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Tutti i diritti riservati. Nessuna parte del presente opuscolo può essere riprodotta o
diffusa con qualsiasi mezzo senza previa autorizzazione da parte di Erretiesse S.p.A.
1
PRESENTAZIONE
Questo opuscolo nasce dalla volontà di fornire un utile riferimento per tracciare, partendo
dalle più basilari conoscenze sui combustibili e sulla loro combustione, i concetti
fondamentali che stanno alla base della tecnica a condensazione e dei benefici riconducibili da
un suo uso appropriato.
Quanto descritto deriva da una lunga esperienza maturata da Erretiesse nella quotidiana opera
di promozione di sistemi molto efficienti per un uso più razionale dell’energia; opera portata
avanti con la consapevolezza che le migliori performances di questa ormai “matura
tecnologia” non siano legate solamente a “teorici parametri prestazionali puntuali”, quali ad
esempio i rendimenti a pieno o a carico parziale, ma che i migliori benefici energetici siano
diretta conseguenza di un corretto “modus operandi” che la conduzione dell’impianto
dovrebbe necessariamente garantire a questi generatori.
Va precisato, infatti, che la denominazione “a condensazione” da sola non basta per ottenere
un significativo recupero energetico e quindi, ecco il concetto di “condensazione vista
dall’impianto”.
Da tempo si sente parlare di tecnica della condensazione anche se solo recentemente il
fenomeno sta diventando un’interessante realtà sospinta dai numerosi vantaggi economicoinstallativi che ne derivano. La diffusione di norme specifiche, in particolare, sta contribuendo
seppure in ritardo a colmare dei vuoti che, fino a pochi anni fa, hanno di fatto concorso a
creare diffidenza verso questa tecnologia. Alla rapida diffusione di prodotti a condensazione,
concorrono oggi anche le amministrazioni pubbliche le quali, attraverso incentivazioni legate
a programmi di risparmio energetico, tendono a facilitare l’adozione di questa tecnologia
incentivando conseguentemente le aziende a proporle in maniera sempre più determinata.
Recenti provvedimenti legislativi inoltre, per soddisfare i nuovi requisiti sull’efficienza
energetica degli edifici introdotti con la Direttiva Energy Performance of Buildings (EPBD)
2002/91/CE, richiedono indispensabilmente l’impiego di processi di combustione altamente
efficienti per contribuire efficacemente a contenere entro limiti ristretti il consumo energetico
dovuto alla climatizzazione degli edifici.
Le prestazioni che si possono ottenere quindi dall’uso dei Sistemi a condensazione,
sapientemente progettatati, installati ed opportunamente gestiti, possono certamente
conseguire ottimali livelli prestazionali ed elevate economie di esercizio, rispetto alle
tecnologie standard, sia nelle nuove installazioni che nelle riqualificazioni impiantistiche.
L’opuscolo è stato pensato per un pubblico prevalentemente tecnico, al fine di poter
contribuire a diffondere in maniera più chiara ed esaustiva alcuni aspetti legati all’impiego di
questi moderni generatori di calore, aspetti che a volte sembrano essere tralasciati per fare
spazio ad argomentazioni francamente meno convincenti.
I richiami normativi che chiudono questo scritto, in particolare, vogliono essere un invito ad
approfondire ulteriormente le regole della buona tecnica, affinché si creino tutte le condizioni
necessarie a far si che questa tecnologia sia correttamente fruita.
Confidando che questo opuscolo possa essere un’efficace e concreto strumento di lavoro, Le
auguriamo un’interessante e piacevole lettura.
ERRETIESSE S.p.A.
2
INDICE
Pag
1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
1.12.
1.13.
LA COMBUSTIONE
Combustibili e combustione
Stechiometria della combustione
Combustione ed eccesso d’aria
Eccesso d’aria e condensazione
Volume dei fumi
Il rendimento di combustione
Perdite di calore
Il diagramma di Ostwald
Il diagramma di Bunte
Combustione ed agenti inquinanti
Tecnologie volte a ridurre gli agenti inquinanti
Riferimenti normativi antinquinamento
Misura degli agenti inquinanti
5
5
8
10
14
15
16
18
21
23
23
29
31
34
2.
2.1.
2.2.
37
37
2.3.
2.4.
2.5.
LA CONDENSAZIONE
Analisi energetica del fenomeno della condensazione
Differenze prestazionali tra un generatore ad alto rendimento ed un generatore a
condensazione
Calore latente e condensazione
La condensazione in numeri
Caratteristiche del condensato
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
LA MODERNA GENERAZIONE DEL CALORE
Generalità
Requisiti di rendimento dei moderni generatori di calore
La marcatura energetica a stelle
Dal rendimento puntuale al rendimento di produzione stagionale
Accorgimenti per innalzare il rendimento di un generatore a condensazione
45
45
49
50
52
57
4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
VANTAGGI DELLA TECNICA A CONDENSAZIONE
65
Premessa
65
Benefici ottenibili con le caldaie a condensazione
67
Confronto prestazionale tra diverse tipologie di generatori
68
Valutazione dei consumi di combustibile derivanti da diverse soluzioni tecnologiche 69
Valutazione economica con metodologia VAN
75
Consumi energetici degli edifici
84
Valutazione dei benefici derivanti dalla riqualificazione di un impianto termico al
servizio di un condominio di 20 alloggi
89
Valutazione dei benefici derivanti dalla riqualificazione di un impianto termico al
servizio di un condominio di 32 alloggi
92
Conclusioni
94
4.8.
4.9.
5.
5.1
5.2
5.2.1.
SOLUZIONI A CONDENSAZIONE ERRETIESSE
Filosofia Erretiesse
Gamma Geminox
Geminox THRi: caldaie pensili a condensazione
5.2.2. Geminox THRi: caldaia a basamento a condensazione con doppio circuito
5.2.3. Geminox Arté: caldaie pensili a condensazione per edifici residenziali collettivi
3
38
41
41
44
95
95
95
96
97
98
5.2.4.
5.2.5.
5.2.6.
5.2.7.
5.3
5.3.1
5.3.2
5.4
5.4.1
5.3.2
Geminox THRi-TWIN: caldaie a condensazione in cascata termica fino a 35 kW
Geminox THRi: caldaie a condensazione in cascata termica sopra 35 kW
Geminox THRi-CS: moduli termici preassemblati in configurazione orizzontale
Geminox JOINT: moduli termici preassemblati in configurazione verticale
Gamma Evinox
Evinox: Caldaie a condensazione di media e grande potenza a basamento
Evinox Caby: Stazioni di generazione calore a condensazione preassemblate
Gamma Hamworthy
Hamworty: Centrali termiche modulari premiscelate a condensazione
Wessex Caby: Stazioni di generazione calore a condensazione preassemblate
99
100
101
102
104
104
105
107
107
108
6.
6.1.
6.2.
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.3.
6.3.1
6.3.2
6.4
QUADRO NORMATIVO
Generalità
Gestione del condensato in una caldaia a condensazione con potenza < 35 kW
Realizzazione del sistema di scarico delle condense per potenze < 35 kW
Il sistema di scarico dei prodotti della combustione per potenze < 35 kW
Caratteristiche generali dei sistemi di scarico dei prodotti della combustione
Requisiti normativi per le centrali termiche a condensazione
Scarico e trattamento della condensa
Evacuazione dei prodotti della combustione
Conclusioni
111
111
112
113
116
117
120
120
124
126
4
1. La combustione
1.
1.1.
LA COMBUSTIONE
Combustibili e combustione
La combustione è la reazione chimica che avviene tra il combustibile e
l’ossigeno presente nell’aria con contemporanea liberazione di
importanti quantità di calore.
Combustibili sono tutte le sostanze che hanno una spiccata tendenza a
combinarsi con l'ossigeno sviluppando una reazione fortemente
esotermica.
I combustibili si dividono in gassosi, liquidi, solidi, e sono
essenzialmente costituiti da carbonio (C) ed idrogeno (H), ed in quantità
più o meno piccole, da zolfo ed altre sostanze come sodio, vanadio,
nichel.
A temperatura ambiente, le sostanze combustibili anche se a contatto
diretto con l'aria non hanno capacità di reagire con l'ossigeno e quindi di
sviluppare calore, se però si innalza la temperatura del combustibile fino
a raggiungere un opportuno valore, si innesca la reazione chimica che
poi si mantiene fino all'esaurimento del combustibile stesso.
L’accensione ed il mantenimento della reazione di combustione è
funzione di molte variabili che devono situarsi entro determinati limiti
affinché l'accensione avvenga e si mantenga indefinitamente.
L 'abbassarsi della temperatura, della pressione, l’alterarsi della forma
geometrica delle fiamme, riduce l’infiammabilità della miscela
combustibile/comburente.
Anche il tipo di miscela condiziona fortemente la formazione della
fiamma.
Un combustibile gassoso come il metano, ad esempio, potrà bruciare
regolarmente solo quando nella miscela le percentuali di combustibile e
aria sono comprese entro i limiti detti: UEL (Upper Esplosive Limits) e
LEL (Low Esplosive Limits). La pressione e la temperatura influenzano
sensibilmente questi limiti.
Un’altra importante caratteristica dei combustibili è la temperatura di
accensione, che rappresenta la temperatura minima alla quale può
iniziare e proseguire la reazione di ossidazione con sviluppo di calore.
Per i combustibili solidi la temperatura di accensione (o ignizione) si
aggira intorno ai 500÷600 °C. Per i combustibili gassosi tale
temperatura dipende anche dalla velocità dei fluidi: il combustibile e
l’aria.
Ricordiamo inoltre che la temperatura di accensione di una miscela è la
più bassa temperatura alla quale il calore prodotto dalla reazione è
maggiore di quello perso.
La tabella 1.1 dà i limiti di infiammabilità e le temperature di ignizione
per alcuni combustibili derivati da idrocarburi.
5
1. La combustione
Tab 1.1 Limiti di infiammabilità e temperatura di agnizione per alcuni combustibili
Dalla combustione si sviluppa energia termica, la quantità di calore
generata dalla combustione completa dell’unità di massa di un
combustibile è chiamata potere calorifico, e rappresenta un'altra
fondamentale caratteristica dei combustibili.
Potere calorifico
Si distingue tra Potere Calorifico Superiore (P.C.S.) che tiene conto
anche del calore latente di vaporizzazione del vapor d’acqua generato
nella combustione e Potere Calorifico Inferiore (P.C.I.) che non tiene
conto del calore latente.
La tabella 1.2 indica i poteri calorifici per le sostanze presenti nei
combustibili gassosi, è da tener presente che in caso di combustione
incompleta non si potranno raggiungere questi valori.
Tab 1.2: Caratteristiche di alcuni combustibili derivati da idrocarburi.
6
1. La combustione
La tabella 1.3 riporta invece per i combustibili di uso più comune, il
rapporto tra i due poteri calorifici PCS/PCI.
Gas Metano
(MJ/m3)
39,82
35,88
1,11
PCS (MJ/m3)
PCI
PCS/PCI
GPL
(G30)
(MJ/m3)
133,10
122,80
1,08
Olio
combustibile
(MJ/litro)
38,12
35,85
1,06
Tab 1.3: Raffronto tra i poteri calorifici superiore ed inferiore per alcuni combustibili.
I combustibili gassosi, rappresentati dalla formula generica CmHn,
possono essere suddivisi, in base al loro P.C.I., in tre grandi famiglie:
- Ia famiglia (gas manifatturiero o di città);
- IIa famiglia (gas metano);
- IIIa famiglia (gas da petrolio liquefatto GPL).
Famiglia
Tipo di
gas
Gruppo b
G110
Gruppo a
G120
H
G20
L
G25
Composizione vol. (%)
I
II
III
G30
G31
H2
CH4
N2
H2
CH4
N2
CH4
CH4
N2
C4H10
C3H8
50
26
24
47
32
21
100
86
14
100
100
P.C.I. P.C.S. Densità
(MJ/m3) (MJ/m3) relativa
14,7
16,7
0,411
17,2
18,8
0,412
35,9
39,9
0,554
30,9
34,3
0,612
122,8
93,6
133,1
101,8
2,077
1,562
Tab 1.4: Classificazione dei combustibili gassosi
La tabella 1.4 riporta inoltre anche la densità relativa all’aria (ossia il
rapporto tra densità del gas e quella dell’aria).
Tra le caratteristiche principali dei combustibili liquidi troviamo invece
la viscosità, la cui variazione è legata alla temperatura come illustrato in
figura 1.1. Le indicazioni tratte dal diagramma, definiscono le modalità
di trasporto e di utilizzazione del combustibile.
7
1. La combustione
Fig. 1.1: caratteristiche dei combustibili liquidi
Un altro aspetto importante è rappresentato dalla presenza di zolfo, per i
suoi aspetti inquinanti nella formazione di anidride solforosa (tab. 1.5).
Tab 1.5 : caratteristiche di alcuni combustibili liquidi più comuni.
Il continuo incremento dei costi dei combustibili, in particolare di quelli
liquidi (il gasolio nell’anno 2004/2005 ha subito un incremento di oltre
il 22%), l’introduzione delle caldaie a gas condensazione, e l’obbligo di
abbattere sensibilmente le emissioni inquinanti degli impianti termici,
hanno attivato una consistente conversione degli impianti da
combustibile liquido a combustibile gassoso.
1.2.
Stechiometria della combustione
Si definisce quantità teorica di ossigeno occorrente per la combustione,
quella quantità che è stechiometricamente necessaria a bruciare i
costituenti il combustibile (carbonio e idrogeno) trasformandoli in CO2
e H2O. L'espressione chimica generale della combustione è la seguente:
8
1. La combustione
§ 4m n ·
Cm H n ¨
u O2
© 4 ¹̧
§n·
mCO2 ¨ u H 2O calore
© 2 ¹̧
dove m e n sono i numeri di atomi di carbonio e idrogeno che
definiscono il tipo di combustibile usato.
