Componenti principali dell impianto termico 1) Generatori di calore 1.1) Generalità sull energetica della macchina Il generatore di calore (GC) è la macchina che opera la produzione di calore per combustione per poi cederlo al fluido termovettore, ovvero al fluido che consente la distribuzione del calore ai terminali scaldanti. Il fluido termovettore utilizzato negli impianti termici per uso civile è l acqua. Senza entrare nei dettagli analizziamo la macchina dal punto di vista energetico partendo dallo schema di figura. Perdite Fumi Combustibile Aria Generatore di calore Fluido termovettore in uscita Fluido termovettore in ingresso Detti: m& c portata massica del combustibile (kg/s) T f : temperatura in ingresso al GC del fluido termovettore T c : temperatura in uscita dal GC del fluido termovettore m& : portata massica del fluido termovettore (kg/s) c: calore specifico del fluido termovettore (kj/kgk) Pci: potere calorifico inferiore del combustibile (kj/kg) Pcs: potere calorifico superiore del combustibile (kj/kg) Si definisce: Potenza al focolare: Pt = m& cpci Potenza termica utile: Ptu = m& c (Tc T f ) tu tu Rendimento termico utile: η = P P tu P = t m & cpci Ptu Rendimento effettivo: η e = m & cpcs Il rendimento termico utile, essendo calcolato sul Pci del combustibile, è sempre superiore al rendimento effettivo. Addirittura per caldaie a condensazione esso risulta essere superiore al 100% ma ciò non deve stupire in quanto il rendimento effettivo, il vero rendimento della macchina, è sempre inferiore al 100%. Nei dati tecnici forniti dai costruttori è comunque sempre riportato il rendimento termico utile indicato spesso come rendimento nominale. Facciamo un semplice esempio: Un GC a gas naturale (metano) della potenza termica utile di 25 kw presenta un rendimento termico utile del 92%. Valutare il rendimento effettivo della macchina ed il consumo (kg/h e Sm 3 /h) in condizioni nominali. Considerando a titolo di esempio il gas naturale nazionale (dati SNAM) si ha: Pci=33900 kj/kg; Pcs=37660 kj/kg; massa volumica: ρ=0,683 kg/sm 3 Risulta:
& P 25kW tu Pt = mcpci = = = 27,174kW ηtu 0,92 P 27,174kW & Pci 33900kJ / kg Il rendimento effettivo è calcolato rispetto al Pcs. Dunque: η = Ptu 25kW e 0,828 82,8% m& Pcs = 0,0008016(kg / s) 37660(kJ / kg) = = t mc = = = 0, 0008016kg / s = 0, 0008016 3600 = 2,886kg / ora c Ricordando che Sm 3 (standard metro cubo) significa che il gas si trova nelle condizioni di 15 C e pressione di 101325 Pa (pressione atmosferica al livello del mare), il consumo orario in Sm 3 risulta essere: m& c 2,886kg / ora 3 v& c = = = 4, 225Sm / ora 3 ρ 0,683kg / Sm Oltre allo Sm 3 è possibile trovare il Nm 3 (Normal metro cubo) che prende come riferimento la temperatura di 0 anziché di 15, mentre la pressione di riferimento è la stessa. Nelle bollette del gas metano distribuito agli utenti finali i gestori del servizio indicano di solito alcuni dati sensibili del combustibile consegnato. Ad esempio l AMGA di Udine riporta nelle bollette un Pcs del gas naturale pari a 37,95 MJ/m 3 = 37950 kj/m 3. Mediamente la massa volumica del gas naturale a Nm 3 vale circa 0,715 kg/nm 3. Ripetendo il calcolo per una caldaia a condensazione della stessa potenza termica utile ma del rendimento termico