legna useranno l'acqua del corpo puffer, ovvero i 600 litri, ma sarà collegata in modo che lavori nella parte medio alta, in modo da tenere fredda la parte bassa dove lavorerà il solare.
Difatti per rendere meglio, il solare deve lavorare nella parte bassa (fredda) del puffer.
Molti consigliano di dimensionare il puffer considerando almeno 50 litri per ogni kw della caldaia, o termo-camino.
La stratificazione all'interno del puffer è la divisione dell'acqua in base alla temperatura, la più calda sta in alto, la più fredda in basso.
Scelta dei collettori solari: I collettori solari si dividono principalmente in due tipi,
- collettori piani (foto), a forma di pannello, solitamente circa un metro di larghezza per due di altezza.
 Il circuito interno può essere ad arpa o a serpentina, ogni costruttore parla bene di quello che costruisce, personalmente penso che quelli ad arpa favoriscono meglio la circolazione, e penso hanno meno rischi di strozzature o otturazioni, se succedesse nel collettore a serpentina tutta l'area verrebbe penalizzata o esclusa.
- e collettori a tubi sottovuoto. Il costo di questi può essere almeno per tre volte superiore rispetto ai collettori piani (con quadratura di poco superiore), dal mio punto di vista il collettore a tubi in Sicilia si acquistano se si è costretti, ovvero, perchè si ha un tetto piccolo, spostato diversi gradi rispetto al sud, inclinazione del tetto non adeguata.
Il vantaggio dei tubi è la possibilità di raccogliere i raggi del sole anche lateralmente, ma se si ha la possibilità di posizionare un collettore piano verso sud, con un'inclinazione di 45 gradi, la spesa per i tubi sottovuoto non è tanto giustificabile, anche perchè dicono che i collettori sottovuoto fanno la vera differenza in clima che si va da 0 gradi di giorno a diversi gradi sotto 0°.
(modificato lo schema  con 'lintroduzione della miscelatrice automatica, prelevo solo dal più alto).
Lo schema che ho realizzato, per la caldaia a legna e per i radiatori del riscaldamento non prevede una altezza fissa dove prelevare e dove ritornare il flusso, ma a secondo della stagione posso decidere se far lavorare la caldaia a legna nella parte alta del puffer, per sfruttare il solare nella parte bassa.
Altrimenti in pieno inverno quando il solare rende poco, la caldaia a legna può usare l'intero puffer così posso realizzare una scorta di calore che mi darà maggiore flessibilità tra un carico di legna e un altro.

 Il telaio realizzato guarda a sud + 19° verso ovest, di solito è preferibile ovest perchè il pomeriggio rende di più, rispetto la mattina.
L'inclinazione di 45° è preferibile per la mezza stagione,
per una resa migliore nel periodo invernale consigliano un'inclinazione di 55°
Progetto:  
Il 27 luglio 1° giorno di funzionamento dei collettori solari.
Alle ore 7 sul puffer (600 litri) avevo 22° in basso, 23° in alto, 19° temperatura esterna con sole appena spuntato.
La centralina misurava, T1 (collettore solare) 21°.. T2 (sondino puffer nell'area scambiatore basso, secondo pozzetto a salire) 24°.

Alle 17.45 avevo 59° in basso al puffer, 61,9° in alto. temperatura esterna 26,5° (massima raggiunta 29,9°). La centralina su T1 71° (collettore solare).. Su T2 62° (puffer).
 La cosa che mi ha sorpreso è che inizialmente nella parte alta del puffer la temperatura non saliva, e mi era venuto il dubbio che ci fosse aria, ma era tutto a posto, quando in basso stava raggiungendo i 50° anche la parte alta ha iniziato a salire.
Al momento produrrà solo acqua sanitaria.
Prevedo che una parte della superficie dei collettori deve essere coperta con un telo.
ps: Da oggi ho rimosso due scalda acqua elettrici da 10 litri, e uno scalda acqua a gas con fiammella pilota.
Inizia settembre, il cielo si annuvola, e piove.
Dopo due giorni di cielo nuvoloso la temperatura del puffer nella parte alta scende sotto i 50°.
Decido ti togliere la tenda che copriva una metà abbondante della superficie dei pannelli solari.
  Nel frattempo collego e metto in funzione la sezione riscaldamento con radiatori.
Il 4 settembre una giornata prevalentemente soleggiata la temperatura nel puffer riprende quota. Nel pomeriggio ho 60° nella parte bassa e circa 63° nella parte alta. Da questo giorno in poi smaltirò l'eccesso di temperatura tramite i radiatori del riscaldamento.