Per esempio nel caso di metano (CH 4 ) con riferimento al volume,
considerando che l’aria comburente è costituita dal 21% di ossigeno
(O2), 79% di azoto (N2), la reazione di combustione si può scrivere
come:
CH 4 2O2 7,56 N 2 Ÿ CO2 2 H 2 O 7,52 N 2
1 mole di metano richiede infatti
§ 4 x1 4 ·
u O2
¨
© 4 ¹̧
2 moli di ossigeno e si ottiene, come prodotti
della combustione, 1 mole di CO2 e 2 moli di H2O, mentre l’azoto
rimane inerte.
Se si considera la reazione in termini volumetrici, ritenendo di bruciare
1 m3 di metano, le porzioni restano le stesse e si ha
1m 3 CH 4 2m 3 O2 7,52m 3 N 2 Ÿ 1m 3 CO2 2m 3 H 2 O 7,52m 3 N 2
dalla quale si deduce che per bruciare 1 m3 di metano sono necessari
circa 10 m3 di aria ( 2m 3O2 7,52m 3 N 2 9,52m 3 aria ).
In questo caso si ha che:
- fumi secchi sono paria a 8,52 m3 ( 1m 3 CO2 7,52m3 N 2 );
- fumi umidi, che si calcolano sommando anche il vapor d’acqua
(2m3H2O), corrispondono quindi a 10,52 m3.
Eccesso d’aria
L’ossigeno, ovvero l'aria strettamente necessaria alla combustione
dipende dalla composizione chimica del combustibile, ed è tanto
maggiore, quanto più elevato è il suo potere calorifico.
In pratica però, per una buona combustione, non è sufficiente
impiegare solo l'aria teorica ma è necessario impiegarne una quantità
maggiore per poter bruciare completamente tutti i costituenti il
combustibile. La parte in più del valore teorico è chiamata eccesso
d'aria (İ). L'eccesso d'aria dipende dal tipo di bruciatore adoperato
dalla natura del combustibile, dal tipo di focolare, dalla potenza della
caldaia.
La necessità fisica di attuare la combustione in eccesso di aria la si
comprende bene pensando alle difficoltà, quasi insormontabile, che si
riesca a completare la combustione con quantità d'aria stechiometrica.
Qualora la reazione di combustione avvenga in maniera incompleta gli
idrogeni reagiscono per primi formando H2O.
9
1. La combustione
Gli atomi di carbonio, non disponendo dell'ossigeno sufficiente invece
di formare il CO2, formano il CO, ossido di carbonio, che è un gas
instabile, inodore, incolore, estremamente tossico e che forma con l'aria,
una miscela esplosiva nella percentuale che va dal 12,5% al 74,2%.
Se infine, il carbonio non incontra neanche un atomo di ossigeno, si
combina con altri atomi di carbonio dando luogo al nerofumo.
Quando in un impianto compaiono tracce di nerofumo significa che la
reazione avviene con notevole difetto d'aria.
Tale regime di funzionamento è chiaramente pericoloso per la tossicità
dei fumi e per il pericolo di esplosione in caso di un brusco aumento
della quantità d'aria.
Oltre che per ragioni di sicurezza, il funzionamento in difetto d'aria, è da
scartare poiché il rendimento di combustione è basso in quanto:
-
non si libera tutto il calore del combustibile;
il nerofumo sporca la caldaia diminuendo lo scambio termico.
D'altra parte anche l'accesso d'aria riduce il rendimento di combustione
infatti, l'aria in eccesso si riscalda assorbendo calore, fa diminuire la
temperatura della fiamma e quindi lo scambio termico per
irraggiamento, e infine esce con i fumi, asportando le calorie assorbite.
Pertanto la combustione deve essere completata con il minimo di
eccesso d’aria.
E’ utile inoltre ricordare che:
- maggiore è l’eccesso d’aria, maggiore è la quantità di ossigeno
che non prende parte alla combustione;
- se vi è dell’idrogeno nei fumi, vi è anche dell’ossigeno che non
ha potuto combinarsi con esso per formare vapore acqueo;
- se vi è dell’ossido di carbonio nei fumi, vi è anche dell’ossigeno
che non si è potuto combinare per formare anidride carbonica,
con quel carbonio con il quale si è combinato solo parzialmente
per dare luogo al monossido di carbonio.
1.3.
Combustione ed eccesso d’aria
Abbiamo precedentemente osservato come risulti necessario un eccesso
d’aria, al fine di garantire un’intima miscelazione tra combustibile e
comburente. Nei gas l’eccesso d’aria necessario è minimo proprio
perché si miscelano più facilmente con l’aria, al contrario dei
combustibili liquidi e solidi che necessitano pertanto una maggiore
quantità d’aria in eccesso (cfr. Tab 1.6).
Aria teorica
Fumi secchi
teorici
CO2 max.
u.m.
Gasolio
Olio
Metano
combustibile
Nm³/ Nm³
Nm³/ Nm³
11,24
10,44
10,70
10,50
9,52
8,52
%
15,25
15,60
11,73
Tab1.6: parametri di combustione teorica per combustibili solidi e liquidi
10
1. La combustione
Per una valutazione precisa dell’eccesso d’aria (İ) in un processo di
combustione occorre misurare l’ossigeno o la CO2 presente nei fumi e
valutare i rapporti con la CO2 teorica che si avrebbe nel caso di
combustione completa e la CO2 residua, si ottiene così l’eccesso d’aria:
ª§ CO2 teorico
İ (Nm³ aria/Nm³ gas) = «¨¨
¬«© CO2 misurato
· º
¸ 1» xVaria teorica
¸
¹ ¼»
La quantità tra parentesi rappresenta la percentuale aggiuntiva di aria
che occorre considerare per la completezza della combustione.
L’aria totale della combustione è data dalla somma di quella
stechiometrica più quella in eccesso:
§ CO2teorico ·
¸¸ u Varia teorica
Aria totale (Nm³ aria/Nm³ gas) = ¨¨
CO
2 misurato ¹
©
Per il calcolo dell’eccesso o del difetto d’aria si procede così:
İ=
aria effettiva aria teorica
u 100
aria teorica
Esempio:
Calcolo dell’eccesso d’aria nel caso di gas naturale con aria effettiva
pari a 12 m³
Dalla tabella 1.6 si ricava
Aria teorica per CH4 = 9,52 Nm³/Nm³
12 9,52
u 100 26%
İ=
9,52
Se si conosce invece la percentuale di CO2, ad esempio = 9,3%
·
§ CO2teorica
11,7
İ = 100 x ¨¨
1 26%
1¸¸ 100 u
9,3
¹
© CO2
Con:
- CO2 teorica pari alla percentuale di anidride carbonica allo 0% di
ossigeno (combustione completa, CO=0 rif. Diagramma di Oswald fig.
1.8);
- CO2 valore di concentrazione effettivamente misurato nei fumi.
E’ evidente che l’eccesso d’aria deve essere appropriato in quanto
l’aria in eccesso comporta una riduzione della temperatura di fiamma e
di conseguenza dello scambio termico per irraggiamento; aumentano le
perdite per calore sensibile attraverso i fumi perché aumenta il volume
d’aria riscaldato.
11
1. La combustione
Viceversa in una combustione in difetto d’aria, il minor rendimento di
combustione è dovuto al fatto che una parte di combustibile non viene
ossidato in quanto non vi è ossigeno sufficiente per la reazione
esotermica di combustione.
Nel caso del metano la reazione di combustione completa assume la
forma:
CH 4 2O2 o 2 H 2O CO2 Calore
mentre la reazione incompleta diviene:
CH 4 3 2 O2 o 2 H 2O CO Calore
In quest'ultimo caso si osserva come il rendimento di combustione di
una reazione incompleta sia inversamente proporzionale al tenore
di CO.
La presenza dell’eccesso d’aria in un processo di combustione risulta
molto importante, e allo stesso tempo caratterizza quelli che sono i
parametri fondamentali come evidenziato per la combustione del gas
metano in tab 1.7.
Tab 1.7: variazione di alcuni parametri principali in funzione dell’eccesso d’aria (es.
Combustione di caldaie a gas con temp. Fumi 118°C e temp. Ambiente 20°C)
Nell’ultima colonna della tabella compare il rendimento
dell’apparecchio in esame, definito parziale in quanto calcolato
solamente attraverso le perdite per calore sensibile, mentre non si è
considerata la perdita di calore latente dovuta alla presenza nei fumi di
idrogeno ed ossido di carbonio.
12
1. La combustione
Esempio:
Valutazione della variazione percentuale di CO2 al variare dell’eccesso
d’aria:
Supponiamo di raddoppiare il contenuto d’aria dell’esempio precedente,
si vuole calcolare il nuovo valore di concentrazione di CO2:
24 9.52
u 100 152%
9.52
il nuovo valore di CO2 si ricava da:
·
§ CO2 teorica
İ = 100 x ¨¨
1¸¸
¹
© CO2
ricordando il valore di CO2 teorica per il metano = 11,73%
11,73
CO2
4,65 %
2,52
E’ evidente che aumentando l’eccesso d’aria, quindi il volume dei fumi,
la percentuale di CO2 negli stessi si riduce, in quanto diluita in un
maggior volume.
Risulta pertanto evidente come il valore di CO2 possa essere tenuto a
riferimento per la determinazione dell’eccesso d’aria fig. 1.2, e della
conseguente bontà della combustione.
İ=
Fig. 1.2: variazione della % CO2 nei fumi in funzione della % di İ (eccesso d’aria) per il gas
naturale
Si ricordi comunque che la percentuale di anidride carbonica dipende
dal tipo di combustibile bruciato essendo legata al contenuto di C del
combustibile.
In tabella 1.8 si riportano i valori di CO2 teorica e CO2 reale per diversi
combustibili al variare dell’eccesso d’aria (İ)
13
1. La combustione
Tab. 1.8: valori di CO2 teorica e di CO2 reale con differenti percentuali di eccesso d’aria
1.4.
Eccesso d’aria e condensazione
Influenza eccesso d’aria
La presenza di un eccesso d’aria che come abbiamo visto in precedenza
risulta indispensabile per conseguire una buona combustione, comporta
però una diminuzione del vapore contenuto nei fumi, per cui diminuisce
la sua pressione parziale e quindi, la sua temperatura di rugiada.
Dunque: tanto minore è l’eccesso d’aria tanto maggiore è la
possibilità di sfruttare la condensazione dei gas combusti, in quanto
il fenomeno inizia con temperature di ritorno impianto più elevate.
Osservando il diagramma di figura 1.3 che rappresenta l’andamento
della temperatura di rugiada al variare dell’eccesso d’aria, si può
osservare come questa assuma, per il gas naturale, un valore di circa
59°C con combustione stechiometrica (eccesso d’aria nullo) ed un
valore prossimo a 56°C con eccesso d’aria pari al 20%, valore
comunemente riscontrabile nei bruciatori premiscelati, mentre salendo
con l’eccesso d’aria ad esempio con valori di circa 43% la temperatura
di rugiada scenda notevolmente dal valore comunemente conosciuto
attestandosi a 52°C circa.
14
1. La combustione
Fig. 1.3: temperatura di rugiada del gas metano ed eccesso d’aria.
1.5.
Volume dei fumi
I prodotti che si ottengono dalla combustione, comunemente denominati
fumi, sono costituiti per il gas da CO2, H2O, NOx, N2 e se la
combustione è incompleta da CO e O2. Il volume dei fumi che risulta
dalla combustione di un combustibile, lo si ricava consultando le molte
tabelle che si trovano nei testi specializzati. Riportiamo comunque una
formula utile che permette di conoscere, per i combustibili gassosi, il
volume V espresso in m³/ m3gas che si ottiene bruciando l’unità di
volume di combustibile, per diverse percentuali di CO2 :
V fumi sec chi
CO2 prodotta dalla combustione di 1m 3 di gas x 100
%CO2 nei gas combusti
La portata dei fumi secondo quanto prescritto dalla UNI 13384-1 viene
anche determinata come:
.
·
§ f
m ¨¨ m1 f m 2 ¸¸ xQ f
¹
© CO2
dove:
.
-
m = portata dei fumi in g/s;
fm1= coefficiente tabulato funzione del combustibile
g/(kW/s);
fm2 = coefficiente tabulato funzione del combustibile
g/(kW/s);
CO2 = contenuto di CO2 nei fumi secchi in %;
Qf = potenza focolare del generatore in kW.
15
1. La combustione
Combustibile
Gas naturale H
Gas naturale L
Gas liquido
fm1
3,75
3,72
4,20
fm2
0,053
0,054
0,049
Oppure molto più semplicemente attraverso la:
mf = 1,33(n+0,1)P
dove:
-
mf = portata dei fumi in kg/h;
n = fattore d’aria = (1+eccesso d’aria);
P = potenzialità bruciata in kW.
Ad esempio una caldaia da 50 kW di potenza termica che brucia con
eccesso d’aria del 20% produce
1,33x1,2x50 = 79,8 kg/h
1.6.
Il rendimento di combustione
L’aspetto più importante tra le caratteristiche di un generatore di calore
è certamente rappresentato dal suo rendimento, in quanto nell’ottica di
miglioramento dell’efficienza dei processi per il trasferimento
energetico, risulta sempre più restrittivo il rispetto dei valori imposti
dalla normativa vigente.
Si definisce rendimento il rapporto tra l’energia (o potenza) utilizzata e
l’energia (o potenza) spesa. Nel caso della combustione, infatti non
tutto il calore prodotto e quindi speso può essere utilizzato, ma una sua
parte va inevitabilmente perduta. La conoscenza del rendimento è molto
importante in quanto consente di valutare le prestazioni delle diverse
caldaie, potendo così avere un primo criterio di scelta.
La norma UNI 10389 definisce quello che è il rendimento di
combustione:
potenza termica convenzionale
Kc
Rendimento di combustione
potenza termica al focolare
dove:
-
potenza termica convenzionale Pc = potenza termica al focolare
diminuita delle perdite al camino (Perdite calore sensibile Ps)
Pc = Pf – Ps (kW);
-
potenza termica al focolare Pf = prodotto della portata di
combustibile per il suo potere calorifico inferiore
16
1. La combustione
Pf = q comb x PCI (kW);
Rendimento e P.C.S.
