CORSO PER ENERGY MANAGER IL RISCALDAMENTO DEGLI EDIFICI
Ing. Fabio Fabbricatore
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Concetti generali L’INTERAZIONE EDIFICIO – UOMO L’edificio interagisce con l’ambiente esterno e con l’Uomo, in quest’ultimo caso l’interazione è in parte fisica (effetto sull’Uomo degli scambi termici con le pareti e l’aria ambiente) e in parte psicofisica, cioè espressa sotto forma di giudizio di accettazione e/o di soddisfazione. LE CONDIZIONI DI COMFORT TERMICO Le condizioni di comfort sono rappresentate da quell’insieme di parametri fisici e ambientali che portano al benessere dell’uomo inteso come l’insieme dei valori e dei parametri fisici che mantengono i parametri biologici ai valori ottimali con il minimo sforzo da parte dell’individuo. In particolare il benessere termico è riferito alle sole condizioni termoigrometriche e alla velocità dell’aria negli ambienti e pertanto le variabili che saranno prese in considerazione sono tali da influire, su quest’intorno.
CONDIZIONI DA CONTROLLARE E PARAMETRI CARATTERIZZANTI
• Condizioni termiche:Temperatura dell’aria e delle superfici • Condizioni igrometriche: Umidità relativa • Qualità dell’aria: Concentrazione di inquinanti • Movimenti dell’aria:Velocità
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE
Gli impianti di climatizzazione possono essere di tipo diverso a seconda della destinazione d’uso degli edifici, del fluido termovettore utilizzato, dal costo e quindi dalla qualità che si desidera avere. Ogni impianto di riscaldamento o di raffrescamento è composto a sezioni • Sezione di produzione dell’energia • Sezione di accumulo • Sezione di trasporto dell’energia • Sezione di regolazione e controllo • Sezione di scambio
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Classificazione secondo le funzioni espletate • IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Controllo di tutte le 4 condizioni, per tutti i periodi dell’anno • IMPIANTI PER LA CLIMATIZZAZIONE INVERNALE / ESTIVA Controllo di tutte le 4 condizioni, ma solo per il periodo inverno / estate • IMPIANTI DI TERMOVENTILAZIONE [INVERNALE / ESTIVA] Controllo delle condizioni termiche, di qualità e movimento dell’aria, ma non delle condizioni igrometriche [per il periodo inverno / estate] • IMPIANTI DI SOLA VENTILAZIONE Controllo unicamente delle condizioni di qualità e movimento dell’aria, condizioni (ed eventualmente di quelle igrometriche) • IMPIANTI DI RISCALDAMENTO (RAFFRESCAMENTO) Controllo unicamente delle condizioni termiche, nel periodo invernale / estivo • IMPIANTI DI UMIDIFICAZIONE / DEUMIDIFICAZIONE Controllo delle condizioni igrometriche
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Classificazione in funzione dei fluidi termovettori • IMPIANTI AD ACQUA: radiatori, pannelli radianti, ventilconvettori In genere controllano le condizioni termiche e di movimento dell’aria, non quelle igrometriche e di qualità dell’aria
• IMPIANTI AD ARIA: impianti a tutt’aria Possono controllare tutte le 4 condizioni
• IMPIANTI MISTI AD ARIA / ACQUA: ventilconvettori (o radiatori o pannelli radianti) + aria primaria In genere controllano le condizioni termiche, di qualità e di movimento dell’aria, non quelle igrometriche
• IMPIANTI AD ESPANSIONE DIRETTA In genere controllano le condizioni termiche e di movimento dell’aria, non quelle igrometriche e di qualità dell’aria
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE GENERATORI DI CALORE Qualsiasi tipo di generatore di energia termica che permette di trasferire al fluido termovettore il calore prodotto dalla combustione o dalla conversione di qualsiasi altra forma di energia (elettrica, meccanica, chimica, ecc.) anche con il contributo di fonti energetiche rinnovabili; GENERATORE DI CALORE A COMBUSTIONE: I generatori di calore più usuali sono le caldaie. In esse un combustibile solido, liquido o gassoso viene fatto reagire con l’ossigeno contenuto nell’aria atmosferica. Da tale reazione chimica di ossidazione viene prodotto calore e prodotti gassosi di combustione (fumi).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE
Potere calorifico: La quantità di calore prodotta dall’unità di massa di un determinato combustibile, quando questo brucia completamente, rappresenta il potere calorifico di quel combustibile.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Il potere calorifico superiore (Pcs o Hs): definisce la quantitĂ di calore liberata durante una combustione completa, a pressione costante della massa unitaria di combustibile, incluso il calore latente di evaporazione contenuto nel vapore acqueo dei gas di combustione. Il potere calorifico inferiore (Pci o Hi): definisce la quantitĂ di calore liberata durante una combustione completa diminuita del calore di condensazione, quando l'acqua che si viene a formare e sotto forma di vapore. Il processo di combustione e il maggiore produttore di particolato (air pollutants) Categorie di inquinanti: a) Prodotti di una combustione incompleta: Aerosol combustibili (solidi e liquidi), incluso fumo; monossido di carbonio, CO, idrocarburi gassosi; b) Anidride carbonica, CO2; c) Ossidi di Azoto (NOx), monossido NO d) Emissioni da combustibili contaminanti: ceneri; metalli ossidi di Zolfo (SO2, SO3)
