12 Migliorare il rendimento degli impianti attraverso l`installazione di
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12 Migliorare il rendimento degli impianti attraverso l`installazione di
Retrofit nel residenziale Riqualificazione dei vecchi impianti di riscaldamento a radiatori Migliorare il rendimento degli impianti attraverso l’installazione di sistemi di contabilizzazione e termoregolazione di Matteo Bo* A partire dal prossimo anno le regio- ni Piemonte e Lombardia renderanno obbligatoria l’installazione di sistemi di termoregolazione e contabilizzazione nei condomini esistenti. Se, com’è presumibile, questo esempio verrà seguito anche da altre regioni, decine di migliaia di complessi residenziali presenti nel nostro paese dovranno attuare a breve e medio termine un’importante attività di retrofit. Ragione per cui è indispensabile, dopo aver condotto una analisi critica sui criteri con cui sono dimensionati i vecchi impianti di riscaldamento a radiatori, analizzare i possibili interventi di riqualificazione, soffermandosi in modo particolare sulle problematiche connesse con l’installazione delle valvole termostatiche, suggerendo un sistema di regolazione della temperatura di mandata volto a massimizzare il salto termico. 2 #12 Installazione di sistemi di termorEgolazione e contabilizzazione Tra gli obblighi imposti da Piemonte (DCR n.98-1247 dell’11 gennaio 2007 e l’aggiornamento DGR n.46-11968 del 4 agosto 2009) e Lombardia (L.R. n.3 del 21 febbraio 2011), vi è quello di installare sistemi di termoregolazione e contabilizzazione indi viduali, che in molti casi devono essere funzionanti già a decorrere dalla stagione di riscaldamento 2012/2013. Prescrizione attuabile tramite l’installazione sui singoli corpi scaldanti (Figura 1) sia di valvole termostatiche sia di appositi sensori (ripartitori) che consentono la misura indiretta dell’energia termica emessa da ciascun corpo scaldante e, tramite sistemi di trasmissione dei segnali di tipo wireless, la loro successiva remotizzazione in sistemi di acquisizione centralizzati. Figura 1 – VALVOLE TERMOSTATICHE E RIPARTITORI DI CALORE per la termoregolazione e la contabilizzazione dell’energia termica negli impianti a radiatori esistenti ANALISI DEI CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DEI VECCHI IMPIANTI A RADIATORI Criteri progettuali dei vecchi impianti a radiatori Nell’analisi condotta nel presente articolo sono stati presi in considerazione gli impianti a radiatori esistenti più energivori, ovvero quelli centralizzati realizzati dal dopo guerra fino alla fine degli anni ’70, antecedenti cioè all’entrata in vigore dei primi dispositivi legislativi (legge 373/76) sul contenimento dei consumi energetici. In questi impianti i criteri progettuali che venivano al tempo di norma utilizzati per il loro dimensionamento e ai quali è più che ragionevole fare riferimento, sono i seguenti: • temperatura di mandata dell’acqua in condizioni di progetto pari a 85°C; •salto termico di progetto pari a 10°C; • differenza fra la temperatura media del corpo scaldante (70°C) e l’aria ambiente pari a 60°C. Si tendeva infatti ad utilizzare le stesse condizioni con cui in camera di prova veniva stabilita l’emissione termica nominale dei radiatori medesimi ai sensi della allora vigente norma UNI 6514 del 1969 (cfr. Figura 2). L’emissione dei corpi scaldanti variava quindi in funzione della differenza di temperatura secondo la ben nota relazione: ∆teff n Peff = PUNI 6514 –––– 60 dove: Peff = potenza termica emessa nelle condizioni di impiego; PUNI 6514 = potenza termica nominale con t = 60°C; teff = differenza di temperatura nelle condizioni di impiego; n = esponente caratteristico per ogni tipo di corpo scaldante. Il valore di quest’ultimo parametro, per i radiatori in ghisa a colonne e in ghisa a piastre, che sono senza dubbio i più diffusi, può essere mediamente considerato pari a 1,3. Se gli impianti si potessero ritenere progettati secondo i criteri sopra esposti, utilizzando la relazione (1) sarebbe possibile stabilire il valore della differenza di temperatura Δteff al variare del carico come indicato nella Tabella I. In realtà i nostri vecchi impianti di ( ) Breve cronistoria delle tipologie impiantistiche a radiatori • Fino a 1975 c.a.: impianti centralizzati a colonne con radiatori prevalentemente in ghisa • Da 1975 a 1980 c.a.: impianti centralizzati a zona monotubo, prima, e a collettori complanari, poi • Da 1980 a 2005 c.a.: impianti autonomi a caldaiette • Dal 2005 in poi: ritorno a sistemi centralizzati e sviluppo di impianti a pannelli radianti a pavimento e soffitto Requalification of heating systems with radiators Starting next year, Italian regions Piedmont and Lombardy will make obligatory the installation of thermal regulation and energy accounting systems in existing residential buildings. It is expectable for other regions to follow this example, so that tenths of thousands of existing buildings will be subject of important renovation works in a short or medium time. It is thus very important to point out early the best possible practice and standard. In this article, a critical analysis of the designing methods used in the past for radiator based heating systems is reported. Then plausible requalification interventions are analyzed, and particular attention is given to the installation of thermostatic valves, Further, a regulation strategy of supply water is defined and analyzed so that temperature spread is improved. Keywords: thermal regulation, energy accounting systems, thermostatic valves Figura 2 – CONDIZIONI DI PROVA secondo UNI 6514/69 - ∆t = 60°C riscaldamento a radiatori sono sempre caratterizzati da due fattori di surdimensionamento che non si possono trascurare. Surdimensionamento della potenza Il primo è il surdimensionamento