Energia Solare Termica

Corso per Certificatori Energetici Regione Lombardia

Franco Pecchio 1

Energia solare termica

Martedì 17 Febbraio 2009

Franco Pecchio

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Sommario� La radiazione solare� Radiazione e efficienza di riscaldamento� Il mercato europeo� Il mercato italiano� Le tecnologie� Bassa temperatura� Impianti grandi e piccoli� Costruzione� Analisi economica� Incentivazione� Pay back� Sviluppi futuri� Esempi di installazioni


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La fonte solare

� La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in diretta, diffusa e riflessa (o di albedo).

� La potenza specifica massima totale all’esterno dell’atmosfera corrisponde a circa 1500 W/mq

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Radiazione solare

Potenziale Energie Rinnovabili in Italia in miliardi di Tep

0,8

142 ,2

4 ,6

1,7

Altre 0.8

Solare diretto 14

Eolico 2.2

Biomasse 4.6

Idroelettrica 1.7


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Radiazione solare

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Radiazione solare - incidenza


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Radiazione Solare

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Efficienza dei collettori


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Radiazione diretta e diffusa

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Diagramma delle traiettorie solari


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Radiazione e inclinazione

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Radiazione inclinazione e orientamento


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Radiazione in Regione Lombardia

Valori annui della radiazione solare sul piano orizzontale per i capoluoghi della Regione Lombardia in kWh/m2anno (fonte: elaborazione dati UNI 10349)

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Il Mercato Europeo


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Solare termico in Europa� Dopo 4 anni di rapida e spettacolare espansione il solare termico in Europa

(compresa la Svizzera) ha perso slancio determinando, complessivamente, una decrescita. La causa principale è nell’arresto delle installazioni in Germania, il mercato principale per il solare termico europeo, tuttavia in molti altri stati, Italia compresa, continuano a crescere le superfici installata.

� Nel solo 2006 in Europa, erano stati installati oltre 3 milioni di metri quadrati di collettori per una potenza termica di 2100 MW (MW termici), la crescita rispetto al 2005 è stata del 47% mentre il mercato è raddoppiato in soli tre anni (erano 137.000 mq installati nel 2002). Invece nel 2007 la cifra si è fermata a 2.740.000 mq installati smentendo alcune rose previsioni e determinando una decrescita del 9%. Tuttavia, a fine 2008, il totale cumulato della potenza termica è di 15,4 GWt. Nei primi mesi del 2008 si sono manifestati in controtendenza rispetto al 2007 con molte nuove installazioni; i paesi che si affacciano sul Mediterraneo guidano la crescita.

Il MWth (Megawatt termico)La relazione tra la superficie del collettore e la potenza termica è

1mq = 0,7kWth (kilowattora termici)

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Solare termico in Europa


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Solare Termico in EuropaSviluppo del solare ogni 1000 abitanti

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Solare Termico in Europa� Lo stop al mercato tedesco è stato determinato da diversi fattori, primo il

mercato dei collettori solari che ha avuto un calo del 30%. Alla fine del 2007 la superficie installata era di soli 940.000mq, di poco inferiore al 2005. Il mercato austriaco, il principale ed il migliore a livello di Europa continentale ha subito uno stop pari a quello tedesco. Gli altri mercati “chiave” europei sono Francia (+16%), Spagna (+50%) ed Italia (+32%) dove, invece, la crescita è stata regolare con cifre che hanno superato la quantità installata l’anno precedente.

� Bisogna ricordare che la crescita annuale media europea è di 3,8 kWth ogni 1000 persone. In Austria nel 2007 il valore è stato di 24 kWt mentre in Germania di 8 kWt ogni 1000 persone. I paesi mediterranei, invece si attestano su valori inferiori: 3,1 kWt in Spagna e 2,9 kWt in Francia e Italia che, trovandosi molto al di sotto della media europea, risultano essere i paesi più promettenti per questa tecnologia nel immediato futuro.

