Le finestre fotovoltaiche riscaldano l’acqua in un appartamento di Bucarest da due anni

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Un progetto pilota di due anni a Bucarest utilizza finestre fotovoltaiche semitrasparenti per riscaldare direttamente l’acqua domestica in corrente continua, trasformando un normale serbatoio d’acqua in uno storage termico senza l’ausilio di un inverter solare o di batterie.

Di Adrian Băisan, PhotoVoltaic Windows SRL

Per chi vive in edifici residenziali, utilizzare l’energia solare non è così semplice come per i proprietari di case che hanno accesso al proprio tetto.

Milioni di residenti in appartamenti non dispongono di un’area del tetto utilizzabile. In molti casi, le uniche superfici a loro disposizione sono i balconi, le ringhiere e le finestre.

I sistemi fotovoltaici su balcone plug-in sono diventati una soluzione importante per questo problema. Tuttavia sollevano un’altra domanda: cosa succede all’elettricità solare prodotta in un momento in cui l’appartamento non ne ha bisogno?

Da più di due anni stiamo testando un approccio diverso in un appartamento reale a Bucarest, in Romania.

Invece di inviare l’elettricità fotovoltaica nell’impianto elettrico dell’appartamento, delle finestre fotovoltaiche semitrasparenti forniscono direttamente un normale scaldabagno elettrico in corrente continua.

L’idea è semplice: utilizzare lo stesso scaldabagno come serbatoio di energia.

L’elettricità solare prodotta nel corso delle ore diurne viene convertita direttamente in calore e immagazzinata come acqua calda per un uso successivo.

Non vi è alcuna batteria fotovoltaica né inverter solare tra i pannelli fotovoltaici e l’elemento riscaldante. La parte fotovoltaica funziona in modo isolato dalla rete e non inietta energia elettrica nella rete pubblica.

Quando l’energia solare non è sufficiente, il controller passa lo stesso scaldabagno alla normale rete elettrica in corrente alternata dopo il tramonto, affinché possa raggiungere la temperatura impostata dal termostato.

Due anni di funzionamento effettivo in ambito domestico

Il sistema è installato su un balcone vetrato rivolto a sud a Bucarest.

I pannelli fotovoltaici hanno una capacità nominale installata di circa 845 Wp e forniscono acqua calda sanitaria per una famiglia di quattro persone, con un uso quotidiano dell’acqua calda, compresa una doccia a persona al giorno.

Nella documentazione iniziale del progetto era indicata una capacità nominale di 683 Wp, basata sulla scheda tecnica del produttore del 2021 disponibile al momento dell’ordine dei pannelli nel 2022. Il produttore ha successivamente confermato che i pannelli consegnati corrispondono a modelli più recenti e ad alta potenza. Ricalcolando la stessa configurazione di 11 finestre con la scheda tecnica attuale si ottiene circa 845 Wp. Questa correzione modifica la classificazione STC nominale, ma non influisce sull’energia effettivamente erogata al termosifone né sulla copertura dell’acqua calda riportata di seguito.

Abbiamo monitorato il sistema per due periodi consecutivi da ottobre a settembre.

Nel periodo 2023–2024, le finestre fotovoltaiche hanno fornito 446 kWh al termosifone e hanno coperto il 46,7% del fabbisogno energetico per l’acqua calda domestica della famiglia.

Nel periodo 2024–2025, hanno fornito 462 kWh e hanno coperto il 43,7% del fabbisogno energetico per l’acqua calda domestica.

In entrambi i periodi, la famiglia era assente per circa un mese, il che significa che ciascun periodo di misurazione da ottobre a settembre rappresenta effettivamente circa 11 mesi di utilizzo reale in casa.

Questi risultati sono importanti perché l’obiettivo del sistema non è il massimo output fotovoltaico istantaneo, bensì utilizzare la maggior quantità possibile di energia solare disponibile all’interno dell’appartamento.

Anche la potenza indicata sulla targa corretta del pannello fotovoltaico non influisce sulle analisi separate relative al risparmio idrico e alla refrigerazione presenti più avanti in questo articolo: il calcolo dell’acqua si basa sul flusso misurato e sul tempo di attesa, mentre il modello di refrigerazione si basa sull’area dei vetri e sulle caratteristiche di assorbimento del calore solare, piuttosto che sulla potenza elettrica indicata sulla targa del pannello fotovoltaico.

