1.3 Caldaie a biomassa
Transcript
1.3 Caldaie a biomassa
Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale Modulo 1. Biomasse Sezione 1.3 Caldaie a biomassa Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Agenda Caldaie a biomassa per riscaldamento Il dimensionamento della caldaia Aspetti progettuali legati alla sicurezza Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria 2 Caldaie a biomassa per riscaldamento Si possono distinguere le caldaie a biomassa in due categorie: -caldaie a caricamento manuale; -caldaie a caricamento automatico. Le caldaie a carica manuale (tipicamente caldaie a ciocchi di legno) hanno solitamente una potenza limitata a qualche decina di kW termici e trovano impiego ottimale per il riscaldamento di case comprendenti uno o pochi appartamenti. La tipologia di caldaia è a fiamma inversa, così chiamata per la posizione della camera di combustione, situata al di sotto del vano nel quale viene caricata la legna. 3 Caldaie a biomassa per riscaldamento Solitamente le caldaie a caricamento manuale sono provviste di una ventola per la circolazione forzata dell’aria comburente. In alcuni modelli (ad aria soffiata), la ventola è posta sul lato anteriore della caldaia e spinge l’aria all’interno facendola fluire attraverso il combustibile fino allo scarico dei fumi. In altri modelli (ad aria aspirata) la ventola è situata posteriormente sulla bocca di uscita dei fumi e aspira i gas combusti creando una depressione in caldaia che consente il richiamo dell’aria comburente dall’esterno. Una parte dell’aria (detta primaria) viene introdotta in caldaia immediatamente sopra la griglia sulla quale è appoggiata la legna. L’aria primaria consente l’avvio della combustione (con una prima fase di gassificazione), con formazione di uno strato di braci a contatto della griglia e lo sviluppo di gas combustibili derivanti dalla pirolisi del legno (soprattutto monossido di carbonio e idrogeno). I gas sprigionati vengono trascinati in basso attraverso la griglia e giungono nella camera sottostante, dove l’aggiunta dell’aria secondaria consente il completamento della combustione. 4 Caldaie a biomassa per riscaldamento Fattori essenziali per ottenere una combustione ottimale sono: - una corretta carburazione (rapporto aria/combustibile); - temperatura elevata; - turbolenza elevate nella camera di combustione; - permanenza dei gas caldi nel focolare per un tempo (residence time) sufficiente al completamento delle reazioni termochimiche di combustione. L’inversione della fiamma consente di ottenere una combustione progressiva della legna, che non prende totalmente fuoco nel vano di carico ma brucia solamente quando giunge in prossimità della griglia. Questo fa si che la potenza erogata dalla caldaia sia più stabile nel tempo e che la combustione possa essere meglio controllata, aumentando il rendimento e riducendo le emissioni inquinanti. 5 Caldaie a biomassa per riscaldamento Esempio 1 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale 6 Caldaie a biomassa per riscaldamento Esempio 2 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale kW kg kW di 3 7 Caldaie a biomassa per riscaldamento Esempio 3 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale kW di 8 Caldaie a biomassa per riscaldamento Esempio 3 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale 9 Caldaie a biomassa per riscaldamento Esempio 3 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale caldaia 10 Caldaie a biomassa per riscaldamento Le caldaie a caricamento automatico si distinguono principalmente in: - caldaie a cippato; caldaie a pellet. Le caldaie a cippato utilizzano legno vergine ridotto in piccoli pezzi della dimensione di qualche centimetro, caricato automaticamente per mezzo di appositi dispositivi meccanici. Gli impianti a cippato sono totalmente automatizzati e non hanno limiti dimensionali, potendo raggiungere potenze anche di diversi MW termici. I rendimenti e il comfort sono gli stessi delle caldaie a gas/gasolio. Per le caratteristiche di automazione e risparmio di esercizio, gli impianti a cippato sono particolarmente indicati per il riscaldamento di edifici di dimensioni medie o grandi, quali alberghi, scuole, condomini, ospedali e centri commerciali. 