� Purtroppo il mercato dei collettori solari è ancora troppo sbilanciato verso i paesi di lingua tedesca (45% del mercato, erano al 60% a fine 2007), mentre, solo ultimamente, i paesi mediterranei hanno cominciato il loro sviluppo (38% del mercato). Per questo una perturbazione sui primi si ripercuote sulle statistiche di tutta l’Europa, ma, sperabilmente, questa situazione è destinata a cambiare.


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Solare Termico in Europa

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Solare Termico in Europa


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Solare Termico in Italia� In Italia, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, il sole non è mai

stato considerato una fonte adatta al riscaldamento dell’acqua per usi civili ed industriali;

� la mancata diffusione è dovuta da una parte al forte sviluppo della rete di distribuzione gas e dall’altro ad un background tecnologico gestito male. Infatti dapprima negli anni 50 e 60 si sviluppava la rete di distribuzione e l’appealing del solare termico non era ancora nato, poi, negli anni 70, a seguito degli choc petroliferi, le tecnologie solari per il riscaldamento dell’acqua divenivano via via più diffuse grazie a un programma di finanziamento dell’ENEL;

� tuttavia gli impianti installati erano tecnicamente carenti sotto molti punti di vista (ad esempio mancava un dispositivo a vaso di espansioneoppure erano a riscaldamento diretto del liquido) ed avevano portato rapidamente l’adozione della tecnologia ad un collasso in concomitanza con la sospensione del piano di incentivi (1987).

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Solare Termico in Italia� a partire dal 1994-1996, è riemerso un interesse per il riscaldamento

solare, dal momento che le tecnologie solari avevano raggiunto buoni standard di affidabilità e maturità tecnica.

� La crescita annuale è stata del 15% con circa 50 MWt installati annualmente ed una posizione marginale all’interno del mercato solare europeo.

� La situazione è notevolmente cambiata negli ultimi 3 anni, con i valori triplicati di installazioni annuali e con un mercato in vera e propria espansione.

� I dati indicano una crescita media superiore al 30% annuo con 127.000 kWt installati nel 2005, 186.000 nel 2006 e 245.000 nel 2007 con un 15% di collettori solari sotto vuoto ed il resto composto da collettori semplici.

� Sono valori in linea con gli altri mercati emergenti (Spagna e Francia) cui però bisogna associare le cifre della quantità pro-capite di energia termica da pannello che risulta molto bassa, segno che ci sono ampi margini di penetrazione nel mercato e di possibilità per l’industria.


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Solare termico in Italia

� Situazione rosea

� Crescita superiore alle aspettative

� Mercato frammentato� Incentivi non costanti

� Poca integrazione� Mancanza di schemi

economici per grandi impianti

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� Un business per molti� Concentrati al nord

� Installatori e commercializzatori

� Pochi costruttori� Poco al sud

� Molto import


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Solare Termico in Italia� In Italy 172 MWth of

solar thermal capacity were newly installed in 2007 (245.000 m2 ), 32% more than in the previous year. Although the national law requiring the use of solar thermal has still not been implemented in most municipalities, Italy has seen a strong rise in the demand for solar thermal heating solutions.

But with just 2,9 kWth per 1.000 capita – exactly as France – Italy remains one of the most promising markets for strong growth in the coming years.

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� Cosa era successo prima del 2000?


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� Poca tecnologia

� Poca sperimentazione� Qualche nuova

applicazione� Un po’ di ricerca

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Solare Termico in Italia� L’industria italiana però è piccola e schiacciata dalla concorrenza estera:

solo il 23% delle installazioni è fatto con materiale italiano mentre il restante 77% è costituito da impianti concepiti e costruiti all’estero in cui in Italia avviene solo l’installazione.

� Tuttavia i produttori nazionali riescono ad esportare il 16% della loro produzione. Si contano complessivamente 60 operatori nel campo solare termico in maggior parte concentrati al centro nord, con eccellenze nel Trentino Alto Adige. Ma esistono anche industrie importanti al sud, in particolare nel leccese (Costruzioni solari e Idaltermo) e a Catania (Ecosol); la Costruzioni Solari è attiva nella costruzione di macchinari per il settore e nello sviluppo di soluzioni adatte all’industria (un collettore in grado di portare l’acqua a 300°C).

