In questo articolo viene presentata un’alternativa smart alle centraline per impianti solari termici. Esistono diverse opzioni in commercio, da dispositivi elementari a sistemi di controllo più avanzati. In questo caso viene utilizzato un sistema molto semplice, costituito da due interruttori intelligenti Sonoff e relativo sensore di temperatura. Questo sistema, oltre a essere facile da installare e piuttosto economico, è altrettanto facile da gestire mediante un’interfaccia molto curata. Inoltre, permette la gestione remota e di settare le temperature direttamente dall’applicazione per smartphone. Sfruttando questi nuovi dispositivi smart a buon mercato è possibile con poco creare un termostato intelligente per migliorare l’impianto termico.
L’impianto
Ci sono diversi motivi che hanno portato alla scelta di un sistema di questo tipo, atipico per la gestione di impianti termici. Tra questi è stato fondamentale considerare la struttura fisica dell’impianto. L’impianto termico in origine prevede una caldaia che si occupa del riscaldamento e dell’acqua calda sanitaria. Chiaramente per il riscaldamento c’è l’apposito termostato mentre l’acqua sanitaria viene prodotta su richiesta.
Il sistema è stato ampliato aggiungendo un pannello solare con accumulo da 150 L. Per orientare correttamente il pannello solare, così da massimizzarne l’efficienza, questo è stato istallato lontano dalla caldaia. Chiaramente questo ha posto una prima limitazione, ovvero non è stato possibile integrare i due sistemi. Entrambi sono connessi all’impianto e, per evitare sprechi e ulteriori problematiche, sono presenti delle valvole che si occupano di chiuderne l’allaccio lasciando attivo un sistema alla volta.
L’evoluzione più intelligente, in ottica di risparmio energetico, di un sistema di questo tipo prevede di utilizzare il pannello solare finché la temperatura dell’acqua nell’accumulo è sufficientemente alta e poi di ricorrere alla caldaia. Per ottimizzare il tutto, quando si passa alla caldaia, si potrebbe anche mandare l’acqua tiepida (non sufficientemente calda) dell’accumulo del pannello nella caldaia così da ridurre l’energia richiesta per riscaldarla. Purtroppo in questo caso quest’ultima opzione era da escludere poiché avrebbe richiesto lavori importanti sia strutturali che agli impianti elettrico e termico.
Solare termico
Il pannello solare termico, noto anche come collettore solare, è un dispositivo dell’impianto termico che serve a convertire l’energia della radiazione solare in energia termica. Nel farlo l’energia viene trasferita ad un accumulatore termico utilizzato poi per produrre acqua calda sia sanitaria che di lavoro o per scaldare ambienti. L’ideazione risale all’impero romano dove sfruttavano l’irraggiamento tramite l’effetto serra ma soltanto dopo la prima guerra mondiale si diffuse il primo pannello vero e proprio capace di fornire acqua calda.
Il pannello vero e proprio riceve l’energia solare e la scambia con il fluido termico attraverso uno scambiatore. Successivamente il fluido termico trasferisce calore al serbatoio dove viene accumulato. La prima distinzione importante viene proprio dal sistema con cui il fluido termico si muove.
Circolazione
La circolazione può essere naturale o forzata. Nella circolazione naturale si sfrutta la convezione. Il liquido si riscalda nel pannello e quindi si dilata spostandosi rispetto quello più freddo che si trova nello scambiatore nell’accumulo. Il fluido vettore è tipicamente acqua miscelata con glicole propilenico in rapporti opportuni per mantenere la resistenza al gelo. La circolazione naturale è più semplice di quella forzata e non richiede pompe tuttavia è più sensibile alle perdite di carico.
Nella circolazione forzata, invece, si sfruttano delle pompe che mettono in ricircolo il fluido solo quando la temepratura è sufficientemente alta. Normalmente il circuito contenente il fluido termico è separato da quello dell’acqua che vanno a scaldare. Nei serbatoi di accumulo si può anche integrare una resistenza elettrica che può intervenire quando l’irraggiamento non è sufficiente come in giornate molto piovose o nelle ore notturne.