11 Caldaie a biomassa per riscaldamento Poiché il caricamento del combustibile in caldaia avviene in modo automatico, è necessario che accanto al locale caldaia venga predisposto un locale (silo) per lo stoccaggio del combustibile. Al fine di facilitare le operazioni di scarico del cippato dai mezzi di trasporto, il silo è situato spesso al di sotto del piano stradale. Dal silo di alimentazione il cippato viene estratto automaticamente e convogliato, per mezzo di una coclea dosatrice, nella caldaia, dove avviene la completa combustione mediante l’immissione di aria primaria e secondaria. 12 Caldaie a biomassa per riscaldamento La combustione avviene generalmente in caldaie a griglia, che può essere: - fissa, per bruciare materiali fini e a basso contenuto di umidità; - mobile, per bruciare combustibili a pezzatura grossolana e ad alto contenuto di ceneri ed umidità, quali le biomasse forestali fresche di taglio. La caldaia a griglia fissa, sicuramente la più diffusa nello scenario impiantistico italiano, ha mostrato negli anni, oltre ad un’elevata affidabilità, anche alcuni limiti di carattere funzionale possono essere sintetizzati come segue: - una combustione non ottimale dovuta all’ammasso di ceneri o altri incombusti; - una riduzione dell’efficienza della combustione, in quanto l’aria di combustione primaria, immessa da opportuni fori praticati sulla griglia, attraversa il letto di combustione, ma nelle zone a maggiore agglomerazione non riesce a mescolarsi completamente con il combustibile; - la pezzatura del cippato e la sua umidità tendono ad influenzare sensibilmente l’efficienza della combustione. 13 Caldaie a biomassa per riscaldamento Nel caso di caldaia con griglia fissa occorre che il combustibile abbia un’umidità non superiore al 35÷40% sul tal quale e la pezzatura sia abbastanza fine ed il più uniforme possibile. Pur con questi limiti intrinseci, le griglie fisse sono ancora oggi ampiamente utilizzate ma con un limite di taglia; esse generalmente non superano gli 800 kWt di potenza. Aria secondaria Aria primaria Bruciatore di accensione 14 Caldaie a biomassa per riscaldamento La caldaia a griglia mobile è caratterizzata da una continua movimentazione del letto di combustione. Grazie a dei veri e propri scalini, il combustibile viene trasportato verso il basso fino alla griglia. In questo modo si favorisce l’evaporazione dell’umidità (si possono bruciare biomasse con umidità fino al 50÷55 % sul tal quale, contro il 35÷40 % nelle griglie fisse). Inoltre, il continuo rimescolamento causato dal movimento della griglia, fa si che l’aria di combustione raggiunga tutte le particelle di combustibile e la temperatura del letto sia più uniforme, con il risultato che si producono meno residui incombusti e la combustione risulta migliore con evidenti riflessi anche sul rendimento complessivo dell’impianto (>80%). 15 Caldaie a biomassa per riscaldamento La caldaia a griglia mobile permette di ridurre i limiti delle griglie fisse e dunque le rende assai più indicate per impianti di taglia media e grande alimentati con combustibili meno standardizzati, soprattutto dal punto di vista dell’umidità, del contenuto in ceneri e della pezzatura. Le potenze associabili a questa tipologia di caldaia partono generalmente dagli 800 kW per raggiungere valori di molto superiori, con applicazioni che vanno anche verso sistemi di teleriscaldamento a servizio di più utenze. 16 Caldaie a biomassa per riscaldamento Camera di combustione a griglia mobile a gradini 1. 2. 3. 4. 5. Ingresso del combustibile – coclea di alimentazione Camera di combustione con raffreddamento ad acqua Griglia a gradini raffreddata ad acqua Zona di rimozione delle ceneri Rimozione (automatica o manuale) delle ceneri dalla griglia inferiore 6. Estrazione automatica delle ceneri della griglia 7. Accesso al meccanismo della griglia 8. Voltino ad irraggiamento 9. Massa refrattaria 10. Camera di combustione secondaria 11. Scambiatore di calore a tre giri di fumo 12. Sportello anteriore con dispositivo per la pulizia automatica con aria compressa dei tubi della caldaia 13. Depurazione dei gas di scarico mediante multiciclone separatore con estrazione automatica della cenere volatile 14. Ventilatore del gas di scarico 15. Sportello della griglia - Percorso acqua - Movimento griglia - Percorso fumi 17 Caldaie a biomassa per riscaldamento Nelle caldaie a caricamento automatico a pellet, grazie alla forma cilindrica e liscia e alle piccole dimensioni del combustibile, che tende a comportarsi come un fluido, la movimentazione del combustibile e il caricamento automatico viene agevolato. Il trasporto può avvenire con autobotti, dalle quali il pellet viene pompato direttamente nel serbatoio di stoccaggio dell’impianto. L’elevata densità energetica e la facilità di movimentazione rendono il pellet il combustibile vegetale più indicato per impianti di riscaldamento automatici di tutte le dimensioni. Il pellet di legno può essere utilizzato nelle caldaie a cippato oppure in caldaie appositamente progettate. 