Come Dimensionare uno Scambiatore di Calore Solare Termico

1) Il Dimensionamento Di Massima Dello Scambiatore Di Calore

Il corretto dimensionamento dello scambiatore di calore in un impianto solare termico è un aspetto fondamentale per garantire l’efficienza complessiva del sistema. Uno scambiatore sottodimensionato o sovradimensionato può compromettere il rendimento energetico, aumentare i costi di gestione e accelerare l’usura dei componenti.

Tra i fattori da considerare nel dimensionamento figurano:

• Il tipo di scambiatore di calore (serpentino, a fascio tubiero, a piastre, etc.)
• Le caratteristiche fisiche del fluido termovettore (capacità termica, viscosità, densità)
• Le portate di fluido nei due circuiti
• Le temperature di ingresso e uscita di entrambi i fluidi
• Il tipo di utilizzo dell’energia termica (acqua calda sanitaria, riscaldamento, processi industriali)

I produttori indicano la potenza termica nominale dello scambiatore (espressa in kW o Btu/h), ovvero la quantità di energia che può essere trasferita in condizioni ottimali. Tuttavia, per ottenere un risultato realistico, è necessario tenere conto anche delle condizioni operative effettive, come le perdite di carico e la differenza di temperatura tra i due fluidi.

Una regola empirica utile per un dimensionamento preliminare è quella che suggerisce di utilizzare 1 metro quadrato di tubo dello scambiatore ogni 14 metri quadrati di superficie captante dei collettori solari. Questa proporzione consente di ottenere:

• Un salto termico medio tra fluido caldo e freddo di circa 10 °C
• Una perdita di pressione dell’ordine di 1 psi (circa 0,07 bar) alla portata nominale

Naturalmente, tale dimensionamento è solo indicativo: impianti con collettori sottovuoto, elevati salti termici o particolari esigenze (ad esempio sistemi con pompa di calore) richiedono un calcolo dettagliato, eventualmente supportato da software di simulazione come Polysun, T*Sol o TRNSYS.

 

2) Gli Scambiatori Di Calore Liquido-Liquido E Aria-Liquido Nel Solare Termico

Gli impianti solari termici, a seconda della configurazione e del tipo di collettori utilizzati, possono adottare principalmente due tipologie di scambiatori di calore: liquido-liquido o aria-liquido.

Scambiatori Liquido-Liquido

Questa è la configurazione più comune negli impianti a collettori piani o a tubi sottovuoto. Il fluido termovettore (una miscela di acqua e antigelo, come glicole propilenico o etilenico) circola nel circuito primario, si riscalda attraversando i collettori e cede il calore all’acqua sanitaria contenuta nel bollitore tramite lo scambiatore di calore.

In questa configurazione, lo scambiatore può essere:

• Integrato nel serbatoio (serpentino interno)
• Esterno, come nel caso degli scambiatori a fascio tubiero o a piastre

In funzione della pericolosità del fluido termovettore (in caso di perdite o contaminazioni), si utilizzano scambiatori a parete singola o doppia, per evitare il contatto diretto con l’acqua sanitaria.

Scambiatori Aria-Liquido

Meno diffusi, ma presenti in alcuni impianti con collettori ad aria, in cui il fluido termovettore non è un liquido ma un flusso d’aria. Questi sistemi non necessitano necessariamente di uno scambiatore tra collettore e ambiente, poiché l’aria calda può essere direttamente immessa negli ambienti da riscaldare.

Tuttavia, nel caso in cui si voglia utilizzare l’aria calda per produrre acqua calda sanitaria, è necessario un scambiatore aria-liquido, generalmente costituito da serpentine immerse in serbatoi attraversati dall’aria calda. Tali dispositivi, anche se meno efficienti dei sistemi liquido-liquido, hanno il vantaggio di ridurre i problemi di congelamento e corrosione.

È importante scegliere la tipologia di scambiatore compatibilmente con le temperature di esercizio, la compatibilità dei materiali, la manutenibilità e la configurazione idraulica dell’impianto.

 

3) Scambiatori Di Calore A Parete Singola O Doppia

Nel dimensionamento e nella scelta dello scambiatore di calore, un aspetto centrale è la sicurezza del sistema, in particolare in relazione al rischio di contaminazione dell’acqua potabile. Per questo motivo, si distingue tra scambiatori a parete singola e a doppia parete.

Scambiatori A Parete Singola

In questa configurazione, una sola superficie metallica separa i due fluidi. Il fluido termovettore può trovarsi all’interno del tubo (serpentino) o all’esterno, a seconda della configurazione costruttiva. Questa soluzione offre un’elevata efficienza termica perché il calore attraversa solo una parete sottile, ma presenta un rischio potenziale: in caso di corrosione o perforazione del tubo, i due fluidi possono mescolarsi.

Per questo motivo, questa soluzione è ammessa solo se il fluido termovettore non è tossico (ad esempio acqua pura o glicole propilenico atossico).

Scambiatori A Doppia Parete

In presenza di fluidi antigelo potenzialmente tossici (come il glicole etilenico), le normative internazionali (ad esempio la ASHRAE negli Stati Uniti e la norma UNI 9182 in Italia) impongono l’utilizzo di scambiatori a doppia parete.

Tra le soluzioni più comuni rientra lo scambiatore “wrap-around”, in cui un tubo è avvolto e saldato attorno a un bollitore, garantendo due pareti separate e una camera d’aria intermedia che permette di rilevare eventuali perdite.

