Che tipo di collettori solari ed evaporatori a pompa di calore vengono solitamente utilizzati negli scaldacqua ad aria solare

Scegliere un collettore solare termico: un compromesso tra prestazioni e scenario

La prestazione di a scaldabagno solare ad aria (SAW) dipende in gran parte dal tipo e dall’efficienza del suo componente principale: il collettore solare termico. Nella pratica ingegneristica professionale, vengono prese in considerazione due tecnologie tradizionali: collettori a piastre piane e collettori a tubi sottovuoto.

1. Collettore a tubi sottovuoto (ETC)

La tecnologia del tubo sottovuoto gioca un ruolo chiave nei sistemi SAW grazie alle sue eccellenti prestazioni di isolamento.

Vantaggio principale: i tubi sottovuoto utilizzano uno strato ad alto vuoto tra i tubi per ridurre significativamente la perdita di calore convettiva e conduttiva. Ciò significa che anche in condizioni di bassa temperatura ambiente o di basso irraggiamento solare (come nelle giornate nuvolose o in inverno), gli ETC possono mantenere un’elevata efficienza di raccolta e riscaldare l’acqua a un livello più elevato.

Scenari applicabili: grazie alle eccellenti prestazioni di raccolta del calore a bassa temperatura, il tipo a tubo sottovuoto è particolarmente adatto per la Cina settentrionale, i climi freddi e le applicazioni commerciali che richiedono temperature dell'acqua in uscita più elevate. Fornisce in modo più efficiente il preriscaldamento ad alta temperatura per le pompe di calore ad aria, riducendo significativamente il carico di lavoro della pompa di calore, migliorando così il fattore di prestazione stagionale (SPF) del sistema in inverno.

Considerazioni tecniche: I moderni collettori a tubi sottovuoto utilizzano spesso la tecnologia dei tubi di calore, che consente il funzionamento senza acqua e lo scambio di calore indiretto. Ciò semplifica la protezione antigelo e migliora l'affidabilità del sistema.

2. Collettore a piastra piana (FPC)

I collettori piani sono preferiti in alcuni progetti per la loro struttura robusta e stabilità termica.

Caratteristiche strutturali: L'FPC è costituito da una piastra assorbente il calore, una copertura trasparente e uno strato isolante. La sua struttura compatta ne facilita l'integrazione con gli edifici (BIPV, Building Integrated Photovoltaics/Thermal).

Considerazioni sulle prestazioni: i collettori piani offrono un'eccellente efficienza istantanea in condizioni di elevato irraggiamento e temperatura ambiente. Tuttavia, subiscono una maggiore perdita di calore rispetto ai tubi a vuoto in caso di ampie fluttuazioni di temperatura.

Scenari applicativi: i collettori piani sono più adatti per la Cina meridionale, per le aree con abbondante soleggiamento tutto l'anno o come soluzione di integrazione di sistemi su larga scala e a basso costo.

Integrazione professionale: negli scaldacqua solari ad aria, i collettori piani spesso fungono da fonte di preriscaldamento per l'evaporatore della pompa di calore. L'acqua calda a media e bassa temperatura che generano aumenta la temperatura di evaporazione e ottimizza il COP (coefficiente di prestazione) della pompa di calore.

Progettazione dell'evaporatore con pompa di calore: scambio di calore ottimale ed efficiente

In un sistema di scaldacqua ad aria solare, il nucleo della pompa di calore è l'evaporatore, che assorbe energia termica di bassa qualità dall'ambiente. Per soddisfare i requisiti di un sistema complesso, l'evaporatore deve soddisfare un'elevata efficienza di scambio termico e un'adattabilità multimodale.

1. Evaporatore tubo-in-tubo/a fascio tubiero

Questo tipo di evaporatore viene tipicamente utilizzato in applicazioni che prevedono lo scambio di calore diretto o indiretto tra acqua e refrigerante.

Posizionamento funzionale: nella modalità standard della pompa di calore ad aria (ASHP), l'evaporatore assorbe il calore dall'aria. Tuttavia, nella modalità ibrida solare, l’evaporatore può essere progettato come scambiatore di calore multifunzionale.

Applicazione specializzata: alcuni sistemi Solar Air Source di fascia alta utilizzano un mezzo intermedio (come antigelo o acqua circolante) che viene prima riscaldato dai collettori solari e quindi trasferito all'evaporatore per integrare il refrigerante. Questo design richiede che l'evaporatore abbia un'eccellente resistenza al flusso e coefficiente di trasferimento del calore.

2. Evaporatore a tubo alettato

Questo evaporatore viene utilizzato nelle unità esterne standard con pompa di calore ad aria e assorbe il calore direttamente dall'aria ambiente.

Funzione principale: durante i periodi fuori stagione o con il riscaldamento ausiliario, il sistema si affida principalmente all'evaporatore a tubi alettati per assorbire il calore dell'aria.

Considerazioni sullo sbrinamento: negli ambienti a bassa temperatura e con elevata umidità, gli evaporatori a tubi alettati affrontano il problema dello sbrinamento. I sistemi professionali Solar Air Source utilizzano il calore in eccesso proveniente dai collettori solari, anche come fonte di calore di sbrinamento, migliorando l'efficienza dello sbrinamento e riducendo il consumo energetico di sbrinamento e i tempi di inattività della pompa di calore.

Integrazione e ottimizzazione combinata del sistema

L'esperienza dello scaldacqua solare ad aria risiede nella logica di controllo ottimizzata e nel ciclo termodinamico tra il collettore e l'evaporatore.

Sinergia energetica: il sistema utilizza un algoritmo di controllo intelligente della temperatura per determinare con precisione quando utilizzare il preriscaldamento solare (per aumentare la temperatura del serbatoio dell'acqua o la temperatura di evaporazione della pompa di calore) e quando passare alla modalità pura pompa di calore. Questa commutazione dinamica garantisce la priorità solare e massimizza l'utilizzo dell'energia rinnovabile.

Miglioramento delle prestazioni: l'energia di preriscaldamento fornita dal collettore aumenta significativamente la pressione di aspirazione del compressore della pompa di calore e riduce il rapporto di compressione, rendendo così il COP del sistema in modalità combinata molto più elevato di quello di una pompa di calore ad aria pura, massimizzando il beneficio marginale dell'energia.