Il problema del autoconsumo solare sui balconi

L’Umweltbundesamt, o UBA — l’Agenzia tedesca per l’ambiente, l’autorità federale ambientale della Germania — fornisce un punto di riferimento interessante.

Per un sistema fotovoltaico da balcone orientato a sud e montato verticalmente con una potenza di 800 W, l’UBA stima una produzione annuale di circa 532 kWh. Stima inoltre che, in assenza di batterie, circa 240 kWh all’anno — circa il 45% — possano essere consumati direttamente nell’appartamento.

Il motivo è facile da comprendere.

Un sistema fotovoltaico convenzionale con collegamento esterno fornisce l’energia elettrica necessaria a tutti i carichi che sono in funzione nello stesso momento in cui il sole produce elettricità.

Se il sistema fotovoltaico produce 500 W mentre l’appartamento ne utilizza soltanto 150 W, la famiglia non può consumare tutti i 500 W contemporaneamente, a meno che un altro carico non venga attivato, l’energia non venga immagazzinata o il surplus non venga esportato.

Il nostro approccio modifica questa relazione.

Invece di cercare di far sì che la produzione solare segua la domanda elettrica istantanea dell’appartamento, la colleghiamo a un carico in grado di assorbire energia nel tempo.

Un scaldabagno è in pratica una batteria termica.

Può ricevere 100 W, 300 W o 500 W per diverse ore, accumulare quell’energia sotto forma di calore e fornire acqua calda in seguito nella giornata.

Questo permette che la produzione di energia solare e il suo utilizzo effettivo avvengano in momenti diversi, senza l’ausilio di una batteria elettrochimica.

Perché le finestre fotovoltaiche sono elettricamente diverse da due pannelli convenzionali per balcone

C’è un altro aspetto importante di questo concetto che è facile trascurare.

Il sistema funziona particolarmente bene non semplicemente perché i pannelli fotovoltaici sono collegati a un scaldabagno, ma perché i vetri fotovoltaici possono offrire una compatibilità elettrica molto migliore per lo scaldamento dell’acqua a corrente continua rispetto a un tipico sistema PV per balcone costituito da uno o due pannelli.

Uno scaldabagno elettrico dispone di un elemento riscaldante resistivo fisso.

Prendiamo, ad esempio, uno scaldabagno standard da 3 kW a 230 V. Lo stesso principio elettrico vale per gli scaldabagno con altre potenze nominali; il valore di 3 kW viene utilizzato qui soltanto come esempio chiaro a scopo comparativo.

Se i moduli fotovoltaici vengono collegati direttamente a quella resistenza di riscaldamento, senza un inverter o un convertitore DC/DC MPPT attivo, il punto di funzionamento dipende dalla relazione tra la tensione dell’array fotovoltaico e la resistenza dell’elemento riscaldante.

Questo significa che la potenza indicata sul modulo fotovoltaico non corrisponde automaticamente alla potenza che arriva al riscaldatore.

Consideriamo due moduli fotovoltaici convenzionali moderni con una capacità nominale complessiva di circa 800 Wp.

Con le caratteristiche dei moduli utilizzate nella nostra comparazione, collegando questi due moduli direttamente all’elemento riscaldante di un termosifone ad acqua da 3 kW a 230 V si ottiene una potenza massima trasmessa di soli circa 300 W, nonostante la potenza nominale complessiva di circa 800 Wp dei moduli.

Il valore esatto dipende dalle caratteristiche corrente-tensione dei moduli, ma il problema di base rimane lo stesso: due moduli convenzionali funzionano a una tensione in corrente continua relativamente bassa rispetto alla tensione necessaria per un buon adattamento alla resistenza di un termosifone tradizionale da 230 V.

Pertanto, la loro potenza nominale di 800 W non può essere sfruttata in modo efficiente semplicemente collegandoli direttamente all’elemento riscaldante.

L’installazione di finestre fotovoltaiche da noi realizzata si comporta in modo diverso.

Anche se la capacità nominale installata corretta è di circa 845 Wp, abbiamo misurato un picco di 499 W inviati direttamente al termosifone.

Questo non significa che il vetro fotovoltaico sia intrinsecamente più efficiente dei moduli convenzionali a silicio cristallino. Significa semplicemente che la configurazione elettrica è meglio adatta al carico.

