1.3 Impianti di riscaldamento ad acqua

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1 1.3 Impianti di riscaldamento ad acqua Sono gli impianti che mantengono determinate condizioni negli ambienti in presenza di un carico termico verso l esterno (cessione di calore verso l esterno). Vengono perciò utilizzati prevalentemente in inverno. Il riscaldamento può essere diretto (stufe e camini) o indiretto (il calore generato in una caldaia viene ceduto ad un fluido intermedio, acqua, vapore, o aria, che poi riscalda gli ambienti). La potenza termica che gli impianti devono fornire è pari alla somma dei carichi termici (carico di dispersione, cioè la cessione di calore verso l esterno, e carico di ventilazione, dovuto all aria esterna che si infiltra dall esterno, e che deve essere scaldata). Se il riscaldamento è ottenuto per immissione di aria calda (caso degli impianti ad aria), il carico di ventilazione non è necessario perché è già soddisfatto dall impianto stesso Impianti ad acqua calda Vi è un circuito chiuso in cui l acqua dal generatore arriva tramite tubi ai corpi scaldanti. Ci sono diverse tipologie, corrispondenti a diverse modalità di circolazione dell acqua: Impianto con circuito a due tubi (crf. Fig ): I tubi sono differenti per mandata e ritorno. Il vantaggio è che l acqua arriva alla massima temperatura a tutti i corpi scaldanti; lo svantaggio è il numero elevato di tubazioni e un difficile bilanciamento (i percorsi per i diversi corpi scaldanti possono essere molto differenti) CS1 CS2 CS3 G CS4 Fig Impianti a ritorno inverso: sono analoghi a quelli precedenti, i ritorni convergono su di un tubo sino allo scambiatore più distante, da cui parte il ritorno verso il generatore. Sono quasi automaticamente bilanciati, perché la lunghezza di tutti i tratti di mandata e ritorno è all incirca uguale, ma richiedono tre tubi. CS1 CS2 CS3 G CS4 Fig Quando l ultimo corpo scaldante è situato vicino al generatore, l impianto assume un altro aspetto, e si chiama ad anello. In tale caso non si ha più l inconveniente dei tre tubi. CS1 CS2 G CS4 CS3 Fig

2 Impianto ad un solo tubo: I corpi scaldanti sono in serie. Il vantaggio è che è semplice e poco costoso. Lo svantaggio è che i singoli corpi scaldanti non ricevono la stessa temperatura di mandata, e quindi vanno dimensionati in modo opportuno. CS1 CS2 CS3 G Fig L impianto può anche essere realizzato come circuito parzialmente in parallelo ottenendo una temperatura più uniforme ma la superficie di scambio deve essere maggiorata perché la portata è inferiore. CS1 CS2 CS3 CS4 G CS4 Fig Componenti Caldaie: sono in genere a tubi di fumo. Dati caratteristici: potenza resa all acqua, potenza di combustione, contenuto d acqua, pressione di esercizio, dimensioni e peso. Il rendimento varia tra 0,7 (piccole caldaie a pieno carico) e 0,85 (grosse caldaie): Potenza resa all'acqua Rendimento = Potenza di combustione Per legge la potenza delle caldaie per impianti di riscaldamento non deve essere superiore al carico termico, o meglio al coefficiente volumico per il volume lordo riscaldato per la differenza di temperatura tra esterno e interno (Te-Ti). Non si deve tener conto nel progetto dell acqua calda sanitaria se il carico è superiore a 58 kw. Se è inferiore l acqua calda può essere calcolata e inserita nel progetto separatamente. In tale ultimo caso la potenza resa all acqua risulta la somma del carico di riscaldamento e dell acqua sanitaria. Se la potenza è superiore a 350 kw si possono istallare 2 caldaie in parallelo, in modo da limitare le perdite a basso regime (basso carico). Le pressioni massime di esercizio sono di 4 5 atm per le caldaie in acciaio e 8 9 atm per quelle in ghisa. Corpi scaldanti: (detti anche radiatori o termosifoni): sono degli scambiatori di calore con circolazione interna di acqua calda. Pertanto il flusso termico assume la solita espressione: Q = U cs Acs ( Tm, ac Ta ) con T m, ac = temperatura dell acqua media tra ingresso e uscita, e T a = temperatura dell aria. La differenza di temperatura tra ingresso e uscita nel corpo scaldante è in genere scelta in 10 C, per ottimizzarne le prestazioni. Considerata la piccola differenza di temperatura tra ingresso e uscita dell acqua rispetto alla grande differenza tra temperatura dell acqua e dell aria (da C a 20 C), anziché la differenza di temperatura media logaritmica utilizzata in genere negli scambiatori di calore si può utilizzare la differenza tra la temperatura media aritmetica dell acqua, cioè Ti + Tu Tm, ac, e la temperatura dell aria, ottenendo così la formula precedente. 2 Il flusso termico fornito dal corpo scaldante, dal lato del fluido caldo, cioè l acqua, vale: 30