utile del 106% si otterrebbe un rendimento effettivo del 95,4% con un consumo orario di 2,5 kg/ora pari a 3,667 Sm 3 /ora di gas naturale. Tornando all analisi energetica della macchina le perdite principali di questa sono: Perdite al camino: sono dovute al fatto che i fumi abbandonano la macchina ad una temperatura superiore a quella ambiente asportando calore Perdite al mantello: sono dovute ai difetti di coibentazione della camera di combustione. In altre parole del calore che si sviluppa internamente alla macchina viene ceduto all ambiente circostante anziché al fluido termovettore Perdite per incombusti: sono dovute al fatto che una percentuale, seppur minima, del combustibile non partecipa alla combustione e viene espulso direttamente con i fumi Nelle figure sopra sono riportati degli esempi di generatori di calore per medie/grandi potenze e per piccole potenze rispettivamente. I GC per medie/grandi potenze sono costituiti in linea di principio da due componenti fondamentali: il bruciatore, dove viene preparata e accesa la miscela aria/combustibile, e la caldaia, dove avviene lo scambio di calore tra fumi e fluido termovettore. Altri dispositivi ausiliari a corredo della macchina sono disposti esternamente, come osservabile dalla figura sottostante. Le caldaie per piccole potenze sono corredate invece da altri dispositivi ausiliari come il circolatore (pompa che forza il fluido termovettore a circolare nell impianto), il
vaso di espansione (evita l aumento incontrollato della pressione nell impianto dovuta alla dilatazione termica dell acqua), termostati, flussostati, valvole e ovviamente il bruciatore e la zona della caldaia. Mandata al circuito Ritorno dal circuito Bruciatore Pompa anticondensa Collettori Vaso d espansione 1.2) I bruciatori Come accennato il bruciatore è l elemento che miscela aria comburente e combustibile e ne crea l accensione. I bruciatori sono di diverse tipologie classificabili in base alla possibilità o meno di possedere una regolazione automatica della potenza. Si hanno allora: Bruciatori monostadio on/off: il bruciatore può funzionare solo al 100% della potenza o essere spento. Un termostato posto nella mandata del fluido termovettore ne regola l accensione e lo spegnimento. Bruciatori pluristadio: possono funzionare a livelli di potenza fissi. Ad esempio un bruciatore bi-stadio può funzionare al 50% e al 100% della potenza massima Bruciatori modulanti: sono quelli di ultima generazione e si stanno diffondendo anche nelle piccole potenze. Possono modulare la potenza in maniera continua fra un minimo, generalmente del 30% della potenza massima, e la potenza massima. Bruciatore modulante di elevata potenza 1.3) Caldaie a condensazione Un prodotto tipico della combustione è l acqua. Questa può abbandonare la macchina con i fumi in forma di vapore oppure, spingendo il raffreddamento dei fumi, condensare ed essere raccolta alla base della caldaia. Quando l acqua condensa cede il calore latente di condensazione che può essere recuperato a favore del riscaldamento del fluido termovettore. Le caldaie a condensazione consentono un recupero parziale (dipendente dal regime di funzionamento) di tale calore latente attuando un non trascurabile aumento del rendimento della macchina.