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Una caldaia "tipo" e composta da: bruciatore, camera di combustione, scambiatore di calore, sistemi di controllo e sicurezza. Il loro compito è quello di produrre calore e di accumularlo in un fluido (in genere acqua sotto forma di liquido oppure vapore). Il fluido, a sua volta, ha il compito di trasportare il calore fino ai terminali, e per questo è chiamato fluido termovettore, cioè fluido che trasporta calore. Definizioni Valori nominali: sono quelli dichiarati e garantiti, dal costruttore per il regime di funzionamento continuo; Potenza al Focolare (Pf) Questa potenza e data dal prodotto del potere calorico inferiore del combustibile impiegato e della portata di combustibile (mc/h rilevati ad esempio dal contatore) 'unità di misura utilizzata è il [kW]. Potenza termica Utile (Pn) Questa potenza esprime la quantità di calore trasferita nell'unità di tempo al fluido termovettore, corrispondente alla potenza termica del focolare diminuita della potenza termica scambiata dall'involucro del generatore con l'ambiente e della potenza termica persa al camino; l'unità di misura utilizzata e' il kW
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Potenza termica Convenzionale Potenza termica del focolare diminuita della potenza termica persa al camino; questa potenza non rappresenta quella effettivamente ceduta al fluido termovettore (acqua o aria) in quanto non tiene conto delle perdite della caldaia nell'ambiente in cui si trova; l'unità di misura utilizzata e' il kW; Rendimento di combustione E’ il rapporto tra la potenza termica convenzionale e la potenza termica del focolare; Rendimento termico utile E il rapporto tra la potenza termica utile e la potenza termica al focolare;
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Classificazione in funzione del rendimento: Caldaie standard vengono definite quelle caldaie per le quali la temperatura media d’esercizio è limitata dalla tipologia costruttiva. Questo tipo di caldaia soddisfa i requisiti minimi essenziali per l’utilizzo dell’energia. Caldaie a bassa temperatura vengono definite quelle caldaie che possono funzionare in modo continuativo ad una temperatura d’ingresso da 35 a - 40°C e per le quali, in particolari condizioni, può aver luogo una condensazione del vapore acqueo contenuto nei gas di scarico.
Caldaie a condensazione vengono definite quelle caldaie concepite per sfruttare la condensazione del vapore acqueo dei gas di scarico
Rendimento minimo secondo la Direttiva Europea 92/42 CEE
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Classificazione in funzione delle caratteristiche costruttive e di funzionamento: A) A basamento in acciaio o ghisa con bruciatore separato: • Caldaie a tubi d’acqua •Caldaie a tubi di fumo (quasi totalità caldaie ad acqua calda oltre 100 kWt e molte caldaie a vapore sino a 15 bar); - ad inversione di fiamma o a fiamma rovescia (uscita fumi da parte anteriore del focolare); - a due o tre giri di fumo (uscita da parte posteriore del focolare ed uno o due fasci tubieri)
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Caldaie a basamento con bruciatore separato
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Caldaie a basamento con bruciatore separato Tra i generatori a tubi di fumo si distinguono: 1) Generatori innovativi a temperatura costante (alti spessori di isolamento, serranda su aria comburente); 2) Generatori a bassa temperatura, o di tipo scorrevole: minima temperatura del ritorno + bruciatore a piÚ stadi. No pompa anticondensa. Per evitare la condensa dei fumi sono adottati particolari fasci tubieri anticondensa in cui viene evitato il contatto diretto tra i fumi e acqua dell’impianto (tubi concentrici) B) A basamento con bruciatore incorporato:
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Caldaie a parete C) Generatori a parete (Pensili, Murali) con bruciatore integrato nel generatore
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Caldaie a parete
Tipo A: a camera aperta senza canna fumaria, non più a norma; Tipo B: a camera aperta con canna fumaria a tiraggio naturale: deve essere collocata in locali aerati, con assoluta esclusione di bagni, camere da letto e di locali dove siano presenti camini privi di autonoma presa d'aria; Tipo C: a camera chiusa con canna fumaria a tiraggio forzato: poiché è stagna l'aria comburente viene prelevata dall'esterno attraverso una tubazione: la caldaia può quindi essere collocata in qualsiasi locale, eccetto l'autorimessa, purché ventilato ;
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Caldaie a parete Le principali caratteristiche delle caldaie a parete Combustione stagna drastica riduzione delle trasmissione dal mantello (irraggiamento e convezione);
perdite
per
Combustione premiscelazione aria/gas per funzionamento ottimale ai carichi parziali; generatori modulari o sistemi modulari: aumenta il rendimento ai carichi parziali; adozione regolazione climatica con funzionamento a temperatura scorrevole (in genere per caldaie di tipo premiscelato); generatori a condensazione
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Caldaie Modulari Si tratta di caldaie che possono essere composte in più moduli fino ad arrivare a potenze elevate. Esse sono una valida alternativa alle centrali termiche tradizionali. La modularità permette di frazionare la potenza in base alle richieste dell’impianto e di erogare sempre la potenza strettamente necessaria, sia che si tratti di riscaldamento, sia di produzione di acqua calda sanitaria, con rapporti di modulazione impensabili nei sistemi tradizionali.