18 Caldaie a biomassa per riscaldamento In tutti i casi l’accensione è automatica e molto rapida, per mezzo di una resistenza elettrica. Nei sistemi più avanzati la regolazione dell’aria comburente e del flusso di combustibile vengono effettuate automaticamente ad opera di un microprocessore. Queste caratteristiche di semplicità d’uso e di automazione conferiscono agli impianti di riscaldamento a pellet un elevato livello di comfort. L’elemento qualificante per la sicurezza di una caldaia a pellet è costituito dai dispositivi contro il ritorno di fiamma dal bruciatore verso il serbatoio. Il sistema più diffuso consiste nell’interporre un tratto di caduta libera del pellet tra la coclea di trasporto e la caldaia. Altri sistemi prevedono serrande tagliafiamma o valvole stellari. 19 Caldaie a biomassa per riscaldamento I modelli più avanzati si avvalgono di sistemi di regolazione a microprocessore e raggiungono rendimenti termici di punta oltre il 90%. Tra le innovazioni più significative, presenti anche in modelli di piccola potenza, vi è la regolazione dell’aria di combustione in base al fabbisogno di ossigeno. Un apposito strumento (sonda lambda) rileva il contenuto di ossigeno nei fumi e regola di conseguenza in maniera costante la quantità di aria durante l’intero ciclo di funzionamento della caldaia a legna, dall’accensione iniziale fino all’esaurimento del combustibile. 20 Caldaie a biomassa per riscaldamento Esempio di caldaia a pellet a condensazione 21 Agenda Caldaie a biomassa per riscaldamento Aspetti progettuali legati alla sicurezza Il dimensionamento della caldaia Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria 22 Aspetti progettuali legati alla sicurezza A differenza delle caldaie a gas/gasolio, le caldaie a biomassa sono caratterizzate dalla presenza di combustibile solido che, una volta acceso, continua a sviluppare calore con una inerzia considerevole, difficilmente controllabile nel breve termine. Di conseguenza, le caldaie a legna possono trovarsi in condizioni peculiari di criticità. Queste condizioni sono fondamentalmente due: - interruzione dell’alimentazione elettrica; - guasto della pompa di circolazione della caldaia. In entrambe le suddette situazioni si ha il blocco pressoché totale della circolazione di acqua in caldaia e si interrompe l’asportazione del calore generato dalla combustione della legna. Di conseguenza, la temperatura dell’acqua può salire fino a raggiungere e superare i 100°C. Oltre la soglia della temperatura di ebollizione la produzione di vapore causa un brusco aumento della pressione dell’impianto. In mancanza di dispositivi di sicurezza adeguati si può rapidamente giungere a una situazione di pericolo. 23 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Oltre che del termostato di sicurezza in dotazione a tutti i tipi di caldaia (il termostato di sicurezza blocca il ventilatore ed il sistema di alimentazione del combustibile), le caldaie a biomassa sono tipicamente dotate di uno scambiatore di calore di emergenza, costituito da un tubo a serpentina immerso nell’acqua della caldaia. Questo scambiatore deve essere collegato da un lato a una presa di acqua fredda, direttamente connessa all’acquedotto; dal lato in uscita lo scambiatore di emergenza va collegato a uno scarico (acqua a perdere). Tra la presa di acqua fredda e lo scarico a valle della caldaia va interposta una valvola di sicurezza termica. Questa valvola è dotata di una sonda a bulbo di mercurio da inserire in un apposito pozzetto sulla caldaia. In caso di emergenza, prima che la temperatura della caldaia raggiunga la soglia dei 100°C, la valvola di sicurezza si apre mediante un dispositivo meccanico che non richiede alimentazione elettrica e acqua fredda inizia a fluire nello scambiatore di sicurezza, asportando il calore in eccesso e convogliandolo allo scarico. Viene così scongiurato il rischio di ebollizione nella caldaia. 