La condizione affinché avvenga la condensazione del vapor d acqua presente nei fumi è che questi vengano raffreddati fino a temperature di circa 59 C. Tale condizione impone che la temperatura del fluido termovettore in condizioni ottimali di funzionamento si aggiri intorno ai 40 C in mandata. Tale condensazione è invece da evitare nelle caldaie di tipo tradizionale in quanto la condensa è acida e corrode le parti interne della caldaia se questa non è progettata all uopo. Questo tipo di caldaie trova il miglior utilizzo negli impianti a pannelli radianti (a pavimento o a parete). Nella figura sopra è riportato lo schema di una caldaia a condensazione mentre in quella sottostante un confronto in termini energetici con una di tipo tradizionale. 2) Terminali scaldanti Sono quei dispositivi che trasferiscono all ambiente in cui sono installati il calore prodotto dai generatori di calore. Le principali tipologie sono di seguito riportate. 2.1)Radiatori
I radiatori sono corpi scaldanti (ad elementi, a piastra, a tubi o a lamelle) che cedono calore per convezione naturale ed irraggiamento. La percentuale di potenza termica ceduta per irraggiamento è di circa il 30% della potenza del radiatore. Se questo viene coperto tale potenza viene in parte perduta e per bilanciarla è necessario aumentare il numero di elementi del radiatore. In base al materiale con cui sono costruiti, i radiatori possono essere suddivisi nei tipi: in ghisa, in acciaio e in alluminio (puro o in lega). Aspetti positivi dei radiatori in ghisa: non temono fenomeni corrosivi; dilatandosi non causano rumori; sono sempre componibili. Aspetti negativi: maggior costo, soprattutto rispetto ai radiatori in acciaio a piastra e a colonne; elevato peso che rende meno agevole il montaggio del corpo scaldante; fragilità che può esser causa di rotture in fase di montaggio; elevata inerzia termica che può rendere meno efficienti i sistemi di regolazione della temperatura ambiente. Aspetti positivi dei radiatori in acciaio: costo contenuto. Nei tipi a piastra e a colonne sono i radiatori più economici; limitato peso. A parità di resa termica pesano circa il 65ˆ70% in meno dei radiatori in ghisa; facile inserimento ambientale. La vasta gamma di tipi e di forme geometriche disponibili consente soluzioni estetiche facilmente integrabili nell ambiente; bassa inerzia termica nei tipi a piastra. Aspetti negativi: elevata inerzia termica nei tipi a colonne e a tubi (cioè nei tipi che contengono molta acqua). Tale caratteristica può rendere meno efficienti i sistemi di regolazione della temperatura ambiente; non sono componibili nei tipi a piastra, a lamelle e a colonne con elementi saldati; possibili fenomeni di corrosione. Senza adeguati rivestimenti superficiali questi radiatori sono facilmente esposti a corrosione esterna. Aspetti positivi dei radiatori in alluminio: costo relativamente contenuto. Costano sensibilmente meno dei radiatori in ghisa; leggerezza. A parità di resa termica pesano circa il 70 75% in meno dei radiatori in ghisa; sono sempre componibili; limitata inerzia termica. Aspetti negativi: possibili fenomeni di corrosione interna. Le temperature a cui lavorano i radiatori si aggirano intorno ai 75 dell acqua in ingresso e 65 in uscita. Temperature più elevate dell acqua non sono consigliabili in quanto si possono attivare forti moti convettivi e quindi contribuire al formarsi di zone con aria più calda a soffitto e più fredda a pavimento; inoltre si può determinare una sensibile cottura del pulviscolo atmosferico che può
causare irritazioni all apparato respiratorio, nonché l annerimento delle pareti dietro e sopra i corpi scaldanti. D altra parte, temperature di progetto troppo basse fanno aumentare notevolmente il costo dell impianto e l ingombro dei radiatori. 2.2) Installazione dei radiatori E consigliabile installare i radiatori sotto finestra o lungo le pareti esterne perché in tal modo: si possono contrastare meglio le correnti d aria fredda che si formano in corrispondenza di tali superfici; si migliorano le condizioni di benessere fisiologico limitando l irraggiamento del corpo umano verso le zone fredde; Per la corretta installazione dei radiatori si devono assicurare le seguenti distanze: distanza dal pavimento = 10 12 cm; distanza dalla parete = 4 5 cm; per sporgenze al di sopra o a fianco del radiatore (mensole, nicchie, ripiani, ecc..) è consigliabile garantire distanze di rispetto non inferiori a 10 cm. 2.2) Termoconvettori e ventilconvettori I termoconvettori e i ventilconvettori sono terminali che cedono o sottraggono calore all ambiente per convezione naturale e forzata rispettivamente. Sono costituiti essenzialmente da: una o due batterie alettate di scambio termico ventilatori centrifughi o tangenziali (solo ventilconvettori) un filtro dell aria una bacinella di raccolta condensa un involucro di contenimento (mobiletto) Si utilizzano per riscaldare e raffreddare abitazioni, uffici, sale di riunione, alberghi, ospedali, laboratori, ecc... Per le temperature in ingresso e uscita dell acqua dal terminale valgono le stesse considerazioni fatte per i radiatori.