Dopo un paio di giorni, con alcune prove ed osservazioni, noto che il circuito dei termosifoni riesce a circolare nella parte bassa del puffer con solo aperte le due valvole basse, nella foto la 1 e la 2 (evidenziato anche il percorso dell'acqua). Questo tipo di circuito non l'avevo preventivato, ma funziona, ha il vantaggio di smaltire il caldo in eccesso nella parte bassa, e mantenere una grossa riserva nella parte alta.
Il termostato stacca la pompa dei termosifoni quando scende sotto i 55°
Misurazioni fatte direttamente nei pannelli, per l'angolo del sole.
23 settembre. Equinozio d'Autunno.
Il sole alle 13:40 (ora legale) circa, è in asse con i pannelli solari (sud + 19° ovest),  
l'angolo è di 51 gradi, (a salire, dalla linea orizzontale).
22 dicembre. Solstizio d'inverno. In asse alle 13:15 circa (ora solare),
l'angolo è di 26 gradi, (a salire, dalla linea orizzontale).
20 marzo. Equinozio di primavera. In asse alle 13:00 circa (ora solare),
l'angolo è di 51,5 gradi, (a salire, dalla linea orizzontale).
21 giugno. Solstizio d'estate. In asse alle 13:00 circa (ora legale),
l'angolo è di 76 gradi, (a salire, dalla linea orizzontale).

Verifica con strumenti non avanzati (foto)
Lo strumento consiste in un tubo che proietta un'ombra a terra con un cerchio centrale luminoso (quando è perfettamente allineato). Un filo a piombo. Una bussola per vedere se il tubo punta a sud.
Quando il sole è a sud, si misura l'angolo tra il filo a piombo e il tubo, e si sottrae a 90°, ovvero,
(l'angolo è 14°)   90° - 14°  = 76°.