3 Q c. s. mc p, ac ( Ti, ac Tu, ac = dove la differenza di temperatura è, come detto, circa 10 C. Il coefficiente di scambio globale vale: U c. s. = Z 1 + R' p + hac ha con hac coefficiente di scambio convettivo dell acqua, in convezione forzata, e Z rapporto tra l area interna (lambita dall acqua) ed esterna (lambita dall aria) del corpo scaldante. ha è il coefficiente di scambio convettivo dell aria (in convezione naturale). Una relazione che tiene conto che la resistenza termica maggiore tra quelle riportate a denominatore della formula precedente è quella dovuta alla convezione naturale dell aria, è la seguente : Q 1 c. s. = C Tm, ac ( T ) n dove n vale tra 1,25 e 1,30. e C è una costante specifica del corpo scaldante, fornita tra i dati del costruttore (tiene conto anche dell area effettiva di scambio). Il motivo dei valori dell esponente n sta nelle relazioni empiriche utilizzate per determinare hac: per la convezione naturale l esponente che si trova in tali relazioni varia tra 0,25 per il moto laminare e 0,33 per quello turbolento. Il moto dell aria che lambisce i corpi scaldanti nelle condizioni generali di utilizzo è praticamente sempre laminare. I corpi scaldanti possono essere a elementi o a piastre. Gli elementi sono modulari e possono essere in ghisa, alluminio o acciaio. Le piastre sono in alluminio o acciaio. Oltre ai dati di cui sopra (C e n) spesso può essere data la resa nominale, 60. In condizioni differenti si avrà m ac a = quando ( T T ) C a ) Q RN, flusso termico Tale calcolo assume che il coefficiente di scambio h sia completamente dovuto alla convezione naturale. Se si volesse tenere conto anche della componente radiativa l espressione risulterebbe più complessa. Tuttavia l espressione con cui viene valutato h non richiede un tale livello di accuratezza nei calcoli. Tubazioni: sono in rame o acciaio (a volte in plastica). In rame si piegano più facilmente e si possono anche giuntare a freddo o a bassa temperatura. In acciaio costano meno, ma vanno saldate con fiamma ossiacetilenica. Sono inoltre più soggette a corrosione. Per il dimensionamento si utilizzano le formule viste per le perdite di carico concentrate e distribuite già viste. La velocità dell acqua si fa in modo che sia è compresa tra 0,3m/s (per trascinare l aria che si infiltra nei condotti sino ai punti previsti per lo spurgo) e 1,5 m/s (per evitare una rumorosità troppo elevata dell impianto). Vaso di espansione: serve ad evitare le sovrapressioni nell impianto per effetto della dilatazione termica quando l acqua viene scaldata. Può essere di tipo aperto o chiuso. Fig

4 Se è aperto deve essere nella posizione più alta dell impianto. Deve avere un troppo pieno e spesso è inserito un condotto di alimentazione, con una valvola di chiusura collegata con un galleggiante. Se β è il coefficiente di dilatazione cubica e C il volume dell impianto, β C 80 C è il volume dell espansione dell acqua (ci si aspetta un riscaldamento da 10 C, minimo di temperatura, a 90 C, massimo). Per sicurezza il volume totale del vaso di espansione deve essere circa 3 volte questo valore. Una relazione empirica tra il volume del vaso di espansione e la potenza dell impianto è: 3 V = 1,5 P 10 [ ] con in [ kcal i l P i ] h Tale relazione si ottiene considerando che il contenuto medio d acqua dell impianto è 15 l per ogni 1000 kcal/h, che la dilatazione da 10 C a 90 C è del 3,5%, e il volume del vaso è 3 volte il volume di dilatazione. Se è chiuso può essere posto in qualsiasi punto del circuito. È un volume che contiene un gas che si comprime quando aumenta la temperatura dell acqua. La pressione è pertanto variabile (tra quella idrostatica nel punto in cui è mandata l acqua più 3 m H2 O per sicurezza) fino alla pressione massima tollerata dall organo più debole dell impianto (deve esserci quindi una valvola di sicurezza che si apre quando la pressione supera questo valore). Può essere di due tipi: con il gas separato dall acqua (vaso a membrana) o a contatto con l aria. Vaso a membrana: Fig La pressione iniziale (pi) ed il volume del vaso (V) sono noti perché il vaso è già,fornito precaricato. Il gas utilizzato è in genere N2. La compressione del gas è isoterma per cui dall equazione dei gas perfetti: V f p f = Vi pi ma V V f = β C 80, con C capacità dell impianto, per cui: V p V i i β C 80 = β C 80 e V = p f pi 1 p Vaso chiuso senza membrana: f Fig