Con l’avvento delle caldaie a condensazione quello che era ritenuto il
rendimento rispetto al PCI (potere calorifico inferiore) perde di
significato e si viene a definire il rendimento sul PCS (potere calorifico
superiore), il quale permette di tenere conto anche del calore latente
di condensazione dovuto all’energia recuperabile dal cambiamento
di fase dei fumi che si raffreddano e che quindi “condensano”
all’interno della caldaia.
La formula pratica per la determinazione del rendimento di
combustione di una caldaia a condensazione diventa quindi:
Kc
.
­
½
º Mc
·
°ª § A
¨
¸
C D x (Tf Ta) °¾ x 100
B ¸ xT f Ta » .
®«1 ¨
¹
¼ q gas
°̄¬ © %CO 2
°
¿
dove il primo termine rappresenta il più comune rendimento di
combustione determinabile per le caldaie tradizionali secondo la norma
UNI10389, mentre il secondo termine rappresenta l’aumento di
rendimento di combustione in virtù della effettiva condensazione dei
fumi.
I principali elementi della formula sono:
- A = 0,38 per il gas naturale e 0,42 per il GPL;
- B = 0,010 per il gas naturale e 0,008 per il GPL;
- Tf = temperatura dei fumi in °C;
- Ta = temperatura dell’aria comburente in °C;
- CO2 = la concentrazione percentuale di CO2 nei fumi secchi;
- Mc = la portata di massa della condensa (kg/h);
- qgas = la portata volumetrica del gas (Nm3/h);
- C,D = coefficienti che variano in funzione del combustibile
considerato, che a differenza dei parametri A e B non sono
attualmente riportati ufficialmente in nessuna norma tecnica.
In attesa che venga rivista la UNI 10389 inserendo anche le caldaie a
condensazione e che quindi vengano univocamente definiti tutti i
parametri di calcolo, si può osservare attraverso dei grafici costruiti in
laboratorio la differenza tra il rendimento calcolato attualmente secondo
la UNI 10389 e il corretto valore di rendimento, riscontrabile con la
nuova formula modificata che tiene conto anche della condensa
prodotta.
Il diagramma di fig. 1.4 evidenzia attraverso analisi di laboratorio una
differenza di circa 2,7% in meno rispetto al reale valore di rendimento.
Tale differenza è evidenziata dalla contabilizzazione della condensa
prodotta con temperatura dei fumi di 45°C ed eccesso d’aria nullo
(CO2=12,5%) nella combustione del G.P.L. .
17
1. La combustione
Fig. 1.4: differenza di rendimento di combustione di una caldaia a condensazione determinabile
dalla contabilizzazione della condensa prodotta (per combustibile G.P.L.)
1.7.
Perdite di calore
Facendo un'analisi volumetrica della presenza nei fumi di combustione
della quantità di CO2, O2, CO, al variare del volume d'aria comburente,
si possono tracciare diagrammi come quello rappresentato in fig. 1.5
In essa si nota che, nel lato sinistro rispetto al valore della miscela
stechiometrica, al diminuire della percentuale d’aria, non c’è O2,
diminuisce la CO2, mentre ovviamente cresce il CO.
In presenza di eccesso d’aria, diminuisce la CO2, aumenta O2, mentre
scompare il CO che è il tipico prodotto della combustione incompleta.
Le linee tratteggiate definiscono il comportamento di CO e CO2 quando
aria e combustibile non si mescolano completamente, come avviene nei
casi reali. Quindi CO e CO2 coesistono da ambo i lati del punto avente
ascissa 100. Man mano che l’eccesso d’aria aumenta, aumenta la
possibilità del combustibile di combinarsi con l’ossigeno e quindi di
trasformarsi completamente in CO2 e H2 O con liberazione di energia
termica.
18
1. La combustione
Fig. 1.5: diagramma di combustione per il metano
Questo fatto evidenzia dunque, come peraltro già visto in precedenza, la
necessità di fornire un eccesso d’aria al combustibile per avere la
completezza della combustione. Suggerisce inoltre quali analisi si
debbono fare per stabilire il volume dell’eccesso d’aria necessario alla
completa combustione. Naturalmente questo eccesso deve essere
minimo poiché si riscalda aria che sottrae parte del calore destinato
all’acqua, scaricandola all’esterno attraverso il camino; ma l’eccesso
non deve essere troppo basso poiché si deve sempre e comunque
garantire una combustione sicura e pulita (tab 1.9).
Tab 1.9 parametri funzionali per impianti in buone condizioni di esercizio .
19
1. La combustione
Poiché un maggior eccesso d’aria comporta anche un incremento delle
perdite per calore sensibile, se ne può notare l’incidenza percentuale a
parità di temperatura di espulsione dei prodotti della combustione (fig.
1.6).
Fig. 1.6: perdite di calore sensibile con i fumi in funzione dell’eccesso d’aria
Quando nel fumo non vi sono apprezzabili quantità di incombusti, le
perdite percentuali di calore si possono calcolare con sufficiente
approssimazione con la seguente formula dovuta a Hassenstein:
Ps%
Ks
t f ta
CO2
nella quale i simboli hanno il seguente significato:
-
Ps = perdita di calore nei fumi in % del calore fornito
tf = temperatura dei fumi presa alla base del camino in °C
ta = temperatura dell’aria ambiente in °C
Ks = coefficiente di moltiplicazione funzione del tipo di
combustibile, e della percentuale di CO2 rilevato nei fumi.
Questi valori sono riportati in tabella 1.10.
20
1. La combustione
Tab. 1.10: valori di ks in funzione del contenuto percentuale in volume di CO2 nei fumi per alcuni
tipi di combustibile
1.8.
Il diagramma di Ostwald
Mentre il giudizio quantitativo di una combustione viene stabilito dal
rendimento, quello qualitativo si determina partendo dalle analisi dei
fumi abbinata all’uso del diagramma di Ostwald.
Esso ci dice per ogni tipo di combustibile, se la combustione è completa
o incompleta, e se è incompleta la percentuale di incombusti; la
percentuale di eccesso d’aria e soprattutto permette di controllare se
l’analisi dei fumi e corretta.
Nel piano cartesiano di coordinate CO2 e O2 vengono riportati, sulle
ordinate, il valore corrispondente alla percentuale di ossigeno presente
nell’aria (20,8%); sulle ascisse, il valore stechiometrico “contenuto di
CO2 nei fumi “anidri” relativo al combustibile in esame (CO2 metano
11,7%).
Congiungendo questi 2 punti del piano si ottiene una retta che
rappresenta il luogo dei punti a combustione completa funzione del
valore dell’eccesso d’aria (CO = 0).
Il diagramma è completato con rette parallele corrispondenti alla
combustione incompleta e identificabile con la percentuale crescente di
CO contenuta nei fumi, e le rette ad eccesso d’aria costante, sia in
combustione completa che incompleta.
21
1. La combustione
Fig. 1.7: triangolo di Ostwald per il metano
Facciamo alcuni esempi per meglio chiarire l’utilità del diagramma.
Se l’analisi di combustione di metano da il contenuto percentuale in
volume di O2 = 1,5 %, CO2 = 10%, utilizzando il diagramma di fig.1.7,
risulta che la combustione è incompleta, che la percentuale di
incombusti è 0,9% (la legge prevede<0,l%) l’eccesso d’aria è 1,08.
Se ad esempio l’analisi del CO da un valore di 0,1% uno dei tre valori
precedenti di O2 CO2 ,CO, è errato.
Qualora non si riesca a fare rientrare i valori sopra espressi entro i limiti
segnati in tab. 1.9 si deve agire per individuare le cause del cattivo
funzionamento e porvi rimedio.
Le cause più comuni di un cattivo funzionamento sono:
-
caldaia sporca;
potenza del bruciatore eccessiva;
tiraggio del camino o troppo basso o troppo alto;
pressione o depressione in caldaia eccessiva.
22
1. La combustione
1.9.
Il diagramma di Bunte
Meno noto del diagramma di Ostwald, ma altrettanto importante perché
di immediata applicazione, è il diagramma di Bunte fig 1.8.
Il diagramma costruito a partire dai valori desumibili dai diagrammi di
Ostwald dei vari combustibili, rappresenta uno strumento molto usato in
fase di analisi della combustione. Il diagramma partendo dalla
rilevazione della percentuale di ossigeno nei fumi e correlando tra loro
O2 e CO2, indica in maniera diretta quali siano i valori massimi di
concentrazione di CO2 da attendersi al fine di ottenere una combustione
completa.
Fig. 1.8: diagramma di Bunte per alcuni combustibili
1.10.
Combustione ed agenti inquinanti
L’inquinamento atmosferico prodotto dall’uomo attraverso le
combustioni può provenire da fonti mobili (mezzi di trasporto) o da
fonti fisse: impianti termoelettrici, industriali e di riscaldamento.
Gli inquinanti atmosferici più significativi sono:
-
idrocarburi volatili (CxHy);
ossido di carbonio (CO);
ossidi di zolfo (SOx);
ossidi di azoto (NOx);
L’utilizzo del gas tra i combustibili fossili, risulta certamente il più
rispettoso dell’ambiente, in quanto si può ritenere che i normali
apparecchi di riscaldamento a gas emettono solo il 27% in meno di
ossidi di azoto rispetto agli apparecchi a gasolio, mentre emettono
invece circa il 50% in meno di ossido di carbonio e di idrocarburi
volatili.
23
1. La combustione
Una prima considerazione è che, ad esclusione dei gas, tutti i
combustibili liquidi contengono ceneri, ragion per cui, anche in
presenza di combustioni pulite ed ottimali dal punto di vista ecologico,
le ceneri finiranno in parte al camino tra le emissioni ed in parte si
depositeranno in caldaia. Per esempio una caldaia a gasolio avente
potenza al focolare di 300.000 kcal/h (348,8 kW - 30 kg/h di gasolio
bruciati), alla fine di una stagione di 1.500 ore di funzionamento avrà
prodotto circa 4,5 kg di ceneri.
Idrocarburi volatili
Vengono complessivamente indicati con la formula CmHn.
Sì possono produrre in misura rilevante nelle fasi di avviamento e di
arresto della combustione, ma anche durante il funzionamento del
bruciatore, se la combustione risulta incompleta in seguito ad un
disturbo temporaneo o sistematico presente nella fiamma.
Tra le cause più frequenti della combustione incompleta citiamo:
- disassamento della fiamma a lambire una parete fredda della
camera di combustione;
- miscelazione della testa scarsamente efficiente.
I bruciatori premiscelati, (impiegati su tutta la gamma di generatori a
condensazione proposti da Erretiesse) nei quali viene costantemente
assicurata la giusta presenza di aria necessaria alla combustione
completa, rappresentano certamente la migliore soluzione per
l’abbattimento delle emissioni di gas incombusti.
Ossido di carbonio
L’ossido di carbonio è un gas instabile, inodore, incolore, molto tossico
perché, una volta respirato, va direttamente nel sangue, fissando
l’emoglobina in carbossiemoglobina ed impedendo per contro il
fissaggio vitale dell’ossigeno. Gli effetti sul corpo umano
dell’esposizione prolungata alle diverse concentrazioni di questo gas
sono visibili in fig. 1.9.
Fig.1.9: effetti del “CO” sul corpo umano per ore di permanenza nell’ambiente
24
1. La combustione
L’ossido di carbonio è altresì estremamente pericoloso, perché con
l’aria forma una miscela esplosiva con grandissima facilità (dal 12,5%
al 74%).
Ha una densità di poco inferiore a quella dell’aria (circa il 3% in meno),
per cui di fatto diffonde in tutte le direzioni, nello stesso modo ed
insieme all’aria ambiente. Nel caso di rigurgito di fumi caldi (camino
ostruito o in contro-pressione) da caldaie a camera di combustione
comunicante - caso delle caldaie murali con bruciatore a tappeto
(aspirato) - o anche non ermetica rispetto all’ambiente (generatori di
tipo B), l’eventuale ossido di carbonio contenuto nei fumi si diffonde
nell’ambiente insieme ad essi, tendenzialmente verso l’alto. Al
raggiungimento della concentrazione minima di esplodibilità, l’innesco
banale di una scintilla dell’impianto elettrico è sufficiente a
determinarne l’esplosione.
Ma il pericolo ancor più grave, nel caso di emissioni di ossido di
carbonio nell’ambiente, per mancanza di ricambio d’aria necessaria alla
combustione o per insufficiente tiraggio del camino, è quello della
intossicazione e nei casi più gravi della cosiddetta “morte rosa” .
L’ossido di carbonio si produce sia con combustibili liquidi, che con
combustibili gassosi, ogni qualvolta per difetto di regolazione dell’aria o
di miscelazione aria-combustibile, la combustione avviene nel suo
complesso, oppure localmente, in difetto d’aria. La sua formazione è
sempre imputabile ad una tecnologia di combustione decisamente
inadeguata e per lo più scadente. In tali combustioni incomplete si
verifica anche l’ulteriore assurdo tecnico che il calore liberato è appena
il 30% di quello ottenibile da una combustione completa a CO2.
La soglia limite stabilita dalla norma UNI 10389 è 1.000 ppm (in
condizioni di fumi secchi). Tipici valori nei gas combusti per impianti a
gasolio: 80÷150 ppm; per impianti a gas : 80÷100 ppm
Anidride carbonica e gas di serra
Anche l’anidride carbonica, che è il prodotto naturale e voluto della
combustione può a rigore, essere considerata tra i potenziali inquinanti,
in quanto una sua eccessiva concentrazione in determinate zone
dell’atmosfera, dovuta ad una localizzazione eccessiva delle
combustioni e ad una insufficiente diluizione dei loro prodotti, può alla
lunga creare importanti modificazioni meteorologiche ed ambientali. Il
valore di soglia limite è 5.000 ppm, alla concentrazione di oltre il 15%
in volume (150.000 ppm) si perde immediatamente conoscenza.
Ma anche altri gas provenienti dalle combustioni possono esaltare
l’effetto serra. Sono gas di serra il metano, gli idrocarburi volatili, gli
ossidi di azoto, gli stessi CFC (clorofluorocarburi).