della potenza installata dovuto sia ai coefficienti di maggiorazione della potenza calcolata che il progettista adottava sia perché consigliati dalle norme in vigore (la norma UNI 7357 del 1974 prevedeva maggiorazioni dal 10 al 15% intermittenza del funzionamento e conseguente messa a regime) o per sicurezza, sia perché sono sempre presenti dei carichi esogeni ed endogeni che i metodi di calcolo non prendono cautelativamente in considerazione. La presenza di corpi scaldanti con un maggior numero di elementi rispetto al valore strettamente necessario di fatto si traduce, com’è facilmente intuibile, in una riduzione del valore della temperatura media richiesta alle varie percentuali di carico termico. La Tabella II illustra come varia la temperatura media del corpo scaldante in condizioni di massimo carico al variare del fattore di surdimensionamento. Si può notare come in presenza di fattori di surdimensionamento pari a 1,2-1,3 (valori tutt’altro che elevati) la temperatura media a cui devono funzionare i radiatori al 100% del carico è pari a circa 70°C, vale a dire come se l’impianto fosse stato dimensionato senza maggiorazioni, ma scegliendo i radiatori con una differenza di temperatura nominale pari a 50°C, valore poi previsto dalle più recenti norme UNI EN 442-1 pubblicate per la prima volta nel febbraio del 1977. Si può quindi individuare la reale curva di variazione della differenza di temperatura al variare del carico come indicato nella Tabella III seguente e di conseguenza definire la curva ideale di regolazione della temperatura di mandata #12 3 Figura 3 – VARIAZIONE DELLA TEMPERATURA DI MANDATA AL VARIARE DEL CARICO per un impianto a radiatori dimensionato con ∆tUNI 6514 pari a 60°C e ∆tAC di progetto pari a 10°C in presenza di un fattore di surdimensionamento delle potenze installate pari a 1,25 Figura 4 – CURVE DI REGOLAZIONE CLIMATICA tipiche di regolatori della temperatura di mandata per impianti centralizzati a radiatori 33_BO_INVITO 399-.qxd 08/09/11 17:04 Pagina 407 Innovazione delle tecniche tradizionali nel retrofit degli edifici: 33_BO_INVITO 399-.qxd 08/09/11 17:04 Pagina 407 la riqualificazione dei vecchi impianti di riscaldamento a radiatori Variazione delle temperature e dei salti termici 407 di funzionamento per radiatori dimensionati con ∆tUNI I –ACVariazione e dei salti termici di funzionamento per 60°C e ∆t di progettodelle paritemperature a 10°C 6514 pari aTabella radiatori dimensionati con ǻtUNI 6514 pari a 60 °C e ǻtAC di progetto pari a 10 °C ǻteff Innovazione delle tecniche tradizionali nel retrofit degli edifici: la riqualificazione deitmvecchi impianti tmed tr di riscaldamento ǻtAC a radiatori 407 Potenza Portata [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [%] [%] 100% 60,0 80,0 85,0 75,0 10,0 100% Tabella I – Variazione delle temperature e dei salti termici di funzionamento per °C e ǻtAC 9,0 di progetto100% pari a 10 °C radiatori55,3 dimensionati con ǻtUNI79,8 6514 pari a 60 90% 75,3 70,8 TABELLA I 80% 50,5 70,5 74,5 66,5 8,0 100% ǻteff tmed tm tr ǻtAC 70% Potenza 45,6 65,6 69,1 62,1 7,0 100% Portata [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [%]40,5 60% 60,5 63,5 57,5 6,0 100% [%] 60,0 80,0 85,0 75,05,0 10,0 50% 100% 35,2 55,2 57,7 52,7 100% 100% 90%29,7 55,3 75,3 79,8 70,84,0 9,0100% 100% 40% 49,7 51,7 47,7 80%23,8 50,5 70,5 74,5 66,53,0 8,0100% 100% 30% 43,8 45,3 42,3 70%17,4 45,6 65,6 69,1 62,12,0 7,0100% 100% 20% 37,4 38,4 36,4 60%10,2 40,5 60,5 63,5 57,51,0 6,0100% 100% 10% 30,2 30,7 29,7 50%0,0 35,2 55,2 57,7 52,70,0 5,0100% 100% 0% 20,0 20,0 20,0 40% 29,7 49,7 51,7 47,7 4,0 100% Tabella II – Variazione della e della 30% 23,8 differenza 43,8di temperatura 45,3 42,3 temperatura 3,0 media 100% per radiatori dimensionati con ǻtUNI 6514 pari a 60 °C e ǻtAC di progetto 10 °C al va20% 17,4 37,4 38,4 36,4 2,0 100% riare del coefficiente di surdimensionamento dell’impianto (carico 100%) 10% 10,2 30,2 30,7 29,7 1,0 100% 0%Coefficiente 0,0 di 20,0 ǻteff 20,0 t med 20,0 t m 0,0 100% surdimensionamento [°C] di temperatura [°C] [°C] Tabella II – Variazione della differenza e della temperatura media per radiatori dimensionati con ǻtUNI 6514 pari a 60 °C e ǻtAC di progetto 10 °C al variare del coefficiente (carico 1,00 di surdimensionamento 60,0 dell’impianto 80,0 85,0 100%) per radiatori 1,10 55,8 75,8 80,8 ǻteff t med tm Coefficiente di dimensionati con 1,20 52,1 72,1 77,1 surdimensionamento ∆tUNI 6514 pari a 60°C e ∆tAC 1,30 49,0 [°C] 69,0 [°C] 74,0 [°C] di progetto pari a 10°C, al 1,40 46,3 66,3 71,3 variare del coefficiente 1,00 60,0 80,0 85,0 1,50 43,9 63,9 68,9 di surdimensionamento 1,10 55,8 75,8 80,8 dell’impiantoQuesta analisi trova puntuale riscontro nei criteri con cui vengono tarate 1,20 52,1 72,1di norma 77,1 (carico 100%) le centraline climatiche utilizzate per effettuare in modo centralizzato la regolazione del1,30 49,0 69,0 74,0 4 TABELLA II Variazione della differenza di temperatura e della temperatura media la temperatura ambiente. 