� Il comparto è costituito da ¾ da industrie specializzate nel solare termico e da ¼ di industrie termoidrauliche che hanno acquisito know how tecnico e tecnologico nel settore investendo in specializzazione e formazione negli ultimi tre – quattro anni. L’industria nostrana, però, non ha beneficiato di alcune agevolazioni concesse al medesimo comparto all’estero come contributi a fondo perduto oppure prestiti a tassi agevolati come accaduto in Spagna, Grecia, Germania e Portogallo.


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� Siamo dipendenti dall’estero

� Occorre innovazione� Incentivi all’innovazione:

� di mercato� e in conto capitale

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Storia dei collettori

Macchina di Walker (1902)


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StandardsPublished Standards for Solar Thermal Products� Reference number EN 12975-1:2006. Document title Thermal solar systems and

components - Solar collectors - Part 1: General Requirements. CEN publication date 2006-03-29

� Reference number EN 12975-2:2006. Document title Thermal solar systems and components - Solar collectors - Part 2: Test methods . CEN publication date 2006-03-29

� Reference number EN 12976-1:2006. Document title Thermal solar systems and components - Factory made systems - Part 1: General requirements. CEN publication date 2006-01-25.

� Reference number EN 12976-2:2006. Document title Thermal solar systems and components - Factory made systems - Part 2: Test methods. CEN publication date 2006-01-25

� Reference number ENV 12977-1:2001. Document title: Thermal solar systems and components - Custom built systems - Part 1: General requirements. CEN publication date 2001-04-25

� Reference number ENV 12977-2:2001. Document title: Thermal solar systems and components - Custom built systems - Part 2: Test methods. CEN publication date 2001-04-25

� Reference number ENV 12977-3:2001. Document title: Thermal solar systems and components - Custom built systems - Part 3: Performance characterisation of stores for solar heating systems. CEN publication date 2001-04-25

� Reference number EN ISO 9488:1999. Document title: Solar energy - Vocabulary (ISO 9488:1999). CEN publication date 1999-10-01

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Collettore solare


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Collettore solare

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Le TecnologieClassificazione impianti solari termici in base all a temperatura di esercizio

� Solare termico a bassa temperatura Le tecnologie a bassa temperatura comprendono i sistemi che usano il pannello solare per riscaldare un liquido o l'aria, con lo scopo di trasferire calore per produrre acqua calda o riscaldare gli edifici. Le temperature che si possono raggiungere sono al di sotto dei 100 °C (in rare occasioni si può arrivare a 120 °C).

� Solare termico a media temperatura La più comune tra le applicazioni della conversione a media temperatura è rappresentata dai forni solari. Essi sono dispositivi che richiedono la concentrazione dei raggi solari per raggiungere temperature superieri ai 250 °C, in Italia interessano una nicchia di mercato relativa all'hobbistica, mentre possono avere buone applicazioni nei Paesi ove la scarsità di risorse energetiche è un problema quotidiano.

� Solare termico ad alta temperatura Viene utilizzato per lo più per la produzione di elettricità: il fluido caldo che si ottiene viene usato per far muovere una turbina a vapore e produrre quindi energia elettrica. Le tecnologie ad alta temperatura più utilizzate sono: gli specchi parabolici lineari, le torri solari ed i sistemi a concentratori parabolici indipendenti.

� Impianti a media o alta temperatura vengono anche denominati solare termodinamico.


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Impianti a bassa temperatura

� riscaldamento dell'acqua sanitaria ad uso domestico, alberghiero, ospedaliero

� riscaldamento acqua delle docce (ad es. Stabilimenti balneari, campeggi ...)