24 Aspetti progettuali legati alla sicurezza La normativa generale fa riferimento al DM 1-12-1975 relativo alle “Norme di sicurezza per apparecchi contenenti liquidi caldi sotto pressione”. Titolo II - Generatori di calore per impianti di riscaldamento ad acqua calda sotto pressione con temperatura non superiore a quella di ebollizione a pressione atmosferica Art. 26: L'associazione nazionale per il controllo della combustione (ANCC) emanò, su conforme parere del proprio consiglio tecnico, le specificazioni tecniche applicative del presente decreto. 25 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Specificazioni tecniche applicative del Titolo II del DM 1.12.75 ai sensi dell’art. 26 del decreto medesimo – anno 2009 (ultima versione) La nuova Raccolta R, redatta dall’ISPESL, costituisce la regolamentazione tecnica sugli impianti di riscaldamento ad acqua calda. Tale specifica si applica agli impianti centrali di riscaldamento utilizzanti acqua calda sotto pressione con temperatura non superiore a 110°C, e potenza nominale massima complessiva dei focolari (o portata termica massima complessiva dei focolari) superiore a 35 kW. La legge 30 luglio 2010, n. 122 di conversione con modificazioni del D.L. 78/2010, prevede l'attribuzione all'INAIL delle funzioni già svolte dall'ISPESL. 26 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Specificazioni tecniche applicative del Titolo II del DM 1.12.75 ai sensi dell’art. 26 del decreto medesimo – anno 2009 (ultima versione) I generatori di calore alimentati con combustibile solido non polverizzato, installati in impianti del tipo a vaso di espansione aperto devono essere provvisti di: a) vaso di espansione aperto; b) tubo di sicurezza; c) tubo di carico; d) dispositivo di allarme acustico; e) dispositivo di arresto dell’immissione dell’aria comburente; f) termometro, con pozzetto per termometro di controllo; g) manometro, con flangia per manometro di controllo; h) dispositivo di protezione livello minimo. 27 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Specificazioni tecniche applicative del Titolo II del DM 1.12.75 ai sensi dell’art. 26 del decreto medesimo – anno 2009 (ultima versione) I generatori di calore alimentati con combustibile solido non polverizzato, installati in impianti del tipo a vaso di espansione aperto devono altresì soddisfare ad una delle seguenti condizioni: i1) siano inseriti in impianti a circolazione naturale sprovvisti di organi di intercettazione sul circuito dell’acqua calda; i2) siano corredati di un riscaldatore d’acqua di consumo o di uno scambiatore di calore di emergenza muniti di scarico di sicurezza termico; i3) siano forniti di focolare meccanico e adduzione meccanica totale dell’aria comburente. 28 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Specificazioni tecniche applicative del Titolo II del DM 1.12.75 ai sensi dell’art. 26 del decreto medesimo – anno 2009 (ultima versione) 29 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Specificazioni tecniche applicative del Titolo II del DM 1.12.75 ai sensi dell’art. 26 del decreto medesimo – anno 2009 (ultima versione) I generatori di calore alimentati con combustibile solido non polverizzato, installato negli impianti del tipo a vaso di espansione chiuso devono essere provvisti di: a) vaso di espansione chiuso; b) valvola di sicurezza; c) termometro con pozzetto per termometro di controllo; d) manometro, con flangia per manometro di controllo; e) pressostato di blocco a riarmo manuale; f) allarme acustico e ottico; g) un dispositivo di limitazione della temperatura a riarmo automatico; h) un dispositivo di limitazione della temperatura di sicurezza a riarmo manuale; i) per sistemi di combustione a disinserimento parziale deve essere installato un dispositivo di dissipazione della potenza residua; j) dispositivo di protezione pressione minima. 30 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Specificazioni tecniche applicative del Titolo II del DM 1.12.75 ai sensi dell’art. 26 del decreto medesimo – anno 2009 (ultima versione) Riduttrice di pressione 31 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Sicurezza positiva 1. Quando un componente meccanico in movimento trascina inevitabilmente un altro componente, per contatto diretto o attraverso elementi rigidi, si afferma che il secondo componente viene azionato in modo positivo dal primo: questa viene definita azione meccanica positiva. 2. Quando la separazione dei contatti avviene come conseguenza diretta di un movimento specifico dell’attuatore tramite elementi non elastici (per esempio, non dipendenti da molle), questa si definisce operazione di apertura positiva di un elemento di contatto. L’insieme di queste due caratteristiche viene definita sicurezza positiva. 