5 V i V f V = V p = V p = V a f f i p i 1 = β C 80 = pav pi β C pa pi p f 1 p f Pompa: questo componente è previsto solo per gli impianti a circolazione forzata. Sono di tipo centrifugo ad azionamento elettrico. Per ogni pompa esiste la curva caratteristica p = f ( m ac ), con parametro il numero di giri al minuto di rotazione n. Il rendimento della pompa è definito come: η = L L eff disp p V = L p v m = L dove v = volume specifico massico, Δp = prevalenza ed L = potenza. L eff è la potenza meccanica effettivamente resa all acqua, mentre L disp è la potenza meccanica che la pompa ha disponibile (se il motore elettrico avesse rendimento unitario sarebbe la potenza elettrica consumata). 1.3 n n 0.7n η=0.7 η=0.8 η=0.9 Fig.1.3.9: Andamento della curva caratteristica della pompa L impianto d altra parte possiede una sua curva caratteristica p = f ( m acq ) che ha un andamento all incirca parabolico (come visto precedentemente le perdite di carico dipendono dalla velocità, e quindi dalla portata, con un esponente che varia tra 1,75 e 2), come si mostra in fig Dall intersezione della curva caratteristica della pompa e di quella dell impianto si ha il punto di funzionamento (vedi fig , punto A). E meglio chiaramente che il punto di funzionamento si trovi in una zona del piano dove il rendimento è maggiore, e da tale considerazione si effettua la scelta della pompa sulla base della sua curva caratteristica, fornita insieme alla documentazione tecnica. Se nell impianto si vuole diminuire la portata, si può ad esempio chiudere parzialmente una valvola aumentando le perdite di carico. Pertanto il punto di funzionamento si sposta da A ad A. Però così si aumenta la prevalenza (e quindi la potenza e l energia spesa). Anziché utilizzare le valvole di strozzamento è preferibile se è possibile ridurre il numero di giri della pompa ottenendo il 33

6 nuovo punto di funzionamento A (vedi fig ), in quanto ci si muove in zone a rendimento della pompa maggiore. Fig :Andamento della curva caratteristica dell impianto p A. A A Fig Confronto fra la caratteristica della pompa e dell impianto m B A Fig : riduzione della portata per spegnimento di una di due pompe in parallelo Se l impianto è di dimensioni notevoli, e sono previste due pompe in parallelo, la diminuzione di portata si può ottenere chiudendo una delle due pompe, come mostrato in fig