2.3) Pannelli radianti Si ottengono annegando nelle strutture murarie del pavimento o della parete dei tubi in materiale plastico (PEX) all interno dei quali scorre acqua calda intorno ai 40 C. Lo sviluppo delle tubazioni può essere a spirale o a serpentina, come riportato nella figura successiva. I principali vantaggi del riscaldamento a pannelli radianti rispetto all utilizzo di radiatori o termoconvettori vanno dal risparmio energetico (10 15%), miglior qualità dell aria, date le basse temperature di esercizio che evitano la cottura del pulviscolo atmosferico, un miglior benessere termico e un minor impatto ambientale in quanto l impianto risulta essere completamente nascosto. Per contro si ha un maggior costo sia in fase di realizzazione che di progettazione. Collettori per pannelli radianti
2.3) Altre tipologie di terminali scaldanti Nell edilizia industriale o degli impianti sportivi vengono utilizzati altre tipologie di terminali scaldanti che vanno dagli aerotermi, alle termostrisce, ai tubi alettati. 3) Tubazioni e materiali 3.1) Tubi in acciaio Se ne trovano in commercio di diverse tipologie a seconda di come vengono fabbricati: tubi in acciaio trafilato senza saldatura (chiamati anche Mannesmann), tubi saldati. La protezione contro la corrosione è ottenuta, a seconda dei campi di impiego, mediante zincatura o ricoprendo il tubo con resine o bitume. I collegamenti fra tubo e tubo o fra tubo e dispositivi d impianto possono essere realizzati mediante saldatura, mediante manicotti filettati o saldati e tramite flange. I tubi per il normale uso idrotermosanitario sono forniti dopo prova di tenuta a pressioni comprese fra i 40 e i 70 bar. La tabella sottostante riporta le dimensioni dei tubi in acciaio non legato serie leggera. 3.2) Tubi in materiale plastico Sono utilizzati soprattutto negli impianti di riscaldamento (con acqua non surriscaldata), negli impianti idrici e di scarico.
E bene che la scelta di questi tubi sia fatta con molta attenzione. In particolare si deve verificare l attendibilità delle prove e dei collaudi attestanti la loro resistenza a lungo termine (di norma si fa riferimento ad un periodo di 50 anni). Per i tubi che convogliano acqua potabile, si deve, inoltre, poter disporre di una documentazione idonea a provare che essi non cedono sostanze tossiche all acqua. La tabella successiva definisce i campi d impiego delle materie plastiche più comunemente impiegate. (+ impiego normale; impiego limitato; - impiego sconsigliato) I tubi maggiormente utilizzati in campo idrotemosanitario sono quelli in polietilene reticolato (PEX) e quelli in polietilene ad alta densità (PEad). I tubi in PEX si curvano con facilità sia a caldo che a freddo mentre le giunzioni sono realizzate mediante raccordi in ottone o mediante raccordi serrati a pressione sul tubo. I tubi in PEad sono utilizzati prevalentemente per la distribuzione dell acqua fredda sanitaria e sono disponibili in tre serie di dimensioni in base alla pressione di esercizio: PN6, PN10, PN16 con pressioni di esercizio di 6, 10 e 16 bar rispettivamente. 3.3) Tubi in rame Sono utilizzati sia per gli impianti termici (piccole potenze) che per gli impianti idrosanitari anche se ultimamente vengono quasi completamente sostituiti dai tubi in materiale plastico. Sono disponibili in verghe (rame crudo) o in rotoli (rame ricotto). Quelli disponibili in rotoli sono più facilmente lavorabili ma hanno una resistenza minore rispetto a quelli in rame crudo. I raccordi fra tubi in rame avviene tramite brasatura dolce utilizzando come materiale d apporto lo stagno. La tabella sottostante riporta le dimensioni dei tubi un rame.