1,40 46,3esatto, che 66,3 Partendo dal presupposto semplificato, e come tale non il carico71,3 termico medio dell’edificio dipenda esclusivamente dalla temperatura esterna, vale a dire trascu1,50 43,9 63,9 68,9 rando tutti gli apporti di calore gratuiti, la temperatura ambiente viene, com’è noto, regolata variando laQuesta temperatura mandata in funzione temperatura condicurve analisi di trova puntuale riscontrodella nei criteri con cuiesterna vengono norma tarate di regolazione del tipoclimatiche indicato inutilizzate Figura 4.per effettuare in modo centralizzato la regolazione delle centraline # la temperatura ambiente. Partendo dal presupposto semplificato, e come tale non esatto, che il carico termico 12 dell’acqua calda ai corpi scaldanti come illustrato nella Figura 4. Questa analisi trova puntuale riscontro nei criteri con cui vengono di norma tarate le centraline climatiche utilizzate per effettuare in modo centralizzato la regolazione della temperatura ambiente in funzione della temperatura esterna con curve di regolazione del tipo indicato in Figura 4. A conferma della correttezza delle valutazioni fin qui esposte la curva di regolazione climatica, che a titolo di esempio di norma viene utilizzata a Torino, è per l’appunto la curva con inclinazione 20 di Figura 5 (in particolare questa è la curva che di default viene utilizza dall’AES – Azienda Energia e Servizi Torino SpA – che gestisce il servizio di teleriscaldamento cittadino per tarare le centrali termiche condominiali allacciate alla rete). Essendo la temperatura di progetto di Torino pari a -8°C tale curva coincide perfettamente con quella di Figura 4. Pertanto, nota la curva di climatica con cui è regolato l’impianto e quindi la temperatura di mandata dell’acqua calda nelle condizioni di progetto per Innovazione delle tecniche tradizionali nel retrofit degli edifici: la riqualificazione dei vecchi impianti di riscaldamento a radiatori 408 Variazione delle temperature e dei salti termici tabella III Tabella III – Variazione delle temperature e dei salti termici di funzionamento per di funzionamento per radiatori dimensionati con ∆t °C6514 pari a 60°C e ∆t di progetto pari e ǻtAC di progettoACpari a 10 °C in radiatori dimensionati con ǻtUNI 6514 pari a 60 UNI a 10°C,presenza in presenza difattore un fattore di surdimensionamento dell’impianto a 1,25 di un di surdimensionamento dell’impianto pari pari a 1,25 Potenza % 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ǻteff tmed tm tr ǻtAC [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] 50,0 46,1 42,1 38,0 33,8 29,3 24,7 19,8 14,5 8,5 0,0 70,0 66,1 62,1 58,0 53,8 49,3 44,7 39,8 34,5 28,5 20,0 75,0 70,6 66,1 61,5 56,8 51,8 46,7 41,3 35,5 29,0 20,0 65,0 61,6 58,1 54,5 50,8 46,8 42,7 38,3 33,5 28,0 20,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Portata [%] 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% In base a quest’ultima configurazione emergono le seguenti considerazioni: Il secondo fattore di surdimensionamento che è in •il livello termico della temperatura di mandata è genere quasi sempre presente nei vecchi impianti è troppo elevato per essere facilmente compatibile quello legato al surdimensionamento delle pompe di 33_BO_INVITO 08/09/11 17:04 Pagina superiori 410 con sistemi di produzione energetica di tipo non circolazione, che399-.qxd presentano quindi portate tradizionale e in particolare con le pompe di calore; a quelle strettamente necessarie, con conseguente ri• i salti termici sono molto bassi a fronte delle elevate duzione del salto termico dell’acqua. Anche in questo portate, con conseguenti elevati consumi parassiti caso l’effetto risultante è quello di richiedere, a parità di per i pompaggi; temperatura media dei corpi scaldanti, un ulteriore ab410 Innovazione delle tecniche tradizionali nel retrofit degli edifici: riqualificazione vecchi impianti di riscaldamento a radiatori di ritorno incomincia a •il livello della temperatura bassamento della temperatura di lamandata a cuidei corridare risultati importanti in accoppiamento con le sponde un innalzamento della temperatura di ritorno caldaie a condensazione solo a partire da percencome indicato a titolo esemplificativo in Tabella IV, relaIl secondo fattore di surdimensionamento che è in genere quasi sempre presente tuali di carico termico prossime al 50-60%. tivamente a un impianto con portata superiore del 25%. nei vecchi impianti è quello legato al surdimensionamento delle pompe di circolazione, Surdimensionamento della portata Figura – Variazione della temperatura mandata al variare del carico per unnecessarie, impianto a radiatori dimenche4 presentano quindi portate di superiori a quelle strettamente con conseguente sionato con ǻtUNI 6514 pari a 60 °C e ǻtAC di progetto pari a 10 °C in presenza di un fattore di surdimensionariduzione del salto termico dell’acqua. Anche in questo caso l’effetto risultante è quello mento delle potenze installate pari a 1,25 di richiedere, a parità di temperatura media dei corpi scaldanti, un ulteriore abbassamentoAdella temperatura di mandata delle a cui valutazioni corrispondefin un qui innalzamento conferma della correttezza esposte la della curvatemperatura di regola- di ritorno comeche indicato titolo esemplificativo in Tabella IV, relativamente un impianto zione climatica a titoloa di esempio di norma viene utilizzata a Torino è per al’appunto con portata superiore del 25 %. Variazione delle temperature e dei salti termici Tabella IVper – Variazione delle temperature saltipari termici di funzionamento per di funzionamento radiatori dimensionati cone∆tdei a 60°C e UNI 6514 pari a 60 °C e ǻt di progetto pari a 10 ° C in radiatori dimensionati con ǻt UNI 6514 AC ∆tAC di progetto pari a 10°C, in presenza di fattori di surdimensionamento presenza di fattori di surdimensionamento sia dell’impianto sia della portata delle sia dell’impianto sia della portata delle pompe pari a 1,25 pompe pari a 1,25 tabella IV la località in esame, si può determinare il coefficiente di surdimensionamento caratteristico dell’impianto in questione. È importante comunque sottolineare che nella stragrande maggioranza dei casi il citato fattore di surdimensionamento non risulta mai omogeneo su tutto l’edificio, ma che a causa delle imprecisioni di calcolo e/o della imperfetta taratura dell’impianto, vi sono sempre zone più sfavorite di altre (in generale quelle con il maggior numero di superfici disperdenti). Per questo motivo il fattore di surdimensionamento che ai sensi della Tabella II deve essere adottato ai fini dell’impostazione della temperatura media dei corpi scaldanti e di conseguenza della temperatura