Ing. Enrica Cattaneo

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1 Ing. Enrica Cattaneo Università di Genova- Facoltà di Architettura INPS- DIREZIONE REGIONALE LIGURIA- CATE IMPIANTI AD ALTA EFFICIENZA ENERGETICA CALDAIA A CONDENSAZIONE 1

2 Sistemi di generazione La teoria della condensazione Il vapore acqueo disperso nei fumi è un sottoprodotto della combustione ovvero della reazione chimica che produce calore mediante l ossidazione di un combustibile da parte di un comburente. Il comburente, nel caso delle caldaie, è l ossigeno presente nell aria. L ossidazione del combustibile produce anche anidride carbonica, ossidi di azoto, monossido di carbonio. A differenza degli altri sottoprodotti, il vapor acqueo contiene in sé un elevata quantità di calore. Ad esempio, il calore contenuto nel vapor acqueo generato dalla combustione del gas metano è circa l 11% del relativo PCI. Pertanto il recupero di questo calore, altrimenti disperso attraverso i fumi, è senz altro d interesse non trascurabile. 2

3 LA CALDAIA TRADIZIONALE 3

4 LA CALDAIA A CONDENSAZIONE Caldaia a condensazione: caldaia in cui, nelle normali condizioni di funzionamento e a determinate temperature dell'acqua, il vapore acqueo contenuto nei prodotti della combustione viene parzialmente condensato, per poter utilizzare il calore latente del vapore acqueo stesso per il riscaldamento Il funzionamento delle caldaie a condensazione si basa sul principio dello sfruttamento del calore latente contenuto nei gas di scarico LA CALDAIA A CONDENSAZIONE Nelle caldaie a condensazione questi problemi vengono superati: utilizzo di sistemi di evacuazione fumi a tiraggio forzato impiego di speciali scambiatori resistenti alla corrosione 4

5 LA CALDAIA A CONDENSAZIONE Durante la combustione si produce vapore acqueo che, nelle caldaie tradizionali, si disperde dal camino insieme ai fumi trasportando via con sé il calore che è servito a generarlo (il "calore latente di vaporizzazione"). Per questo motivo ai combustibili si attribuisce un valore energetico detto "potere calorifico inferiore", ovvero il calore che è possibile estrarre dal combustibile al netto di quello disperso sotto forma di vapore acqueo LA CALDAIA A CONDENSAZIONE Sappiamo che non è possibile avere rendimenti superiori al 100%. Nel caso specifico della combustione, non è possibile produrre (e tanto meno utilizzare) più calore di quello contenuto nel combustibile. Si decise quindi di confrontare il calore utile con il PCI (Potere Combustibile Inferiore): vale a dire col calore totale che può essere ottenuto dal combustibile a meno del calore contenuto nel vapor acqueo. 5

6 LA CALDAIA A CONDENSAZIONE Con le caldaie a condensazione si recupera non solo il PCI ma anche una parte del calore contenuto nel vapor acqueo. E per questa ragione che i rendimenti delle caldaie a condensazione possono superare il 100%, e dare la falsa impressione di produrre più energia di quanta ne contenga il combustibile. Per una valutazione scientificamente corretta sarebbe necessario confrontare il calore utile col PCS (Potere Combustibile Superiore): cioè col calore totale che può essere ottenuto dal combustibile compreso il calore contenuto nel vapor acqueo. LA CALDAIA A CONDENSAZIONE 6

7 LA CALDAIA A CONDENSAZIONE Nelle caldaie a condensazione un apposito sistema recupera questa energia altrimenti inutilizzabile, - condensando il vapore acqueo - trasferendo il calore in esso contenuto al fluido termovettore tramite un particolare scambiatore Con il gas naturale e gli attuali bruciatori il punto di rugiada dei fumi è intorno a 55 C 7