7 Generalmente nel circuito è istallata anche una pompa di riserva, in modo tale da poter effettuare, ad esempio, la manutenzione su una delle pompe mantenendo in esercizio l impianto. Lo schema è mostrato in fig Fig Sfiati d aria: sono tratti del percorso in cui l aria contenuta nell acqua dell impianto e trascinata dalla corrente (se la velocità è maggiore di 0.3 m/s) si raccoglie per poter essere eliminata. Negli impianti a vaso di espansione aperto si fa in modo che l aria arrivi al vaso di espansione, dove è eliminata automaticamente. Negli impianti con vaso di espansione chiuso si mettono degli allargamenti delle tubazioni (bottiglie di sfiato) che permettono di far uscire l aria manualmente o automaticamente. In genere i corpi scaldanti hanno uno sfiato manuale sulla sommità. Centrali termiche: sono i locali dove sono istallati gli impianti. Devono soddisfare a certi requisiti di dimensioni, isolamento termico delle pareti, posizione e ingresso/uscita rispetto all esterno e ventilazione del locale che dipendono sia dal tipo di combustibile che dalla potenza termica installata (secondo la normativa). Sistemi di sicurezza e controllo: Esistono norme predisposte ad evitare la possibilità di ebollizione dell acqua, o, se l ebollizione avviene, a scaricare all esterno il vapore formatosi. Tali norme impongono l installazione di termostati o di valvole che regolano la, pressione (pressostati) Dimensionamento degli impianti Si fissa per ogni locale il corpo scaldante (o se più di uno, i corpi scaldanti) in funzione del carico termico (somma del carico di dispersione e ventilazione, che risulta uguale alla potenza che si deve fornire al locale). Se i C.S. sono più di uno si definisce per ogni corpo scaldante la frazione di potenza che deve erogare. Per la disposizione dei corpi scaldanti, ci si regola sistemandoli in genere lungo le pareti esterne sotto le finestre (in modo da controbilanciare l effetto della parete fredda e aiutare a prevenire le infiltrazioni di aria fredda dall esterno). Impianti a circolazione forzata a due tubi: una volta stabilito il numero di corpi scaldanti la loro posizione e il tipo di circuito si passa al dimensionamento dei componenti. Si fissa la differenza di temperatura tra ingresso e uscita dell acqua nel corpo scaldante (in genere viene posto un T=10 C che minimizza il costo dell impianto, come già detto). Nota la temperatura d ingresso di ogni corpo scaldante e la potenza termica da fornire (dal carico termico del locale diviso per il numero di corpi scaldanti) si ottiene la portata di acqua per ciascun corpo scaldante con la relazione: Q Q kg m ac = = c T T 41,9 p, ac ( ) kj i Metodo del dimensionamento a perdita di carico distribuita costante, pari a 15 mm H 2 O /m, cioè 150 Pa/m, valore che ottimizza il costo dell impianto. p Dato e m ac si trova il diametro delle tubazioni e la velocità dai diagrammi. L 35 u

8 Si parte dal corpo scaldante più lontano (che ha perciò più perdite di carico) e si sceglie il diametro tra quelli disponibili in commercio che dà la perdita di carico più vicina al valore consigliato. Scelto il diametro si può calcolare per ogni tratto (notare che possono essere diverse tratto per tratto) la perdita di carico distribuita dalla formula di Darcy Weissbach, sempre per il circuito più sfavorevole e quelle concentrate, ottenendo alla fine la perdita di carico totale su quel ramo di circuito. Si aggiungono poi tutte le perdite di carico dei rami in serie sino ad ottenere per il ramo più lungo la perdita di carico totale, che risulta anche la perdita di carico del circuito complessivo. Il dimensionamento della pompa avviene sulla base della portata complessiva e della perdita di carico totale così determinate. E possibile scegliere la pompa tra quelle che presentano una curva caratteristica più adatta alle condizioni di prevalenza/portata così determinate. Per il bilanciamento degli altri circuiti secondari (relativi agli altri corpi scaldanti) si parte, a scalare, da quelli che hanno già perdite di carico note perché si innestano sui tratti già calcolati, ricordando che tratti in parallelo devono avere la stessa perdita di carico. Perché il circuito sia bilanciato la differenza di pressione (somma di concentrate e distribuite) deve essere uguale (entro ± 10%) a quella del ramo già dimensionato. Occorre anche considerare che generalmente su una data perdita di carico totale, il 25% è dato dalle perdite di carico distribuite e il restante da quelle concentrate. Pertanto: p dist 0.25 ptot, altrotratto = L L trattoinoggetto con questo valore si ripete il processo calcolando dimensioni (diametro), velocità e perdite di carico effettive dei circuiti secondari, facendo in modo che il valore della perdita di carico totale torni sempre entro il 10% con quello dei rami già calcolati. Se per certi rami non si riesce a bilanciare la perdita di carico anche con i diametri più piccoli (com è facile che si verifichi per i circuiti più vicini al generatore), si agisce sulle valvole di strozzamento dei corpi scaldanti (serrande di regolazione). Tale operazione corrisponde al cosiddetto collaudo dell impianto in cui viene misurata la temperatura in ingresso e in uscita dai C.S. e viene regolata la valvola in modo da ottenere le condizioni volute. Per gli impianti a due tubi con ritorno inverso o ad anello il bilanciamento è più facile perché i tratti sono già quasi lunghi uguali e si può partire da uno qualsiasi dei circuiti dei corpi scaldanti per poi passare ad un altro. Si fa sempre in modo che il bilancio tra un corpo scaldante e l altro torni entro il 10%. Impianti ad un solo tubo: consideriamo solo quelli con derivazione in parallelo. Quelli con i corpi allacciati in serie vengono in genere evitati perché escludendo un corpo scaldante si interrompe tutto il circuito. La perdita di acqua complessiva nell anello è definita dalla relazione: Q c. s. i m ac = c p, ac ( Ti Tu ) ac dove Q c. s. i è la potenza globale istallata, somma delle potenze che devono fornire i singoli corpi scaldanti, per (Ti Tu) si sceglie tra 10 C e 15 C. Vi sono due tipi di derivazioni del circuito una con la valvola a 4 vie, l altra con una derivazione del corpo scaldante dal circuito principale. 36