di mandata della acqua calda, deve essere naturalmente quello meno elevato. Le zone più favorite si troveranno pertanto ad essere alimentate da un livello termico del fluido scaldante superiore rispetto alle necessità e quindi a generare, per l’assenza di sistemi di termoregolazione locali, il surriscaldamento di ampie zone, fattore che costituisce senza dubbio una delle più importanti cause di spreco energetico (Ogni grado di temperatura in più mantenuto nei locali comporta maggiori consumi energetici dell’ordine del 6-8%.) presenti in questi edifici e su cui è pertanto assolutamente prioritario intervenire. Potenza % 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ǻteff t med tm tr ǻtAC [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] 50,0 46,1 42,1 38,0 33,8 29,3 24,7 19,8 14,5 8,5 70,0 66,1 62,1 58,0 53,8 49,3 44,7 39,8 34,5 28,5 74,0 69,7 65,3 60,8 56,2 51,3 46,3 41,0 35,3 28,9 66,0 62,5 58,9 55,2 51,4 47,3 43,1 38,6 33,7 28,1 8,0 7,2 6,4 5,6 4,8 4,0 3,2 2,4 1,6 0,8 Portata [%] 125% 125% 125% 125% 125% 125% 125% 125% 125% 125% 0,0 20,0 20,0 20,0 0,0 125% In base a quest’ultima configurazione, che possiamo in linea di massima considerare come quella più verosimilmente e realisticamente più probabile, emergono le seguenti considerazioni: - il livello termico della temperatura di mandata è troppo elevato per essere fa-# 12 5 Percentuali di carico termico. Città a confronto Figura 5 – TORINO, CURVA CUMULATIVA DELL’ANDAMENTO DELLE TEMPERATURE ESTERNE (percentuali di carico per riscaldamento in funzione della temperatura esterna) Figura 6 – ROMA, CURVA CUMULATIVA DELL’ANDAMENTO DELLE TEMPERATURE ESTERNE (percentuali di carico per riscaldamento in funzione della temperatura esterna) Stabilendo che risultati soddisfacenti del livello della temperatura di ritorno, in accoppiamento con le caldaie a condensazione, iniziano a vedersi solo a partire da percentuali di carico termico vicine al 50-60%, questa condizione si realizza: • a Torino (zona climatica D, durata periodo di riscaldamento 183 gg, temperatura di progetto = -8°C) per temperature dell’aria esterna superiori a 3°C, condizione che mediamente si realizza per il 68% del periodo di riscaldamento (cfr. Figura 6). • a Roma (zonaclimatica D, durata periodo diriscaldamento 166gg, temperAtura di progetto = 0°C) per temperature dell’aria esterna superiori a 8°C, condizione che mediamente si realizza per il 76% del periodo di riscaldamento (cfr. Figura 7). • a Palermo (zona climatica B, durata periodo di riscaldamento 121 gg, temperatura di progetto = 5°C) per temperature dell’aria esterna superiori a 11°C, condizione che mediamente si realizza per il 50% del periodo di riscaldamento (cfr. Figura 8). Figura 7 – PALERMO, CURVA CUMULATIVA DELL’ANDAMENTO DELLE TEMPERATURE ESTERNE (percentuali di carico per riscaldamento in funzione della temperatura esterna) INTERVENTI DI RIQUALIFICAZIONE DEI VECCHI IMPIANTI A RADIATORI Riqualificare un impianto di riscaldamento significa di fatto intervenire per migliorare il suo rendimento medio stagionale ηg che è funzione dei seguenti rendimenti: ηe : rendimento di emissione ηrg : rendimento di regolazione ηd : rendimento di distribuzione ηgn: rendimento di generazione o produzione medio stagionale. Migliorare il rendimento di emissione ηe Il rendimento di emissione dipende dai corpi scaldanti e dalle caratteristiche dei locali, con particolare riferimento alla loro altezza. Poiché gli interventi di manutenzione straordinaria non interessano questi aspetti, non è possibile individuare interventi volti a migliorare di questo parametro, il cui valore è dalle vigenti norme UNI TS 11300-2 (UNI, 2008a) stimato pari a 0,88. Migliorare il rendimento di regolazione ηrg Per migliorare il rendimento di regolazione 6 #12 occorre regolare la temperatura ambiente per ambiente installando sui singoli corpi scaldanti valvole termostatiche del tipo a due vie per impianti a portata variabile. Dal punto di vista impiantistico l’installazione di valvole termostatiche su impianti esistenti comporta la risoluzione di almeno tre aspetti progettuali: 1.criteri di scelta e di dimensionamento delle valvole termostatiche medesime; 2.bilanciamento delle reti di distribuzione; 3. sostituzione delle pompe di circolazione in quanto si trasforma l’impianto da un impianto a portata costante a un impianto a portata variabile. Criteri di scelta e dimensionamento delle valvole termostatiche Il parametro caratteristico che definisce le prestazioni delle valvole termostatiche è la banda proporzionale a cui esse vengono fatte funzionare. Per avere il massimo comfort si raccomanda di dimensionare le valvole per valori della banda proporzionale compresi fra 0,5 e 2°C. La Figura 8 illustra un esempio dei campi di lavoro di valvole termostatiche valutati con banda proporzionale compresa fra 0,5 e 2°C. Come si può notare i campi di lavoro delle varie grandezze di valvole (diametro 3/8", diametro 1/2" e diametro 3/4") sono molto ampi e in buona parte fra loro sovrapposti. Il dimensionamento dovrà essere effettuato in modo che il punto di lavoro ricada all’interno dei suddetti range, con l’accortezza di scegliere preferibilmente sempre la taglia più piccola e soprattutto di non superare mai valori della pressione differenziale pari a circa 20-22 kPa (2.000-2.200 mm c.a.), perché oltre tali valori si potrebbero verifcare fenomeni di cavitazione in corrispondenza della zona fra sede e otturatore, che sono causa di vibrazioni e rumorosità. Valvole termostatiche. Tipologie e funzionamento Il dispositivo di comando della valvola termostatica è costituito da un bulbo, la cosiddetta “testina termostatica”, che contiene un fluido ad alto coefficiente di dilatazione che opera come un regolatore autoazionato proporzionale di temperatura. Le valvole termostatiche si distinguono, in