21 giugno. Solstizio d'estate. In asse alle 13:00 circa (ora legale),
l'angolo è di 76 gradi, (uguale all'angolo preso sui pannelli).
23 settembre. Equinozio d'Autunno. . In asse alle 12:30 circa (ora legale),
l'angolo è di 52 gradi.
7-10) Inizio ottobre, di giorno sembra ancora estate, giornate soleggiate e senza nuvole, ma la notte la temperatura scende (circa 10°), e la sovrapproduzione solare realizzata di giorno, che viene riversata sul riscaldamento mantiene le stanze asciutte e calde.
Il puffer la mattina per ogni quarto di altezza ha 10° gradi di differenza, con 30° in basso, e 60° in alto.
Tra le 11 e le 12 il sole riporta la temperatura anche nella parte bassa  a quasi 60°.
Dalle 12 alle 17  i termosifoni stanno a ad una temperatura di 55° abbondanti.
27-10) La condizione del cielo riesce ad assicurarmi l'acqua sanitaria, ma non ho sovrapproduzione da mandare ai radiatori. Per qualche sera che ho bisogno di un po di riscaldamento ho utilizzato la caldaia a gas. La caldaia a gas lavora sulla serpentina alta del puffer, le valvole del puffer aperte sono, la 4a (più alta) per la mandata calda, 3a è chiusa, le due basse (ritorno) sono aperte. Potrei chiudere la prima  (più bassa) per tenere meno calda la zona del solare.
Grazie al puffer la caldaia non deve riscaldare l'acqua delle colonne e dei radiatori, perchè grazie al solare il puffer è già caldo, il compito della caldaia sarà di mantenere la temperatura nella parte alta, mentre la parte bassa verrà riscaldata l'indomani, tranne che per tutta la giornata il sole non si farà vedere.
Il consumo riscontrato per 8 ore e mezza, è di circa 6,5 litri di gas, divise in 6 ore in prima serata, e 2 ore e mezza la mattina presto. L'aqua circola a circa 50°.
Solitamente quando non uso il riscaldamento chiudo il circuito perche ci potrebbe essere una circolazione spontanea nelle colonne dei radiatori.
La scelta del puffer da 600 litri fino a questo periodo è indovinata, il mio impianto ha due zone servite da due colonne esterne all'abitazione, ben coibentate, ma i litri di acqua sono molti, grazie al puffer ed al solare quest'acqua non sarà riscaldata dalla caldaia a gas.
Rimane il dubbio se il puffer dovesse essere piccolo per la caldaia a legna.
30-10) Arrivano 2 giorni di freddo invernale, con 4,7°C di minima, e 11,8°C di massima.
Serve la caldaia a legna, che di solito tengo con la mandata chiusa perchè se la caldaia a legna è fredda la differenza di temperatura innesca una circolazione spontanea, (già prevista, ma con qualche dubbio, ora c'è la certezza).
Sapevo dei movimenti spontanei dell'acqua che si riscalda, ma dubitavo potesse circolare nei tubi con percorsi non tanto lineari, comunque per il collegamento della caldaia a legna ho deciso di non mettere valvole di non ritorno e lasciare libero il circuito proprio per sfruttare la circolazione spontanea in caso di problemi al circolatore, o mancanza di corrente.
Quando arriva il freddo c'è bisogno di molte calorie, ed è importante non sprecarle. Con la caldaia a legna  le temperature non sono costanti, per evitare condense bisogna tenerla sopra i 40°, (sarebbe meglio con la fiammella sempre presente), dunque nel puffer (a secondo del tipo di caldaia) si potrebbero accumulare anche oltre 80°, ovviamente non sarebbe il caso di mandare acqua a 80° nei radiatori. Un componente importante che evita scottature è il miscelatore termostatico, il miscelatore aumenta anche l'autonomia.

Il miscelatore termostatico, è l'unico modo per livellare gli sbalzi che la caldaia a legna produce.
Ho dato un'occhiata su internet, sembra che la ESBE produca miscelatrici semplici ed efficienti,
scelgo il modello VTA572, campo di regolazione 45/65° . Di questo genere, è la miscelatrice che ha la portata più grossa per l'utilizzo di riscaldamento.
Di solito negli impianti che riscaldano, e circolano acqua calda, le pompe vengono messe nel lato freddo (ritorno), sia per ridurre gli stress di alte temperature alla pompa, sia per ridurre il gorgoglio dell'acqua che qualche radiatore non ben livellato potrebbe produrre. Ma in presenza di una miscelatrice si potrebbe montare la pompa all'uscita miscelata, da preferire se nell'impianto c'è anche una valvola di non ritorno. In spinta la pompa produce più forza.