Invece di uno o due moduli a potenza relativamente elevata che funzionano a bassa tensione e alta corrente, i vetri fotovoltaici offrono un numero maggiore di elementi generativi a bassa potenza.

Questi possono essere collegati elettricamente in modo che l’insieme raggiunga una tensione continua molto più utile, pur mantenendo una potenza totale installata moderata.

Potenza moderata + tensione continua adeguata + riscaldamento resistivo + accumulo termico.

Questa combinazione si adatta particolarmente bene a un elemento riscaldante resistivo per l’acqua.

Perché un MPPT attivo non è essenziale in questo caso

Tuttavia, l’aumento della potenza istantanea non si traduce in modo diretto in un aumento proporzionale dell’energia annuale utile. Il serbatoio d’acqua ha una capacità termica finita, e non appena si raggiunge il valore impostato dal termostato il riscaldatore smette di assorbire energia. Pertanto, un’energia aggiuntiva durante il mezzogiorno può far raggiungere al serbatoio la temperatura di interruzione prima, anziché aumentare proporzionalmente il consumo annuo.

Nella nostra configurazione, l’array fotovoltaico e la resistenza di riscaldamento sono già sufficientemente ben abbinati, tanto che una fase MPPT attiva non è essenziale per raggiungere l’obiettivo progettuale. Qualsiasi guadagno aggiuntivo utile deve inoltre essere valutato in base al consumo del convertitore stesso, alle perdite di conversione, ai costi aggiuntivi e alla complessità incrementata.

Il picco misurato di 499 W proveniente da un sistema fotovoltaico di circa 845 Wp dimostra che l’energia utile può già essere trasmessa direttamente al riscaldatore con un’architettura molto semplice.

Questo è diverso dall’esempio con due pannelli convenzionali: con due moduli convenzionali per un totale di circa 800 Wp, la peggiore corrispondenza di tensione con un elemento riscaldante da 3 kW/230 V rende la conversione attiva dell’energia molto più importante se l’obiettivo è ottenere un valore vicino alla potenza fotovoltaica disponibile dei moduli.

In alternativa, diversi moduli convenzionali possono essere collegati in serie per aumentare la tensione dell’array.

Tuttavia, una volta installati diversi moduli fotovoltaici convenzionali ad alta potenza, la potenza totale disponibile diventa molto maggiore. A quel punto, utilizzare un inverter e alimentare più carichi elettrici domestici è generalmente più sensato che dedicare l’intero array a un solo scaldabagno.

Ecco perché consideriamo i vetri fotovoltaici e lo scaldabagno a corrente continua come una combinazione particolarmente naturale.

Finestre fotovoltaiche → corrente continua diretta → elemento riscaldante → acqua calda immagazzinata.

Questo non è un argomento contro i pannelli fotovoltaici convenzionali per balcone

I pannelli fotovoltaici convenzionali per balcone rappresentano una soluzione eccellente e hanno contribuito a rendere la generazione di energia solare accessibile anche a coloro che non possiedono un tetto.

Né stiamo dicendo che i moduli convenzionali non possano essere utilizzati per lo scaldabagno a corrente continua diretta: possono esserlo.

Con un numero sufficiente di moduli collegati in serie, una resistenza termica opportunamente scelta o un sistema elettronico DC/DC attivo, anche i moduli convenzionali possono riscaldare l’acqua in modo efficiente.

La differenza sta nel fatto che un sistema tipico per balconi, composto da uno o due moduli convenzionali ad alta potenza, non è naturalmente compatibile con un elemento riscaldatore per acqua standard da 230 V.

I pannelli fotovoltaici occupano una nicchia elettrica diversa.

Una facciata o un balcone può contenere diversi elementi fotovoltaici, fornendo la tensione necessaria per il riscaldamento diretto senza dover creare contemporaneamente un impianto fotovoltaico da diversi kilowatt.

Questo rende il concetto particolarmente interessante per gli appartamenti.

Stoccaggio dell’energia nell’acqua invece che in una batteria

Anche il serbatoio d’acqua cambia il modo in cui dobbiamo considerare la dimensione dei sistemi fotovoltaici.

Con un sistema elettrico convenzionale, gli utenti si concentrano spesso nel raggiungere la massima potenza istantanea possibile.

