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Zak Vetter ha contribuito a questo articolo, originariamente apparso sulla rivista Home Energy. Viene ristampato con il suo permesso.

Via via nel 1978, ho installato il mio primo sistema solare di riscaldamento dell’acqua. Ho continuato con il solare termico, installando nuovi sistemi fino alla scadenza dei crediti d’imposta nel 1986, e ho mantenuto quasi tutti i sistemi locali in funzione per anni dopo. È diventato dolorosamente ovvio per me che la semplicità è essenziale per la durata e la longevità di qualsiasi sistema solare termico. I sistemi complessi muoiono giovani. Allora, il Santo Graal del solare termico era di trovare un sistema che costasse 1.000 dollari – cosa che nessuno è mai riuscito a fare. In questi giorni, ci si aspetta di pagare dai 6.000 ai 10.000 dollari per un sistema solare ad acqua calda, installato.

Il mio amico Martin Holladay ha pubblicato un articolo nel marzo 2012, intitolato “Il solare termico è morto”. Ha generato molte discussioni con quell’articolo, compreso qualche dissenso, così ha pubblicato un altro articolo nel dicembre 2014, intitolato “Il solare termico è davvero, davvero morto”. Martin ha esaminato i prezzi del solare termico e li ha confrontati con l’uso del fotovoltaico e di uno scaldabagno a pompa di calore per fare lo stesso lavoro. Dopo aver fatto i conti, il fotovoltaico e una pompa di calore sembravano battere il solare termico per il riscaldamento dell’acqua.

Ma spesso la risposta che si ottiene dipende dai propri presupposti, e nel progettare e costruire questo sistema abbiamo scelto di sfidare alcuni di quei presupposti comunemente ritenuti. Per prima cosa, gli scaldacqua a pompa di calore sono abbastanza nuovi che non sappiamo davvero quanto dureranno. Inoltre, ci sono grandi vantaggi nell’installare un sistema che, pur non essendo protetto dal congelamento, non sarà danneggiato dal congelamento. Queste sono ragioni per continuare ad esplorare come far funzionare il semplice solare termico.

Il progetto

Entra Zak Vetter. Zak mi ha chiesto di aiutarlo a progettare e installare un sistema solare di acqua calda per la sua casa vicino a Carmel, in California. Si tratta di un sistema montato sul tetto di un edificio che combina spazio abitativo e negozio. Aveva stabilito un semplice insieme di obiettivi per il progetto:

• Ridurre notevolmente o eliminare la necessità di energia fuori sede per fornire tutta l’acqua calda desiderata.
• Costruire un sistema che funzioni bene in condizioni non ideali. Questo significa che anche in una giornata nuvolosa, la maggior parte (o addirittura tutta) la domanda di acqua calda è soddisfatta dall’energia solare raccolta e immagazzinata nel sistema.
• Costruire un sistema che richiede quasi zero manutenzione.

Non avevo mai lavorato con una lista così impegnativa. Molti presupposti vanno nella progettazione e costruzione di un sistema solare termico tradizionale, e questi sono stati messi in discussione dagli obiettivi di Zak. Ecco alcuni dei presupposti su cui lavoriamo di solito:

• Il solare può fornire, nel migliore dei casi, il 75% del riscaldamento dell’acqua.
• Con la protezione antigelo, il solare è complesso.
• Il surriscaldamento è un grosso problema per il solare.
• L’installazione del solare termico è complicata.
• I sistemi solari termici hanno bisogno di manutenzione annuale.

Le regole di progettazione comportano anche ipotesi:

• Vogliamo i collettori più efficienti.
• Dimensionare un sistema per l’inverno causerà il surriscaldamento in estate.
• Le tubazioni parallele raccolgono la maggior parte del Btu.
• I serbatoi di stoccaggio non dovrebbero essere sovradimensionati poiché questo creerà problemi di stagnazione.
• La protezione antigelo detta la progettazione del sistema.

Chiaramente, gli obiettivi di Zak non erano in linea con le ipotesi standard. Ma sono contento che abbia sfidato le convenzioni, perché alla fine abbiamo costruito un sistema che costa meno e funziona meglio di qualsiasi sistema solare termico che conosco. Il sistema è costato circa 4.000 dollari e fornisce il 95% delle esigenze annuali di acqua calda della famiglia di Zak. Qualcuno bravo con le mani potrebbe fare lo stesso lavoro per circa 3.000 dollari, se costruisse i propri collettori.

I collettori

Di seguito il pensiero che ci ha portato lì. Volere collettori efficienti ci avrebbe costretto a costruire un sistema più complesso e costoso, per evitare il congelamento e il surriscaldamento. Così, invece, abbiamo usato collettori davvero inefficienti! Questi sono solo bobine di tubo di polietilene da ¾ di pollice sotto un vetro acrilico (vedi immagine 2, sotto).