Ossidi di Azoto NOx
Nel campo delle combustioni si riscontra che a temperature elevate, in
presenza di ossigeno libero (e di eventuali catalizzatori), l’azoto
25
1. La combustione
dell’aria si può combinare con l’ossigeno dando luogo ad ossidi di
azoto, che collettivamente vengono denominati NOx. I due più
importanti sono l’ossido di azoto NO e il biossido di azoto NO2. L’NO
si ossida con molta facilità per azione dell’ossigeno atmosferico in
biossido
2NO + O2 = 2NO2
L’equilibrio della reazione è praticamente tutto spostato verso destra a
temperatura ambiente e solo al di sopra dei 200 qC comincia a
retrocedere, ed è per questo motivo che l’NO2 rappresenta il principale
componente di riferimento nell’analisi degli agenti inquinanti. L’ossido
di azoto è un gas incolore ed è meno velenoso del biossido, che è di
colore giallo-bruno.
Questi ossidi sono più aggressivi dell’anidride solforosa ed in più,
venendo a contatto col vapore d’acqua a seguito di trasformazioni
multiple avvenute negli strati alti dell’atmosfera, possono dar luogo a
precipitazioni contenenti acido nitrico, che è ancora più micidiale
dell’acido solforico
Con l’assorbimento dei raggi ultravioletti dell’atmosfera, gli ossidi di
azoto concorrono alla formazione di ossidanti fotochimici in genere, che
creano danni alle vie respiratorie e contribuiscono alla formazione dello
smog (smog fotochimico).
I meccanismi di formazione sono sostanzialmente di 3 tipi, come da
schema rappresentato (tab.11.1)
PROVENIENZA
DELL’AZOTO
Aria
Aria
Combustibile
MEZZO - PARTNER
DI REAZIONE
Gas di combustione
Fronte di fiamma
Fronte di fiamma
MECCANISMO DI
FORMAZIONE DEGLI NOX
NOX termici
NOX primari (“pronti”)
NOX del combustibile
Tab 1.11: meccanismi di formazione degli NOx
a) Ossidi di azoto termici: si formano dall’azoto dell’aria di
combustione nel nucleo della fiamma a temperature superiori ai
1300ºC, secondo:
O N 2 œ NO N
N O2 œ NO O
La loro concentrazione cresce molto rapidamente con la
temperatura della fiamma (fig.1.10) e con il tempo di transito dei
prodotti della combustione attraverso la zona calda di fiamma
(fig.1.11); è inoltre dipendente dalla pressione parziale
dell’ossigeno nella stessa zona (ovvero dall’eccesso d’aria locale e
complessivo della combustione) (fig.1.12).
26
1. La combustione
Fig.1.10: temperatura di fiamma e formazione di NOx
Fig.1.11: tempo di transito dei prodotti della combustione e formazione di NOx
Fig.1.12: eccesso d’aria e formazione di NOx
Dai grafici si evince che più lunghi tempi di attraversamento
portano ad un incremento della formazione degli NOx,
generalmente trattasi di tempi compresi tra 0,01 e 10 secondi.
Soprattutto nel caso di camere di combustione ad alto carico
termico specifico e ridotto tempo di attraversamento, variazioni
anche modeste di quest’ultima grandezza esercitano un rilevante
influsso sulla produzione di NOx.
27
1. La combustione
b) Ossidi di azoto primari (“pronti”): si formano dall’azoto
molecolare dell’aria di combustione, durante le fasi iniziali della
combustione, in cui l’idrocarburo si scinde in radicali, qualora
esista nel fronte di fiamma un eccesso di ossigeno atomico. Il
meccanismo elementare di formazione è del tipo:
CH + N2 œ HCN + N
HCN + O œ CNO + O
CNO + O œ NO + CO
Esso è molto influenzato dalla concentrazione dell’ossigeno (la
produzione di NOx primari cresce con il crescere dell’eccesso
d’aria) e scarsamente dalla temperatura.
E’ rilevante il fatto che si pervenga alla formazione finale di CO,
oltre chè di NO, come a dire che i due inquinanti si influenzano in
maniera sostanzialmente sinergica. Anche se la quota parte di NOx
primari è solitamente molto inferiore a quella dei termici.
c) Ossidi di azoto del combustibile (fig. 1.13): si formano dalla
quantità di azoto fossile monoatomico contenuto nel
combustibile (caso dell’olio combustibile e anche del gasolio).
I combustibili liquidi hanno un contenuto di azoto organico che
dipende dalla provenienza del greggio (0,02% ÷ 0,6%) e dalla
frazione impiegata (fino a 1,4% per i distillati pesanti).
Fig.1.13: formazione di NOx termici, rapidi e da combustibile
Viceversa i combustibili gassosi sono privi di azoto nel
combustibile. La reazione tra azoto ed ossigeno avviene a circa
1.000 ºC. Dal momento che l’azoto monoatomico ha bisogno di
tempi lunghi per diventare molecola stabile biatomica, occorre
impedire una troppo rapida ossidazione del combustibile (tecniche
di miscelazione povera).
Generalmente solo una parte dell’azoto organico viene ossidata a
NO e le efficienze di conversione, comprese tra il 15% e il 100%
28
1. La combustione
sono tanto più elevate, quanto maggiore è appunto l’eccesso d’aria.
L’NO2 si forma per riossidazione dell’NO nella camera di
combustione, allorché la temperatura della fiamma scende sotto i
650 ºC, secondo lo schema elementare:
NO + O2 œ <=> 2NO2
NO + H2O œ NO2 + OH
I gas di scarico del camino nell’atmosfera contengono per lo più
NO2.
1.11.
Tecnologie volte a ridurre gli agenti inquinanti
La migliore soluzione volta a ridurre le emissioni inquinanti, verte nella
scelta di un bruciatore premiscelato di gas nel quale si ha la totale
premiscelazione tra aria e gas combustibile prima della testa di
combustione, in maniera tale da avere un’intima miscela tra i due
costituenti (elemento comburente e combustibile). Al fine di ridurre il
più possibile l’influenza negativa sulla formazione di elementi
inquinanti inoltre, il bruciatore deve essere stato progettato
congiuntamente alla caldaia, quindi sono da preferire le soluzioni
denominate “Unit” ovvero gruppi termici integrati costituiti da corpo
caldaia e bruciatore.
La progettazione integrata permette infatti di eliminare quei fattori
negativi quali:
- formazione di sacche d’aria nella zona di fiamma;
- riduzione del carico termico della camera di combustione, con
generazione di fiamme più morbide più facilmente raffreddabili;
- ottimizzazione del percorso fumi nella camera di combustione;
- riduzione della temperatura nella zona di combustione.
Tra i bruciatori più adatti al contenimento degli agenti inquinanti si
evidenziano i bruciatori premiscelati di tipo ceramico ed i bruciatori
premiscelati di tipo metallico.
I bruciatori ceramici rappresentano certamente la soluzione migliore
relativamente all’emissione di agenti inquinanti, la loro tipologia
costruttiva non richiede aria secondaria (afflusso d’aria attorno al
bruciatore); la completa premiscelazione, infatti, abbinata ad un
notevole eccesso d’aria (maggiore del 130%) consente valori di CO <
40 ppm e valori di NOx variabili tra 10÷20 ppm.
Tra gli aspetti negativi di questa tecnologia però si devono mettere in
conto la fragilità e l’attitudine all’intasamento delle miscrofessure che
fanno passare la miscela aria gas con conseguente ostruzione del
bruciatore dopo un prolungato funzionamento ed una combustione non
più omogenea.
29
1. La combustione
Fig. 1.14: rappresentazione di un bruciatore ceramico
I bruciatori radianti metallici sono sostanzialmente costituiti da una
lamiera forata con fori del diametro di alcuni decimi di millimetro. Il
regime di funzionamento non è completamente radiante, come nel caso
dei bruciatori con ricopertura ceramica. Anche per questa applicazione,
è necessario impiegare un sistema di ventilazione forzata, per favorire la
miscela aria-gas, e distribuire questa miscela in modo omogeneo sulla
superficie laterale del combustore. In figura 1.15 – 1.16 viene
rappresentata tale tipologia di bruciatore. I valori di emissione
inquinante di questi bruciatori sono leggermente superiori dei valori
ottenibili con i bruciatori ceramici, rimanendo comunque sempre ben al
di sotto dei limiti richiesti dai più stringenti riferimenti normativi,
assicurando inoltre una miglior stabilità funzionale.
Fig. 1.15: rappresentazione di un bruciatore in acciaio con corona radiale di fiamma (tipo
Evinox)
Fig. 1.16: rappresentazione di un bruciatore in acciaio con corona piana di fiamma (tipo
Geminox)
30
1. La combustione
1.12.
Riferimenti normativi antinquinamento
I limiti di emissione degli agenti inquinanti ed in particolare degli NOx
e di CO, sono stabiliti da normative in continua evoluzione. Le
normative più avanzate a livello europeo sono quelle operanti in
Germania e Svizzera, che impongono limiti differenziati in relazione al
tipo di combustibile bruciato, alla potenza termica dell’impianto, alla
tecnologia impiegata e costituiscono il termine di riferimento
attualmente più probante.
Di seguito vengono rappresentati i limiti previsti secondo le diverse
direttive ad oggi in vigore (cfr. tabella 1.12÷1.15)
Tab 1.12: valori limite di emissioni inquinanti per gruppi termici e bruciatori (marchio ecologico
Angelo Blu, Normative di riferimento europee per i bruciatori EN 267 – EN 676)
Tab 1.13 : valori limite di emissioni inquinanti per gruppi termici a gas secondo norma
tedesca DIN 4702
31
1. La combustione
Classe NOx (Mg/kWh)
1
260
2
200
3
150
4
100
5
70
* Riferiti allo 0% di O2
G110
152
117
88
58
41
Concentrazione limite di NOx (ppm)*
G20
G25
G30
147
145
145
113
111
111
85
83
84
57
56
56
40
39
39
G31
146
112
84
56
39
Tab 1.14 : classe di appartenenza per valori di emissioni inquinanti secondo EN 483, 297 A3 per
gruppi termici a gas con riferimento ai ppm 0% di O2
Tab 1.15 : valori limite di emissioni inquinanti per caldaie, gruppi termici e bruciatori
(normativa tedesca DIN, normativa svizzera LRV92, per vari apparecchi)
Dall’analisi delle tabelle sopraesposte si distinguono, norme, leggi, e
decreti tra i quali si pongono in particolare evidenza:
- Angelo Blu Tedesco
Accanto a norme di carattere generale DIN 4702 sono state elaborate
norme speciali aggiuntive, il cui rispetto è facoltativo per il settore del
riscaldamento, come le RAL-UZ il cui rispetto consente l’attribuzione
dell’importante marchio ecologico “Angelo Blu”.
32
1. La combustione
- Norme Svizzere
La Svizzera nazione europea decisamente impegnata sul fronte
dell’ecologia dell’aria, le cui norme LRV 92 sono state tra le più
restrittive ad essere per prime introdotte.
- Norme CEE
Le norme Europee anch’esse in continua evoluzione, costituiscono con
le parti relative ai bruciatori di gasolio EN 267, di gas EN 676, ai gruppi
termici di gasolio e di gas EN 483, EN 297, il principale vincolo di
riferimento per i produttori di bruciatori e caldaie, al fine
dell’introduzione dei loro prodotti sul mercato.
33
1. La combustione
1.13.
Misura degli agenti inquinanti
La misurazione degli agenti inquinanti, è imposta dalle varie normative
europee; in Italia la norma UNI 10389, fissa i valori massimi consentiti
per il CO e per l’indice di fumosità, mentre i limiti per gli NOx sono
richiesti per l’ottenimento dei contributi previsti dai piani locali
antinquinamento. Secondo appunto la UNI 10389:
-
la concentrazione massima di CO (riportata in condizione di
fumi secchi) deve essere inferiore allo 0,1% pari a 1000ppm;
l’indice di fumosità, riferito alla scala Bacharach, deve essere :
x inferiore a 2 per il gasolio;
x inferiore a 6 per l’olio combustibile.
Il cui rispetto deve essere verificato nel corso dell’analisi di
combustione del generatore di calore.
Secondo tale norma la rilevazione dei parametri di funzionamento deve
essere effettuata all’uscita della caldaia nel raccordo del camino, per
mezzo di analizzatori dotati di sensori elettrochimici.
Affinché le diverse misure effettuate siano sempre confrontabili tra loro
è indispensabile adottare uguali parametri di riferimento. Per
quantificare le sostanze nocive emesse da un impianto vengono spesso
usate infatti diverse unità di misura quali ppm, mg/m³ e mg/kWh i cui
coefficienti di conversione sono rappresentati in tabella 1.16:
Tab 1.16 : fattori di conversione tra unità di misura degli inquinanti.
34
1. La combustione
La misurazione in ppm è basata sul principio della determinazione in
parti volumetriche delle sostanze nocive contenute in un milione di parti
volumetriche di gas di scarico.
La misurazione in mg/kWh indica la massa della sostanza nociva,
espressa in relazione con l’energia data dalla combustione del
combustibile.
La misurazione in mg/m³ indica la massa della sostanza nociva,
espressa in milligrammi, contenuta in un metro cubo di fumi in
condizioni normali di temperatura: 0 ºC e pressione: 1013 mbar (hPa).
La semplice rilevazione del contenuto di sostanze nocive non consente
tuttavia un confronto, in quanto per raffrontare le emissioni di impianti
funzionanti in analoghe condizioni di esercizio, risulta necessario
riportare i valori letti in funzione di un unico parametro di
funzionamento rappresentato dal contenuto di ossigeno.
In genere il valore misurato degli inquinanti (solitamente espresso in
ppm) va riferito a fumi non diluiti, cioè privi di ossigeno libero (0%
O2). Se nelle misurazioni viene rilevato un diverso contenuto di
ossigeno, per ricavare il valore corretto degli inquinanti è necessario
procedere alla conversione attraverso dei fattori correttivi dipendenti
dall’effettiva percentuale di O2; pertanto a seconda che si disponga della
percentuale di O2 o di CO2 si usa rispettivamente la:
Vcorretto Vmisurato u
Vcorretto Vmisurato u
21
21 O2
CO2 max
CO2 mis
Dalle formule si può notare come un aumento dell’eccesso d’aria
comporti un aumento del coefficiente di correzione.
