Componenti principali dell`impianto termico

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:
& c portata massica del combustibile (kg/s)
m
Tf: temperatura in ingresso al GC del fluido termovettore
Tc: temperatura in uscita dal GC del fluido termovettore
& : portata massica del fluido termovettore (kg/s)
m
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:
& c Pci
Potenza al focolare: Pt = m
& ⋅ c ⋅ (Tc − Tf )
Potenza termica utile: Ptu = m
Ptu
P
= tu
Rendimento termico utile: ηtu =
& c Pci
Pt m
Ptu
Rendimento effettivo: ηe =
& c Pcs
m
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 Sm3
/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/Sm3
Risulta:
& c Pci =
Pt = m
Ptu 25kW
=
= 27,174kW
ηtu
0,92
Pt
27,174kW
=
= 0, 0008016kg / s = 0, 0008016 ⋅ 3600 = 2,886kg / ora
Pci 33900kJ / kg
Il rendimento effettivo è calcolato rispetto al Pcs. Dunque:
Ptu
25kW
ηe =
=
= 0,828 = 82,8%
& c Pcs 0, 0008016(kg / s) ⋅ 37660(kJ / kg)
m
Ricordando che Sm3 (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
2,886kg / ora
v& c = c =
= 4, 225Sm3 / ora
ρ 0, 683kg / Sm 3
Oltre allo Sm3 è possibile trovare il Nm3 (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/m3 = 37950 kJ/m3.
Mediamente la massa volumica del gas naturale a Nm3 vale circa 0,715 kg/Nm3.
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 Sm3/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
&c =
m
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).