Non c’è isolamento nei collettori, quindi non possono surriscaldarsi ed è improbabile che siano danneggiati dal congelamento. La temperatura massima che abbiamo misurato in estate senza flusso d’acqua è di 170°F nei collettori, e si sono congelati molte volte senza problemi. Questo tipo di collettore è stato testato a San Jose, California, per 16 anni e non sono emersi problemi. Essenzialmente, sono collettori da piscina, modificati per produrre acqua calda sanitaria semplicemente aggiungendo dei vetri. Sono commercialmente prodotti da Gull Industries a San Jose, California.

Ogni serpentina misura 26 piedi quadrati. Un altro vantaggio dell’uso di collettori “inefficienti” è che abbiamo eliminato la necessità di far correre i tubi di rame da e verso di loro, facendo invece correre i tubi PEX. Con i tradizionali collettori in rame, che possono ristagnare al sole estivo fino a 400°F, i tubi PEX si scioglierebbero abbastanza velocemente. Ma siamo stati in grado di utilizzare poli tubo e PEX per quasi tutto, semplificando il lavoro ancora di più (vedi immagine # 3, sotto). Abbiamo appositamente sovradimensionato il sistema, in modo da poter attraversare periodi senza sole e recuperare rapidamente quando il sole ritorna.

Il serbatoio

Il serbatoio era un’altra considerazione. Normalmente, con qualsiasi serbatoio rivestito di vetro (quasi tutti i riscaldatori a serbatoio negli Stati Uniti sono rivestiti di vetro), si vuole girare il volume del serbatoio ogni giorno per prevenire problemi di stagnazione e odore. Si è scoperto che l’anodo che viene fornito con tutti i serbatoi rivestiti in vetro genera gas di idrogeno, che alcuni batteri amano molto. Abbiamo aggirato questo problema installando un serbatoio Marathon da 105 galloni di Rheem (vedi immagine #4, sotto). Questo è un serbatoio non metallico che non ha bisogno di anodi, quindi l’acqua non invecchia o si contamina a causa del lento ricambio. Il vantaggio di questo accumulo è che il sistema può continuare a fornire acqua calda durante i giorni senza sole.

Un altro vantaggio del serbatoio Marathon è il suo isolamento. Ha 3 pollici di schiuma, e la letteratura dice che perde solo 5°F in 24 ore. La nostra registrazione dei dati suggerisce che è più come 6-8°F nella nostra situazione, ma ancora, non male. L’isolamento era un’altra cosa con cui abbiamo giocato.

L’isolamento delle tubature è raramente molto spesso, ma mantenere bassa la perdita di calore aumenta la frazione solare effettiva e riduce la quantità di energia di riserva necessaria. Così abbiamo deciso di raddoppiare l’isolamento dove possibile.

Questo è un tubo PEX da ¾ di pollice con due strati di isolamento, per uno spessore totale della parete di 1½ pollici. Sembra un unico grande tubo quando è installato.

Gli scaldabagni solari sono normalmente progettati come sistemi a uno o due serbatoi. Un serbatoio è meglio, se è possibile farlo funzionare, perché c’è meno attrezzatura da cui perdere calore. In questi giorni, questo può essere fatto facilmente solo con il backup elettrico. Quindi un’altra cosa che abbiamo fatto è stata quella di scollegare l’elemento inferiore nel nostro serbatoio singolo e usare solo l’elemento superiore per il backup. Questo impedisce alla fonte di calore elettrica di competere con quella solare. L’abbiamo cablato a 120 volt piuttosto che a 240, quindi non c’è stato bisogno di fare altro che collegarlo. Ci vuole 4 volte più tempo per riscaldare a metà della tensione, ma Zak voleva un buon test del solare. Il sistema è stato installato nel novembre 2014, e deve ancora utilizzare il backup!

Il controller

Il sistema è gestito semplicemente con un controller solare Goldline GL-30 (vedi immagine #5, sotto). Misura la temperatura sul collettore solare e sul fondo del serbatoio. Confronta i due e, quando il collettore è sufficientemente più caldo, accende la pompa. Il controllo ha delle regolazioni per la regolazione fine di questo set point. Fortunatamente, non abbiamo bisogno del controllo che protegge dal congelamento o dal surriscaldamento.

Il sistema è stato semplice da installare. Se si guarda solo al tempo di installazione, ci sono volute solo sei ore di lavoro, che è molto veloce. Ai bei vecchi tempi, un’installazione veloce richiedeva tre persone e una lunga giornata, o circa 24 ore di lavoro. Questo sistema è stato installato così velocemente per diverse ragioni:

• Abbiamo usato tubi in PEX e polietilene.
• Abbiamo assemblato le connessioni esposte con raccordi Sharkbite.
• Il produttore dei collettori ci ha fornito una stazione di controllo precostruita.
• I collettori sono stati installati sul tetto usando solo un bullone centrale.
• Abbiamo avuto facile accesso alla parte inferiore del tetto.
• I collettori sono piuttosto flessibili e leggeri.
• Il serbatoio da 105 galloni è leggero e facile da spostare.