Qualora fosse necessario riferire il valore degli inquinanti ad una
percentuale di ossigeno libero diversa dallo 0%, bisogna utilizzare la
seguente formula:
Vcorretto Vmisurato u
21 O2 rif
21 O2 mis
con O2rif =percentuale di riferimento dell’ossigeno
con O2mis=percentuale misurata dell’ossigeno
35
1. La combustione
Esempio :
Supponiamo di aver rilevato dall’analisi di combustione di un impianto
a gas:
CO2=9%
NOx = 61 ppm
Il valore corretto di NOx riportato allo 0% di O2 è:
Vcorretto
61 u
11,73
9
79,5 ppm
Trasformare il valore precedentemente trovato in mg/Nm³
Ricordando il valore del coefficiente di conversione riportato in tabella
1.16 si ottiene:
VcorrettoNOx mg/m³ = Vcorretto ppm x fattore di conversione
VcorrettoNOx mg/m³ = 79,5 x 2,053 = 163,21 mg/m³
36
2. La condensazione
2.
2.1.
LA CONDENSAZIONE
Analisi energetica del fenomeno della condensazione
Il fenomeno della condensazione, rappresenta il massimo sfruttamento
dell’energia rilasciata dal processo di combustione precedentemente
descritto e ad oggi rappresenta il più evoluto progresso tecnologico
abbinato alla combustione dei combustibili fossili.
Origini della condensazione La tecnica della condensazione è però una tecnologia consolidata, si
pensi che Geminox, leader europeo in questo settore, ha iniziato la
propria attività di ricerca nel 1974, ricevendo quale riconoscimento la
medaglia d’oro per l’innovazione tecnologica nel 1985 al Salone
Internazionale Interclima di Parigi.
Il funzionamento della caldaia a condensazione si basa su un
raffreddamento spinto dei fumi prima della loro espulsione,
raffreddamento messo in atto grazie a speciali scambiatori di calore,
generalmente integrati, realizzati con elevate superfici di scambio e
costruiti con materiali nobili, inattaccabili dalla condensa acida che si
viene a formare nel momento del cambiamento di stato vapore-liquido
dei fumi stessi, che ha origine proprio sulla loro superficie.
La parola “condensazione” sta a rappresentare un fenomeno fisico qual
è quello del cambiamento di stato del vapore contenuto nei fumi, con
conseguente immistione nel sistema del calore che, introdotto con il
combustibile, ha portato durante il processo di combustione proprio
all’evaporazione dell’acqua presente nei fumi. Tale calore denominato
calore latente di vaporizzazione, consente con il suo recupero di
riacquisire l’energia che solitamente nei normali processi di
combustione viene persa al camino con i fumi a temperature
mediamente elevate.
Le caldaie tradizionali, infatti, che, per tecnologia costruttiva, non sono
concepite per resistere all’azione corrosiva della condensa e che quindi
non prevedono il recupero del calore latente dei fumi, perdono fino
all’11% (per il metano) dell’energia originariamente fornita dal
combustibile.
Storicamente, proprio a causa di questa incapacità di recuperare il calore
latente nella valutazione delle prestazioni energetiche dei normali
generatori di calore, si è sempre fatto riferimento solamente al potere
calorifico inferiore P.C.I., non considerando, di fatto, un’importante
contributo energetico quale quello del calore latente rappresentato
invece dal potere calororifico superiore P.C.S..
Per contribuire a chiarire le principali differenze energetiche che si
possono riscontrare nel funzionamento di un generatore di calore con o
senza l’apporto del calore latente di condensazione, la fig. 2.1
rappresenta il diagramma dei flussi energetici teorici e reali derivanti da
un processo in assenza di condensazione (area rossa) e comprendente il
recupero latente (area blu).
37
2. La condensazione
Fig 2.1: raffronto tra i bilanci energetici in presenza ed in assenza di condensazione.
Lo schema di fig.2.1 evidenzia, seppure in forma semplificata, quale
contributo all’innalzamento del rendimento di produzione stagionale,
possa comportare una buona condensazione dei prodotti della
combustione.
2.2.
Differenze prestazionali tra un generatore ad alto rendimento ed un generatore a
condensazione
Per meglio rappresentare le differenze tra un generatore a
condensazione ed uno tradizionale osserviamone le diverse prestazioni
attraverso dei diagrammi che rappresentano schematicamente
rispettivamente il bilancio energetico di un generatore ad alto
rendimento, raffrontandolo con quello della caldaia a condensazione
Geminox THRi (figure 2.2 e 2.3).
I diagrammi raffigurano il calore utile come frazione del calore
introdotto con il combustibile.
Il calore utile rappresenta l’energia effettivamente trasferita al fluido
termovettore, cioè già decurtata delle perdite per cattiva combustione e
per dispersione, mentre l’energia introdotta con il combustibile è data
dal prodotto della portata di massa del combustibile per il suo potere
calorifico.
Quanto schematicamente illustrato rappresenta quindi in estrema sintesi
la sostanziale differenza tra un generatore tradizionale ed un generatore
a condensazione.
38
2. La condensazione
Fig 2.2: bilancio energetico di una caldaia ad alto rendimento
Fig 2.3: bilancio energetico di una caldaia a condensazione
Come abbiamo già avuto modo di osservare in precedenza all’avvento
delle caldaie a condensazione, capaci cioè di sfruttare il calore di
vaporizzazione, per definire l’energia derivante dal combustibile veniva
solitamente impiegato un parametro denominato Potere Calorifico
Inferiore (PCI), che non tiene conto dell’energia dei fumi.
La possibilità di recuperare in parte l’energia assorbita durante il
cambiamento di fase, ha posto la necessità di introdurre anche il Potere
Calorifico Superiore (PCS), che contempla invece anche l’energia
recuperabile dalla condensazione dei fumi stessi.
Alla luce di quanto esposto risulta interessante valutare la
quantificazione dei due rendimenti in relazione al Potere Calorifico
scelto come riferimento.
Nel caso di una caldaia ad alto rendimento nella quale i fumi vengono
espulsi a 140°C, dove il flusso energetico di funzionamento è
rappresentato dal diagramma di figura 2.2:
-
le perdite energetiche al mantello sono pari al 2%;
le perdite energetiche per calore sensibile sono pari al 6%;
il rendimento utile del generatore determinato sulla base del
P.C.I. si attesta a valori prossimi al 92%.
39
2. La condensazione
L’incidenza delle perdite per calore sensibile al camino Pfbf (perdite con
i fumi a bruciatore funzionante) è proporzionale alla differenza tra la
temperatura dei fumi stessi e quella dell’aria comburente oltre a quella
che è la percentuale di CO2 secondo la formula:
Pf bf
§ A
·
¨¨
B ¸¸ xT f Ta © %CO2
¹
dove A e B sono i coefficienti già visti in precedenza;
Le perdite al mantello sono invece proporzionali alla temperatura
dell’acqua di caldaia ed al suo grado di isolamento.
Alla luce di questo risulta interessante rivedere ora il calcolo del
rendimento anche sul P.C.S.:
Partendo dal valore di resa espresso in relazione al più tradizionale
valore del P.C.I.
K PCI
92
x100
100
92,0%
il rendimento calcolato sul P.C.S. diventa:
K PCS
92
x100
111
82,9%
Nel caso di un generatore a condensazione con temperatura dei fumi
particolarmente bassa circa 30°C, il flusso energetico di funzionamento
viene rappresentato dal diagramma di figura 2.3 si ha:
-
le perdite energetiche al mantello sono pari al 1,5%;
le perdite energetiche per calore sensibile sono pari al 0,5%;
il rendimento utile del generatore determinato sulla base del
P.C.I. si attesta a valori prossimi al 109%.
K PCI
109
x100 109,0%
100
mentre il rendimento calcolato sul P.C.S. vale:
K PCS
109
x100
111
98,2%
In quest’ultimo caso la prima espressione del rendimento sembrerebbe
inesatta poiché superiore all’unità dando l’impressione di mettere a
disposizione più energia di quella che compete al combustibile. Il
superamento del valore unitario in questo caso è giustificato dal fatto
l’espressione del rendimento se fatta sul P.C.I. conteggia al
numeratore dell’energia non conteggiata al denominatore.
40
2. La condensazione
2.3.
Calore latente e condensazione
Per meglio descrivere i benefici, in termini di resa termica, permessi da
una caldaia condensazione analizziamo il processo di trasferimento
energetico che avviene durante la fase di combustione. Questa reazione
che, essendo di tipo esotermico, sviluppa una certa quantità di calore
che viene più o meno efficientemente trasferito all’acqua di impianto.
Soffermandoci sulla già citata equazione della combustione del gas
metano:
1m 3 CH 4 2m 3 O2 7,56m 3 N 2 Ÿ 1m 3 CO2 2m 3 H 2 O 7,56m 3 N 2
si osserva che bruciando 1 m3 di metano si generano 2m3H2O. Questo
processo di trasformazione dell’idrogeno e dell’ossigeno in acqua che
assume uno stato gassoso, comporta l’assorbimento di energia che non
può essere più resa disponibile se non in seguito ad un nuovo
cambiamento di fase del vapore che ritorna allo stato liquido. Nei
sistemi di combustione tradizionali, operando con temperature dei fumi
elevate, il vapore acqueo generato viene espulso con i prodotti della
combustione e quindi risulta irrealizzabile il recupero del calore
assorbito dal processo che ha provocato il cambiamento di fase, definito
comunemente “calore latente di vaporizzazione”.
Il recupero di questo calore latente dei fumi si attua scendendo quindi
appunto al di sotto del punto di rugiada.
Come precedentemente osservato la combustione di 1 Nm3 di metano
richiede praticamente 10 m3 di aria, dando origine a 1m3 di anidride
carbonica oltre a 2 m3 di vapor d’acqua. Ricordando che il volume
specifico del metano è v = 1,399 m3/kg si ricava che 1 m3 di metano
corrisponde a 0,715 kg di gas.
Analizzando inoltre la massa molecolare degli elementi che
intervengono nella combustione si ha:
CH 4 2O2 7,52 N 2 Ÿ CO2 2 H 2 O 7,52 N
(16)
(2x32) (7,52x28)
(44)
(2x18) (7,52x28)
si può notare che da 16 kg di metano si ottengono 36 kg di acqua:
1 kgCH 4 o 2,0 m3 H 2 O
2,25 kgH 2 O
1kgCH 4 o 2,25 kgH 2 O x 0,715 1,6 kgH 2 O
2.4.
La condensazione in numeri
Quindi riassumendo la condensazione in numeri, riferita alla
combustione di 1 Nm3 di metano, può essere espressa mediante quanto
segue:
x PCI = circa 10 kWh;
41
x
x
x
x
x
2. La condensazione
PCS = circa 11 kWh;
il calore latente = circa 11% del PCS;
sono necessari circa 10 m3 di aria per la combustione;
si generato circa 11 m3 di prodotti della combustione;
i fumi generati contengono circa 2Nm3 di vapor d’acqua,
pari a 1,6 kg d’acqua.
Esempio:
Considerando un caso reale risulta possibile determinare la quantità di
calore recuperabile e la condensa prodotta dalla combustione del
metano.
Nell’ipotesi di avere una combustione con un eccesso d’aria del 20%,
dal diagramma di figura 2.4.
Fig 2.4: curva di saturazione del vapore per una caldaia a condensazione
si può vedere che il contenuto specifico di vapore è pari a 120 gH2O/kg
di fumi secchi, mentre la temperatura di rugiada è di circa 56°C.
Raffreddando i fumi fino a 40°C, il volume specifico dell’acqua si
riduce a circa 48 gH2O/kg di fumi secchi, la quantità di condensa
recuperabile diventa (120 - 48) = 72 gH2O/kg di fumi secchi.
Poiché la combustione di 1 kg di metano porta alla formazione di:
- 2,25 kg di H2O;
- 2,75 kg di CO2
13,16 kg di N2
e considerando i soli fumi secchi si hanno circa 16 kg (13,16+2,75 kg).
Ricordando che 1m3 di metano pesa 0,715 kg, si può dire che 1 m3 di
metano porta in queste condizioni alla formazione di 16 x 0,715 = 11,44
kg di fumi secchi. L’acqua prodotta sarà di conseguenza 11,44 x 72 =
850 grammi H2O, che considerando l’umidità dell’aria comburente
porta la quota totale a circa: condensa prodotta ~ 1 litro /1m3 di CH4
Risulta quindi evidente come il calore latente recuperato sia solo il 60%
(72/120) del totale recuperabile, quindi risulta indispensabile un
ulteriore raffreddamento dei fumi. Ad esempio se i fumi venissero
raffreddati a 30°C si otterrebbe quasi l’80% di recupero.
42
2. La condensazione
L’effettiva condensa prodotta in relazione all’eccesso d’aria e alla
temperatura di scarico dei fumi può inoltre essere rappresentata
mediante appositi diagrammi fig. 2.5 che esprimono la riduzione del
fattore di condensazione, posto teoricamente pari a uno quando la
temperatura dei fumi si approssima a dieci gradi.
Fig 2.5: andamento del fattore di condensazione in funzione della percentuale di O2
Dal funzionamento di un generatore con temperatura dei fumi di 40°C
con il 3% di O2 si nota dal grafico che solo il 69% di vapore d’acqua
viene prodotto pari a 0,69x1,6 kg/Nm3 di CH4 = 1,104 kg/Nm3 di CH4.
Il diagramma di fig. 2.6 rappresenta invece la condensa prodotta per
Nm3 di gas combusto.
Nel caso di un generatore che funziona con potenza focolare pari a 20
kW, corrispondente a circa 2 Nm3 di gas (ricordiamo che nel caso del
metano dalla combustione di 1 Nm3 di gas si sviluppano circa 10 kW),
la condensa prodotta con una percentuale di ossigeno nei fumi del 3% è
pari a 1,11 kg/Nm3 x 2 Nm3/h = 2,22 kg/h.