� riscaldamento degli ambienti domestici � riscaldamento dell'acqua per processi a

bassa temperatura � essiccazione di prodotti agro-alimentari � raffrescamento degli ambienti

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Impianti a bassa temperaturaPer gli usi civili le previsioni sono di una espansione dei sistemi di riscaldamento solare per edifici con più di 4 appartamenti che sono oltre il 40% del residenziale in Italia. A questo dato ne vanno però affiancati altri due: gli impianti di riscaldamento ed di ACS indipendenti per nucleo familiare sono circa 4/5 del totale e pari a 21.200.000. Spesso, anche nel caso di impianti di riscaldamento centralizzati (4.700.000) si ha presenza di impianti autonomi limitatamente all’ACS.


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Impianti a circolazione naturale

� a circolazione naturale: in questo tipo il fluido è l'acqua stessa che riscaldandosi sale per convezione in un serbatoio di accumulo (boiler), che deve essere posto più in alto del pannello, dal quale viene distribuito alle utenze domestiche; il circuito è aperto, in quanto l'acqua che viene consumata viene sostituita dall'afflusso esterno. Questo impianto ha per pregio la semplicità ma è caratterizzato da una elevata dispersione termica, a scapito della efficienza.

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Impianti a bassa temperatura


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Basse temperature - piscine

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Basse temperature -condomini


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Basse Temperature

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Grandi impianti

Telerscaldamento (DK) Piscina (DE)


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Installazione I collettori solari vengonoconnessi tra loro in seriee parallelo in modo da riuscire a produrre consistenti quantità di acqua calda ad una temperatura compresa tra i 50 °C e 160 °C. Un metro quadrato di pannello solarepuò scaldare alla temperatura di 45/60 °C fino a 300 l/giorno, a seconda delle condizioni climatiche.

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Economia del solare termico

100 mq installati equivalgono ad un posto di lavoro stabile nel settore


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Segmentazione tecnologica

� Ad ogni tecnologia il suo ambito

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Impianti a circolazione naturalein questo tipo il fluido è l'acqua stessa che riscaldandosi sale per convezione in un serbatoio di accumulo (boiler), che deve essere posto più in alto del pannello, dal quale viene distribuito alle utenze domestiche; il circuito è aperto, in quanto l'acqua che viene consumata viene sostituita dall'afflusso esterno. Questo impianto ha per pregio la semplicità ma è caratterizzato da una elevata dispersione termica, a scapito della efficienza.


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Impianti a circolazione naturale

� esempi

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Impianti a circolazione forzata


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Circolazione forzata

Negli impianti a circolazione forzata un circuito composto dal pannello, una serpentina posta all'interno del boiler ed i tubi di raccordo. Una pompa, detta circolatore, permette la cessione delcalore raccolto dal fluido, in questo caso glicole propilenico, simile al glicole etilenico (il liquido usato per i radiatori delle automobili), alla serpentina posta all'interno del boiler. Il circuito è notevolmente più complesso, dovendo prevedere un vaso di espansione, un controllo di temperatura ed altri componenti, ed ha un consumo elettrico dovuto alla pompa e alla centralina di controllo, ma ha una efficienza termica ben più elevata, visto che il boiler è posto all'interno e quindi meno soggetto a dispersione termica durante la notte o le condizioni climatiche avverse.

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Impianto solare combinato


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Impianto solare combinato

�

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Collettori


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Costruzione

� Rilievo e considerazioni pratiche� Identificazione del fabbisogno di ACS e

riscaldamento ambienti� Scelta del tipo di impianto adatto� Dimensionamento della superficie dei

collettori e del relativo serbatoioPreventivo di massima

� Scambiatori di calore e connessioni� Circuito solare (tubi, pompa, vaso, valvole...)