Prestazioni del sistema

Le prestazioni finora sono state buone. Abbiamo registrato i dati in più punti del sistema per capire come funziona.

Il termine frazione solare è usato per indicare la percentuale di acqua calda riscaldata dal sole. Fatto bene, determinare la frazione solare implicherebbe misurare l’uso totale di acqua calda e sottrarre la parte di riscaldamento dell’acqua non fornita dal sole.

Abbiamo invece optato per notare semplicemente quando l’acqua riscaldata dal sole era abbastanza calda per la doccia. Se l’acqua immagazzinata è intorno ai 105°F, è buona per fare la doccia. Quando diciamo che il sistema produce il 95% dell’acqua calda, significa che Zak ottiene temperature accettabili per la doccia il 95% delle volte. È un modo rapido e non matematico di capire in generale come si comporta il sistema. Se facessimo delle misurazioni accurate per determinare la frazione solare, sarebbe probabilmente più alta del 95%. Ma poiché consideriamo inadeguato qualsiasi cosa sotto i 105°F, non ci prendiamo il merito per l’acqua che non è abbastanza calda ma è certamente ben al di sopra della temperatura dell’acqua freatica.

Il grafico nell’immagine #6, sotto, mostra il sistema durante i primi giorni di primavera, quando il sistema sta dando un contributo ammirevole alla fornitura di acqua calda della casa.

Il grafico nell’immagine #7 mostra il sistema al suo peggio. Le barre verticali gialle rappresentano i periodi di sole, e le barre verticali blu rappresentano la notte. Tra il 21 e il 22 si vede persino la pioggia! Ma notate come solo poche ore di sole invernale il 23 aumenta il serbatoio di quasi 20°F.

Gli altri due grafici, mostrati nell’immagine #8, illustrano le differenze tra dicembre e marzo. In questi grafici, abbiamo misurato le uscite di ogni collettore per vedere se tutti e quattro fornivano un’uscita utile. Risulta che i primi due collettori hanno raccolto più Btu, ma i secondi due collettori hanno fatto salire la temperatura più in alto, quindi hanno davvero aiutato – in particolare durante i periodi più freddi dell’anno.

La rilevanza di questo design

E’ chiaro che ci sono limiti su dove questo tipo di sistema può essere installato con successo. Se questi collettori sono coperti di neve, potrebbero non funzionare troppo bene, quindi avrebbe senso evitare aree che rimangono sotto lo zero per lunghi periodi di tempo. Ma poiché non ci sono tubazioni metalliche in questo sistema, può sopportare il congelamento occasionale. E se i crediti d’imposta sono la motivazione principale per l’installazione di acqua calda solare, questo sistema non farà, perché non è ancora certificato dalla Solar Rating and Certification Corporation. Eppure, questo sistema dovrebbe costare meno della maggior parte degli altri sistemi, anche senza il beneficio dei crediti d’imposta.

È chiaramente una buona cosa portare nuove prospettive al riscaldamento solare dell’acqua. Mettendo intelligentemente in discussione le vecchie idee e utilizzando materiali e hardware più recenti – come il serbatoio Marathon, le tubazioni PEX e i collettori in polietilene – Zak ci ha spinto a fare meglio di quanto avessi creduto possibile.

Larry Weingarten è cresciuto nella penisola di Monterey in California e si è messo in proprio per la maggior parte della sua vita lavorativa. Ha ottenuto la sua licenza di appaltatore generale nel 1982. Larry ha scritto articoli sul riscaldamento dell’acqua e sull’energia per varie riviste specializzate; ha insegnato su questi argomenti per PG&E, California State Parks, Affordable Comfort e altri; e recentemente ha contribuito a creare DVD su questi e altri argomenti correlati. Nel 2006, ha finito di costruire una casa off-grid; progettata per essere molto efficiente, confortevole e poco costosa, è stata la tredicesima casa a soddisfare la 1000 Home Challenge, una competizione per la creazione di case super efficienti. Gli piacciono i gatti.

Zak Vetter ha contribuito a questo articolo. Anche lui è cresciuto sulla costa di Monterey, e ha lavorato in proprio per oltre dieci anni, riparando e insegnando sui computer. Dal 2008, Zak ha imparato a conoscere il vasto mondo dell’efficienza energetica mentre migliorava la sua proprietà. Il sistema di acqua solare in questo articolo è stato ispirato da una visita alla casa off-grid di Larry, che ha dimostrato quanto fosse possibile con l’energia solare.