I collettori solari ad aria traspirata (transpired air collectors) sono sistemi che utilizzano l’aria come fluido termovettore per recuperare calore solare, spesso con applicazioni sulle facciate degli edifici o in configurazione ibrida fotovoltaico-termica.
Come funzionano
Il principio di funzionamento è relativamente semplice: l’aria esterna viene aspirata attraverso una superficie assorbente perforata, riscaldata dal sole, e poi convogliata verso l’impianto di ventilazione dell’edificio.
Così si può preriscaldare l’aria di rinnovo, riducendo il fabbisogno energetico per il riscaldamento. Inoltre, quando il collettore è integrato con pannelli fotovoltaici, il flusso d’aria può anche contribuire a raffreddarli e a recuperarne parte del calore.
Questa tipologia di collettori è al centro delle attività della IEA SHC Task 73 sui sistemi PVT (foto-termici) per il riscaldamento.
Nel sito Solarthemalworld è stato ilustrato un esempio applicativo presso la John Molson School of Business della Concordia University di Montréal, dove collettori ad aria posti dietro moduli fotovoltaici contribuiscono alla produzione combinata di elettricità e calore.
Da risolvere: misurazione e certificazione delle prestazioni
Il problema principale riguarda però la misurazione e la certificazione delle prestazioni, poiché oggi i collettori ad aria traspirata non sono pienamente coperti dalla norma EN ISO 9806 né dallo standard statunitense ICC 901/SRCC 100.
Infatti, questi sistemi non funzionano come i collettori ad aria “open to ambient” già considerati dalle norme, ma l’aria viene aspirata attraverso molte piccole perforazioni distribuite sulla superficie assorbente; invece, nei collettori tradizionali l’ingresso dell’aria avviene in genere da un’apertura localizzata e ciò modifica i profili di temperatura, i coefficienti di scambio termico, le perdite e l’influenza del vento.
La prestazione dipende appunto da molte variabili: portata d’aria, velocità di aspirazione attraverso la superficie perforata, radiazione solare, scambio radiativo a onde lunghe, direzione e intensità del vento, umidità dell’aria, geometria del canale d’aria e, nei sistemi PVT, distanza tra il pannello FV e l’assorbitore.
All’aumentare della velocità di aspirazione, ad esempio, lo strato limite d’aria sulla superficie può essere in parte “risucchiato” nel collettore, riducendo l’effetto del vento e le perdite termiche; fenomeni, al momento, difficili da rappresentare con i metodi di prova convenzionali.
Verso test più realistici per i sistemi PVT ad aria
Per questo motivo QSBR Innovations e Queen’s University stanno lavorando, nell’ambito della Task 73, a un protocollo di prova più adatto, con l’obiettivo di verificare se il metodo dinamico previsto dall’ISO possa essere adattato ai collettori traspirati, così da ottenere parametri affidabili per il rating dei prodotti, il confronto tra soluzioni diverse e la validazione delle prestazioni di grandi impianti reali (foto a destra: impianto di prova all’aperto presso la Queen’s University).
I ricercatori hanno installato campioni di collettori traspirati in un banco prova esterno, sottoponendoli a diverse condizioni climatiche e operative. Il sistema è dotato di numerosi strumenti di misura (anemometri, radiometri, sensori di temperatura e umidità) per valutare con precisione l’effetto dei principali fattori ambientali e di funzionamento. Una parte importante del lavoro consiste anche nel capire se i risultati ottenuti su piccoli campioni possano essere estrapolati a installazioni su scala reale.
I primi risultati indicano che il metodo dinamico è praticabile e potrebbe essere superiore ai test stazionari tradizionali, perché consente di valutare i collettori in condizioni reali e di identificare meglio i parametri che influenzano la prestazione. La procedura si basa su un’equazione generale di caratterizzazione, i cui coefficienti vengono ricavati mediante analisi statistica su un ampio insieme di dati misurati.
L’approccio dinamico potrebbe inoltre rendere meno costose le prove rispetto ai test stazionari in laboratorio e permettere valutazioni “in situ”, cioè direttamente sugli impianti installati; un aspetto rilevante per i sistemi ad aria, nei quali la misura dei flussi energetici è più complessa rispetto ai collettori ad acqua, perché l’aria è comprimibile, può avere distribuzioni non uniformi di temperatura e portata, e l’umidità incide sulla capacità termica del fluido.
Gli avanzamenti ottenuti finora riguardano quindi soprattutto la messa a punto di una metodologia di prova più rappresentativa. I ricercatori hanno individuato i parametri chiave da includere nei modelli di prestazione, hanno confermato la fattibilità del metodo dinamico e stanno lavorando al confronto tra campioni di piccola scala e sistemi reali.
Questi sviluppi potranno migliorare sia la certificazione dei collettori ad aria traspirata sia la progettazione dei sistemi PVT che li integrano con moduli fotovoltaici.
In prospettiva, una caratterizzazione più accurata permetterebbe di confrontare meglio i prodotti, inserirli con maggiore affidabilità nei software di simulazione e prevedere con più precisione le prestazioni degli impianti. Il beneficio non riguarderebbe solo i collettori PVT, ma anche i collettori solari ad aria non fotovoltaici (come quelli della Solarwall, nella foto di copertina), che potrebbero così disporre di criteri di valutazione più solidi e riconosciuti a livello internazionale.