9 Fig Fig m cs i Valvole a 4 vie: il costruttore fornisce già da cui la portata che passa nel corpi i-esimo m cs i m tot risulta determinata. Allacciamento in parallelo: se ξa e ξr sono le resistenze concentrate del circuito principale (A) e derivato (R), a ζr si aggiunge la perdita distribuita, che in questi casi è data dalla seguente tabella (in valori per metro) : ξr /L= 3 per tubi da 3/8 ξr /L = 2 per tubi da 1/2 (si trascura la perdita di carico distribuita su A) ξr /L = 1.5 per tubi da 3/4 Si impone che la perdita di carico sia uguale nei due tratti in parallelo, cioè: le due portate sono (1); m ci = ρ u R S R (SA sezione del tratto A, SR sezione del tratto R), da cui ma dalla (1) u u 2 A 2 R ζ = ζ R A quindi che permette il dimensionamento dei vari tratti, e sommando quelli in serie si può calcolare ptot. 37

10 Per il calcolo della caduta di temperatura dell acqua all uscita da ogni C.S. si procede come segue. Se T1 è la temperatura di alimentazione del corpo scaldante e T2 quella di uscita, e T3 la temperatura dopo il rimescolamento: Fig si ha: T c = m ci T c p + ( m A mci ) T c p e inoltre Q = m ci cp ( T1 T2) ma 3 p 2 1 m A T3 cp = m A T1 cp m ci cp ( T1 T2) m A cp ( T3 T1) = Q Q quindi T3 = T1 m c T3 è funzione solo di Q e m A. Impianti a collettore complanare Ad ogni piano c è un collettore a cui i tubi di mandata e di ritorno dei vari corpi scaldanti sono collegati, tutti in parallelo. A p Fig Per il dimensionamento bisogna tener conto che la portata di ogni circuito (relativo ad ogni corpo scaldante) sarà inversamente proporzionale alla perdita di carico, cioè alla lunghezza del circuito, al diametro del tubo e alla perdita localizzata λ i, considerato che la perdita di carico sul collettore p coll è uguale per tutti i rami, essendo questi in parallelo: p coll è costante ed è quella a cui si porta il collettore. Si scelgono le mi in modo da avere con T=10 C il carico termico voluto nel corpo scaldante i-esimo. Si stabilisce la Pcoll che si desidera e da questi dati si hanno le perdite di carico concentrate e distribuite ( λ i è circa uguale per tutti i circuiti, perché è data principalmente da quella interna del corpo scaldante, e dalle valvole). Dalla lunghezza l del circuito si sceglie il diametro del tubo che dà quel dato m i. La portata d acqua totale del collettore è data dalla somma di tutte le portate del circuito, e dai dati tecnici del collettore (perdita di carico, o λ ) si ha la (perdita interna) che insieme alla p coll dà la perdita totale. p coll, i 38