La caldaia un'estensione del puffer? Dopo pochi utilizzi della caldaia a legna, incomincio a vederla come un'estensione del puffer. La caldaia è di tipo semplice, a combustione spontanea, ha una griglia per separare la cenere, focolaio, uscita fumi.
Con la caldaia a legna le uscite aperte nel puffer sono, la 4a (più alta) per la mandata calda, e la prima (più bassa) per il ritorno. Il collegamento fatto tra la caldaia e il puffer (mandata tubo alto da 35 mm, ritorno tubo basso da 28 mm, senza valvole di non ritorno), consente la circolazione dell'acqua più calda verso quella meno calda, riequilibrando le temperature senza bisogno della pompa.
Una cosa da tener conto nei puffer è che le varie pompe mescolano le temperature al suo interno, annullando la stratificazione, per evitare o ridurre questo effetto sfrutto la circolazione spontanea tra la caldaia e il puffer, e faccio intervenire la pompa se si superano i 60°. Tenere la pompa accesa ad una temperatura più bassa, ad esempio 45°, crea un rimescolamento continuo all'interno del puffer, eliminando la stratificazione. Dunque, due vantaggi, risparmio sul consumo elettrico, e migliore stratificazione sul puffer.
Schema elettrico
ott.2014)
 Separate le pompe (termosifoni - caldaia a legna), perchè la pompa della caldaia si prendeva l'acqua di ritorno dei termosifoni, e creava anche una leggera depressione nell'ingresso freddo della valvola miscelatrice che non avendo acqua fresca da miscelare, aumentava la temperatura dei termosifoni 
Aggiunto un termostato di sicurezza che avvia la pompa dei termosifoni in caso la temperaura supera il limite scelto.

2014) Per l'acqua sanitaria evitare di usare valvole miscelatrici economiche (85°), ma usare quelle per il solare (circa 100°).
Come calcolare la grandezza del puffer e la potenza della caldaia.
Si parte dalla richiesta di calorie dell'abitazione. Le abitazioni, e le zone d'Italia non sono tutte uguali. Mediamente per un metro cubo occorrono circa 35 Kcal (kilocalorie). Moltiplicare i metri cubi totali per 35 e si ottengono le kilocalorie assorbite dai metri cubi d’aria presenti nell’alloggio.
Facciamo ipotesi di un'abitazione da 250 m2 x circa 3 m di altezza = 750 m3 x 35 = 26.250Kcal
per conoscere la potenza effettiva in kilowatt che la stufa a legna deve essere in grado di produrre, consiste nel dividere i metri cubi totali per il numero 860.  26.250 / 860 = 30.6 Kw.

Per sapere di quanti litri dovrebbe essere il puffer, bisogna moltiplicare le Kw per almeno 50 litri.
30.6 Kw x 50 = 1530 litri. Per chi non ha avuto a che fare con i puffer potrebbe sembrare un'enormità, ma confermo che se ci sono è meglio.

Alcuni esempi: (anno 2012)
In una abitazione di 200 metri quadrati, una caldaia da 30.000 kcal/ora (35 kw/h) brucia mediamente ogni ora:
3,52 litri di gasolio (8500 kcal/lt) x 1,38 euro/lt = 4,85 euro/ora.
3,61 m.cubi di metano (8300 kcal/m.c.) x 0.70 euro/m.c = 2,53 euro/ora
11,5 kg di legna (2600 kcal/kg) x 0,13 euro/kg = 1,49 euro/ora
8,57 kg di mais (3500 kcal/kg) x 0,21euro/kg = 1,79 euro/ora
7,14 kg di pellet (4200 kcal/kg) x 0,20 euro/kg = 1,43 euro/ora
Considerando un funzionamento medio di 8 ore nell'arco della giornata otteniamo i seguenti costi in ordine di convenienza:
legna = 11,9 euro/giorno
pellet = 11,44 euro/giorno
mais = 14,24 euro/giorno
metano = 20,24 euro/giorno
gasolio = 38,80 euro/giorno

Fonti: www.lestufealegna.com - stufe-camini-forni.it - www.ekologika.it
Questa è l'immagine che scelgo per rappresentare il fenomeno della circolazione spontanea. Una bilancia. Si sa che il calore espande le particelle aumentandone il volume, e dunque riduce il peso specifico, perciò l'acqua fredda (più pesante) andrà verso il basso, l'acqua calda (più leggera) verso l'alto, la circolazione si fermerà quando in entrambi i componenti ci sarà uguale temperature, alla stessa altezza. Se un componente disperde calore, ad esempio i collettori solari (succede se nel circuito non c'è la valvola di non ritorno) la circolazione si arresterà quando entrambi i componenti (puffer - collettori solari) si avvicineranno alla temperatura ambiente.
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