32 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Valvola di scarico termico Principio di funzionamento Un elemento sensibile alla temperatura (1), direttamente immerso nel fluido dell’impianto, agisce sull’otturatore della valvola che scorre all’interno della guida (2). Al raggiungimento del valore di taratura, la valvola si apre e scarica l’acqua dell’impianto. Il movimento dell’otturatore può comandare a sua volta un deviatore elettrico utilizzabile per fermare l’alimentazione di combustibile al bruciatore o attivare l’intervento del dispositivo di reintegro. La posizione dell’otturatore e la conseguente portata della valvola sono variabili in funzione del valore di temperatura del fluido. Al raggiungimento della temperatura di richiusura, la valvola si richiude automaticamente. La valvola è ad azione positiva. 33 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Valvola di scarico termico Collegamenti elettrici di una sola valvola 1. elettrovalvola sull’alimentazione del combustibile; 2. bruciatore; 3. eventuale valvola motorizzata per l’alimentazione dell’acqua di reintegro; 4. allarme acustico e/o allarme ottico (5). 34 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Valvola di scarico di sicurezza termica 35 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Valvola di scarico termico con reintegro incorporato 36 Aspetti progettuali legati alla sicurezza Altri esempi significativi di impianti realizzati secondo le norme applicabili 37 Aspetti progettuali legati alla sicurezza E gli impianti con potenza inferiore o uguale a 35 kW? UNI 10412-1: Impianti di riscaldamento ad acqua calda, requisiti di sicurezza. Impianto aperto “Negli impianti con [..] potenza nominale […] complessiva, minore o uguale a 35 kW, il termometro può non comprendere il pozzetto per termometro di controllo e il manometro può non comprendere il rubinetto e la flangia per manometro di controllo.” Impianto chiuso “Gli impianti con generatori di potenza nominale […] complessiva, minore o uguale di 35 kW, possono non essere provvisti di valvola di intercettazione del combustibile oppure valvola di scarico termico e del pressostato di blocco. Il termometro può non comprendere il pozzetto per termometro di controllo e il manometro può non comprendere il rubinetto e la flangia per manometro di controllo.” 38 Agenda Caldaie a biomassa per riscaldamento Aspetti progettuali legati alla sicurezza Il dimensionamento della caldaia Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria 39 Il dimensionamento della caldaia Nel caso di impianti ad alimentazione manuale particolare attenzione va dedicata al dimensionamento dell’impianto, tenendo conto che le caldaie a legna (e, più in generale, le caldaie a biomassa), a differenza di quelle a gas o a gasolio, devono per quanto possibile funzionare in continuo, senza interruzioni. Di conseguenza, va evitato un sovradimensionamento eccessivo della caldaia, che avrebbe importanti conseguenze negative: un inutile aggravio dei costi di impianto e il funzionamento non ottimale della caldaia, a causa delle frequenti interruzioni della combustione a cui sarebbe inevitabilmente soggetta. Le interruzioni forzate della combustione, ottenute con l’arresto del flusso d’aria comburente producono infatti una maggiore fumosità, che causa sporcamento del camino e della caldaia, e minore rendimento medio stagionale dell’impianto. In ogni caso, è necessaria la presenza di una caldaia di back-up alimentata a metano che sia in grado di intervenire nel caso in cui la caldaia a biomassa non sia in grado di supportare il carico termico richiesto o quando la caldaia è ferma per manutenzione ordinaria o straordinaria. 40 Il dimensionamento della caldaia Il dimensionamento della caldaia va pertanto eseguito dopo un’attenta valutazione delle caratteristiche dell’edificio e della fascia climatica in cui si trova, oltre che dalle caratteristiche dell’utenza (kWh/m2anno). L’energia richiesta è minore negli edifici ben coibentati e in quelli dotati di sistemi di riscaldamento ad alta efficienza, come gli impianti a pavimento o a parete radiante. Un altro fattore di cui tener conto, nel caso di caldaie a caricamento manuale, è il numero di cariche di legna che si intende effettuare nell’arco della giornata, in altre parole l’autonomia di funzionamento desiderata. Questa dipende dalla capienza del vano di carico legna e dalla potenza della caldaia. Il rapporto tra queste due grandezze, esprimendo la capacità di carico legna in litri e la potenza in kW, fornisce una stima grossolana della capacità di autonomia di funzionamento continuo alla massima potenza. 