Fig 2.6: andamento del fattore di condensazione in funzione della percentuale di O2 per un
generatore alimentato a metano
43
2. La condensazione
2.5.
Caratteristiche del condensato
La condensa prodotta dalle caldaie a condensazione abbiamo visto
essere il prodotto del cambiamento di fase dei vapori generati dalla
combustione, il vapore d’acqua prodotto non si presenta però puro ma
ha al suo interno altri elementi quali ad esempio gli ossidi di azoto, e in
alcuni casi anche ossidi di zolfo. La miscela che si viene a costituire può
quindi portare alla formazione di acidi quali quello nitrico, nitroso o
solforico, che risultano altamente dannosi per i materiali.
Il PH della condensa assume, infatti, valori che solitamente si
attestano tra il 3,5÷5,5 come rappresentato in figura 2.7,
caratterizzandosi quindi con una certa acidità. Per raccogliere la
condensa prodotta nei generatori di combustione è solitamente presente
un sifone di raccolta, il cui compito è quello di far passare la condensa
verso lo scarico evitando però l’espulsione dei fumi. La formazione
della condensa non avviene solamente all’interno della caldaia ma, a
volte, anche nel camino o nel condotto di evacuazione dei fumi. Anche
in questo caso la condensa deve essere opportunamente raccolta e, a
seconda dei casi e dei regolamenti locali, neutralizzata mediante
appositi dispositivi.
Va ricordato inoltre che il sistema di scarico deve essere realizzato con
materiali concepiti per resistere alla corrosione, quali il materiale
plastico, la ghisa, l’alluminio. Il piombo invece risulta altamente
sensibile alla condensa così anche il cemento che, anche se in tempi
medio lunghi, viene aggredito dalla sua azione corrosiva.
Nel capitolo relativo alla normativa tecnica verranno comunque
dettagliati alcuni esempi di scarico della condensa, ai quali rimandiamo
per ulteriori dettagli.
Fig 2.7: valori di acidità della varie sostanze
44
3. La moderna generazione del calore
3.
3.1.
LA MODERNA GENERAZIONE DEL CALORE
Generalità
I generatori di calore sono degli apparecchi che trasferiscono l’energia
termica prodotta dalla combustione del combustibile ad un fluido
termovettore, solitamente acqua. Il trasferimento energetico può essere
più o meno efficiente a seconda della modalità di scambio termico e
della capacità di limitare le perdite da parte del generatore stesso. Il
diagramma di fig. 3.1 rappresenta i principali flussi energetici che
avvengono in un generatore di calore con:
-
-
Hfoc = energia introdotta con il combustibile;
Hu = energia utile trasferita al fluido termovettore;
Hv = energia generalmente persa o inutilizzata (calore
necessario per l’evaporazione dell’acqua contenuta nei fumi,
calore perso per combustione incompleta, ecc);
Hf = energia persa con i fumi;
Hirr = energia persa per irraggiamento;
Fig 3.1: flussi energetici in un generatore di calore
Per il principio di conservazione dell’energia si ha:
Hfoc = Hu + Hirr + Hf + Hv
45
3. La moderna generazione del calore
e semplificando le cose, ritenendo cioè trascurabile il termine Hv e
l’energia elettrica necessaria ai servizi di caldaia, si ricade nella
definizione
Hfoc = Hu + Hirr + Hf
ovvero
Hu = Hfoc – (Hirr + Hf)
Da cui deriva che l’energia utile sarà tanto maggiore quanto minori sono
le perdite per irraggiamento e per calore sensibile rilasciato con i gas di
combustione.
In un generatore standard mediamente si possono avere i seguenti valori
di perdita:
Hirr = 2÷3%;
Hf = 8÷10%
per cui accade che fatto 100 il valore di energia introdotta, l’energia
effettivamente utilizzabile risulta essere pari a 87% (fig. 3.2).
Fig 3.2: valori medi di perdita in un generatore di calore di tipologia standard
Come si può notare dalla figura 3.2 risulta chiaro che per definire il
valore di rendimento utile del generatore a regime bisogna fare il
rapporto tra l’energia introdotta e l’energia effettivamente trasferita al
fluido termovettore:
K tu
Hu
H foc
46
3. La moderna generazione del calore
mentre per definire il rendimento di combustione, trascurando la
perdita per irraggiamento che, se il generatore non è posto all’esterno
dell’edificio, rappresenta un contributo comunque immesso
nell’ambiente, assume la seguente formula:
Kc
1
Hf
H foc
Dall’analisi sopra descritta risulta quindi chiaro che per elevare le
prestazioni energetiche di una caldaia in condizioni stazionarie alla
piena potenza risulta fondamentale la riduzione delle perdite per
irraggiamento e quelle al camino.
L’evoluzione tecnologica dei generatori ha portato alla progettazione di
caldaie in grado di limitare al massimo questi fattori di perdita ed in
alcuni casi di sfruttare anche il calore latente che ha provocato il
cambiamento di fase dei fumi.
La riduzione delle perdite al camino è stata conseguita attraverso:
-
-
la riduzione della temperatura dei prodotti della combustione,
passando da gli oltre 200°C delle caldaie convenzionali ai circa
120°C dei generatori ad alto rendimento, a 50° per un generatore
a condensazione.
L’abbassamento della temperatura dei fumi al di sotto della
soglia di condensazione, con conseguente quasi totale recupero
del calore sensibile e parziale recupero del calore latente di
vaporizzazione.
La diminuzione delle perdite al mantello è stata conseguita con:
-
-
la riduzione della temperatura operativa del fluido termovettore
grazie ad un ideale controllo climatico e l’abbinamento ad unità
terminali operanti a media o bassa temperatura;
incrementando il grado di isolamento del mantello.
La figura 3.3 illustra l’evoluzione del rendimento dei generatori di
calore in funzione della riduzione della temperatura dei prodotti della
combustione.
Fig 3.3: tipologia di caldaie e loro rendimento in funzione della temperatura dei fumi
47
3. La moderna generazione del calore
Fig 3.4: influenza della temperatura di ritorno della caldaia sul rendimento delle caldaie
La temperatura del fluido termovettore influenza anch’essa il
rendimento di un generatore di calore, come si può notare dalla fig. 3.4
dove si evince che, per i generatori a condensazione, il rendimento utile
tende a crescere al diminuire della temperatura dell’acqua di ritorno, in
quanto un abbassamento della temperatura dell’acqua di ritorno provoca
una corrispettiva riduzione della temperatura dei fumi e quindi un
recupero energetico con reintroduzione di parte del calore latente.
Appare quindi chiaro come siano estremamente importanti i valori
effettivi di questi due parametri (Temp. fumi e Temp. acqua) e per
meglio rappresentarne l’influenza la figura 3.5 esprime la variazione di
resa in relazione al differenziale tra i fumi e l’acqua di ritorno caldaia:
ad esempio con temperatura di ritorno dell’acqua a 40°C e ǻT
acqua/fumi = 10°C, si ha un incremento di rendimento per
condensazione pari a 4,5%, che sale a 6,3% con ǻT acqua/fumi = 5°C.
Fig 3.5: aumento del rendimento in funzione della temperatura di ritorno caldaia e del ǻt
acqua/fumi
Risulta quindi evidente come la resa energetica di un generatore di
calore aumenti tanto più quanto più ridotto è il ǻT tra i fumi e la
temperatura di ritorno del fluido in caldaia.
48
3. La moderna generazione del calore
Per fare questo i moderni generatori sono caratterizzati da scambiatori
di calore ad elevata superficie dove il trasferimento di calore acqua-fumi
avviene in controcorrente massimizzando il trasferimento termico.
3.2.
Requisiti di rendimento dei moderni generatori di calore
D.P.R.412/93
La promozione dell’efficienza energetica in ambito comunitario ha
imposto la definizione di alcuni limiti necessari per l’uniformità e la
libera circolazione dei prodotti, confrontabili in relazione alle loro
caratteristiche prestazionali.
A tal fine in relazione ai generatori di acqua calda, la Direttiva Europea
92/42/CE, emanata nel 1992 stabilisce i requisiti di rendimento
applicabili alle nuove caldaie alimentate con combustibili liquidi o
gassosi aventi una potenza nominale pari o superiore a 4 kW d inferiore
a 400 kW. La direttiva viene definita una direttiva di “nuovo approccio”
ovvero una direttiva prevista per il conseguimento della marcatura CE,
ciò significa che un generatore dotato di marchio CE soddisfa i
requisiti minimi di rendimento di combustione espressi dalla
92/42/CE. La direttiva 92/42/CE è stata recepita nell’ordinamento
nazionale con il regolamento contenuto nel D.P.R. 660/1996 nel quale
vengono espressi i requisiti minimi di rendimento che i generatori di
calore devono avere.
Con l’introduzione del D.P.R. 412/93 e con le conseguenti modifiche
introdotte con il D.P.R. 551/99 entrate in vigore il 21 Aprile 2000 sono
stati posti dei limiti anche al rendimento utile minimo che il costruttore
deve dichiarare e garantire per il generatore di calore, limiti che, a
seconda della tipologia di generatore, sono rappresentati dalla tabella
3.1dove Pn rappresenta la potenza termica utile nominale espressa in
kW, ed il logaritmo deve essere in base 10.
Per i generatori di potenza termica utile maggiori o uguali a 400 kW i
valori di rendimento devono comunque essere superiori a quanto
previsto per Pn=400 kW.
Per i generatori avente doppia funzione di riscaldamento e produzione
di a.c.s., i valori di rendimento utile si riferiscono alla sola funzione di
climatizzazione invernale.
Tab 3.1: valori minimi di rendimento utile per generatori ad acqua calda secondo DIR 92/42/CE
Tali rendimenti devono essere verificati da laboratori accreditati che
operano metodologie di prova indicate da specifiche norme tecniche:
49
3. La moderna generazione del calore
-
a potenza termica nominale con temperatura media di 70°C;
al 30% del carico con temperatura stabilita in funzione della
tipologia di caldaia
x >= a 50°C per caldaie standard,
x = a 40°C per caldaie a bassa temperatura,
x = a 30°C per caldaie a condensazione.
Serve a questo punto una precisazione che viene fornita dalla stessa
Direttiva 92/42/CE che definisce come:
-
-
caldaia standard: caldaia per la quale la temperatura media di
funzionamento può essere fissata in fase di progettazione;
caldaia a bassa temperatura: caldaia che può funzionare in
regime continuo, la cui temperatura dell’acqua di alimentazione
è compresa tra 35 e 40°C ed in certi casi può dare luogo a
condensazione. Sono in essa comprese le caldaie a
condensazione a gasolio;
caldaia a condensazione: caldaia progettata per poter
condensare una parte considerevole del vapore acqueo contenuto
nei gas di combustione.
Per quest’ultima tipologia la più recente norma UNI 11071 riporta la
seguente definizione:
“ Apparecchio per cui, a regime, in tutte o alcune condizioni di
funzionamento e/o di installazione dell’impianto, il costruttore prevede
la formazione di condensa dei prodotti della combustione e/o
all’interno dell’apparecchio e/o nel sistema di evacuazione dei prodotti
della combustione in quantità tale da richiederne il convogliamento e/o
smaltimento”.
3.3.
La marcatura energetica a stelle
Il rendimento utile di un generatore oltre ad essere un parametro
importante per la verifica del rispetto dei requisiti minimi previsti dalla
normativa nazionale dei singoli paesi, può essere preso a riferimento per
esprimere le performances del generatore e permetterne un’ulteriore
caratterizzazione che ne testimonia la valenza energetica. Per questo
motivo a fianco della marcatura CE, che attesta il rispetto dei requisiti
minimi di rendimento, può essere apposto un ulteriore marchio, il quale,
rilasciato da opportuni enti di omologazione, è caratterizzato
dall’attribuzione di una o più stelle (fino ad un massimo di quattro). In
particolare il superamento dei requisiti minimi di rendimento di tre punti
percentuali permette l’apposizione della seconda stella, la terza stella
viene attribuita ad un ulteriore superamento di altri tre punti percentuali
e così fino all’ottenimento della quarta stella che caratterizza il
generatori energeticamente più efficienti.
50
3. La moderna generazione del calore
La tabella 3.2 rappresenta i requisiti di rendimento che debbono essere
contemporaneamente soddisfatti per l’ottenimento della marcatura a
stelle.
NB i requisiti espressi dalla tab. 3.2. devono essere garantiti
contemporaneamente al 100% ed al 30% del carico.
Tab 3.2: valori minimi di rendimento utile per generatori ad acqua calda per l’attribuzione della
marcatura energetica a stelle.
La marcatura a stelle evidenzia di fatto anche la valenza tecnologica del
generatore di calore, infatti:
-
-
ad una stella corrisponde la tecnologia minima richiesta per
legge;
a due stelle una tecnologia standard;
a tre stelle una tecnologia rappresentata dai generatori ecologici,
spesso premiscelati ed operanti a bassa temperatura, ed i
generatori a condensazione meno performanti;
a quattro stelle la tecnologia dei generatori più evoluti, ovvero i
generatori a condensazione. Va però specificato che non sempre
i generatori a condensazione rientrano nella categoria a
quattro stelle, motivo per il quale il costruttore deve rilasciare
copia della dichiarazione fatta dall’ente omologatore che riporta
il numero di stelle conseguite in fase di verifica.
Alla luce dei più recenti programmi per il risparmio energetico ed alle
iniziative di incentivazione (a livello locale o nazionale) si sta
assistendo ad una graduale e costante incentivazione alla sostituzione di
generatori obsoleti e/o alla nuova installazione di generatori evoluti, con
incentivi di tipo economico che premiano la scelta dei generatori a
quattro stelle, che oltre a notevoli benefici economici in termini di
risparmio energetico assicurino anche basse emissioni inquinanti
(parametro di riferimento in questo senso è il valore emesso di NOx).