Questi scambiatori, per quanto più sicuri, sono anche meno efficienti, poiché il calore deve attraversare due pareti e una zona intermedia, e quindi devono essere più grandi per garantire la stessa potenza termica.

Una corretta valutazione tra sicurezza, efficienza e costo guida la scelta tra le due opzioni.

 

4) Alcuni Tipi Di Scambiatori Di Calore Usati Nei Sistemi Solari

Gli scambiatori utilizzati negli impianti solari termici si differenziano per forma, dimensioni, materiali e modalità di installazione. I più comuni includono:

1. Scambiatore A Serpentino

È una delle configurazioni più diffuse, soprattutto negli impianti residenziali. Consiste in una bobina di tubo (rame, acciaio inox) posta all’interno del bollitore di accumulo. Il fluido termovettore circola nella serpentina e riscalda l’acqua nel serbatoio per conduzione.

• Vantaggi: compattezza, semplicità di installazione, economicità
• Svantaggi: manutenzione difficile, scarsa adattabilità a carichi variabili

Sono disponibili versioni a singolo tubo (parete singola) o a doppio tubo concentrici (parete doppia). Alcuni modelli hanno serpentine maggiorate per aumentare l’efficienza in caso di temperature più basse del fluido scaldante.

2. Scambiatore A Fascio Tubiero (Shell and Tube)

Costituito da un cilindro contenente un fascio di tubi interni, dove scorrono i due fluidi in direzione opposta (controcorrente). Lo scambiatore è esterno al serbatoio, facilmente ispezionabile e sostituibile.

• Vantaggi: elevata efficienza, manutenzione semplificata
• Svantaggi: maggiore ingombro, costi più elevati

Adatto a impianti con alte portate o esigenze di carichi termici variabili (es. alberghi, condomini, processi industriali).

3. Scambiatore Tubo-In-Tubo

Simile al fascio tubiero, ma composto da due tubi concentrici dove i fluidi fluiscono in controcorrente. Può essere avvolto in spirale per ridurre l’ingombro.

• Vantaggi: ottima efficienza, costruzione semplice
• Svantaggi: richiede una maggiore lunghezza per ottenere potenze elevate

Questo tipo è usato anche per il preriscaldo dell’acqua sanitaria prima dell’ingresso in una caldaia.

4. Scambiatore A Piastre

È costituito da una serie di piastre metalliche sovrapposte, con passaggi alternati per i due fluidi. Le piastre possono essere saldobrasate o guarnite.

• Vantaggi: altissima efficienza, compattezza, modulabilità
• Svantaggi: rischio di intasamento, richiesta di filtri in ingresso

Molto usato negli impianti centralizzati e negli edifici ad alta efficienza energetica.

La scelta del tipo di scambiatore dipende da fattori come le temperature di progetto, la portata massima, la facilità di manutenzione, il costo e le dimensioni disponibili.

 

5) I Serbatoi Di Accumulo Con Serpentina Normale O A Superficie Maggiorata

Il serbatoio di accumulo è il cuore del sistema solare termico, e deve essere dimensionato e configurato tenendo conto della temperatura del fluido scaldante, del profilo di consumo dell’utenza e della stagionalità del carico termico.

Un elemento chiave del bollitore è la serpentina interna, attraverso la quale scorre il fluido termovettore che cede calore all’acqua sanitaria. In commercio esistono principalmente due tipologie di serpentina:

Serpentina Normale

Ha una superficie limitata ed è progettata per lavorare con temperature elevate del fluido scaldante, tipicamente 70–80 °C, come quelle generate da una caldaia tradizionale.

• Applicazioni tipiche: riscaldamento invernale, sistemi a caldaia, retrofit
• Vantaggi: costo contenuto, compatibilità con generatori tradizionali
• Svantaggi: bassa efficienza con basse temperature del fluido

Serpentina A Superficie Maggiorata

Progettata per lavorare con fluidi a temperatura moderata (es. 45–55 °C), come quelli provenienti da collettori solari o pompe di calore. Ha una superficie molto più estesa, che consente un migliore scambio termico a parità di salto termico.

• Applicazioni tipiche: impianti solari termici, pompe di calore, sistemi ibridi
• Vantaggi: maggiore efficienza a basse temperature
• Svantaggi: ingombro maggiore, costo più elevato

Il dimensionamento ideale della serpentina può essere calcolato tenendo conto del salto termico, del coefficiente di scambio e della potenza termica desiderata. Un valore indicativo per impianti solari residenziali è una superficie di 1,3–1,5 m² per ogni 100 litri di accumulo.

 

Conclusioni

Il dimensionamento e la scelta dello scambiatore di calore in un impianto solare termico non sono attività secondarie, ma rappresentano il nodo centrale dell’efficienza dell’intero sistema. Un dimensionamento errato può vanificare anche la miglior progettazione dell’impianto solare.

Occorre valutare attentamente:

• Il tipo di scambiatore più adatto al proprio impianto
• La compatibilità dei materiali con i fluidi utilizzati
• La configurazione idraulica del sistema (interno o esterno al bollitore)
• La temperatura e la portata del fluido termovettore
• Le normative in materia di sicurezza sanitaria

Una progettazione consapevole permette non solo di aumentare l’efficienza energetica, ma anche di ridurre i costi di manutenzione e prolungare la durata dell’impianto. E con l’attenzione crescente all’autoproduzione di energia e all’efficienza degli edifici, disporre di uno scambiatore ben dimensionato rappresenta una scelta strategica per ogni installatore o progettista.