11 1.3.3 Regolazione degli impianti di riscaldamento Come al solito, nella maggior parte del suo funzionamento un impianto non lavora nelle condizioni di progetto, che sono le più gravose. La parzializzazione è pertanto necessaria, ed è prevista per legge negli impianti nuovi di potenza Pi >58 kw e per gli impianti vecchi se Pi >116 kw. Come parametro di controllo si sceglie la temperatura dell aria all esterno Te. In più si può avere un termostato interno che modifica il flusso termico fornito dai corpi scaldanti (il termostato viene solitamente installato nel locale che risente maggiormente dei carichi esterni, come i locali ad angolo o più esposti a nord). La sonda esterna viene istallata in una parete a nord, protetta dai venti. La sonda comanda una valvola a tre vie miscelatrice che miscela l acqua calda in uscita dal generatore con l acqua fredda di ritorno. Fig chiudendo completamente il circuito la temperatura Tc si abbassa sino al valore desiderato. La relazione tra Tc e Te è una curva di regolazione caratteristica dell impianto; dipende sia dall impianto stesso che dall edificio. Se più impianti sono allacciati allo stesso generatore bisogna che sia i circuiti di mandata che quelli di ritorno siano indipendenti Fig Se si usa una valvola a quattro vie (circuito rappresentato nel disegno) l allacciamento appare come mostrato in figura. Fig

12 Con questo sistema si ha il vantaggio che, a causa del particolare comportamento di questo tipo di valvole, viene sempre mantenuta anche a ricircolo completo una certa portata nel circuito del generatore (per convezione naturale o con una piccola pompa) per evitare il rientro brusco di acqua fredda in caldaia nel caso di brusca apertura. Il termostato ambientale agisce come nello schema sotto riportato Fig Quando la temperatura Ti è arrivata al valore voluto la valvola a tre vie bypassa gli scambiatori (tutto l impianto) riducendo il carico termico fornito da essi Installazione delle pompe nel circuito degli impianti di riscaldamento Nel circuito degli impianti di riscaldamento la pompa deve essere installata al di fuori dell anello di sicurezza, o del circuito di sicurezza negli impianti a vaso di espansione aperto. Può essere installata nella tubazione principale di mandata o sul ritorno (sempre sulla tubazione principale). Fig Nel secondo caso si ha il vantaggio che la pompa lavora con acqua più fredda, per cui la pompa ha meno sollecitazioni termiche, però la pressione è più bassa e può arrivare anche al di sotto della pressione ambiente. In fig è riportato l andamento della pressione lungo il ramo principale di in impianto a due tubi. Per comodità di rappresentazione il circuito è stato aperto, e sull ascissa è riportata la lunghezza completa (mandata + ritorno): il punto finale pertanto coincide con quello iniziale. La prevalenza fornita dalla pompa controbilancia le perdite di carico complessive del circuito. Il valore assoluto della pressione è però impostodalvaso di espansione (punto A). Nel grafico si vede come nel punto alla base del vaso di espansione la pressione vale patm+ha (per un vaso aperto) e il circuito risulta è quasi tutto con pressione al di sopra di questo valore. Con la pompa installata sul ritorno, il circuito appare come in figura: 40

13 Fig e la maggior parte del percorso risulta a pressione sotto patm+ha, e addirittura a pressione inferiore a quella atmosferica con possibilità di entrata di aria dalle guarnizioni. Bisogna allora che l altezza HA sia superiore alla prevalenza della pompa. Se il vaso di espansione è di tipo chiuso, bisogna che la prevalenza della pompa sia inferiore alla differenza tra la pressione normale di funzionamento dell impianto e la pressione atmosferica. 41

14 1.4 Impianti di teleriscaldamento Teleriscaldamento urbano Sono impianti che servono zone molto ampie (quartieri o città) con generazione centralizzata (uno o pochi generatori) di energia termica (in genere acqua calda pressurizzata a T>100 C,o vapore) Vantaggi: sull inquinamento, perché il numero dei generatori e abbastanza ridotto e di dimensioni notevoli per cui possono essere dotati degli impianti di controllo della combustione e di abbattimento dei fumi e degli inquinanti, e di camini adatti allo smaltimento dei fumi. Le centrali inoltre sono ai limiti o fuori dalla zona urbana. Sul costo dell energia, perché è in genere prodotta per cogenerazione, o anche solo per il rendimento della combustione nei grandi impianti rispetto ai piccoli e per l utilizzo di combustibili meno pregiati (molto meno cari ma con circa uguale potere calorifero). Il costo può essere la metà. Svantaggi: difficoltà e costo di installazione della rete, in particolare in città storiche, dove effettuare scavi presenta sovente inconvenienti per il ritrovamento di reperti. Diverso è il caso della costruzione di una rete in quartieri di nuova costruzione, in cui può essere prevista congiuntamente agli impianti tradizionali (acqua, gas, elettricità fognature, etc.) in appositi cunicoli. Necessità di utilizzare l impianto alla potenzialità ottimale invece il carico ha punte particolari (giornaliere e notturne). Una soluzione per quest ultimo problema è la produzione di energia elettrica combinata (cogenerazione) che può bilanciare, nei periodi di bassa richiesta, la produzione di calore, ma in regime di monopolio tale soluzione può non essere redditizia (l ENEL paga poco l energia comprata rispetto a quella venduta). (1) (2) (3) Fig La cogenerazione può avvenire in uno dei seguenti tre sistemi: 1 utilizzo diretto dell acqua di raffreddamento del condensatore di un impianto a vapore; è poco utilizzato a causa della scarsa versatilità dell impianto. 2 Spillamento in turbina in un impianto a vapore: è il metodo più utilizzato per gli impianti a vapore. 3 Sistemi turbogas, utilizzando il calore di raffreddamento dei gas dopo il passaggio in turbina. 42