Il recente D.Lgs n.192 del 2005 in attuazione della Direttiva
2002/91/CE relativa al rendimento energetico in edilizia, prescrive
in particolare, nei casi di ristrutturazione e/o sostituzione del
generatore di calore obbligatoriamente l’uso di generatori a tre o a
quattro stelle.
51
3. La moderna generazione del calore
3.4.
Dal rendimento puntuale al rendimento di produzione stagionale
Abbiamo visto quali siano i vincoli attualmente posti dalla normativa
nazionale per l’applicazione dei generatori di calore. I valori di
rendimento che sono espressi all’interno dei dati tecnici emessi dai
costruttori rappresentano valori ottenuti in condizioni stazionarie di
laboratorio, condizioni cioè difficilmente ottenibili in un impianto reale
dove i parametri influenzanti sono molteplici.
Allora sorge spontanea la domanda:”cosa accade al rendimento
stagionale di un generatore applicato in un impianto termico reale?”
Quale evoluzione è stata conseguita con l’introduzione di generatori di
calore innovativi e più performanti.
Da un’analisi fatta sulle performances medie dei generatori attualmente
installati emerge un dato estremamente significativo che dovrebbe far
pensare tutti gli operatori del mercato (costruttore, progettista,
installatore), sulle reali rese energetiche delle caldaie, le cui prestazioni
sono influenzate non solamente dalla tecnologia costruttiva, ma
soprattutto da alcuni parametri di scelta e di installazione che possono
provocare seri ostacoli all’ottenimento di buoni rendimenti di
produzione stagionali, pur partendo, sulla carta, da ottimi “rendimenti
puntuali”.
Un elemento fortemente penalizzante è sicuramente rappresentato
dalla presenza di carichi parziali, ovvero il funzionamento in
condizioni che si discostano dalle condizioni teoriche operative previste
nelle condizioni di progetto.
Funzionamento a
carico parziale
Addentrandoci nell’analisi possiamo notare come l’evoluzione
tecnologica dalle tradizionali caldaie a camera aperta con fiamma pilota,
per passare alle caldaie con accensione controllata di tipo piezoelettrico,
fino ai più evoluti generatori ecologici a premiscelazione e caldaie a
condensazione, abbia portato un notevole incremento delle prestazioni:
¾Caldaia a camera aperta: installata negli anni ottanta ed in
alcuni casi ancora presente, pur con rendimenti a regime del
85% ha una prestazione stagionale fortemenente penalizzata
figura 3.4, dove fiamma pilota, scarso adattamento ai carichi
parziali, perdite energetiche per aerazione del locale, ecc. ,
portano la resa stagionale a valori di poco superiori al 60%.
52
3. La moderna generazione del calore
Fig 3.4: rendimento stagionale e perdite energetiche in un generatore degli anni 80
¾Caldaie “ ad alto rendimento”: l’introduzione della Dir
92/42/CE ha imposto generatori con rendimento puntuale al
carico nominale più elevato, come nel caso dei generatori a due
stelle che pur attestandosi a valori prossimi al 90÷91%, a causa
ancora della scarsa capacità di adattamento ai carichi parziali,
producono un rendimento stagionale che supera di poco il 76%
come illustrato in figura 3.5.
Fig 3.5: rendimento stagionale e perdite energetiche in un generatore a due stelle “ad alto
rendimento”!
¾Caldaie premiscelate con elevato campo di modulazione: per
migliorare la resa stagionale di un generatore di calore il cui
rendimento utile oscilla intorno al 90÷91% risulta chiaro come
debbano essere ridotte le perdite causate dall’intermittenza
funzionale, un generatore dotato cioè di un ampio campo di
modulazione di potenza porta ad un abbattimento delle perdite
energetiche ed un rendimento stagionale che come illustrato
nella fig. 3.6 si avvicina all’87%.
Importanza della
Modulazione
Osservando la figura 3.5 si può dedurre che un campo di
modulazione coerente con i fabbisogni termici dell’edificio,
comporti a parità di rendimento nominale un incremento del
rendimento stagionale pari a circa 10 punti percentuali.
53
3. La moderna generazione del calore
Fig 3.6: rendimento stagionale e perdite energetiche in un generatore evoluto
¾Caldaie a condensazione con elevato campo di modulazione:
il rendimento utile stagionale può essere nettamente migliorato
impiegando i generatori a condensazione nei quali come visto
nei capitoli precedenti l’energia sfruttabile, comprendendo anche
il calore latente di vaporizzazione, permette di partire da un
valore teorico di resa pari al 111%. Poiché nei generatori a
condensazione le perdite per calore sensibile e per irraggiamento
sono molto limitate, specie quando questi funzionano a bassa
temperatura ed in abbinamento ad ottimi valori di modulazione,
l’andamento del rendimento assume i valori massimi riportati in
figura3.7.
Fig 3.7: rendimento stagionale e perdite energetiche in un generatore a condensazione
Campo di modulazione
Anche in questo caso è evidente che un fattore fondamentale per
incrementare la resa energetica del generatore di calore, oltre ad una
corretta installazione, riguarda una scelta oculata del rapporto tra
potenza fornita e potenza richiesta dall’edificio che, unitamente al
campo di modulazione, può risultare essenziale nel favorire notevoli
incrementi di resa stagionale.
Le prestazioni evidenziate dai diagrammi precedenti sono coerenti con
quanto accade in realtà solo se il generatore è dotato di un campo di
modulazione in grado di garantire un continuo funzionamento evitando
54
3. La moderna generazione del calore
regimi intermittenti di attacca-stacca che risultano essere molto
penalizzanti per la resa energetica del sistema. Per far questo, non solo il
campo di modulazione deve essere adeguato ma, devono altrettanto
essere coerenti i valori di potenza termica sviluppati nel range di
modulazione con l’effettivo carico termico dell’edificio. In pratica si
deve assistere ad un perfetto accoppiamento tra la curva dei
fabbisogni al variare della stagione operativa e la curva della potenza
richiesta (fig. 3.8).
Fig 3.8: condizione ideale di funzionamento di un impianto termico
Una tipica analisi di ciò che accade nella realtà nell’interazione tra
edificio ed impianto può essere visualizzata attraverso il confronto tra i
regimi funzionali di due caldaie a condensazione poste in uno stesso
edificio dotate però di campi di modulazione differenti, analizzandone il
comportamento in relazione alla reale frequenza delle temperature
esterne.
Supposto di dover fornire in condizioni di progetto una potenza di 13
kW ed operando a temperatura scorrevole, accade quanto rappresentato
nella figura 3.9 dove in ordinata si evidenziano:
-
l’andamento della temperatura erogata dalla caldaia (temperatura
riscaldamento);
la potenza dissipata dall’edificio kW;
in relazione alla temperatura esterna, riportata in ascissa, e rilevata da
un apposita sonda.
Nell’analisi vengono posti a confronto due generatori il primo a
condensazione di primaria marca con campo di variazione di potenza tra
7 e 28 kW, il secondo Geminox THRi 2-13 con campo di modulazione
potenza focolare variabile tra 2,5 e 13,9 kW, ritenendo di considerare
una tipica installazione nella città di Milano ed osservandone
l’andamento stagionale delle frequenze di accadimento delle
temperature esterne (fig. 3.10).
Come si può notare la Caldaia X quando la temperatura esterna
raggiunge i 5°C, si trova in una condizione nella quale, a causa
dell’elevata soglia di minima potenza, genera un funzionamento
55
3. La moderna generazione del calore
intermittente, tanto più consistente quanto più la temperatura esterna
sale.
Fig 3.9: andamento funzionale di due diversi generatori in funzione del loro campo di
modulazione e della potenza erogata
Nel caso della caldaia Geminox THRi il grafico evidenzia invece
come, grazie ad un elevato campo di modulazione e ad una soglia
minima di potenza estremamente ridotta, il generatore funzioni in
maniera continua riuscendo ad erogare come minimo 2,6 kW quando la
temperatura esterna rilevata si attesta a 15°C. Risulta chiaro che essendo
il carico termico gravante sull’edificio estremamente variabile, il
generatore X avrà una resa stagionale molto ridotta in quanto soggetta
ad elevati periodi di funzionamento intermittente:
- la caldaia X funziona in maniera corretta modulando opportunamente
solo per 2073 ore, mentre per la restante parte del tempo, 2847 ore, il
suo funzionamento è di tipo intermittente.
Fig 3.10: andamento statistico delle temperature esterne per la città di Milano
56
3. La moderna generazione del calore
Ricordiamo inoltre che affinché la resa di un generatore sia ottimizzata
devono essere eliminate le cause di discontinuità di funzionamento,
ovvero i regimi transitori di accensione e spegnimento che a causa delle
continue variazioni funzionali comportano :
- riaccensione con prelavaggio della camera di combustione che
causano espulsione di calore con i fumi e raffreddamento del
corpo caldaia;
- mancata ottimizzazione funzionale legata a continue
ricalibrazioni del sistema di controllo che in fase di accensione
attiva il generatore non alla minima potenza richiesta
dall’impianto ma ad una potenza molto prossima alla potenza
massima per poi attivare la modulazione, con conseguente
innalzamento del regime termico del fluido termovettore
distribuito in impianto e drastico abbassamento del contributo
latente.
Da quest’analisi risulta quindi chiaro come per incrementare la resa
stagionale di un generatore di calore sia molto più importante
prevederne un corretto dimensionamento, piuttosto che soffermarci
esclusivamente sui suoi dati di resa puntuale, altamente aleatori nel caso
di funzionamenti discontinui.
3.5.
Accorgimenti per innalzare il rendimento di un generatore a condensazione
Abbiamo già in precedenza evidenziato la correlazione esistente tra la
temperatura di scarico dei prodotti della combustione ed il rendimento
del generatore di calore.
La temperatura di scarico dei fumi è funzione infatti della temperatura
di ritorno dall’impianto che si riscalda a spese dei fumi stessi,
praticando uno scambio in controcorrente. Il grafico di fig.3.11 illustra
questo scambio e come questa differenza tenda a ridursi all’aumentare
dello scambiatore (teoricamente uno scambiatore di superficie estesa
darebbe origine ad un ǻT nullo).
Fig 3.11: andamento del ǻT acqua/fumi all’aumentare della superficie di scambio in una caldaia
57
3. La moderna generazione del calore
Da un’analisi attenta si può notare come il ǻT acqua/fumi non sia
caratterizzato solamente dalla temperatura dell’acqua di ritorno
impianto (lo è solo il valore finale dei fumi), ma come questo vari in
funzione del coefficiente di scambio termico che è chiaramente legato
alla configurazione dello scambiatore. A parità di scambiatore si può
osservare come il ǻT acqua/fumi aumenti all’aumentare del fattore di
carico del focolare, ovvero con la potenza termica bruciata secondo
quanto illustrato in fig.3.12.
Fig 3.12: andamento del ǻT acqua/fumi all’aumentare della potenza in una caldaia
La figura 3.13 , come peraltro già osservato in precedenza, illustra
inoltre per un determinato tenore di ossigeno nei fumi secchi l’aumento
di rendimento in funzione della temperatura di ritorno caldaia e del ǻT
acqua/fumi
Fig 3.13: aumento del rendimento per sviluppo di calore latente al variare del ǻT acqua/fumi in
funzione della temperatura di caldaia (combustibile metano, temperatura aria comburente 10°C e
umidità relativa del 80%, O2 nei fumi 3%)
Da quanto sin qui rappresentato risulta evidente che, per massimizzare
il rendimento di produzione medio stagionale di un generatore a
condensazione, oltre a porre estrema attenzione alla sua scelta ed alla
sua capacità di garantire elevati campi di modulazione bisogna porre le
condizioni affinché:
58
3. La moderna generazione del calore
a) la temperatura di ritorno impianto sia la più bassa possibile;
b) la caldaia funzioni il più a lungo possibile a bassa potenza
(fattore di carico ridotto), perché questo minimizza il ǻT
acqua/fumi.
c) L’eccesso d’aria si sempre limitato.
La condizione a) è strettamente legata alla configurazione ed alla
tipologia dei corpi emettitori, sono quindi favoriti impianti radianti o
corpi di scambio sovradimensionati.
Le condizioni a) e b) sono invece strettamente collegate al tempo di
accensione dell’impianto. In generale infatti più l’impianto viene
mantenuto in funzione (funzionamento continuo anziché discontinuo
od intermittente), più si riduce la temperatura media richiesta ai
corpi di scambio poiché parallelamente si riduce la potenza di
mantenimento richiesta dall’edificio.
La condizione c) risulta soddisfatta da bruciatori premiscelati in grado
di controllare e mantenere basso sempre l’eccesso d’aria.
Ritornando al punto b), è intuitivo pensare che le potenze richieste per
la messa a regime di un edificio o di una sua porzione siano nettamente
superiori rispetto alla potenza necessaria a compensare le dispersioni
energetiche di un edificio “già caldo”, quindi atta a garantire il solo
mantenimento. Da opportune analisi sperimentali si è verificato che
questo rapporto Potenza intermittente/Potenza continua può essere
considerato approssimativamente variabile tra 2 e 3.
Osservando la potenza richiesta dalla UNI 7357 per soddisfare le
richieste termiche di un edificio, si può certamente intuire come questa
risulti molto cautelativa in quanto nella sua determinazione è
consuetudine ritenere che:
-
-
-
i coefficienti di conduzione Ȝ delle strutture debbano essere
maggiorati, poiché le condizioni teoriche sono difficilmente
riproducibili in sede d’opera;
i coefficienti di convezione Į vengono anch’essi maggiorati;
le temperature esterne di progetto sono molto cautelative;
non vengono considerati gli apporti gratuiti dovuti sia
all’irraggiamento solare che ai carichi termici interni (luci,
attività umane, ecc).
i contributi sull’intermittenza sono molto sottostimati.
Un’analisi attenta dei singoli contributi ha permesso di determinare un
diagramma rappresentativo delle potenze e delle energie correlate con il
dimensionamento degli impianti di riscaldamento riferiti alla città di
Milano, secondo cui fig. 3.14, dalla quale si evince infatti che:
-
la potenza mediamente richiesta risulta essere circa il 25% della
potenza di picco;
la potenza di punta effettivamente richiesta si attesta circa al
50% della potenza di picco.