Esistono diverse categorie di collettori termici. Una prima distinzione è tra i pannelli solari piani e pannelli solari sotto vuoto. Il primo sistema viene utilizzato per ottenere temperature più basse tra i 50°C e i 90°C. È costituito da una lastra di vetro (se pannelli vetrati), un assorbitore di rame e isolante termico che impedisce la dispersione.
Tipicamente si utilizzano pannelli piani vetrati in cui la struttura intorno l’assorbitore limita le dispersioni e, anche se hanno un rendimento leggermente minore dei non vetrati in condizioni ottimali. In realtà hanno un rendimento decisamente più alto nelle condizioni meno ottimali così da produrre acqua calda da marzo ad ottobre. I pannelli solari sottovuoto sono invece in grado di mantenere un apporto termico maggiore anche in condizioni di basso irraggiamento .
Benefici
L’utilizzo in sostituzione alla caldaia o allo scaldabagno elettrico porta innanzitutto a ridurre i consumi di energia elettrica e di idrocarburi. Ci sono anche diversi vantaggi per l’ambiente come la totale riduzione di emissione di CO2, ossidi di zolfo e di azoto e di particolato dovuti anche allo sfruttamento di una fonte di energia rinnovabile come il sole. Si riduce il bisogno di impianti per il trasporto di energia su grandi distanze e si crea indipendenza energetica nelle zone dove sarebbe necessaria la fornitura di carburante. È una tecnologia accessibile, facile da costruire ed economica, con bassi oneri di realizzazione e di smaltimento.
Si ricordi che il sole per noi risulta essere una fonte inesauribile di energia. Con una superficie superiore ad un milione di volte quella della terra raggiunge temperatura di milioni di gradi emettendo in maniera costante circa 400.000 miliardi di kW di radiazione elettromagnetica. Sulla terra questa potenza è sensibilmente inferiore per via dello schermo dovuto all’atmosfera e troviamo circa 1000 W/m2 che scende a circa 100÷150 W/m2 in presenza di nubi. Tutta questa energia può essere sfruttata per il solare termico così come per altri impianti solari, ad esempio il fotovoltaico.
Al solare termico per la produzione di acqua calda si aggiungono anche dei sistemi passivi che si avvalgono di diversi accorgimenti integrati negli edifici che sfruttano l’energia solare. Tra questi troviamo lucernari, serre, superfici riflettenti, strutture ad elevata inerzia termica, muri a cambiamento di fase e muri di Trombe.
Circuito solare
L’integrazione con l’impianto termico può essere fatta in vari modi tuttavia tutti seguono alcuni principi base. Il tubo di uscita del serbatoio è collegato ad una valvola termostatica che miscela l’acqua dell’accumulo con acqua fredda mantenendo l’uscita ad una temperatura costante. Questo permette di evitare il pericolo di ustioni, perdite per dispersone e danni ai dispositivi messi in serie. Poi si trova una valvola a tre vie che può, a seconda delle temperature, attivare le diverse uscite. Se la temperatura è sufficientemente alta l’acqua viene immessa in circolo direttamente altrimenti viene inviata all’ingresso di una caldaia o di un accumulo che la scalda fino alla temperatura necessaria. In altri casi la caldaia va a riscaldare direttamente l’accumulo quando l’energia termica del solare non è sufficiente.
In un modello semplificato dello scambio termico possiamo considerare:
\Gamma c_p\left(T_{out}-T_{in}\right)=(\tau \alpha)GA-\varepsilon \sigma A(T_p^4-T_a^4)-UA(T_p-T_a)I cui termini sono rispettivamente:
- Energia trasferita al fluido
- Componente di energia assorbita dalla radiazione solare
- Componente di energia persa per irraggiamento
- Perdite conduttive e convettive
Nello stato stazionario abbiamo che:
Q_{utile}=Q_{solare}-Q_{perso}=A\left[(\tau \alpha)G-U_L(T_p-T_a)\right]Dove τ è il coefficiente di trasmissione della copertura, α il coefficiente di assorbimento della piastra termica, A la superficie, G la radiazione incidente e UL il coefficiente di perdita totale.
Cioè l’efficienza:
\eta ={Q_u\over AG_{tilt}} Generalmente i costruttori forniscono l’efficienza considerando la temperatura media del liquido (Tm) e quella ambiente (Ta), nella forma:
\eta=\eta_0-a_1{(T_m-T_a)\over G}-a_2G\left[(T_m-T_a)\over G\right]^2Dove generalmente le prestazioni del collettore vengono descritte da una curva che ne rappresenta l’efficienza al variare della temperatura di funzionamento. Tipicamente in estate η = 0.6 mentre in inverno η = 0.35.