15 1.4.2 Tipologie di rete Rete ramificata diretta (o ad albero): Fig E la più semplice da progettare, ma presenta l inconveniente che, se si verifica un guasto in un punto, da quel punto in poi la rete non viene alimentata. Ad anello: Fig Si noti che sono sempre due tubi uno di mandata ed uno di ritorno. A maglia: Fig Si può passare da un tipo di rete più semplice ad un altro più complesso nel tempo per successive modifiche (ad esempio unendo due rami ad albero per formare un anello, o effettuando delle connessioni intermedie per costituire una maglia) Dimensionamento Può essere effettuato sia a perdita di carico lineare costante, sia a velocità costante. Il primo sistema è analogo a quello già visto per gli impianti di riscaldamento ad acqua, anche se chiaramente il valore di 150 Pa/m non è utilizzabile. Per determinare un valore ottimale di tale dato (caduta di pressione per unità di lunghezza delle tubazioni), si utilizza il criterio del minimo costo complessivo: si tracciano gli andamenti del costo annuo di costruzione e gestione della rete (tenendo conto anche dell ammortamento della somma impiegata per il finanziamento dell opera) in funzione dei diversi diametri e quindi diversi p distribuiti. Cioè dato un diametro si ottiene un costo totale dei tubi, per una certa lunghezza, comprensivo della costruzione del circuito, della 43

16 tubazione, dell isolamento e delle perdite di calore (il tutto tenendo conto anche dell ammortamento ai tassi del momento) Fig In un altro grafico si prende in considerazione il costo della rete e quello di pompaggio (che aumenta linearmente con le perdite di carico) in funzione della perdita di carico lineare. La somma dei due andamenti presenta un minimo, che costituisce il p/l ottimale. Fig Si deve tenere conto che la perdita distribuita è l 85% della perdita totale per cui: p p = (1.4.1) l L tot Per il dimensionamento a velocità costante, si impone che la velocità massima sia compresa tra 1,5 e 2 m/s (per evitare eccessiva rumorosità), e si dimensionano le tubazioni (se ne calcola il diametro) scegliendo tra i vari diametri disponibili sul mercato quello che garantisce una velocità più simile a quella imposta. E da notare come il dimensionamento a velocità costante tende ad avere i diametri delle tubazioni più distanti dalla centrale più piccoli, e conseguentemente perdite di carico lineari più elevate Isolamento dei tubi E molto importante l isolamento dei tubi, di mandata e di ritorno, che può essere fatta con isolamento attorno al tubo (fig ) o addirittura riempiendo il cunicolo di materiale opportuno (fig.1.4.8) ad esempio con asfalti che al primo riscaldamento fondono e isolano e sigillano. 44

17 Fig Fig Per evitare la sollecitazione prodotta dalla dilatazione differenziale dei tubi durante il riscaldamento, è necessario inserire dei giunti elastici, e delle giunzioni a L o a Z che permettano il movimento dei tubi evitandone la rottura. Bisogna, sempre per questo motivo, tenere conto dei punti fissi dove i tubi risultano ancorati al terreno, quali ad esempio il punto intermedio di un ramo rettilineo. Se la mandata è vapore, ed il ritorno acqua (dopo condensazione negli scambiatori) bisogna prevedere la differente dimensione dei tubi (a causa della differente densità) e anche una leggera pendenza (0,5%) per raccogliere il condensato nelle tubazioni del vapore (scaricatori di condensa) Fluidi termovettori Possono essere acqua calda (sino a 105 C 110 C), poco utilizzata perché a causa della dispersione termica la temperatura dell acqua può scendere a C e quindi nel caso di cogenerazione il fluido deve essere a spillamento diretto dell acqua di centrale per la circolazione nei circuiti derivati (questo porta ad inconvenienti perché le impurezze della centrale vanno nei singoli impianti e gli utenti risentono degli sbalzi di pressione della rete. Può essere vapore ed in questo caso il vantaggio è che il calore fornito, essenzialmente calore latente di condensazione, che è rilevante per l acqua, però sono necessari gli scaricatori di condensa (se vanno in avaria possono comportare una perdita di potenza fornita anche del 25%). Inoltre i tratti di tubo hanno diametri molto diversi tra loro. Il fluido termovettore più utilizzato è l acqua surriscaldata. La pressione deve garantire il surriscaldamento dell acqua (ad esempio per acqua a 170, con ps =8 bar, bisogna che sia almeno 45