Vantaggi: -
Emissioni acustiche praticamente impercettibili. - Produzione contemporanea di calore per l’impianto di riscaldamento e per un eventuale bollitore remoto. - Eliminazione quasi totale delle perdite energetiche che si hanno nelle caldaie tradizionali a bruciatore spento. - Funzionamento senza interruzioni anche in fase di manutenzione.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Caldaie a condensazione Le caldaie tradizionali utilizzano solo una parte dell'energia del combustibile, il cosiddetto potere calorifico inferiore (PCI); il resto viene disperso dal camino sotto forma di vapore acqueo. La tecnologia a condensazione, al contrario, restituisce l'energia inutilizzata: raffredda il vapore acqueo trasformandolo in acqua e, nel corso di questo processo denominato "condensazione", recupera calore: il calore di condensazione. Questo tipo di caldaia in teoria ha rendimenti superiori al 100% !!!
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Caldaie a condensazione Per condensare il vapore dei fumi, le caldaie a condensazione sfruttano la temperatura dell'acqua di ritorno dall'impianto termico, piÚ fredda rispetto alla temperatura dell'acqua di mandata. I fumi vengono fatti passare in uno speciale scambiatore - condensatore che permette di sottrarre, tramite condensazione, il calore latente del vapore acqueo. In questo modo la temperatura dei fumi in uscita si mantiene allo stesso valore della temperatura molto bassa, ben inferiore ai 140/160 °C dei generatori tradizionali ad alto rendimento. Le caldaie a condensazione sono sempre dotate di ventilatore di estrazione dei fumi (tiraggio meccanico) per potere: - Vincere le resistenze fluidodinamiche create dal condensatore; - Migliorare lo scambio termico convettivo (si ha convezione forzata) fra fumi e acqua; - Minimizzare l’eccesso di aria e le perdite di calore sensibile nella combustione; - Massimizzare il rendimento.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE
Classificazione in funzione del combustibile utilizzato:
Le caldaie, oltre per il funzionamento, possono essere classificate per il tipo di combustibili utilizzati e in particolare di tipo:
- Solido - Liquido - Gassoso - Energia elettrica.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE A BIOMASSA
Negli ultimi anni, anche per effetto degli incentivi della legislazione vigente (principalmente la UNI TS 11300/4 e il D.Lgs. 28/2011), si stanno diffondendo molto le caldaie a biomassa. Quest’ultima deriva da scarti di lavorazione del legno (ad esempio il cippato) o dal legno stesso, dai rifiuti della lavorazione delle olive e dell’uva e dai residui organici di lavorazione del comparto agro-alimentare. il combustibile utilizzato viene considerato non inquinante nel breve periodo nel senso che la CO2 liberata dalla combustione viene riutilizzata dalle piante nella fotosintesi clorofilliana per riprodurre la stessa biomassa (ad esempio il legno). In definitiva si ha un ciclo virtuoso che non sovraccarica l’ambiente di CO2.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE A BIOMASSA La caldaia a biomassa è costituita da un contenitore in lamiera all’interno del quale è presente la camera di combustione. Il combustibile viene condotto automaticamente all'interno della camera di combustione. Vengono generati quindi calore e fumi: i fumi dalla caldaia vengono condotti all'esterno per mezzo della canna fumaria, il calore viene trasmesso tramite i fumi stessi, che indirizzati verso l'esterno passano all'interno di tubi immersi nell'acqua che riceve il calore. Una caldaia a biomassa di nuova concezione deve prima di tutto poter regolare in modo automatico l’afflusso d’aria in funzione della combustione, una delle tecniche più evolute è quella della sonda lambda.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE A BIOMASSA Il concetto di base di una regolazione della combustione con biomassa è quello di monitorare l’aria primaria e quella secondaria, e regolarne l’afflusso nella camera di combustione. Si pensi per esempio ad un camino, quando si brucia della legna è necessario che ci sia un’apertura inferiore che crei un apporto d’aria (primaria) e poi mediante una ventilazione manuale si crea un apporto di ulteriore aria (secondaria). La superficie esterna dell’elemento in ceramica è a diretto contatto con i fumi, mentre la superficie interna con l’atmosfera. Entrambe le superfici sono rivestite di un sottile strato (generalmente di platino). L’ossigeno attraversa lo strato ceramico e carica elettricamente il rivestimento che quindi genera un segnale elettrico che viene inviato, mediante il cavo di connessione del sensore, alla regolazione elettronica che adeguerà di conseguenza l’afflusso dell’aria agendo sul ventilatore.
Sonda lambda
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE A BIOMASSA
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE A GASOLIO Si tratta del tipo più diffuso di generatore di calore. Esso è costituito da una caldaia, da un bruciatore e da un serbatoio per il gasolio. Ha buone caratteristiche d’uso: rendimenti di combustione elevati, specialmente nelle caldaie di nuova generazione, bassi costi di installazione e di manutenzione, buona affidabilità e tecnologia diffusamente conosciuta (e quindi facile reperibilità della mano d’opera) e buona economia di esercizio.