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Costruzione

� Disegno

� Verifiche:� Per nuove costruzioni: progettazione dell’edificio

compatibile alla realizzazione e funzionamento dell’impianto;

� Tetto: ombreggiamento, stato, possibilità di accesso, superficie di accoglienza pannelli, orientamento;

� Passaggio del serbatoio (porte, scale...);� Impianto ausiliario;� Boncoli della soprintendenza;� Permessi necessari


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Costruzione

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Costruzione

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Costruzione


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Costruzione

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Costruzione


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Costruzione

� Stima del fabbisogno di ACS (a 45°C)

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Costruzione

� Orientamento ed inclinazione dei pannelli


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Costruzione -dimensionamento

� Riferiemento al fabbisogno di ACS ed aumentarlo meno del doppio;

� In caso di fabbisogno aggiuntivo (piscina, serra) oppure di integrazione con collettori a facciata, si possono installare fino a 1,5 mq di collettori piani per kW di potenza installata per il riscaldamento dell’edificio (in caso di tubi sotto vuoto diminuire del 30%

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� Da maggio a settembre si raggiunge la copertura completa del fabbisogno di acqua calda . In inverno l’impianto solare serve al preriscaldamento dell’acqua fredda, il resto viene dal sistema di integrazione (caldaia o resistenza elettrica, di norma). Un impianto ben dimensionato può riscaldare il 70 - 80% dell’acqua calda consumata in un anno (copertura solare).

� L’impiego di un impianto solare termico per il riscaldamentopuò essere sensato in una casa ben isolata termicamente e fornita di un impianto di riscaldamento a bassa temperatura (riscaldamento a pavimento o a parete). In questo caso la superficie del collettore deve essere aumentata da 2 a 3 volte rispetto a un impianto per la sola produzione di acqua calda. Untale impianto coprirà tipicamente dal 20 al 30% del consumo termico complessivo della casa.


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L’impianto solare non è in grado di trasformare in calore utile tutta l’energia solare incidente sulla superficie dei collettori. Per una valutazione di massima si può stimare che il rendimento medio di un impianto intorno al 50%. Considerando un valore medio di insolazione per la Regione Lombardia di 1.318 kWh/m2 ed un coefficiente correttivo pari a 1,13, un metro quadro di impianto solare è in grado di produrre annualmente 1.318 x 1,13 x 0,50 = 745 kWh di energia termica utile.

I collettori solari a tubi sotto vuoto hanno una resa superiore rispetto a quelli piani. (almeno il 25% in più).

In mancanza di dati precisi, negli usi residenziali il consumo medio di acqua calda per persona può essere stimato in circa 50 litri/giorno.

In condizioni ottimali 50 litri di acqua calda possono essere ottenuti da un collettore di 1 mq posto a Sud inclinato di 30°

Un impianto così dimensionato è in grado di coprire il fabbisogno di ACS al 40% - 50%

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Costruzione

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Conto economico


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Esempi

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Incentivi

� Bandi regionali e provinciali� IVA agevolata al 10%

� Detrazione Irpef del 36% per ristrutturazioni edilizie

� Detrazione Irpef del 55% per interventi di risparmio ed efficienza energetica

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Permessi e certificazioni

� D.I.A. Per manutenzione straordinaria (verrà abolita dal DPR in approvazione?) per installazione di manufatti sul tetto;

� Intervento sulla caladaia ex legge 46/90


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Pay back

Tipo di collettore Piano VetratoSuperfice collettore 4 mqSerbatoio di accumulo 300 litriCosto impianto e installazione 5140 €Detrazione fiscale 55% 2.827 €Costo netto 2.313 €Costo annuo di esercizio (pompe) 20 €Costo annuo di manutenzione 28 €Produzione impianto solare 2.800 kWh/aRisparmio annuo in bolletta con boiler elettrico 996 €Risparmio annuo in bolletta con caldaia gasolio 800 €Risparmio annuo con caldaia a gas 514 €

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Pay back

CONFRONTI CONSUMI ENERGETICI

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1

2

3

4

5

6

SCALDABAGNO ELETTRICO SCALDABAGNOELETTRICO+SOLARE

TERMICO

CALDAIA A METANO CALDAIA AMETANO+SOLARE

TERMICO

Kw

h/pr

ocap

ite


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Pay back

4,967 anni rispetto a caldaia a gas3,076 anni rispetto a caldaia a gasolio/gpl

2,441 anni rispetto a boiler elettrico

Pay back caldaia o boiler: MAI !!