Accumulo
L’energia solare non è sempre disponibile e infatti si utilizzano dei serbatoi che permettono di utilizzare l’acqua calda in modo continuo. Ne esistono di diverso tipo ma i più diffusi sono quelli a serpentina che provvedono sia alla produzione di acqua calda che a conservare il calore. Esistono poi varie configurazioni per i serbatoio, da quelli più semplici a quelli combinati che integrano, alla produzione di acqua calda, il riscaldamento.
La regolazione e il loro controllo si basa si termoregolatori differenziali ovvero un regolatore che consente di impostare la differenza di temepratura desiderata e diverse sonde che misurano la temperatura nei pannelli e nell’accumulo. Esistono diverse configurazioni e ciascuna richiede il suo sistema di controllo ottimizzato.
Posizionamento
I pannelli devono essere installati su superfici in grado di mantenere una buona insolazione facendo fronte alla formazione di possibili zone d’ombra, tenendo conto dell’angolo di orientamento e dell’angolo di inclinazione rispetto l’orizzontale. Nel nostro emisfero idealmente i collettori termici sono disposto a sud ma variazioni di ± 30°C induco una perdita solo del 2,5 %. È invece più importante considerare l’angolo di inclinazione e tipicamente si utilizzano 20÷40° per impianti a funzionamento estivo, 50÷65° per impianti a funzionamento invernale e 40÷60° per impianti a funzionamento annuo.
IoT e termoregolazione
Alle motivazioni elencate precedentemente si aggiunge il desiderio di avere un sistema intelligente. Alla semplice richiesta meccanica di chiudere e aprire le valvole per selezionare il dispositivo che produce acqua calda, è possibile integrare una soglia di temepratura. Controllando costantemente la temperatura è possibile capire quali sono le reali esigenze dell’impianto e degli utenti oltre che selezionare il dispositivo migliore evitando sprechi di energia. Chiaramente il sistema deve essere automatizzato. A queste possibilità si aggiunge la voglia di avere un controllo remoto e la possibilità di intervenire manualmente, e in modo comodo, per regolare le soglie qualora fosse necessario.
Da una ricerca di mercato, tra i dispositivi dedicati, è uscito subito fuori l’elevato costo dei sistemi di controllo. Questo sale notevolmente qualora si cerca qualcosa connesso ad internet, con la possibilità di salvare uno storico dei sensori, un’interfaccia pratica, controllo remoto, possibilità di controllare le valvole senza richiedere un cablaggio diretto, ecc. L’esperienza in ambito domotica ha permesso di realizzare con una spesa molto contenuta il sistema desiderato integrando tutte le funzioni in ottica Internet degli oggetti.
Chiaramente questo sistema è ben lontano da un sistema di controllo professionale e richiede alcune competenze base per l’installazione. Tuttavia le funzioni fornite soddisfano a pieno i desideri dell’installatore e dell’utente. Il sistema sfrutta hardware commerciale venduto tipicamente per rendere intelligenti gli elettrodomestici per l’integrazione domotica.
Termostato intelligente
Per realizzare il termostato, il cervello del sistema di controllo, viene utilizzato un Sonoff TH16 con relativa sonda di temperatura. A questo si aggiunge la configurazione degli scenari che vanno ad attivare/disattivare l’uscita sulla base di una temepratura target. L’attivazione dell’uscita permette di controllare la prima valvola elettroattuata. Attraverso la configurazione di alcuni scenari è possibile configurare anche l’accensione di ulteriori interruttori smart connessi ad esempio ad un’ulteriore elettrovalvola.
Sonda di temperatura
Il dispositivo è stato installato nei pressi dell’accumulo del pannello solare sfruttando il pozzetto sonda. La sonda di temperatura è un DS18B20, sensore di temepratura impermeabile ben noto nel campo Internet of Things. È un termometro digitale che fornisce la temperatura in gradi Celsius con una risoluzione da 9 a 12 bit. Comunica su un bus 1-Wire che richiede solo una linea dati oltre l’alimentazione. Possiede un codice seriale a 64 bit che consente di integrare pià sonde sullo stesso bus.
