Ogni litro di capacità di stoccaggio è calore utilizzabile
Impianto idraulico di riscaldamento con solare e grande serbatoio tampone, sollevamento del ritorno della caldaia e sistema a quattro circuiti con utilizzo del ritorno
La quantità di combustibile che si può effettivamente risparmiare utilizzando il calore solare dipende in larga misura dal volume effettivamente utilizzabile dell'accumulatore solare. Diventa inoltre impegnativo dal punto di vista idraulico se i circuiti di riscaldamento collegati funzionano a temperature di sistema diverse e il generatore di calore richiede un aumento della portata di ritorno.
Fig. 1: L'agricoltore Ferdinand Schörghuber (a sinistra) ha quasi dimezzato il consumo di carburante utilizzando il calore solare. Il sistema idraulico è stato sviluppato dal suo vicino Walter Grabner (a destra) con il supporto di HG Baunach.
Un esempio illustrativo è il Trucioli di legno e di riscaldamento solare in un'azienda agricola della Bassa Austria. Il punto di forza è un accumulatore solare dal design non convenzionale. Il cuore del sistema è costituito da due collettori di miscelazione multipli, che caricano e scaricano il serbatoio tampone da 22.000 litri secondo il principio delle due zone e consentono di utilizzare il flusso di ritorno per un sistema di riscaldamento a pavimento stabile a bassa temperatura. Sebbene il cippato sia un combustibile ecologico e poco costoso, per l'allevatore Ferdinand Schörghuber di Wolfsbach i costi del combustibile sono sinonimo di manodopera e macchinari. L'allevamento di suini nella regione del Mostviertel aveva anche un consumo di cippato costantemente elevato in estate. Questo perché i suinetti hanno bisogno di un pavimento riscaldato della stalla con una temperatura costante tutto l'anno. Anche la necessità di mantenere le braci nella caldaia a cippato ha aumentato il fabbisogno di combustibile. A poche centinaia di metri di distanza si trova la casa del suo vicino Walter Grabner, che si riscalda anch'egli a legna, anche se con il supporto dell'energia solare. L'utilizzo del calore solare per il riscaldamento lo affascinava già 30 anni fa: "Il solare ha senso per me se posso riscaldare per diversi giorni senza caldaia", dice Walter Grabner. Il suo impianto solare è dimensionato di conseguenza: 22 m² di collettori solari, installati su un sistema di inseguimento appositamente costruito, riempiono due serbatoi tampone con un volume di accumulo combinato di circa 4.500 litri, con energia in abbondanza nelle giornate di sole.
Fig. 2: L'intero sistema di distribuzione e controllo per la commutazione idraulica dell'impianto di riscaldamento e solare termico con grande bollitore tampone è costituito da due collettori di miscelazione multiporta rendeMIX e si adatta a una superficie di parete di circa 1 m².
L'entusiasmo di Grabner per l'uso efficiente del calore solare ha contagiato l'agricoltore vicino, che voleva ridurre il consumo di cippato e quindi anche il carico di lavoro.
Il dimensionamento generoso si rivela corretto
Tuttavia, il fabbisogno energetico della proprietà agricola è di gran lunga superiore. Oltre a un edificio residenziale con 220 m² di spazio abitativo, sono necessari circa 300 m² di riscaldamento di superficie per il fienile e un ulteriore riscaldamento di superficie per l'essiccazione del cippato, che l'agricoltore deve lavorare e trasportare a tonnellate. In precedenza, la caldaia a cippato da 75 kW copriva da sola il fabbisogno di calore. Nel complesso, è circa quattro volte più grande della casa di Grabner. Con il sostegno dei vicini, è stato finalmente sviluppato un piano per un sistema di riscaldamento assistito dall'energia solare di tipo insolito. Per il dimensionamento dell'impianto solare e del volume di accumulo, Walter Grabner ha estrapolato il proprio concetto di impianto con un fattore di quattro per i requisiti della fattoria. Il risultato di questo calcolo è stato un volume di accumulo di circa 20.000 litri e una superficie di collettori solari di 88 m². Il fatto che avesse ragione con questo dimensionamento è stato confermato dal dimezzamento del consumo di carburante, come si è scoperto in seguito. "Abbiamo spento la caldaia alla fine di marzo", racconta l'agricoltore Ferdinand Schörghuber nell'autunno 2009. Fino all'inizio di ottobre, l'impianto solare era l'unica fonte di calore per la casa, il fienile e l'acqua calda.