primo luogo, in base alle caratteristiche costruttive del corpo valvola. Quelle utilizzabili negli impianti a radiatori tradizionali a due tubi possono essere di due tipi: • a due vie: nel qual caso gli impianti di distribuzione dell’acqua devono essere del tipo a portata variabile; • a tre vie: nel qual caso gli impianti di distribuzione dell’acqua possono continuare ad essere del tipo a portata costante. E in secondo luogo, si distinguono in base al tipo di fluido termostatico utilizzato: • sensori a cera, che presentano tempi di reazione molto lunghi; • sensori a liquido che presentano tempi di reazione accettabili; • sensori a gas che grazie alla ridottissima capacità termica del fluido presentano tempi di risposta molto bassi. Poiché la stabilità della regolazione (assenza di oscillazioni) dipende soprattutto dal tempo di reazione del sistema regolante, più quest’ultimo è breve, minori sono i rischi di pendolazione della temperatura. Nelle valvole termostatiche questa caratteristica è definita dalla banda proporzionale, che rappresenta la variazione di temperatura ambiente necessaria per spostare la valvola dalla posizione di chiusura alla posizione che, in base alla differenza di pressione presente ai capi della valvola, consente il passaggio della portata di acqua di progetto calcolata al carico massimo. In altre parole la banda proporzionale di una valvola termostatica è paragonabile al differenziale di un termostato, vale a dire allo scarto di temperatura che deve intervenire nell’ambiente affinché il termostato passi dalla posizione ON alla posizione OFF. Prendendo per esempio un radiatore con una portata di acqua di progetto pari a 100 l/h, se la valvola è soggetta 33_BO_INVITO 399-.qxd 08/09/11 17:04 Pagina 415 ad un differenziale di pressione di 3 kPa lavorerà con una banda proporzionale di 2°C, se invece è soggetta ad un differenziale di pressione di 15 kPa lavorerà con una banda proporzionale migliore pari a 1°C. SPACCATO DI VALVOLA TERMOSTATICA A DUE VIE Innovazione delle tecniche tradizionali nel retrofit degli edifici: la riqualificazione dei vecchi impianti di riscaldamento a radiatori 415 troverebbero a lavorare con bassi Δp e quindi con una banda proporzionale meno vantaggiosa. L’intervento retrofit atto dovrà valvole di taratura o meglio di ancora diinvalvole autoquindi flow, doverosamente tarate sul valoreprevededella portata massima del ramo servito. Grazie a questo primo le valvole termostatiche re l’installazione in corrispondenza deibilanciamento vari rami principali della rete di disaranno sottoposte a differenziali di pressione fra di loro più omogenei e quindi tendestribuzione (per esempio in corrispondenza di ogni colonna montante ranno a dare le stesse prestazioni in tutti gli alloggi. Questa condizione è a rigore resa per come indicato in Figura 9), di valvole di taratura o meglio ancora di valaltro necessaria dalla contabilizzazione del calore, in quanto, a parità di valore di set voleleauto flow, tarate sul valore della lavorano portata massima ramo servito. point impostato, unità abitative le cui valvole con unadel banda proporzionale Grazie di a questo più alta consumano più. primo bilanciamento le valvole termostatiche saranno Figura 8 – ESEMPIO DI DIAGRAMMA DI SELEZIONE DI VALVOLE TERMOSTATICHE valido per bande proporzionali comprese fra 0,5 e 2°C. Il punto di lavoro va scelto all’interno delle aree evidenziate senza mai superare la pressione differenziale di 20 kPa Bilanciamento delle reti di distribuzione Di notevole importanza è il dimensionamento delle valvole termostatiche con elevate perdite di carico, in modo da garantire una regolazione con bassi valori della banda proporzionale. Questa esigenza però deve essere attentamente verificata sull’intero impianto. Se infatti le reti di distribuzione non sono dotate di adeguati organi di taratura delle portate per i vari rami (per esempio in corrispondenza di ogni colonna montante), il bilanciamento idronico dell’impianto viene necessariamente lasciato all’azione delle sole valvole termostatiche. Quelle più vicine alle elettropompe potrebbero quindi essere costrette a lavorare con Δp troppo elevati e ingenerare rumorosità, quelle più lontane al contrario si T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Autoflow Figura 9 – INSERIMENTO DELLE VALVOLE DI BILANCIAMENTO DELLA PORTATA DI TIPO AUTOFLOW Figura 11 – Inserimento delle valvole di bilanciamento della portata di tipo auto flow 3.2.3. Sostituzione delle pompe di circolazione #12 7 sottoposte a differenziali di pressione fra di loro più omogenei e quindi tenderanno a dare le stesse prestazioni in tutti gli alloggi. Questa condizione è a rigore resa per altro necessaria dalla contabilizzazione del calore, in quanto, a parità di valore di set point impostato, le unità abitative le cui valvole lavorano con una banda proporzionale più alta consumano di più. Sostituzione delle pompe di circolazione La necessità di intervenire sul sistema di pompaggio del fluido termovettore è importante venga presa a pretesto per una sua attenta riprogettazione con l’obiettivo di incrementare, anche notevolmente, il salto termico, in modo da perseguire i seguenti benefici: • riduzione della temperatura di ritorno per favorire la condenFigura 10 – CURVA CLIMATICA IDEALE per impianto a radiatori sazione08/09/11 nel/nei17:04 generatore/i di calore; BO_INVITO 399-.qxd Pagina 417 a portata variabile con salto termico di progetto pari a 20°C •riduzione della portata per diminuire i consumi energetici parassiti dovuti al pompaggio. I limiti entro i quali sarà possibile operare tale aumento del 1.temperatura media dei corpi scaldanti mai inferiore a quella imposta salto termico sonoInnovazione legati alledelle seguenti dalle condizioni di carico (cfr. Tabelle III e IV); tecniche condizioni: tradizionali nel retrofit degli edifici: 417 la riqualificazione dei vecchi impianti di riscaldamento a radiatori 2.velocità minima di rotazione delle pompe mai BO_INVITO 399-.qxd 08/09/11 17:04 Pagina 417 inferiore al loro limite di esercizio, che di norma è pari al 25% della velocità massima (frequenza originario (ultima colonna di destra), con conseguente riduzione dei consumi di energia minima 12,5 Hz); elettrica per il pompaggio, che, com’è noto, variano in ragione del cubo della portata. 