Questo tipo di generatore è utilizzato quasi esclusivamente per il riscaldamento di condomini e/o di grandi edifici pubblici, meno frequentemente per il riscaldamento di abitazioni singole (villette o appartamenti isolati).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE BRUCIATORI • BRUCIATORE A GAS ATMOSFERICO • BRUCIATORE A GAS PREMISCELATO • BRUCIATORE PRESSURIZZATO (ARIA SOFFIATA)
Bruciatori a gas atmosferico Sono bruciatori alimentati da gas e aria a pressione atmosferica. Parte dell’aria (detta “primaria”) è derivata con sistemi che creano depressioni a valle dei bruciatori. Altra aria (detta “secondaria”) è invece derivata dai flussi ascensionali dei fumi caldi ed è sfruttata direttamente dalle fiamme del bruciatore.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Bruciatori a gas atmosferico Vantaggi: – basso costo; – assenza di rumori, dato che non è prevista la presenza di ventilatori o di bruciatori pressurizzati; – facilità di messa in opera e avviamento. Svantaggi: – basso rendimento; – elevata produzione di NOx, cioè di ossidi di azoto: sostanze considerate molto inquinanti. Alcuni modelli di caldaie con questi bruciatori non sono più commerciabili in diversi Paesi europei dove, per proteggere l’ambiente, sono stati fissati limiti all’emissione dei NOx nell’atmosfera.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Bruciatori a gas premiscelato Sono bruciatori dotati di un ventilatore che invia la miscela gas/aria verso la zona dove ha luogo la combustione. Rispetto ai bruciatori atmosferici sono in grado di offrire i seguenti vantaggi: – miglior rendimento di combustione, in quanto la presenza del ventilatore consente di migliorare i rapporti di combustione della miscela gas/aria e anche di poter modulare la potenza erogata; – minor dispersioni termiche con bruciatore disattivato, in quanto questi bruciatori evitano il tiraggio naturale dell’aria attraverso la caldaia.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Bruciatori a gas premiscelato Sono attualmente disponibili anche bruciatori a gas premiscelato (di forma sferica o cilindrica e in materiale refrattario) capaci di assorbire parte del calore prodotto dalla combustione e di restituirlo per irraggiamento. Tali bruciatori, detti radianti, funzionano con fiamme a bassa temperatura: caratteristica che fa ridurre sensibilmente la produzione di ossidi di azoto (NOx).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Rendimento di produzione ηp Il rendimento di produzione medio stagionale è il rapporto fra il calore utile prodotto dal generatore nella stagione di riscaldamento e l’energia fornita nello stesso periodo sotto forma di combustibile ed energia elettrica. Il rendimento di produzione medio stagionale si può senz’altro migliorare riducendo le perdite di calore:
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Miglioramento del rendimento di produzione ηp Il miglioramento del rendimento medio stagionale di produzione dipende dai fattori costruttivi dei generatori, ed è influenzato anche dalle scelte progettuali, dal tipo di regolazione e dal modello di conduzione. Qfbs Qpre Qd rappresenta le perdite per trasmissione, dal mantello verso l’ambiente di installazione; Qf rappresenta le perdite di combustione; Qd
Qfbs rappresenta le perdite al camino durante i periodi di inattività del bruciatore; Qpre rappresenta le perdite di prelavaggio del circuito dei fumi.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Miglioramento del rendimento di produzione ηp Perdite per trasmissione, dal mantello verso l’ambiente di installazione Qd Queste perdite sono presenti quando la caldaia è attiva (attraversata da acqua calda), indipendentemente dal fatto che il bruciatore sia acceso o spento. Le perdite dal mantello si possono ridurre con il concorso di più espedienti, costruttivi e progettuali: A) con un efficace isolamento termico del mantello; B) mantenendo bassa la temperatura media dell’acqua nel Generatore (ciò comporta l’adozione di impianti a bassa temperatura); C) dimensionando il generatore per l’effettivo fabbisogno (un sovradimensionamento non giustificato genera un inutile aumento di costi ed un deprecabile aumento delle dispersioni passive); D) installando i generatori in ambiente protetto (all’interno dell’involucro riscaldato o in apposita centrale termica).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Miglioramento del rendimento di produzione ηp Perdite per trasmissione, dal mantello verso l’ambiente di installazione Qd
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Miglioramento del rendimento di produzione ηp • Qf Perdite di combustione (fumi) a generatore in funzione: sono costituite dal calore sensibile contenuto nei prodotti della combustione, che vengono scaricati all’esterno.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Miglioramento del rendimento di produzione ηp
Riduzione delle perdite con il concorso di più espedienti, costruttivi e progettuali: A) Combustione migliore, riduzione di incombusti. B) Abbassamento temperatura dei fumi mediante sistema di scambio più efficiente o riducendo la temperatura dell’acqua in caldaia (con il limite del funzionamento del camino: tiraggio proporzionale ad altezza del camino e temperatura dei fumi).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Miglioramento del rendimento di produzione ηp • Qfsb Perdite al camino a generatore spento