Un carro caldaia dismesso diventa un accumulatore solare
Prima, però, Grabner e Schörghuber si sono trovati di fronte alla questione di come realizzare il volume tampone richiesto di 20.000 litri - e al minor costo possibile. Le condizioni strutturali di una dependance della porcilaia non offrivano molto spazio per l'installazione di un serbatoio di stoccaggio, tanto più in termini di altezza. In qualità di ex caposquadra delle ÖBB (Ferrovie Federali Austriache), Walter Grabner aveva già in mente una soluzione che all'epoca stava per arrivare ai binari della ferrovia: il suo progetto era quello di trasformare il serbatoio di un carro cisterna dismesso in un accumulatore solare. Qualche tempo dopo, il grande contenitore, separato dal telaio e pulito all'interno, si trovava nel cortile dell'agricoltore di Wolfsbach. Con la passione per le soluzioni non convenzionali, unita a una solida conoscenza del design e all'esperienza nei processi di lavorazione dei metalli, Grabner ha accorciato di circa un terzo l'ex serbatoio del vagone merci per creare un serbatoio di accumulo verticale. Lo scambiatore di calore è realizzato con tubi di rame da 28 mm, ordinati in rotoli per essere avvolti in scambiatori di calore a spirale con macchine agricole. Nella sezione inferiore del serbatoio di stoccaggio sono stati utilizzati due scambiatori di calore a tubi elicoidali, ciascuno con una superficie di scambio termico di 7 m², per una metà del campo di collettori di 2 x 44 m².
Ricarica a due zone e utilizzo del ritorno
Fig. 3: Il bollitore solare misura 4,5 m di altezza e contiene circa 22 m³ di acqua di riscaldamento.
Oltre a costruire l'accumulatore solare, Walter Grabner ha lavorato intensamente anche sulla configurazione del circuito idraulico dell'intero sistema di riscaldamento. Sono emerse due sfide: la prima era come ottenere in ogni momento calore utilizzabile dall'accumulatore senza dover prima riscaldare diverse migliaia di litri di acqua di riscaldamento. Dopo tutto, un grande volume di accumulo è poco utile se l'intero contenuto ha solo una temperatura mista tiepida. La seconda questione riguardava le diverse temperature dell'impianto: mentre i circuiti di riscaldamento a radiatori dell'edificio residenziale sono progettati per 70/50 °C, l'impianto di riscaldamento a pavimento del fienile funziona a 40/30 °C. Tuttavia, la caldaia a cippato fornisce una temperatura di mandata di 80 °C, mentre la temperatura di ritorno non deve essere inferiore a 60 °C. Era quindi necessario un sistema di distribuzione e controllo che alimentasse in modo affidabile i rispettivi circuiti con le temperature richieste. La ricerca di Walter Grabner lo ha condotto al collettore di miscelazione multiplo rendeMIX attraverso un catalogo di prodotti per la tecnologia del riscaldamento. Lo ha convinto il principio del caricamento e dello scaricamento a due zone dell'accumulo e la possibilità di utilizzare il ritorno. Inoltre, il principio di carico e scarico distribuito su due zone tampone ha permesso di realizzare contemporaneamente l'aumento del flusso di ritorno richiesto. Il produttore HG Baunach, con sede nello stato tedesco della Renania Settentrionale-Vestfalia (www.baunach.net) ha avuto uno scambio di idee con Grabner e ha elaborato uno schema di sistema per l'impianto idraulico del sistema di riscaldamento a energia solare con un grande bollitore tampone e diversi requisiti di temperatura. Sono stati progettati due collettori di miscelazione multiporta rendeMIX, che vengono utilizzati contemporaneamente per la formazione di stratificazione nel serbatoio di accumulo e per la miscelazione della temperatura:
Sistema idraulico tra generatore di calore e cilindro tampone, carico a due zone del cilindro tampone
- Alimentazione del calore prodotto dalla caldaia a cippato nella zona tampone superiore (temperatura di mandata 80 °C).
- Riduzione della temperatura di ritorno della caldaia a combustibile solido mediante miscelazione del ritorno con acqua di riscaldamento proveniente dal tampone e, se necessario, dalla mandata. Con il rendeMIX del sistema "2×3", la temperatura di ritorno preimpostata tramite un regolatore a valore fisso viene aumentata mescolando dal terzo superiore o dal centro del serbatoio tampone. Se la temperatura nel tampone non è sufficiente, il miscelatore passa alla miscelazione dalla mandata.
Sistema idraulico tra serbatoio tampone e impianto a quattro circuiti, scarico a due zone del tampone
- Miscelazione della temperatura di mandata per i circuiti di riscaldamento a radiatori e per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria con l'acqua di riscaldamento delle zone tampone superiore e centrale.
- Miscelazione della temperatura di mandata per il riscaldamento a bassa temperatura (riscaldamento a pavimento stabile). La particolarità è lo sfruttamento del ritorno, che il design rendeMIX "3×4"Se la temperatura di ritorno dei circuiti di riscaldamento a radiatori è ancora sufficiente per alimentare la portata del riscaldamento a pannelli, il collettore di miscelazione multiplo passa all'utilizzo del ritorno. Se questa fornitura di calore non è disponibile, il collettore di miscelazione preleva il calore necessario dalla zona tampone centrale e aggiunge acqua di riscaldamento dalla parte superiore del tampone, secondo le necessità.