3.portata minima delle pompe inferiore al 10% Variazione delle temperature e dei salti termici di funzionamento Tabella V – Impianto a radiatori contradizionali valvole termostatiche. Variazione delle temInnovazione tecniche nel retrofit degli edifici: 417 della portata massima, valore al quale una inperature caso dietemperatura didelle mandata dell’acqua costante la riqualificazione vecchi impianti di riscaldamento radiatori dei salti termici didei funzionamento in caso di atemperatura di mandata pompa a portata variabile attiva la modalità (80°C ) e salto termico di progetto pari a 20°C dell’acqua costante (80°C ) e salto termico di progetto pari a 20 °C di arresto per bassa portata, solo in corrisponPortata originario (ultima colonna di destra), con conseguente riduzione dei consumi Riduzione di energia denza di valori del carico termico prossimi a Potenza ǻteff tche, tr in ragione ǻtAC del cubo nuova med com’ètmnoto, variano elettrica per il pompaggio, della portata. portata pompa zero; Tabella radiatori[°C] con valvole Variazione delle tem[°C] a [°C] [°C]termostatiche. [°C] [%] V – Impianto [%] [%] 4.portata minima di circolazione all’interno del perature salti termici di temperatura 100% e dei 50,0 70,0di funzionamento 80,0 60,0in caso20,0 100% di mandata 50% generatore di calore mai inferiore all’eventuadell’acqua costante (80°C ) e salto termico di progetto pari a 20 °C 90% 46,1 66,1 80,0 52,2 27,8 65% 68% le valore stabilito dal costruttore (occorre sot80% 42,1 62,1 80,0 44,2 35,8 45% 78% Portata tolineare che le moderne caldaie a condenRiduzione Potenza ǻteff tmed tm tr ǻt nuova AC 70% 38,0 58,0 80,0 36,0 44,0 32% 84% portata sazione a basamento ad elevato contenuto pompa 60% 33,8 53,8 80,0 27,5 52,5 23% 89% d’acqua regolate da bruciatori modulanti con [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [%] [%] [%] 50% 29,3 49,3 80,0 18,7 61,3 16% 92% campo di modulazione fino al 25-30%, di nor100% 50,0 70,0 80,0 60,0 20,0 100% 50% 40% 24,7 44,7 80,0 9,4 70,6 11% 94% 90% 46,1 66,1 80,0 52,2 27,8 65% 68% ma non hanno alcun genere di limiti in tal sen30% 19,8 39,8 80,0 -0,4 80,4 7% 96% 80% 42,1 62,1 80,0 44,2 35,8 45% 78% 20% 14,5 34,5 80,0 -11,0 91,0 4% 98% so. La circolazione dell’acqua all’interno alla 70% 38,0 58,0 80,0 36,0 44,0 32% 84% 10% 8,5 28,5 80,0 -23,0 103,0 2% 99% caldaia permette infatti al sistema di regola60% 33,8 53,8 80,0 27,5 52,5 23% 89% 0% 0,0 20,0 80,0 -40,0 120,0 0% 100% zione di ridurre la potenza ed eventualmente 50% 29,3 49,3 80,0 18,7 61,3 16% 92% spegnere il bruciatore in tempi idonei, evitan40%VI – Impianto 24,7 9,4termostatiche. 70,6 11% climatica 94% Tabella a 44,7 radiatori80,0 con valvole Curva ideale do le possibili sovratemperature con rischio 30% 19,8 39,8 80,0 -0,4 80,4 7% 96% Portata 20% 14,5 34,5 80,0 -11,0 91,0 4% 98% dell’intervento del termostato di blocco). Riduzione nuova Potenza ǻteff tmed tm t ǻt 10% 8,5 28,5 80,0 -23,0r 103,0AC 2% 99% portata Come risulta dalla Tabella V non è certamente pompa 0% 0,0 20,0 80,0 -40,0 120,0 0% 100% ipotizzabile mantenere costante la temperatura di [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [%] [%] [%] mandata, affidando la regolazione del carico alla Curva climatica ideale Tabella con termostatiche. climatica ideale 100%VI – Impianto 50,0 a radiatori 70,0 80,0valvole60,0 20,0 Curva 100% 50% sola variazione di portata dell’acqua, come di nor90% 46,1 66,1 76,0 56,2 19,8 91% 55% Portata ma siamo abituati a fare per altre tipologie di terRiduzione 80% 42,1 62,1 72,0 52,2 19,8 81% 60% nuova Potenza ǻteff tmed tm tr ǻt AC portata minali di utenza. 70% 38,0 58,0 68,0 48,0 20,0 70% 65% pompa Infatti già a partire da valori del carico pari al 60% 33,8 53,8 64,0 43,5 20,5 59% 71% [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [%] [%] [%] 40-50%, il sistema non sarebbe più in grado di 50% 29,3 49,3 60,0 38,7 21,3 47% 77% 100% 50,0 70,0 80,0 60,0 20,0 100% 50% modulare e il funzionamento diventerebbe di 40% 24,7 44,7 53,0 36,4 16,6 48% 76% 90% 46,1 66,1 76,0 56,2 19,8 91% 55% 30% 19,8 39,8 46,0 33,6 12,4 48% 76% tipo on/off. 80% 42,1 62,1 72,0 52,2 19,8 81% 60% 20% 14,5 34,5 39,0 30,0 9,0 44% 78% Occorre quindi impostare opportune curve 70% 38,0 58,0 68,0 48,0 20,0 70% 65% 10% 8,5 28,5 32,0 25,0 7,0 29% 86% 60% 33,8 53,8 64,0 43,5 20,5 59% 71% di regolazione climatica individuando possibil0% 0,0 20,0 25,0 0% 100% 50% 29,3 49,3 60,0 38,7 21,3 47% 77% mente un accettabile compromesso tra curve 40% 24,7 44,7 53,0 36,4 16,6 48% 76% troppo “piatte” che lavorano bene ai carichi ele30% 19,8 39,8 46,0 33,6 12,4 48% 76% vati e male ai bassi carichi e curve troppo “ripide” 20% 14,5 34,5 39,0 30,0 9,0 44% 78% che si comportano in modo opposto. 