Viene impiegato in diversi ambiti inclusi sitemi HVAC (Heat, Ventilation and Air Conditioning), monitoraggio delle temperature negli edifici o nei macchinari e nei controllori di processo. Impiegato sia nei prodotti consumer che nei prodotti professionali.
Alla praticità del protocollo 1-Wire si aggiunge un range di misura piuttosto ampio, da -55°C a +125°C. Inoltre, permette di leggere la temperatura in meno di 1 secondo nella risoluzione maggiore e in meno di 100ms se utilizzato a 9bit con una precisione massima di 0,5°C.
Configurazione del termostato
La configurazione è piuttosto semplice e viene guidata dall’applicazione eWeLink. Dopo aver installato l’applicazione e creato un account è sufficiente aggiungere un nuovo dispositivo e registrarlo associandogli un nome. Successivamente si può configurare la funzione termostato impostando la temperatura a cui si accende/spegne ed eventualmente un certo offset.
Dall’applicazione è possibile verificare la temperatura in ogni instante. Inoltre, tramite gli scenari è possibile configurare anche l’accensione di altri dispositivi seguendo il termostato, utile ad esempio per controllare ulteriori valvole o pompe.
Integrazione con la domotica
Chiaramente questo sistema è facilmente integrabile anche con Alexa. È sufficiente installare la skill eWeLink, fare l’accesso e poi una scansione dei dispositivi. A questo punto basta chiedere all’assistente smart qual è la temepratura.
Alexa, quanti gradi ci sono nel pannello solare?
Altri scenari di applicazione
È chiaro che questo sistema può essere sfruttato ovunque serva un termostato. Inoltre, nel caso non sia richiesta l’impermeabilità del sensore, è possibile sfruttare l’altro sensore del kit, ovvero AM2301. Questo sensore permette di leggere sia la temperatura che l’umidità e quindi configurare diversi scenari applicativi.
Le applicazioni sono potenzialmente infinite. Lo scenario classico del termostato potrebbe essere quello di controllare l’attivazione del riscaldamento sulla base della temperatura ambientale. Chiaramente questo può essere utilizzato anche per il raffreddamento o il controllo di un frigorifero. Con l’umdiità è anche possibile controllare un deumidificatore o un ventilatore. È possibile applicare questo sistema anche in serre, allevamenti, sistemi di irrigazione o di stoccaggio a temperature controllate, ecc.
Sensore di temperatura ed umidità
Il sensore di temperatura e umidità, AM2301, funziona in modo simile. È un sensore digitale che garantisce un’elevata affidabilità e una buona stabilità a lungo termine. Il sensore include un sensore capacitivo per l’umidità e un dispositivo di misura della temperatura con un controllore ad 8 bit. Il sensore sfrutta il protocollo 1-Wire con una distanza fino a 20 metri.
Il basso consumo, le dimensioni contenute, le buone prestazioni e la semplicità di collegamento lo rendo largamente diffuso negli impianti HVAC, deumidificatori, attrezzature di test e ispezione, mondo automotive, sistemi di controllo, stazioni meteo, dispositivi medicali, ecc.
Disclaimer
Tutti i collegamenti elettrici ed idraulici sono stati realizzati insieme ad una ditta specializzata. È sconsigliato operare sull’impianto termico o elettrico se non si è competenti. Entrambi gli impianti devono seguire le rispettive norme.
Le informazioni riportate sono puramente informative e non devono essere considerate una consulenza. Inoltre l’accuratezza verificata alla pubblicazione dell’articolo potrebbe cambiare con gli aggiornamenti delle piattaforme citate. Si declina quindi ogni responsabilità per eventuali problemi o danni causati da errori o omissioni, anche nel caso tali errori o omissioni risultino da negligenza, caso fortuito o altra causa.
È sempre consigliato chiamare un tecnico abilitato.
Fonti
- Caleffi – Gli impianti a pannelli solari
- Idee green – Il primo collettore solare: la storia
- Mirri – Fisica ambientale
- Sonoff – TH10/TH16
- Solar Heat Europe – Heat for Building
- GSE – Sviluppo e diffusione delle fonti rinnovabili in Europa
