Uno studio di caso che valuta le prestazioni energia-exergia-economiche (3E) in collettori solari ad aria con diverse geometrie di alettoni e portate d'aria

Riscaldare gli edifici con collettori solari più intelligenti

Mantenere caldi case e luoghi di lavoro senza bruciare combustibili fossili è una priorità crescente in tutto il mondo. Un'opzione promettente è il collettore solare ad aria: una semplice cassa da tetto che usa la luce del sole per riscaldare l'aria e insufflarla all'interno. Questo studio analizza come piccole modifiche alla piastra metallica interna di questi collettori possano renderli non solo più caldi, ma anche più economici da gestire e migliori per l'ambiente nel corso della loro vita utile.

Perché la forma all'interno della cassa è importante

Un collettore solare ad aria è fondamentalmente una cassa poco profonda, isolata, con una piastra metallica scura sotto una copertura in vetro. La luce solare attraversa il vetro, riscalda la piastra e una ventola spinge l'aria attraverso di essa per trasportare il calore. Il problema è che i progetti comuni non trasferiscono il calore in modo molto efficiente, quindi gran parte del calore catturato si perde prima di poter essere utilizzato. Per risolvere questo problema, gli ingegneri irruvidiscono o «texturizzano» la piastra con piccole costolature, alette o alettoni che mescolano l'aria e migliorano l'asporto del calore. Gli autori di questo studio si sono concentrati su due di queste geometrie di piastra: una coperta da numerosi piccoli alettoni triangolari inclinati e l'altra con alettoni sinusoidali inclinati (onde lisce). Entrambe sono state testate all'aperto nell'India meridionale in condizioni meteorologiche reali.

Testare due progetti sotto la luce reale del sole

Il team ha costruito due collettori a grandezza reale, identici eccetto per la geometria della piastra interna, e li ha montati fianco a fianco secondo gli standard internazionali di prova. Un ventilatore ha spinto l'aria attraverso ciascuna unità a tre diverse portate, rappresentando ventilazione delicata, moderata e più intensa. Per molte giornate di cielo sereno, i ricercatori hanno registrato con cura i livelli di irraggiamento, le temperature dell'aria in ingresso e in uscita, le temperature della piastra e del vetro e la perdita di carico causata dal movimento dell'aria attraverso i collettori. Da queste misure hanno calcolato quanta energia utile forniva ciascun progetto, quanta potenza elettrica consumava la ventola e quanto calore si disperdeva attraverso il vetro superiore. Hanno inoltre combinato queste misurazioni in un punteggio complessivo «termo-idraulico» che bilancia la produzione di calore con la resistenza aggiuntiva al flusso d'aria creata dagli alettoni interni.

Aria più calda, più calore e meno spreco

In tutte le condizioni operative, il collettore con alettoni triangolari inclinati ha prodotto aria in uscita leggermente più calda rispetto al progetto con alettoni ondulati—fino a circa 83 °C alla portata d'aria più bassa. In media, la sua temperatura di uscita era qualche punto percentuale più elevata e il suo coefficiente di scambio termico (una misura di quanto rapidamente il calore passa dal metallo all'aria) era circa il 12% migliore. All'aumentare della portata d'aria, entrambi i collettori hanno fornito più calore totale all'ora, ma il progetto triangolare è costantemente rimasto avanti, offrendo circa il 4–6% di potenza utile in più a ciascuna portata. Ha anche perso meno calore attraverso la copertura in vetro, circa l'8–10% in meno, perché la turbolenza interna aiutava a convogliare il calore nell'aria anziché lasciarlo disperdere verso l'esterno. Crucialmente, quando si è tenuto conto della potenza della ventola, il collettore con alettoni triangolari ha mostrato un vantaggio più ampio nell'efficienza termo-idraulica complessiva, il che significa che sfruttava meglio ogni watt elettrico impiegato per muovere l'aria.

Contare i benefici economici e climatici

I ricercatori sono andati oltre le semplici misure di temperatura e potenza per chiedersi: nel corso della sua vita utile, quale progetto ripaga meglio finanziariamente e a livello ambientale? Supponendo una vita utile di 20 anni, tassi di interesse tipici e costi di fabbricazione e manutenzione realistici, hanno calcolato il tempo di ritorno energetico (quanto tempo serve al collettore per generare tanta energia quanta ne è servita per produrlo), il fattore di produzione energetica (quanta energia fornisce nel corso della vita rispetto all'investimento iniziale) e l'efficienza di conversione del ciclo di vita (quanto efficacemente converte la radiazione solare entrante in calore utile nel corso di decenni). Il collettore con alettoni triangolari è risultato migliore sotto ogni aspetto. Ha recuperato l'energia «incorporata» in circa 1,3 anni anziché 1,6, ha prodotto più energia nella vita utile e ha convertito una frazione più alta dell'energia solare in calore utilizzabile. Poiché necessita di meno energia di supporto da fonti convenzionali, è stato anche associato a emissioni di anidride carbonica, ossidi di azoto e biossido di zolfo leggermente inferiori nel corso della vita, offrendo al contempo un costo annualizzato più basso per l'utente.

Cosa significa per l'uso quotidiano

Per il pubblico non specialista, il messaggio è semplice: piccole forme interne che non si vedono possono fare una differenza evidente nell'efficacia di un collettore solare ad aria. Il progetto con alettoni triangolari testato qui riscalda l'aria un po' di più, spreca meno calore e lo fa con un minore sforzo della ventola rispetto al concorrente con alettoni ondulati. Nel corso della vita del sistema, ciò si traduce in un ritorno più rapido dell'investimento, costi di esercizio inferiori e aria leggermente più pulita. Pur essendo entrambi miglioramenti rispetto alle piastre piane convenzionali, lo studio suggerisce che una turbolenza progettata con cura—creata da semplici «dentellature» metalliche sulla piastra assorbitrice—può aiutare i collettori solari ad aria a svolgere un ruolo più ampio ed economico negli edifici confortevoli e a basse emissioni di carbonio.

Citazione: Rajendran, V., Aruldoss, W.J., Selvaraj, V.K. et al. A case study assessing energy-exergy-economic (3E) performance in solar air heaters with different winglet geometries and air flow rates. Sci Rep 16, 7658 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38467-x

Parole chiave: collettore solare ad aria, riscaldamento rinnovabile, energia negli edifici, efficienza energetica, progettazione alettoni