10% 8,5 28,5 32,0 25,0 7,0 29% 86% Un esempio di curva ottimale è quello cal0% 0,0 20,0 25,0 0% 100% colato nella Tabella VI e raffigurato nella Figura TABELLA V Impianto a radiatori con valvole termostatiche TABELLA VI Impianto a radiatori con valvole termostatiche 8 #12 Figura 11 – CURVE CARATTERISTCIHE DI UNA ELETTROPOMPA A PORTATA VARIABILE. Il campo di lavoro varia fino al 25% della velocità di rotazione Figura 12 – REGOLAZIONE A PRESSIONE “PROPORZIONALE”, con prevalenza a portata nulla pari al 50% di quella di set point. La pompa regola ampiamente all’interno del proprio campo di lavoro fino ad un valore di portata prossimo al 10% del valore di set point poi si spegne 10, che presenta un punto di inflessione a circa il 40% del carico. Come si può rilevare i salti termici risultano più che buoni dal momento che si mantengono pari a circa 20°C ai carichi elevati per poi scendere solo in corrispondenza dei carichi minimi. Anche la portata si mantiene sempre a valori più che accettabili e soprattutto è molto elevata la riduzione di portata che l’impianto consente di ottenere rispetto all’impianto originario (ultima colonna di destra), con conseguente riduzione dei consumi di energia elettrica per il pompaggio, che, com’è noto, variano in ragione del cubo della portata. Se questo tipo di ragionamento funziona a livello teorico, è ben difficile che possa essere facilmente attuato nella pratica affidandosi esclusivamente all’impostazione di una curva climatica ottimale. Sarebbe in questo senso preferibile prevedere un algoritmo di regolazione che provveda ad “aggiustare”, impianto per impianto, il valore della temperatura di mandata in funzione del salto termico, misurato naturalmente in condizioni di impianto a regime. In altre parole ad ogni percentuale di carico, vale a dire ad ogni ben preciso valore della temperatura esterna in funzione della località, il sistema di regolazione dovrebbe stabilire il valore della temperatura di mandata (compensazione in funzione della temperatura esterna), non mantenendola però fissa, bensì variabile in funzione della temperatura di ritorno per garantire che il salto termico sia corrispondente ai valori di Tabella VI. La temperatura stabilita dalla regolazione climatica finisce per assumere la funzione di limite di massima, il set point è invece il Δt. L’algoritmo di regolazione dovrebbe essere inoltre di tipo autoadattante in modo da consentire, dopo un certo periodo di rodaggio dell’impianto, di raggiungere la curva climatica ottimale per quell’edificio, secondo le valutazioni in precedenza esposte. La componente proporzionale dell’algoritmo, potrà essere migliorata andando ad agire sulla componente integrale che aiuta ad evitare le oscillazioni e raggiungere con il minor tempo possibile il set point desiderato. La scelta della pompa deve essere fatta con particolare attenzione in quanto costituisce un aspetto fondamentale per l’ottimale funzionamento dell’impianto a valle dell’intervento di riqualificazione. Il suo dimensionamento dovrà pertanto passare prima di tutto attraverso il puntuale rilievo degli impianti esistenti per perseguire i seguenti due obiettivi: 1. dal rilievo delle quantità e delle dimensioni dei corpi scaldanti installati si potrà calcolare, con i criteri in precedenza descritti (definizione delle resa in funzione del livello surdimensionamento), la potenza termica di progetto effettivamente necessaria e quindi, fissato il nuovo valore del salto termico, la portata della pompa. 2. dal rilievo, almeno per le parti in vista, delle reti si potrà stimare la relativa prevalenza. Fortunatamente, come illustra l’esempio di Figura 13, le moderne pompe a portata variabile direttamente accoppiate a motori con inverter incorporato, presentano curve sufficientemente piatte che non richiedono pertanto forti variazioni della velocità di rotazione al variare della portata del circuito, per cui anche se la regolazione della pressione differenziale è impostata con controllo delle pressione di tipo proporzionale come indicato in Figura 12, il funzionamento della pompa rientra sempre comodamente nel campo di lavoro della pompa stessa (area grigia di Figura 11). Per valutare i benefici indotti dall’installazione dei sistemi di termoregolazione ambiente per ambiente sugli impianti esistenti è necessario stimare la differenza fra i valori dei rendimenti di regolazione valutati prima e dopo l’intervento, vale a dire senza e con l’installazione delle valvole termostatiche. Per fare ciò occorre attenersi alle indicazioni date dal prospetto 20 della norma UNI/TS 11300-2 (UNI, 2008a), in base alla quale i suddetti valori sono così calcolabili: 1. rendimento di regolazione dopo l’intervento (regolazione climatica + termoregolazione ambiente) che è pari a circa 0,98; 2. rendimento di regolazione prima dell’intervento (sola regolazione climatica) che è dato dalla relazione: ηrg = 1 - (0,6 · ηu · Υ) Il valore di ηrg senza valvole termostatiche dipende quindi molto dalle caratteristiche dell’edificio e deve pertanto essere di volta in volta calcolato. Resta comunque il fatto che i risparmi energetici conseguenti a questo specifico intervento sono comunque sempre molto elevati, con ordini di grandezza del 10 e 20%. Migliorare il rendimento di distribuzione ηd Il rendimento di distribuzione tiene conto delle perdite di energia termica della rete di distribuzione verso l’esterno e, quindi, non recuperabili. Esso si esprime come rapporto fra il fabbisogno energetico utile effettivo richiesto da ciascuna zona Qhr (che tiene conto delle perdite per emissione e regolazione) e quella immessa nella rete stessa dal sistema di produzione Qut: ηd = Qhr ⁄ Qut Esso dipende quindi dall’isolamento termico della rete di distribuzione che, negli edifici oggetto della presente trattazione, è in molti casi scarso o nullo. I vecchi impianti, realizzati in epoche in cui il costo dell’energia era trascurabile, non venivano di norma coibentati e l’intervento di riqualificazione impiantistica #12 9 la riqualificazione dei vecchi impianti di riscaldamento a radiatori T T T T T T T Figura 13 – ESEMPI DI VARIAZIONI DEL RENDIMENTO DI COMBUSTIONE PER DIVERSE TIPOLOGIE DI CALDAIE. Da A: Caldaie a condensazione 40/30°C; B Caldaie a condensazione 75/60°C; C: Caldaie a bassa temperatura (senza limite inferiore di temperatura); D: Caldaie anno di costruzione 1987 (limite inferiore di temperatura 40°C); E: Caldaie anno