18 10-12 bar tenendo conto delle perdite di carico e dei dislivelli altimetrici della rete). Un esempio di allacciamento di rete è mostrato in figura: Fig Vaso di espansione La produzione di acqua calda può essere in un circuito chiuso fornito di vaso di espansione aperto (molto alto) o, preferibilmente, chiuso. Un sistema alternativo è la caldaia a cuscino di vapore (cfr. fig ). Per sottoraffreddare l acqua (che non deve essere satura) bisogna che ci sia un mescolamento con l acqua fredda di ritorno (non c è bisogno di vaso di espansione perché tale funzione è gia assolta dal cuscino di vapore). Fig Fig Un altro sistema è quello costituito da un miscelatore che serve anche come vaso di espansione (fig ). Il miscelatore raccoglie il vapore della caldaia, lo raffredda (e liquefa) con l acqua fredda proveniente dal ritorno, viene miscelato, sempre con aggiunta di acqua fredda proveniente dal ritorno. E necessario un ripristino di acqua fredda per compensare il vapore prodotto Istallazione della pompa La pompa può essere o sulla mandata o sul ritorno. Pompa sulla mandata: 46

19 Fig M punto sulla mandata ed N sul ritorno. Se il vaso è aperto: p A = patm + H A (1.4.2) se è chiuso: p A = pg + H A (1.4.3) HA o pg regolano la pressione. In M la pressione sarà: pm = p A H M p A M + pp (1.4.4) dove pam rappresenta le perdite di carico sul tratto A-M e pp la prevalenza della pompa. La pressione nel punto M deve essere superiore alla pressione di saturazione alla temperatura della mandata TM (cioè ) per cui: p M p s, T M p A H M p A M + pp ps, (1.4.5) T M ( p p ) p A ps, T + H M M P A M (1.4.6) quest ultima relazione indica il valore di pa da impostare per garantire il funzionamento. Si noti che se la pompa si ferma pp=0 per cui bisogna che: p p, H (1.4.7) A s T M + perché pam =0 se la velocità è nulla (non c è carico dinamico). Per il punto di ritorno N la pressione sarà: p = p H + p e p p (1.4.8) N A N A p A ps, T + H N p max r A N (1.4.9) dove p s, T è la pressione di saturazione alla massima temperatura sul ritorno T max r max r. Se la pompa si ferma si ha p A ps, T + H max r N. (1.4.10) Il valore da assumere sarà il maggiore tra la (1.4.7) e la (1.4.10). Pompa sul ritorno N M N s, T max r Fig

20 p A ps, T + H K + p M A K p A ps, T + H Q + pp p max r Q A Anche in questo caso le relazioni devono valere anche a pompa ferma. Ma questo è automaticamente soddisfatto perché i due termini pak e ( pp - pqa ) sono positivi Serbatoi o accumulatori Lungo la rete, per bilanciare le punte di carico si inseriscono dei serbatoi che possono avere capacità di milioni di litri. Sono allacciati in modo che sia possibile il loro caricamento (dal generatore) durante i periodi di basso consumo, e lo scarico nella rete durante i periodi di maggiore richiesta. Lo schema di collegamento è rappresentato in figura Fig Quando le valvole A e C sono chiuse e le valvole B e D sono aperte si scarica nella rete agli utilizzatori l acqua accumulata. Quando le valvole A e C sono aperte, e quelle B e D chiuse, avviene il caricamento dell accumulatore. Sono chiaramente possibili situazioni intermedie, cioè apertura parziale di tutte le valvole. 48