Nel caso del riscaldamento dell’acqua solare diretto, ciò non è necessariamente auspicabile.

Se un grande impianto fotovoltaico riscalda completamente il serbatoio a mezzogiorno, la produzione aggiuntiva successivamente nel corso della giornata non può più essere utilizzata da quel carico dedicato.

Un sistema fotovoltaico più moderato, invece, può fornire energia per molte ore; il riscaldatore accumula lentamente tale energia.

Pertanto, la quantità importante non è soltanto il picco in watt, ma anche i kilowatt-orari utili accumulati durante la giornata.

I risultati di Bucarest illustrano questo concetto: il sistema fotovoltaico a finestra con una potenza di circa 845 Wp, che ha registrato un picco di 499 W sul riscaldatore, ha fornito 446 kWh nel primo periodo di monitoraggio e 462 kWh nel secondo.

Questo era sufficiente per coprire rispettivamente il 46,7% e il 43,7% del fabbisogno energetico per l’acqua calda sanitaria di un nucleo familiare di quattro persone.

Ci sono anche vantaggi per il risparmio idrico

L’esperimento ha rivelato un altro vantaggio che ha poco a che fare con l’efficienza fotovoltaica.

Prima di utilizzare il termosifone locale, l’appartamento dipendeva dall’acqua calda sanitaria fornita centralmente.

Come accade in molti edifici residenziali, gli abitanti dovevano lasciare l’acqua scorrere mentre aspettavano che arrivasse acqua abbastanza calda per la doccia.

Nel nostro studio di caso a Bucarest, una misurazione ha mostrato un flusso nella doccia di 6,7 litri al minuto e circa cinque minuti per raggiungere una temperatura di circa 43°C alla fine di settembre.

Sulla base di questa misurazione e dei tempi di attesa stimati stagionalmente, compresi tra circa cinque e otto minuti, il modello di studio ha calcolato che, per una famiglia di quattro persone che fa una doccia a testa al giorno, vengono utilizzati circa 62,1 metri cubi d’acqua all’anno durante i periodi di attesa.

Questo non è un valore universale: i tempi di attesa variano notevolmente in base all’edificio, alla lunghezza delle tubature, al sistema di circolazione e alle condizioni operative.

Tuttavia il meccanismo è universale.

Se l’acqua calda viene prodotta localmente e immagazzinata a breve distanza dalla doccia, il tempo di attesa può diventare praticamente trascurabile.

Nel nostro caso, il termosifone locale da 80 litri offre quindi un vantaggio oltre a quello legato all’energia solare: riduce notevolmente l’acqua sprecata in attesa che arrivi l’acqua calda centralizzata.

I vetri fotovoltaici fungono anche da protezione solare

Le finestre fotovoltaiche presentano un’altra caratteristica che i moduli PV opachi convenzionali non hanno quando vengono semplicemente montati su un balcone.

Divenute parte dell’involucro edilizio, esse contribuiscono a ridurre l’ingresso di radiazioni solari nell’appartamento.

Lo stesso vetro che genera elettricità riduce anche l’irradiazione solare che entra nell’appartamento.

Abbiamo modellato separatamente questo effetto per l’appartamento di Bucarest.

La facciata vetrata rivolta a sud presenta una superficie totale di circa 12,9 m², di cui 7,92 m² costituiti da vetro fotovoltaico semitrasparente.

Sotto le ipotesi utilizzate nello studio, la sostituzione dei vetri trasparenti convenzionali con quelli fotovoltaici riduce l’assorbimento termico solare attraverso l’intera facciata vetrata di circa il 40%.

Per l’appartamento specifico e le ipotesi operative relative all’aria condizionata utilizzate nel modello, ciò corrisponde a una riduzione stimata del consumo di elettricità per il raffreddamento di circa 433–481 kWh ad estate, con un valore centrale di circa 457 kWh.

Queste cifre sono stime calcolate, non risparmi effettivamente misurati sull’aria condizionata. La distinzione è importante.

Tuttavia, il calcolo illustra una caratteristica fondamentale delle fotovoltaiche integrate negli edifici.

I vetri possono produrre elettricità e allo stesso tempo ridurre il carico di raffreddamento.