di costruzione costruzione 1975 (temperatura acqua calda costante 75°C). Fonte: Viessmann Figura 14 – RIDUZIONE DELLA TEMPERATURA DI RITORNO in caldaia mediante circuito di spillamento che alimenta un bollitore di preriscaldo ACS Figura16 – Riduzione temperaturavalidi di ritorno caldaia circuito diposto spillamento alimenta spillamento sullacherete di ri-un contenenti valoridella precalcolati perin le ti- mediante bollitore di preriscaldo ACS torno si alimenta un bollitore di pologie più comuni di generatori di calore; preriscaldo dell’ACS. 2.approccio più rigoroso mediante metodi di CONCLUSIONI calcolo analitici. Gli obblighi imposti da alcune Regioni italiane di installare sistemi di termoregolaUtilizzando il primo metodo, tanto per avere CONCLUSIONI zione e contabilizzazione negli edifici condominiali più vetusti ed energivori devono esun ordine di riqualificare, tale guadagno, si rica- un intervento Le azioni più importantistraordidi risere presidiagrandezza pretesto per mediante di manutenzione naria, l’intero impianto. vano i seguenti valori: qualificazione energetica che doFra le azioni più importanti chestagionale occorre porre invrebbero essere viessere sono leattuate seguenti: 1.rendimento di produzione medio negli edifi1. installazione di valvole termostatiche a due vie sui corpi scaldanti; di un2.vecchio generatore di calore a 2 stelle ci condominiali sono: installazione bilanciamento e coibentazione, ove possibile, delle reti; antecedente il 1996 delle con bruciatore ad aria sof- condipompe valvolea portata termostatiche a due vie 3. sostituzione elettropompe esistenti variabile riprogettate per portata e aumentare il ǻt; sui corpi scaldanti; bilanciamento e fiata: valore pariridurre a circa la 0,82-0,84; 4. impostazione di una medio nuova stagionale logica di regolazione della temperatura di mandata 2.rendimento di produzione coibentazione delle reti; sostituziodovrà quindi cercare di intervenire con un lavoro dell’acqua ai radiatori volta a tenere elevato, specie ai carichi alti, il ǻt del fluidi un moderno generatore a condensazione a ne delle elettropompe esistenti con di rinforzo della coibentazione termica delle reti, do termovettore; 4 stelle con bruciatore valore pari con pompe a portata variabile; impostaove possibile (scantinati e/o sottotetti). Essendo 5. installazione di modulante: caldaie a condensazione, opportune circuitazioni idroniche a circa ilfinalizzate 0,98-1,00. a ridurre quanto più possibile la temperatura zione di unadi nuova logica di regolaquesta, però, una minima parte del percorso delritorno in caldaia. I risparmi conseguenti interventi proposti si valutano di come variaIn base a tali datienergetici il risparmio energeticoagli conzione della temperatura mandata le tubazioni è presumibile che si ottengano liezione dei rendimenti caratteristici dell’impianto utilizzando i criteri della norma UNI/TS seguente all’installazione di caldaie a condensadell’acqua ai radiatori; installazione vi miglioramenti di questo parametro, che conti11300-2 (UNI, 2008a). zione in sostituzione di vecchi generatori di calodi caldaie a condensazione, con opnuerà inevitabilmente a presentare valori molto Valori indicativi di tali variazioni sono sintetizzati nella Tabella VII . re tradizionali risulta pari a circa il 20%. portune circuitazioni idroniche. bassi (0,88-0,92). Le prestazioni della caldaia a condensazione In base ai valori delle variapotranno ulteriormente migliorare se si avrà l’aczioni dei rendimenti dell’impianMigliorare il rendimento cortezza di alimentare in cascata, ove possibile, le to (cfr. Tabella VII), nel rispetdi generazione ηgn utenze che possono lavorare a livelli termici più to dei criteri della norma UNI/ L’intervento di miglioramento del sistema di bassi, in modo da aumentare quanto più possibiTS11300-2 (UNI, 2008a), è possiproduzione più significativo è rappresentato dalle il salto termico e abbassare di conseguenza la bile ottenere un risparmio enerla sostituzione del generatore di calore esistente temperatura ingresso nelPagina generatore. getico che va da un minimo del con un generatore di calore a condensazione.33_BO_INVITO 399-.qxd di 08/09/11 17:04 424 Un esempio in tal senso è illustrato nel20% fino a oltre il 50%. La Figura 13 illustra a titolo esemplificativo i n la Figura 14, dove mediante un circuito a valori del rendimento termico di generazione di varie tipologie di generatori al variare del carico * Matteo Bo, Prodim srl, Torino termico. In essa è evidente la duplice natura dei 424 Innovazione delle tecniche tradizionali nel retrofit degli edifici: miglioramenti che le caldaie a condensazione la riqualificazione dei vecchi impianti di riscaldamento a radiatori consentono di ottenere: 1. incremento del valore assoluto; Tabella VII – Ordini di grandezza delle variazioni dei rendimenti prima e dopo gli 2.miglioramento del del rendimento di produprima e dopo gli interventi di retrofit interventi di retrofit zione, che cresce al variare del carico. PRIMA DOPO Anche in questo caso il guadagno, in termini DELL’INTERVENTO L’INTERVENTO RENDIMENTI di rendimento di produzione medio stagionale min max min max Rendimento di emissione 0,88 0,88 0,88 0,88 fra nuovo e vecchio generatore, si potrà calcoRendimento di regolazione 0,80 0,90 0,97 0,98 lare facendo ricorso alle indicazioni della norma Rendimento di distribuzione 0,88 0,92 0,88 0,92 UNI TS 11300-2 (UNI, 2008a) che prevede due Rendimento di generazione 0,82 0,84 0,98 1,00 possibili approcci: Rendimento complessivo 0,51 0,61 0,74 0,79 1.approccio semplificato mediante prospetti tabella V ORDINI DI GRANDEZZA DELLE VARIAZIONI DEI RENDIMENTI 10 #12 In base a tali valori il risparmio energetico conseguente agli interventi di retrofit descritti nella presente memoria può variare da un minimo del 20 % fino a oltre il 50%.