Sono dovute al tiraggio del camino che, durante i periodi di inattività del bruciatore, aspira aria dall’ambiente, che passando attraverso il generatore, asporta calore dalle sue strutture interne e lo convoglia al camino.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Miglioramento del rendimento di produzione ηp • Qfsb Perdite al camino a generatore spento Le perdite al camino a bruciatore spento possono essere ridotte con i seguenti criteri: 1. adottando bruciatori muniti di serranda in grado di chiudere accuratamente l’ingresso dell’aria comburente durante i periodi di fermata del bruciatore; 2. sigillando accuratamente ogni possibile ingresso d’aria nel generatore; 3. abbassando la temperatura dei fumi, in modo da limitare il tiraggio; 4. inserendo regolatori di tiraggio, nel caso di tiraggio eccessivo.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE CALDAIE Miglioramento del rendimento di produzione ηp • Qpre Perdite per prelavaggio Le perdite di prelavaggio sono dovute al flusso d’aria generato dai bruciatori prima di ogni accensione, allo scopo di assicurare l’assenza in camera di combustione di possibili miscele esplosive. La durata del prelavaggio è fissata dalla normativa in funzione della potenza termica bruciata e del tipo di combustibile. Riduzione delle perdite per prelavaggio - Generatori non sovradimensionati -Adozione di timer per non consentire la riaccensione del bruciatore prima di 10-15’ dall’ultimo spegnimento
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE
POMPA DI CALORE La pompa di calore è una macchina che fornisce calore all’ambiente (sorgente
calda) a temperatura controllata o climatizzato prelevandolo da una sorgente termica a temperatura inferiore ( sorgente fredda); • Compressore • Condensatore • Valvola di espansione • Evaporatore
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE POMPA DI CALORE Schema di funzionamento
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE POMPA DI CALORE Schema di funzionamento
Aumento di p T p: bassa T: bassa
p: alta T: alta
Prelievo di calore dalla sorgenti fredda
Cessione del calore all’ambiente da riscaldare
Riduzione di p T
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE POMPA DI CALORE Il mezzo frigorigeno Quando un liquido evapora a temperatura ambiente, esso gli sottrae una quantità di energia corrispondente al suo calore latente di evaporazione moltiplicato per la quantità di liquido evaporato. Tanto più è bassa la temperatura di evaporazione di una sostanza, tanto più la stessa sarà adatta a prelevare calore dall’ambiente in cui è immersa anche quando si trova a basse temperature. Con “mezzo frigorigeno” si individua una sostanza in grado di evaporare a temperature anche al di sotto di 0°C. Essa rappresenta quindi un mezzo idoneo per “attingere” calore dall’ambiente freddo. D’altro canto il mezzo frigorigeno dovrà essere in grado di condensare alla temperatura più elevata possibile per cedere calore a pozzi “caldi” ovvero al fluido circolante nei terminali di impianto.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE POMPA DI CALORE Classificazione Le pompe di calore possono essere classificate in base alla natura della sorgente fredda (primo termine) e di quella calda (secondo termine), che possono essere aria oppure acqua.
acqua-acqua: dove verrà riscaldata acqua trasferendo calore da altre acque; acqua-aria: dove verrà riscaldata aria attingendo calore da acqua; aria-aria: dove verrà riscaldata aria trasferendo calore da altra aria; aria-acqua: dove verrà riscaldata acqua attingendo calore da aria;
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE POMPA DI CALORE Efficienza L’efficienza è misurata dal coefficiente di prestazione COP che è il rapporto tra l’energia prodotta, calore ceduto all’ambiente da riscaldare, e l’energia elettrica consumata per far funzionare la macchina.
COP = Pt / E
Pt : potenza termica erogata E : energia elettrica assorbita
Va tenuto conto inoltre che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore. Al di sotto di una temperatura di 2°C la pompa di calore si disattiva in quanto le sue prestazioni si ridurrebbero significativamente.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE IL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE I principali fluidi termovettori impiegati nella distribuzione del calore sono acqua e aria; l’acqua presenta dei vantaggi che ne fanno generalmente il vettore preferito a tale scopo: ha un calore specifico superiore di quattro volte rispetto a quello dell’aria (γH2O = 4.186 kJ/kg K, γa = 1.004 kJ/kg K) e ha un coefficiente di convezione più elevato. La scelta della tipologia distributiva è legata al generatore di calore in parte alla tipologia dei terminali di utilizzo (radiatori, ventilvonvettori, convettori etc) ed in parte alle evoluzioni tecnologiche che in particolar modo negli ultimi decenni hanno caratterizzato il settore impiantistico termico. Le tubazioni sono generalmente realizzate in rame, acciaio o plastica.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE IL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE SCHEMA TIPICO DI DISTRIBUZIONE VERTICALE PER IMPIANTI CENTRALIZZATI
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE IL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE SCHEMA TIPICO DI DISTRIBUZIONE ORIZZONTALE PER IMPIANTI CENTRALIZZATI