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9 LA CALDAIA A CONDENSAZIONE Si noti che la quota di sfruttamento del calore di condensazione dipende dalla temperatura di ritorno del sistema di riscaldamento e dalla temperatura dei gas di scarico della caldaia: più basse sono entrambe, tanto più alto è lo sfruttamento del calore latente e quindi anche il rendimento della caldaia a condensazione. Ricapitolando, dal punto di vista tecnico gli incrementi di rendimento sono ottenuti essenzialmente grazie a due condizioni: -il recupero del calore latente di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi e generatosi dall ossidazione dell idrogeno presente nel combustibile (con un incremento di rendimento pari a circa il 9%) e -- il maggior recupero di calore sensibile dei fumi, grazie al più spinto raffreddamento, che garantisce circa 4 punti in più di rendimento. 9

10 LA CALDAIA A CONDENSAZIONE le caldaie a condensazione lavorano a temperature medie più basse rispetto alle caldaie tradizionali, ciò permette una riduzione delle perdite di calore al mantello. La bassa temperatura di scarico dei fumi limita inoltre il tiraggio naturale e quindi la circolazione d aria parassita a bruciatore spento, con conseguente riduzione delle perdite termiche per ventilazione. LA CALDAIA A CONDENSAZIONE Ne deriva che le caldaie a condensazione si rivelano molto convenienti se associate a impianti di riscaldamento funzionanti a bassa temperatura, come i pannelli radianti; diversamente, il maggior costo della caldaia non è sufficientemente compensato dai vantaggi energetici Se il generatore opera a condensazione, è necessario considerare la riduzione delle perdite termiche al camino a bruciatore acceso: il calore recuperato può essere espresso come percentuale della potenza termica al focolare mediante un opportuno fattore chiamato fattore di recupero 10

11 IMPIEGO DELLE CALDAIE A CONDENSAZIONE l'impiego è ottimale per i seguenti impianti impianti per la produzione di acqua calda sanitaria impianti di riscaldamento a pannelli radianti impianti di riscaldamento che utilizzano come erogatori di calore ventilconvettori o radiatori sovradimensionati, funzionanti a bassa temperatura Nelle caldaie di buona qualità, gli scambiatori di calore sono dimensionati con una differenza fra la temperatura dei fumi in uscita dalla caldaia e quella dell acqua di ritorno non superiore ai 5 C. Nelle caldaie di scarsa qualità, tale differenza può superare anche i 15 C. Intervalli: - Alta efficienza T < 12 C - Media efficienza 12 C < T < 24 C -Bassa efficienza T > 24 C 11

12 Affinché una caldaia a condensazione lavori correttamente sono necessarie alcune condizioni: il bruciatore deve modulare la potenza regolando sia la portata di gas, sia quella d aria. Senza entrare nei dettagli, se ai bassi carichi il bruciatore riduce solo la portata di gas e non quella d aria, si ha una diluizione dei fumi che limita o impedisce la condensazione. la superficie di scambio della caldaia deve essere adeguata, garantendo la più bassa differenza di temperatura possibile tra i fumi in uscita dalla caldaia e l acqua di ritorno dall impianto. 12

13 Pertanto una coerente valutazione del rendimento e dei consumi di una caldaia a condensazione può essere fatta solo su base annua e considerando le fasce orarie in cui l acqua ritorna in caldaia a determinate temperature. L esempio sotto riportato si riferisce alle fasce orarie di un impianto a radiatori con regolazione climatica e temperature di progetto 80/70 C. 13

14 Dati basati su prove sperimentali e programmi di simulazione (forniti dall Association Royale Gaziers Belges) attestano che le caldaie a condensazione possono dare, rispetto alle caldaie tradizionali, un maggior rendimento annuo (e pertanto un minor consumo di combustibile) variabile dal 6 al 10%. Si tratta di dati valutati in modo rigoroso e serio. Non sono dunque da ritenersi attendibili risparmi del 20-30% come spesso è possibile trovare indicato su depliant e articoli tecnici. GRAZIE PER L ATTENZIONE Ing. Enrica Cattaneo enrica.cattaneo1@tin.it 14