41 Il dimensionamento della caldaia Per il dimensionamento degli impianti a caricamento automatico (cippato o pellet) possono essere seguiti criteri simili a quelli relativi ad impianti convenzionali a gas/gasolio. Nel caso in cui si preveda di installare o di mantenere in esercizio una caldaia a gas/gasolio con funzione di integrazione e soccorso, la caldaia può essere dimensionata intorno al 70% della potenza di picco stimata. Questo consente di risparmiare sui costi di acquisto e di installazione. Poiché i picchi di fabbisogno di potenza sugli impianti di riscaldamento sono generalmente di breve durata, e limitati ad alcuni giorni del mese più freddo, con questo accorgimento si riesce comunque a coprire con l’energia da biomassa oltre il 90% del fabbisogno totale di calore. 42 Il dimensionamento della caldaia Nel caso in cui un’unica caldaia debba provvedere al riscaldamento di numerose utenze collegate, ad esempio, da una rete di teleriscaldamento, la potenza della caldaia a biomassa corrisponde alla somma delle potenze di tutte le utenze allacciate diminuita di un coefficiente di contemporaneità che tenga conto delle caratteristiche del prelievo termico delle varie utenze. Il valore di questo coefficiente va valutato caso per caso, ed è spesso compreso tra 0,6 e 0,7. Un secondo elemento da considerare è il coefficiente di utilizzo di ogni singola utenza. 43 Agenda Caldaie a biomassa per riscaldamento Aspetti progettuali legati alla sicurezza Il dimensionamento della caldaia Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria 44 Il dimensionamento dell’accumulo inerziale La presenza di un accumulatore inerziale consente un utilizzo ottimale dell’impianto a biomassa ed ne aumenta considerevolmente l’autonomia, soprattutto nei periodi meno freddi, in quanto l’energia sviluppata dalla caldaia in un periodo limitato viene accumulata e ridistribuita all’impianto di riscaldamento nell’arco della giornata. L’effetto tampone dell’accumulatore inerziale è tanto maggiore quanto maggiore è la dimensione dell’accumulatore stesso. 45 Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Il serbatoio inerziale Vin va dimensionato in funzione della quantità di legna contenuta nella caldaia (V), della potenza termica nominale (Pnom) e dal carico termico dell’edificio (Ped). La UNI EN 303-5:2004 “Caldaie per combustibili solidi, con alimentazione manuale e automatica, con una potenza termica nominale fino a 300 kW” indica un modello di calcolo per la capacità minima del serbatoio di accumulo. Vin = 15*tb*Pnom*[1-0,3*(Ph/Pmin)] Dove: Vin = volume serbatoio inerziale [lt] tb = periodo di combustione alla potenza termica nominale [h] Pnom = potenza termica nominale della caldaia [kW] Ph = fabbisogno termico del luogo di installazione [kW] Pmin = potenza termica minima della caldaia [kW] – indicata dal costruttore 46 Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Il periodo di combustione tb Definizione UNI EN 303-5:2004: «Con l’alimentazione manuale, è il tempo impiegato per bruciare il carico massimo di combustibile fino al raggiungimento del letto di braci. Il processo di combustione non deve subire interferenze durante questo periodo. Il letto di braci residuo deve essere sufficiente per riportare la caldaia alla potenza termica nominale con una nuova carica di combustibile». Disposizioni della UNI EN 303-5:2004: «Il periodo di combustione della caldaia a caricamento manuale funzionante, alla potenza termica nominale, deve essere specificato dal costruttore e deve essere di almeno: - per i biocombustibili : 2 h; - per i combustibili fossili: 4 h. Il periodo di combustione delle caldaie a caricamento automatico deve essere di almeno 6 h». 