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE IL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE Impianti individuali con generatore autonomo Sistema Monotubo
È opportuno osservare che con questa disposizione la temperatura dell’acqua che alimenta i singoli corpi scaldanti è progressivamente minore, fatto di cui il progettista dovrà tener conto al fine del calcolo della superficie di scambio dei corpi scaldanti. Ad esempio, nel caso in cui si voglia che i corpi scaldanti del circuito forniscano agli ambienti lo stesso flusso termico, occorrerà incrementare via via la loro superficie di scambio per compensare la progressiva diminuzione della temperatura dell’acqua.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE IL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE Impianti individuali con generatore autonomo Sistema a Collettore
Tutti i corpi scaldanti di un appartamento per esempio possono essere serviti mediante una rete orizzontale di sottili tubi di rame (mandata e ritorno) che collegano i corpi scaldanti agli attacchi previsti sul collettore, posto al centro dell'appartamento
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE IL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE Collettori I collettori di zona sono collettori interni che collegano la rete principale di distribuzione ai vari elementi terminali. Sono realizzati in ottone, ma esistono anche in rame o in lega di alluminio e sono a loro volta suddivisi in: - ciechi: con un’estremità chiusa e l’altra predisposta per l’attacco delle tubazioni; hanno un numero variabile di derivazioni maschio/femmina con cui raccordare gli elementi terminali; - semplici: hanno entrambe le estremità aperte e sono componibili tra loro per sistemi di complessità variabile; hanno un diverso numero di derivazioni maschio/femmina per il raccordo agli elementi terminali; - complanari (verticali o orizzontali): costituiti da un doppio condotto ciascuno con il proprio asse giacente sullo stesso piano dell’altro; da ciascun condotto si diramano un numero variabile di derivazioni maschio/femmina per il raccordo agli elementi terminali; - con valvole di intercettazione: stesse caratteristiche dei collettori semplici, ma ciascuna derivazione è dotata di una valvola per la regolazione del flusso.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Rendimento di produzione ηd
Il rendimento di distribuzione è il rapporto fra la somma del calore utile emesso dai corpi scaldanti e del calore disperso dalla rete di distribuzione all’interno dell’involucro riscaldato dell’edificio ed il calore in uscita dall’impianto di produzione ed immesso nella rete di distribuzione. Il rendimento di distribuzione medio stagionale caratterizza l’influenza della rete di distribuzione sulla perdita passiva di energia termica (quella non ceduta agli ambienti da riscaldare).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Miglioramento del Rendimento di produzione ηd
Il calore Qd disperso da una tubazione è inversamente proporzionale alla resistenza termica del suo isolamento termico e direttamente proporzionale al diametro, alla lunghezza e alla differenza di temperatura fra fluido ed ambiente. Per ridurre le suddette dispersioni occorre pertanto: - preferire tipologie impiantistiche che prevedano una rete di distribuzione tutta interna all’involucro riscaldato, in modo che le dispersioni siano recuperate per il riscaldamento degli ambienti; - prevedere reti di lunghezza il più possibile contenuta, evitando percorsi tortuosi e non necessari;
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Miglioramento del Rendimento di produzione ηd
- ove non sia possibile evitare percorsi esterni all’involucro riscaldato, prevedere un congruo ed accurato isolamento termico delle tubazioni, prevedere spessori minimi di materiale isolante che sono funzione della temperatura del fluido e della conduttività del materiale isolante impiegato; - prevedere salti termici elevati e portate modeste in modo da ridurre le dimensioni (i diametri) della rete di distribuzione; - prevedere temperature di progetto il più possibile basse
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione
Terminali
Per “terminali” dell'impianto si intendono gli apparecchi che cedono calore nell'ambiente da riscaldare, le principali tipologie sono: Radiatori (detti anche termosifoni o convettori) Ventilconvettori Pannelli radianti: a pavimento (i più usati), a parete, a soffitto Generatori d’aria calda Aerotermi Termostriscie Nastri radianti Tubi radianti Emettitori radianti ad incandescenza Pannelli radianti elettrici – riscaldatori ad infrarosso Radiatori individuali a gas
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Terrmosifoni L'acqua calda prodotta dalla caldaia viene convogliata attraverso una rete di tubi collegati ai radiatori (o convettori), montati nei punti prefissati dall'impiantista per poter permettere di riscaldare le singole stanze e i corridoi. Il radiatore costituisce la parte finale dell'impianto e va dal classico termosifone a elementi, a quello a piastra radiante. Esistono dei modelli, inoltre, che abbinano al funzionamento normale ad acqua calda della caldaia, anche una resistenza elettrica per produrre calore in situazioni di necessità immediata o fuori stagione, quando il riscaldamento è spento.