Per gli appartamenti con ampie superfici vetrate rivolte a sud, est o ovest e con un notevole surriscaldamento estivo, questo beneficio secondario può essere particolarmente rilevante.

Le finestre e le balaustrate sono superfici che i residenti degli appartamenti possono effettivamente utilizzare

Il tetto non è l’unico luogo in cui un edificio riceve radiazioni solari: anche le facciate degli appartamenti ne sono colpite.

I vetri fotovoltaici possono essere integrati in sezioni di finestre fisse, coperture di balconi o balaustrate vetrate.

Pertanto vengono utilizzate superfici che già svolgono una funzione architettonica.

Questo non significa che i vetri fotovoltaici siano adatti a ogni facciata: è necessario considerare orientamento, ombreggiatura, trasparenza, aspetto architettonico ed economicità.

Tuttavia, negli appartamenti con ampie superfici vetrate esposte al sole, la facciata può diventare una superficie produttrice di energia senza necessità di accedere al tetto.

E quando quell’elettricità viene utilizzata localmente per l’acqua calda domestica, il sistema non deve dipendere da un consumo elettrico simultaneo nelle abitazioni.

Mantenere un’architettura semplice

Uno degli obiettivi del nostro progetto pilota era evitare componenti superflui.

Nella parte fotovoltaica non ci sono batterie né inverter solari: l’elettricità prodotta viene utilizzata direttamente in corrente continua da un elemento riscaldante resistivo.

Quando l’energia solare non è sufficiente, il controller attiva automaticamente il riscaldatore sulla rete in corrente alternata dopo il tramonto, in modo che possa raggiungere la temperatura impostata dal termostato della caldaia.

Il concetto di commutazione automatica tra l’alimentazione in corrente continua fotovoltaica e quella in corrente alternata della rete è stato incluso anche in una domanda di brevetto rumena pubblicata dall’Ufficio Statale Rumeno per Invenzioni e Marchi.

Tuttavia la parte più importante di questo concetto è più semplice del sistema di commutazione stesso.

Si tratta della combinazione di un generatore fotovoltaico integrato nella facciata, dotato delle caratteristiche elettriche in corrente continua appropriate, di un semplice carico resistivo e di un sistema di accumulo termico economico che le famiglie hanno già bisogno ogni giorno.

Gli appartamenti dovrebbero far parte della transizione solare

La maggior parte delle discussioni sulle applicazioni fotovoltaiche residenziali inizia ancora dal tetto.

Questo funziona bene per le case indipendenti. Per milioni di persone che vivono in edifici residenziali, però, non risolve il problema.

I balconi solari hanno già dimostrato che gli abitanti degli appartamenti desiderano avere accesso alla propria produzione di energia rinnovabile.

La domanda successiva è come utilizzare al meglio la limitata superficie solare a disposizione.

Il nostro progetto pilota a Bucarest suggerisce un approccio possibile.

Durante due periodi di misurazione consecutivi, le finestre fotovoltaiche hanno fornito rispettivamente 446 kWh e 462 kWh direttamente per l’acqua calda domestica, coprendo il 46,7% e il 43,7% del fabbisogno energetico dell’abitazione per l’acqua calda.

L’abitazione è composta da quattro persone che utilizzano quotidianamente l’acqua calda.

La stessa installazione fornisce anche ombreggiamento solare, mentre la produzione locale di acqua calda può ridurre le perdite d’acqua legate all’attesa dell’acqua calda centralizzata.

La cosa più importante è che il sistema dimostra che l’elettricità fotovoltaica non deve necessariamente essere convertita in corrente alternata, immagazzinata in una batteria o esportata nella rete per diventare utile.

A volte il sistema di immagazzinamento più efficace si trova già all’interno dell’appartamento.

Si tratta di un serbatoio d’acqua.

Per i pannelli fotovoltaici, la combinazione di una tensione continua più elevata, di una potenza moderata e di un sistema di immagazzinamento termico può rendere l’uso diretto della corrente continua uno dei modi più naturali per sfruttare l’elettricità che generano.

L’ora solare più preziosa potrebbe non essere quella prodotta dal sistema più grande, ma quella generata sul balcone, immagazzinata come acqua calda e utilizzata dalla stessa famiglia poche ore dopo.

Le misurazioni mensili e i calcoli dettagliati di supporto sono disponibili dall’autore su richiesta.