47 Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Esempio n°1: dimensionamento impianto con caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale - Carico termico (Ped), per il solo riscaldamento, di un appartamento di 100 m2: Ped = 10 kW - Energia termica giornaliera (E) da fornire all’appartamento (considero 12h): E = 120 kWh - Numero di cariche manuali (N): la scelta di questo parametro influenza, da un lato la taglia della caldaia, dall’altro l’impegno richiesto all’utente. Si scegli un valore pari a 1 per dare il massimo confort all’utente. N=1 - Potere calorifico inferiore combustibile (PCI): dipende dal grado di umidità e dalla tipologia di legno impiegato. Si consiglia di impiegare legna ben stagionata (2 anni al coperto). PCI = 3,7 kWh/kg (13.300 kJ/kg) Ne segue che ogni ricarica di legna deve avere un peso M complessivo pari a: M = E / (N*PCI) = 32,4 kg 48 Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Esempio n°1: dimensionamento impianto con caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale Ora sono in grado di determinare la capienza V della camera di combustione, nota la densità in mucchio ρbs della legna in ciocchi: ρbs = 350 kg/m3 (0,35 kg/lt) V = M/ ρbs = 92,6 lt 49 Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Esempio n°1: dimensionamento impianto con caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale Ipotesi: QH=QN Vin = 15*TB*QN*[1-0,3*(QN/Qmin)] TB= 6 ore (stima) 1) QN*TB = 15 kW*6h=90 kWh QN/Qmin = 15/15 = 1 Vin = 945 lt 945 lt / 15 kW = 63 lt/kW (vicino ai 55 lt/kW indicati dal costruttore) (da UNI EN 303-5:204) 50 Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Esempio n°1: dimensionamento impianto con caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale Dimensionamento finale per riscaldamento appartamento da 100 m2 - Potenza nominale caldaia: 15 kW - Serbatoio di accumulo inerziale: 945 lt 51 Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Esempio n°2: centrale termica con accumulatore inerziale 52 Agenda Caldaie a biomassa per riscaldamento Aspetti progettuali legati alla sicurezza Il dimensionamento della caldaia Il dimensionamento dell’accumulo inerziale Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria 53 Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria La produzione di acqua calda sanitaria mediante caldaia a biomassa può essere attuata con diverse modalità. Il sistema più semplice consiste nell’utilizzare un bollitore con scambiatore interno e collegare questo all’impianto mediante una pompa e un termostato. Il sistema può essere attuato sia in impianti dotati di accumulatore inerziale, sia in impianti privi di questo. Un accumulatore inerziale termicamente ben isolato consente durante l’estate di ricaricare più volte il bollitore sanitario senza dover riaccendere la caldaia. Negli impianti privi di accumulatore inerziale il bollitore sanitario dovrebbe avere la capacità di almeno 300 litri. In questo caso, per produrre l’acqua calda d’estate occorre avere l’accortezza di caricare la caldaia con poco combustibile. Alcuni modelli di accumulatore inerziale per caldaie a biomassa sono dotati di bollitore o di scambiatore di calore sanitario incorporato, per cui non richiedono l’installazione di un bollitore separato. 54 Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria Y1-Y3: valvole miscelatrici Y4-Y5: valvole non ritorno Y6: valvola termostatica Utenza ACS Y6 Dall’acquedotto Esempio di impianto per riscaldamento e acqua calda sanitaria con bollitore Y3 scambiatore con pannelli solari Accumulatore termico inerziale (Puffer) Caldaia 55 Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria In alternativa al bollitore, per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS) si può impiegare uno scambiatore di calore. Di seguito, una tabella che riassume vantaggi e svantaggi dell’una e dell’altra opzione per la produzione di ACS. Accumulo termico Ampia disponibilità di ACS. Scambiatore di calore Capacità limitata dalle dimensioni dello scambiatore. Non adatto per applicazioni con grossi carichi termici e/o contemporanei. Possibilità di impiegare caldaie con Potenza della caldaia strettamente connessa alla potenza installata più bassa. potenza dello scambiatore. Limitato rischio accumulo di calcare. Rischio più elevato di accumuli di calcare nello scambiatore. Ingombri e costi relativamente elevati. Ingombri termico. Rischio legionella. e costi inferiori rispetto all’accumulo Nessun rischio legionella. Perdita di calore verso l’ambiente Perdite verso l’ambiente esterno trascurabili. esterno (o maggiori costi coibentazione). 56 Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria Esempio di impianto per riscaldamento e acqua calda sanitaria senza bollitore istantaneo Utenza ACS Y6 Y3 scambiatore con pannelli solari Dall’acquedotto Caldaia Accumulatore termico inerziale (Puffer) Y1-Y3-Y5: valvole miscelatrici Y2: valvola a tre vie Y4: valvole non ritorno Y6: valvola termostatica 57