I materiali di costruzione variano dalla ghisa (ha un'elevata inerzia termica, si scalda lentamente ma conserva il calore molto a lungo), all'acciaio (garantisce eccellenti risultati estetici e ha un'ottima resa termica), all'alluminio (come l'acciaio si scalda rapidamente, ma si raffredda altrettanto velocemente).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Termosifoni in alluminio
I radiatori in alluminio hanno una vita utile più breve rispetto a quelli in ghisa. Si caratterizzano per la leggerezza e la resistenza alle corrosioni esterne; Sono leggermente più costosi rispetto ai radiatori in acciaio e possono essere soggetti a corrosioni interne nel caso in cui l’acqua sia troppo addolcita.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Termosifoni in ghisa
Questa tipologia di radiatori sono di tipo modulari modulari con elementi a colonne o piastre di conseguenza si possono realizzare corpi scaldanti di potenzialità adeguata alle esigenze dell’ambiente in cui devono essere installati, resistenti alla corrosione con una vita utile molto lunga. Sono molto pesanti e e hanno un’ elevata inerzia termica: da un lato, l’ambiente si mantiene caldo per un certo periodo di tempo dopo lo spegnimento dell’impianto, dall’altro, la temperatura interna dell’ambiente si porta a regime con un ritardo superiore rispetto al caso in cui si impieghino radiatori in acciaio o alluminio.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Termosifoni in acciaio
Sono costituiti da elementi saldati (piastre, lamelle, colonne), pertanto non sono componibili ma le proprietà meccaniche dell’acciaio permettono la realizzazione di radiatori di forme e dimensioni tali da risultare più leggeri e meno costosi rispetto a quelli in ghisa. Lo svantaggio principale è che sono soggetti a corrosione.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Ventilconvettori Per mezzo del ventilatore di cui sono equipaggiati che investe l'intero ambiente, produce un attivo ricircolo d'aria, impedisce la formazione di zone stagnanti e stratificazioni e mantiene un movimento dell'aria gradevole e uniforme. Il riscaldamento con i ventilconvettori produce un buon comfort. Infatti essi mantengono un flusso d'aria temperata nell'intero locale alla velocità e portata che meglio rispondo alle esigenze del momento. L'aria viene diffusa a temperatura moderata poichè il ventilconvettore è alimentato con acqua a bassa temperatura rispetto a quella dei radiatori: appena 45 o 50 °C. Ciò mantiene il livello di umidità dell'aria a valori entro i limiti di benessere nella maggior parte della stagione di riscaldamento. Inoltre, nei locali la velocità dell'aria si mantiene sui valori di benessere (da 0,13 a 0,20 m/s).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Ventilconvettori Si distinguono in funzione della modalitĂ di installazione in: A pavimento
Da incasso
A cassetta
Universale
A parete
Da canale
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Ventilconvettori
I più recenti ventilconvettori hanno un filtro sulla ripresa dell'apparecchio che trattiene con continuità polveri, filacce, fibre, pelo animale ecc. depurando l'aria e prevenendo l'inalazione di queste impurità. Pertanto le persone che soggiornano negli ambienti risultano protette contro gli effetti delle polveri, e nei locali si realizzano condizioni più igieniche e salutari. I ventilconvettori consentono di predisporre l'impianto per il condizionamento estivo.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Pannelli Rdianti La ricerca e lo sviluppo di sistemi innovativi sia per il comfort che per il risparmio energetico ha messo a punto la tecnologia dei pannelli radianti che si utilizzano nel riscaldamento e raffrescamento installandoli a pavimento, a parete e a soffitto. Le attuali soluzioni permettono di dotare qualsiasi edificio nuovo o esistente, dal civile all'industriale, di impianti inglobati nelle strutture edili piÚ vari. Si ottiene cosÏ una sensazione di comfort dovuta anche al fatto che l'aria è meno secca rispetto al sistema a radiatori e non vi sono correnti di aria calda.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Pannelli Rdianti Il pannello radiante ha il vantaggio di dare la sensazione di trovarsi in un ambiente con 22-23°C mentre in realtà il termometro segna solo 20°C; ha inoltre un'importante funzione di isolamento acustico che permette di assorbire i rumori tra i vari piani. Un ulteriore vantaggio dei pannelli radianti è che essi funzionano a bassa temperatura e quindi sono adatti all’integrazione con il solare termico, che può facilmente scalda l'acqua a temperature attorno ai 40°C. Difetti: • Elevata inerzia termica • Maggiore spessore massetto • Interferenza con altri impianti a pavimento
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Pannelli radianti a pavimento nell’industriale
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Pannelli radianti a parete
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di erogazione Pannelli radianti a parete
Tutelano dalle pareti fredde(da installare quindi preferibilmente sulle pareti esterne) Problemi di arredabilitĂ degli ambienti (anche quadri, mensole, armadi) Interferenze con altri impianti (elettrici soprattutto)
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Rendimento di produzione ηe
Il rendimento di emissione medio stagionale è definito come il rapporto fra il calore richiesto per il riscaldamento degli ambienti con un sistema di emissione teorico di riferimento, in grado di fornire una temperatura ambiente perfettamente uniforme ed uguale nei vari locali ed il sistema di emissione reale, nelle stesse condizioni di temperatura ambiente e di temperatura esterna. Il rendimento di emissione individua quindi l’influenza del modo di emissione del calore e quindi sulle perdite di calore dovute a trasmissione localizzata, stratificazione dell’aria, movimenti dell’aria, ecc.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Miglioramento del Rendimento di emissione Ρe
La verifica del rendimento di emissione non è agevole, per cui conviene adottare tutti quegli accorgimenti in grado di migliorarne il valore quali: - bassa temperatura media di progetto del fluido termovettore; - buon isolamento termico della parete retrostante; - strato riflettente sulla parete retrostante; - mensole atte a deviare i flussi convettivi verso l’interno del locale; - taglio termico delle mensole stesse; ed inoltre, negli ambienti industriali, installazione di destratificatori di temperatura.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di regolazione
I sistemi di regolazione hanno quindi lo scopo di mantenere la temperatura all’incirca costante negli ambienti interni, indipendentemente dalle condizioni climatiche esterne. L’impianto, infatti, deve essere dimensionato per assicurare il comfort interno anche in presenza di punte eccezionali di freddo e, comunque alle temperature minime medie della zona. In pratica queste condizioni climatiche si verificano per un periodo di tempo relativamente breve durante tutta la stagione di riscaldamento. Se si continuasse a fornire all’edificio la stessa quantità di calore, indipendentemente dal valore della temperatura esterna, si avrebbe un surriscaldamento degli ambienti interni e, di conseguenza, un notevole spreco di energia.