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Asseverazione impianto

L’asseverazione deve specificare il rispetto dei seguenti requisiti:

1. che i pannelli solari e i bollitori impiegati sono garantiti per almeno cinque anni;

2. che gli accessori e i componenti elettrici ed elettronici sono garantiti almeno due anni;

3. che i pannelli solari presentano una certificazione di qualità conforme alle norme UNI 12975 che è stata rilasciata da un laboratorio accreditato;

4. che l’installazione dell’impianto è stata eseguita in conformità ai manuali di installazione dei principali componenti.


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Sviluppi futuri

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Sviluppi futuri� Per gli usi civili le previsioni sono di una espansione dei sistemi di riscaldamento

solare per edifici con più di 4 appartamenti che sono oltre il 40% del residenziale in Italia. A questo dato ne vanno però affiancati altri due: gli impianti di riscaldamento ed di ACS indipendenti per nucleo familiare sono circa 4/5 del totale e pari a 21.200.000. Spesso, anche nel caso di impianti di riscaldamento centralizzati (4.700.000) si ha presenza di impianti autonomi limitatamente all’ACS.

� In un panorama così frammentato occorre trovare le leve per permettere una penetrazione maggiore del solare termico, non solo sulle nuove costruzioni, ma anche sulle ristrutturazioni. Limitatamente alle nuove costruzioni ci sono la certificazione energetica e gli obblighi di produrre una quota parte di ACS da fonte rinnovabile che permettono di acquisire background tecnico nelle installazioni integrate anche su grandi superfici. Per il costruito, invece, si contano circa 306.000 unità annualmente ristrutturate nella parte impiantistica (430.000 edifici per le manutenzioni straordinarie). In pratica bisogna permettere di avere il solare termico come opzione possibile e economicamente alla pari rispetto al vecchio impianto a fonte fossile (in Italia siamo al75% a gas, 16,5% a gasolio e 6,5% a GPL).


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Trend

� Le prospettive per i prossimo decennio indicano tre direzioni per lo sviluppo del solare termico:� il teleriscaldamento solare;

� il calore di processo per l’industria;� il raffrescamento solare.

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Teleriscaldamento solare

Impianto danese abbinato a caldaia a biomassa


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Calore di processo� Per le applicazioni industriali, bisogna effettuare un salto di

qualità dell’energia ricavata dal sole, cioè bisogna passare a temperature superiori ai 100 gradi e, quindi, affidarsi alle tecnologie che concentrano i raggi del sole su un collettore. Sitratta di specchi parabolici che riescono a portare il fluido, spesso indirettamente, a temperature intorno ai 200°C che sono quelle utilizzate in un certo tipo di industria.

� in contesti ambientali favorevoli, possono provvedere al taglio dei costi di combustibile. Le filiere interessate da basse entalpie sono principalmente l’industria alimentare (settore caseario, trasformazione della carne, oleifici), il settore tessile e quello delle bevande (birra, bibite gassate, distillazione). Tra le applicazioni di questo tipo troviamo, forni solari per la cottura (in aree a forte soleggiamento come le tropicali ma anche le zone inquota) oppure più tecnologici generatori di vapore a concentrazione solare.

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Raffrescamento solare� si tratta di accoppiare un pannello solare

ad un frigorifero ad assorbimento in modo da poter produrre frigorie da utilizzare nel condizionamento o raffrescamento di ambienti..

� Il problema principale de raffrescamento solare è dato dalla taglia media commerciale dei sistemi di raffrescamento che, in Europa, è intorno ai 5-7 kW: si tratta di impianti piccoli cui asservire poche decine di metri cubi di ambiente. Al momento non si è ancora arrivati ai sistemi portatili ma solo sistemi adatti alla climatizzazione di un intero appartamento a livello di pre commercializzazione. Nel settore si hanno obiettivi a lungo termine di standardizzazione e certificazione degli apparati e di aumento dell’efficienza dei dispositivi in modo da poter passare alla fase di rimpicciolimento e poter così competere sul mercato con i sistemi tradizionali.


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Grazie per l’attenzione

Franco PecchioMr

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Energia Solare Termica