- Ritorno al bollitore tampone: ritorno dei circuiti di riscaldamento dei radiatori tramite il collettore di miscelazione alla zona tampone centrale (se non viene utilizzato per il ritorno del riscaldamento dei pannelli); ritorno del riscaldamento dei pannelli alla zona tampone inferiore.
Utilizzo efficiente del buffer
Fig. 4: Walter Grabner ha integrato tre termometri ad altezza d'uomo nel rivestimento in legno del serbatoio tampone chiuso e isolato, per monitorare le temperature delle zone tampone superiore, media e inferiore.
Fig. 5: Walter Grabner ha progettato e costruito un sistema di inseguimento idraulico per il sistema di riscaldamento solare che alimenta la sua casa.
Fig. 6: Salvato dalla rottamazione: un carro cisterna ÖBB dismesso è stato trasformato in un serbatoio solare.
Il caricamento e lo scaricamento del bollitore tampone seguono il principio "caldo più a lungo in alto - freddo più velocemente in basso". Durante una visita in loco in una giornata di ottobre con una temperatura esterna di +9 °C, i termometri sul collettore di miscelazione multiporta mostrano come si comportano la domanda di riscaldamento e l'offerta di calore disponibile nel serbatoio:
- Temperatura del tampone superiore: 68 °C
- Centro di temperatura del tampone: 45 °C
- Temperatura inferiore del tampone: 45 °C.
L'impianto solare termico fornisce calore dal basso, che viene utilizzato per il riscaldamento del fienile attraverso la zona tampone centrale. La posizione dell'attuatore mostra che in questo momento il rendeMIX preleva circa 1/3 del suo calore dalla zona tampone superiore e 2/3 dalla zona centrale. La caldaia da 75 kW ha bisogno di circa 12 ore per riscaldare il contenuto della zona tampone fino al livello dello scambiatore di calore solare. "Ora una caldaia da 20 kW sarebbe sufficiente per l'intera azienda", stima Walter Grabner. L'agricoltore Ferdinand Schörghuber è particolarmente soddisfatto del fatto che i costi di manodopera per la produzione, il trasporto e lo stoccaggio del cippato siano stati quasi dimezzati.
Principio di funzionamento indipendente dalle dimensioni del serbatoio di stoccaggio
Fig. 7: ... lo scambiatore di calore fu inserito nel serbatoio, che era stato accorciato di circa un terzo, e la base fu saldata.
Durante la fase di progettazione, HG Baunach ha elaborato un calcolo secondario per illustrare le dimensioni del bollitore tampone: se 4,5 m di altezza del bollitore (semplificato come un cilindro) contengono 22.000 litri, 15 cm di altezza del bollitore corrispondono a una capacità di 750 litri - la dimensione media di un bollitore solare convenzionale di una casa unifamiliare. In altre parole, le dimensioni del bollitore tampone sono meno importanti dal punto di vista idraulico rispetto alla quantità di calore che può essere sfruttata da esso. L'esempio di questo sistema dimostra che un utilizzo veramente efficiente del contenuto dell'accumulo è possibile solo grazie al principio del carico e scarico a due zone. Il rendeMIX, utilizzato per scaricare due accumulatori di tampone con una capacità totale di 4.500 litri nella casa di Walter Grabner, funziona secondo lo stesso principio. Secondo la sua esperienza, un volume tampone di dimensioni generose offre un vantaggio significativo: "Quando si utilizza l'energia solare, può sempre accadere che la caldaia abbia appena riscaldato il tampone e che il tempo cambi improvvisamente in sole.
Fig. 8: Il rendeMIX nella casa di Walter Grabner è il punto di commutazione tra gli accumulatori tampone e un sistema a doppio circuito con radiatori e riscaldamento a pavimento.
In questo modo c'è ancora molto spazio nell'area tampone inferiore per caricare il calore solare", afferma Walter Grabner. Il rendeMIX garantisce che l'area tampone inferiore rimanga sempre fredda. Gli attuatori per i collettori di miscelazione multipli sono controllati semplicemente con un segnale a tre punti da un sistema di controllo del riscaldamento convenzionale. "Gli ingegneri di riscaldamento innovativi devono semplicemente familiarizzare con il funzionamento del rendeMIX", raccomanda Walter Grabner.
Fig. 9: Un collettore solare di 88 m² copre il fabbisogno di riscaldamento da aprile a ottobre.
Wolfgang Heinl
Scarica l'articolo tecnico in formato PDF