La regolazione può essere effettuata in modi diversi, in relazione al tipo di impianto, al grado di precisione e di automatismo che si vuole raggiungere.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di regolazione I tipi di regolazione REGOLAZIONE MANUALE REGOLAZIONE CON SONDA ESTERNA REGOLAZIONE PER SINGOLO AMBIENTE VALVOLE TERMOSTATICHE Regolazione manuale L’ultimo riferimento a questo tipo di regolazione è contenuto nella UNI 10348 del 1993, sostituita nel 2008. La normativa vigente (UNI/TS 11300-2 e UNI EN 15316) non contempla questo tipo di regolazione su nuove installazioni, tuttavia non è raro imbattersi in impianti esistenti di tal sorta, in sede di diagnosi energetica. In questo caso, la regolazione è declinata al controllo manuale tramite il termostato di caldaia: esso controlla la temperatura di mandata del fluido termovettore ai terminali di impianto. Nel caso di un edificio condominiale, con una simile regolazione non si riesce ad ottenere né la costanza nel tempo né l’uniformità nello spazio della temperatura ambiente nei diversi alloggi.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di regolazione
Regolazione con sonda esterna
Generalmente gli impianti centralizzati sono dotati di una centralina di controllo (programmatore) con la quale: • vengono impostatati i tempi di accensione dell’impianto; • viene regolata automaticamente la temperatura di mandata dell’acqua ai radiatori sulla base della temperatura esterna, rilevata con una sonda di temperatura. La centralina agisce su una valvola (a 3 o 4 vie) che miscela l’acqua calda di mandata con quella fredda di ritorno. In questo modo, al variare della temperatura esterna, si riesce con una certa approssimazione, a mantenere costante la temperatura dell’edificio (per esempio a 20°C). Nel caso di edifici nuovi o di ristrutturazione di impianti termici, è prescritta l’installazione di centraline che diano la possibilità di regolare la temperatura ambiente, almeno su due livelli sigillabili nell’arco delle 24 ore (per esempio 20°C di giorno e 16°C di notte).
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di regolazione
Regolazione per singolo ambiente
Negli impianti individuali a servizio di una sola unità immobiliare è frequente e consigliabile l’installazione di un programmatore che accende e spenge automaticamente la caldaia: • in base alla temperatura ambiente scelta (termostato;) • in base alla temperatura ambiente e ad orari prefissati (cronotermostato). Con questo sistema di regolazione, si realizza, con migliore approssimazione, l’obiettivo di mantenere la temperatura costante al variare delle condizioni climatiche esterne. Inoltre, è possibile scegliere orari di accensione più adatti alle esigenze di chi occupa l’alloggio, sempre nel rispetto degli orari e delle temperature fissate dalla legge. Anche negli impianti individuali, negli edifici nuovi o nel caso di ristrutturazioni, è obbligatorio l’uso di un cronotermostato regolabile su due livelli di temperatura.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di regolazione Valvole termostatiche
Sia negli impianti centralizzati che in quelli individuali si sono fatti grandi passi nella direzione di consumare l’energia solo dove e quando serve. Si può regolare la temperatura di ogni singolo ambiente per sfruttare anche gli apporti gratuiti di energia, cioè quelli dovuti, ad esempio, alla presenza di molte persone, ai raggi del sole attraverso le finestre, agli elettrodomestici. Per ogni radiatore, al posto della valvola manuale, si può installare una valvola termostatica per regolare automaticamente l’afflusso di acqua calda in base alla temperatura scelta ed impostata su una apposita manopola graduata.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di regolazione
Valvole termostatiche
Le valvole termostatiche sono dei regolatori di temperatura che funzionano in modo autonomo, cioè senza alcun bisogno di energie sussidiarie. Il loro compito è quello di mantenere (facendo variare la portata e quindi l’emissione termica dei corpi scaldanti) la temperatura ambiente a valori prefissati. Il sensore e il motore di queste valvole sono costituiti da un bulbo, detto termostatico, che contiene fluidi (cera, soluzioni liquide o gas) ad alto coefficiente di dilatazione. Se la temperatura dell’aria ambiente aumenta, il fluido del bulbo si dilata e manda in chiusura l’otturatore. Si riduce così la portata del corpo scaldante e la relativa quantità di calore emesso. Se, invece, la temperatura dell’aria diminuisce, il fluido del bulbo si contrae e una molla, detta di contrasto, manda in apertura l’otturatore. Cresce così la portata del corpo scaldante e la relativa quantità di calore emesso.
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di regolazione Valvole termostatiche
IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE Sistema di regolazione Valvole termostatiche
Vantaggi Risparmio costi riscaldamento fino al 30%. Controllo della temperatura in ogni singolo ambiente. Non sono richiesti cablaggi o interventi speciali. Permettono di adeguare le modalità di riscaldamento alla effettiva presenza in casa, spegnendo i caloriferi durante i periodi di assenza (lavoro, vacanza, ecc.).
GRAZIE PER L’ATTENZIONE