4) Altri dispositivi dell impianto di riscaldamento 4.1) I collettori Per distribuire l acqua calda ai vari terminali scaldanti o ai circuiti degli impianti a pannelli è oramai da molti anni consolidato l uso di collettori complanari. Questi vanno installati possibilmente in posizione baricentrale in modo da avere circuiti di alimentazione dei terminali di lunghezza simile. Nei piccoli impianti autonomi il collettore è costituito da un corpo unico modulare ottenuto per pressofusione e vi arrivano due tubi provenienti direttamente dal GC (mandata e ritorno) e se ne dipartono due per ogni terminale scaldante da alimentare. Per altri impianti il collettore è generalmente costruito a partire da due tubi di grosso diametro nei quali vengono praticati dei fori per l innesto di tubi di diametro più piccolo che vanno ad alimentare dei circuiti a zone anziché i singoli terminali. 4.2) Valvole termostatiche Sono delle valvole che vengono posizionate direttamente sul radiatore e consentono una regolazione della temperatura individuale per ogni ambiente. Queste infatti regolano automaticamente la portata d acqua a monte del terminale in base alla temperatura dell ambiente e in base al livello di regolazione della valvola. Consentono un risparmio energetico difficilmente quantificabile ma non certo trascurabile. Infatti per impianti termici nel residenziale si può arrivare, nelle migliori condizioni, anche ad un risparmio del 30%. Le valvole termostatiche possono essere a due, a tre o a quattro vie. Le valvole a due e tre vie sono utilizzate negli impianti a collettore. Tra le due sono consigliabili quelle a tre vie in quanto più
silenziose e non creano sbilanciamenti nell impianto che possono portare alla rottura della pompa se nell impianto non viene istallata una valvola di sfioro all uscita della caldaia. 4.3) Vaso di espansione L acqua presente nell impianto subendo un riscaldamento all interno del GC tende a aumentare di volume. Questo aumento di volume viene consentito dal vaso di espansione che evita dunque la possibilità che si creino elevate sovrapressioni nell impianto. Esso è costituito da un recipiente chiuso all interno del quale può espandersi l acqua dell impianto. Nelle caldaie murali il vaso di espansione è posto internamente mentre per altre caldaie (impianti di media/grande potenza) questo deve essere posto all uscita della caldaia e dimensionato in base alla quantità d acqua presente nell impianto. 5) Tipologie principali di distribuzione per piccole potenze 5.1) Impianti con collettore (modul) In questi impianti il collegamento fra caldaia e terminali scaldanti avviene tramite collettore complanare. Di questa tipologia se ne è già parlato in 4.1. È la tipologia di distribuzione imperante nell edilizia civile. 5.2) Distribuzione bitubo
La distribuzione bitubo consente un risparmio in metri di tubo rispetto a quella a collettore pur consentendo un alimentazione dei terminali in parallelo (cioè a una temperatura pressoché identica). In questo tipo di impianti è consigliato l utilizzo di valvole termostatiche a tre vie. 5.3) Distribuzione monotubo Era la distribuzione utilizzata per eccellenza nei vecchi impianti. Ad oggi se ne può trovare un giovamento solo per impianti di notevole estensione in quanto consente un notevole risparmio di tubo rispetto alla distribuzione con collettore. Per contro l alimentazione dei terminali posti in serie fa sì che la temperatura d ingresso dell acqua ai terminali sia via via più bassa costringendo, a parità di potenza richiesta, un incremento della potenzialità del terminale (ovvero delle dimensioni). È indispensabile l inserimento di valvole termostatiche a quattro vie che consentono all impianto di funzionare anche se un radiatore viene completamente chiuso (by-pass).