59
3. La moderna generazione del calore
La spiegazione risulta ai più chiara in quanto da un’analisi attenta si può
osservare come il dimensionamento secondo la Legge 10 consideri nella
determinazione della potenza solo una condizione stazionaria, non
influenzata invece da eventuali accumuli termici dovuti al
preriscaldamento dell’edificio, e un ǻT di progetto molto differente da
quello realmente esistente nella stagione di riscaldamento.
Fig 3.14: andamento della potenza e dell’energia necessari per un edificio di Milano
Per osservare gli effetti penalizzanti di un funzionamento discontinuo,
considerando le masse che costituiscono un normale edificio, si può
affermare che nelle 24 ore le dispersioni dell’edificio continuano
indipendentemente dall’esercizio in funzione o meno dell’impianto
termico. Il fenomeno si può giustificare con lo sfasamento dell’onda
termica tra la superficie interna della parete e quella esterna, come
illustrato nella figura 3.15
Fig 3.15: andamento delle temperature dell’aria e di parete di un edificio nella settimana al
variare della struttura
60
3. La moderna generazione del calore
Fig 3.16: andamento delle temperature dell’aria e di parete di un edificio nelle 24 ore
Analizzando inoltre le variazioni termiche che l’aria all’interno
dell’edificio subisce si ha :
¾Fase di spegnimento: la temperatura ta (condizioni di regime) si
abbassa fino al valore tas a causa della miscelazione con l’aria di
rinnovo ed il rilascio di calore della parete.
¾Fase di ripresa: all’accensione dell’impianto i corpi scambianti
devono erogare, oltre al calore disperso, anche quello necessario
per riportare la temperatura superficiale della parete interna al
valore (ta-d) iniziale. A tal fine la temperatura dell’aria deve
aumentare fino al valore tar, superiore a ta.
L’analisi termica dei comportamenti degli edifici dimostra che il
funzionamento intermittente degli impianti, non solo è altamente
penalizzante in termini energetici ma comporta anche delle conseguenze
negative per gli occupanti in quanto:
-
-
-
la temperatura ambiente non rimane costante e nelle prime ore
del mattino, in attesa della effettiva messa a regime, appare
distante da quella ritenuta accettabile per le condizioni di
comfort;
la necessità di rimettere in condizioni operative normali
l’impianto in un tempo breve comporta incrementi di potenza
erogata dai corpi emittenti (quindi dal generatore), con
conseguenti elevati moti convettivi in prossimità dei radiatori
che provocano movimentazione della polvere e sporcamente
delle pareti;
regimi termici discontinui con continui riscaldamenti e
raffreddamenti delle strutture provocano la formazione di muffe
a causa della condensazione dell’umidità presente specie nei
ponti termici dell’edificio.
In tutti i casi, dal momento che dopo ogni interruzione del servizio di
riscaldamento è necessario un transitorio per il ripristino del regime,
appare chiaro come nel normale funzionamento di un impianto si assista
61
3. La moderna generazione del calore
a periodi di funzionamento a regime alternati a periodi di interruzione e
avviamento. Nella stragrande maggioranza dei casi la presenza di
transitori non è marginale sia in termini di frequenza che di valore. Ciò
implica, conseguentemente, fabbisogni energetici effettivi notevolmente
diversi da quelli dedotti sulla base delle sole valutazioni a regime.
Appare anche e comunque chiaro, che non tutti gli edifici si prestano ad
un funzionamento continuo, perché diverse sono le esigenze
dell’utenza:
- edifici di civile abitazione, nei quali il comfort è richiesto
costantemente, prediligono un funzionamento continuo;
- edifici pubblici, di culto, dove la presenza è concentrata per
piccoli archi temporali, prediligono un funzionamento limitato
ad un piccolo arco temporale;
- attività commerciali ed industriali vanno invece valutate caso per
caso, tenendo conto anche delle specifiche richieste.
Nel caso dell’edilizia civile, per meglio valutare la penalizzazione
dovuta al riscaldamento intermittente, abbiamo studiato il
comportamento di un generatore di calore Geminox THRi 2-13 in un
edificio di volumetria pari a 470 m3 composto da unità terminali a
radiatori operante in zona climatica E con un fabbisogno secondo Legge
10 di 13 kW.
Analizzandone lo stato funzionale in una giornata tipo di gennaio, nel
caso di funzionamento continuo con modulazione della potenza, e
raffrontandolo alle prestazioni che lo stesso generatore fornisce
operando però in regime intermittente (spegnimento notturno), si è
notato che:
-
-
nel caso di funzionamento intermittente con spegnimento
notturno la necessità di sopperire alle perdite di calore che
inevitabilmente si hanno anche nelle ore notturne, nelle quali il
generatore non apporta calore, comporta al mattino, momento
della riattivazione dell’impianto, un funzionamento a massima
potenza con livelli termici del fluido termovettori estremamente
elevati richiedendo così una potenza impegnata pari a 2,7 volte
la massima potenza richiesta nel caso invece del funzionamento
continuo;
la necessità di operare per un certo numero di ore iniziali con
livelli termici più elevati in caldaia (temperatura dei fumi e del
fluido termovettore prossime a circa 70°C), pregiudica la
possibilità di buoni recuperi energetici sia per calore sensibile
che latente e come conseguenza un maggior consumo di
combustibile passando da 10,3 m3 di gas metano con
funzionamento continuo a 11,8 m3 nel caso di funzionamento
intermittente (8 ore off – 16 on) pari a più 7,6% di consumi.
62
3. La moderna generazione del calore
Fig 3.17: analisi del comportamento di una caldaia in regime continuo ed intermittente
La scelta del funzionamento continuo rispetto all’intermittente si rivela
quindi altamente efficace nell’impiego di generatori di calore con
elevati contenuti tecnologici come le caldaie a condensazione infatti,
poter operare con potenze richieste minori significa, specie negli
impianti a radiatori, avere la possibilità di garantire livelli termici del
fluido termovettore molto ridotti, quindi favorire l’ottenimento di
elevati recuperi energetici.
L’analisi della curva di emissione di un radiatore (fig. 3.18) è
rappresentativa di questa proprietà infatti: se nelle condizioni normali di
funzionamento specie in regime intermittente si deve garantire una
potenza che rispetto al continuo risulta spesso doppia, sarà necessario
allo stesso tempo erogare acqua con un livello termico più elevato.
Fig 3.18: andamento della potenza emessa da un radiatore al variare della temperatura media del
fluido termovettore
Ad esempio al fine di riscaldare un ambiente fornendo 800 Watt si deve
garantire una temperatura media al radiatore Tm = 62°C, che nel caso di
63
3. La moderna generazione del calore
ǻT 10°C comporta ingressi al radiatore pari a 67°C e ritorni impianto di
57°C, non favorendo chiaramente di fatto la condensazione dei fumi ed
il conseguente recupero energetico (fig.3.19).
Fig 3.19: erogazione di 800 W di potenza di un radiatore in relazione alla temperatura operativa
Con un funzionamento continuo, ricordando quanto visto in precedenza,
la potenza da fornire risulta nettamente inferiore e supponendo sia pari a
470 Watt, le temperature operative si abbassano richiedendo una
temperatura media Tm di 48°C che, sempre con ǻT 10°C, porta a
ritornare il fluido in caldaia a 43°C, comportando un sostanziale
recupero energetico per condensazione.
Fig 3.20: erogazione di 470W di potenza di un radiatore in relazione alla temperatura operativa
Pregi del funzionamento
Continuo
Da quanto sopraesposto risulta comunque evidente come la scelta tra
funzionamento intermittente e funzionamento continuo sia
marcatamente obbligata, il funzionamento continuo che permette di
ridurre l’impiego di potenza, favorisce come illustrato nella figura
3.20 un sensibile abbattimento della temperatura media operativa
con conseguenti importanti recuperi energetici che esaltano le
prestazione dei generatori a condensazione.
Risulta chiaro come il funzionamento continuo riduca di molto le
penalizzazioni degli impianti concepiti per l’esercizio ad alta
temperatura o che prevedono circuiti misti, in quanto, anche in questo
caso gli elementi emettitori possono essere serviti da un fluido
termovettore con un livello termico medio estremamente basso
favorendo ugualmente una buona condensazione dei prodotti della
combustione e quindi un più consistente recupero energetico.
64
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
4.
VANTAGGI
CONDENSAZIONE
4.1.
DELLA
TECNICA
A
Premessa
Nella maggior parte degli impianti di riscaldamento, sia in ambito civile
che industriale, ad oggi l’estrazione energetica del combustibile viene
arrestata prima del punto di rugiada. Accade cioè che negli impianti
termici siano essi esistenti, riqualificati o nuovi, si assiste ad un
dispendioso spreco di calore. E’ altrettanto consolidato che il mercato
attuale dei generatori in Italia ruoti attorno alla tecnologia standard,
favorendo l’installazione di caldaie ad uno o massimo due stelle, mentre
i generatori più evoluti quali le caldaie premiscelate e a condensazione
rappresentano solamente una piccola fetta di mercato. La figura 4.1 in
particolare illustra come le dinamiche di vendita dei paesi europei
vedano una differente attenzione all’evoluzione tecnologica nella
vendita dei generatori di calore. I paesi nordici rappresentano i
principali mercati per le caldaie ad alto contenuto tecnologico
(premiscelate e a condensazione)
Fig 4.1: andamento delle vendite di caldaia in Europa anno 2002 (fonte Assotermica)
Le recenti dinamiche legate ai costi del combustibile, nell’anno 20042005 il prezzo del gasolio è salito di oltre il 20,9% mentre quello del gas
metano di circa il 9,5% (fonte ISTAT dato tendenziale Agosto 2005),
unitamente ad una crescente sensibilizzazione generale per la qualità
ambientale (surriscaldamento della terra, controllo sulle emissioni di
polveri sottili, blocchi delle auto, ratifica di importanti accordi
transnazionali quali l’Accordo di Kyoto), la diffusione di combustibili
puliti come il metano, ha consentito di accrescere l’interesse verso quei
componenti tecnologici atti a garantire, a parità del servizio reso, un
65
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
elevato contenimento dei consumi e pariteticamente dell’emissione di
agenti inquinanti.
Le previsioni di crescita del mercato a condensazione in Italia
annunciano un notevole incremento delle vendite come illustrato nella
figura 4.2
Fig 4.2: previsione di vendita delle caldaie a condensazione murali in Italia
A fianco della maggior sensibilità economica ed ambientale,
manifestata dalle famiglie, si uniscono nuovi vincoli legislativi atti a
limitare gli sprechi energetici (recepimento direttiva europea
2002/91/CE sulla certificazione energetica degli edifici), i quali
richiedono come soluzione necessaria, ma non sufficiente, la scelta di
efficienti tecnologie per la produzione del calore.
In base a questo nuovo approccio infatti, per garantire l’ottimizzazione
delle prestazioni stagionali del sistema edificio-impianto, si richiede a
fianco dell’innalzamento del grado di isolamento dalle dispersioni
energetiche e dell’utilizzo degli apporti gratuiti, anche l’impiego di
generatori di calore in grado di massimizzare il rendimento di
trasformazione energetica del combustibile adattandosi istante per
istante al carico termico gravante sull’edificio stesso.
La scelta della tecnologia a condensazione appare quindi come
obbligata in quanto se correttamente applicata è in grado di favorire
enormi benefici:
-
-
Economici: favoriti dall’innalzamento del rendimento di
produzione stagionale, grazie al recupero latente e sensibile di
calore;
Ambientali: poiché la riduzione di combustibile comporta
direttamente un abbattimento dei quantitativi di sostanze
inquinati emesse, ma soprattutto perché la tecnica a
condensazione è abbinata (o dovrebbe esserlo) a bruciatori
premiscelati capaci di abbattere i valori di agenti incombusti e di
residui tossici della combustione (CO ed NOx).
66
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
4.2.
Benefici ottenibili con le caldaie a condensazione
Analizzate nei precedenti capitoli le caratteristiche delle caldaie a
condensazione, risulta interessante verificare quali benefici si possano
ottenere attraverso un confronto delle diverse soluzioni tecnologiche
oggi presenti sul mercato (generatori standard, ad alta efficienza, a
condensazione).
La tipologia impiantistica che attualmente si presta ad un ottimale
abbinamento con i sistemi a condensazione è senz’altro rappresentata
dal riscaldamento radiante, in quanto grazie alle elevate superfici di
scambio il fluido termovettore viene mantenuto a livelli mediamente
molto bassi e quindi tali da incrementare il recupero latente dei
generatori a condensazione. Ma i sistemi radianti presentano un altro
importante beneficio assicurato dalla costanza del funzionamento.
Risulta infatti ai più noto che, a causa dell’elevata inerzia di questi
sistemi, la modalità di funzionamento continuo dell’impianto termico
sia obbligata ai fini di assicurare il comfort termico degli ambienti,
quindi il sistema radiante si presta automaticamente all’eliminazione dei
regimi intermittenti di funzionamento che risultano altamente
disperdenti.
Ma la domanda che più spesso ci si sente rivolgere da parte di molti
operatori riguarda l’applicazione della condensazione negli impianti a
radiatori poiché nella concezione più comune, questi operano ad alta
temperatura e quindi in condizioni “sfavorevoli” con quei generatori il
cui recupero latente si accompagna al raffreddamento più o meno spinto
dei fumi attraverso l’acqua di ritorno dell’impianto.
La reale applicazione in impianti tradizionali può dimostrare come
anche in installazioni che prevedono l’utilizzo dei radiatori l’uso dei
generatori di calore a condensazione possa dare notevoli benefici in
quanto:
-
-
-
il dimensionamento dell’impianto, e quindi dei corpi scaldanti,
viene effettuato in riferimento a condizioni di progetto che
accadono per piccoli archi temporali nel corso di una stagione di
riscaldamento. Ciò comporta che nella maggior parte della
stagione invernale i radiatori risultano sovradimensionati rispetto
alle necessità per cui possono essere alimentati con acqua a
bassa temperatura, tale da favorire la condensazione;
la presenza di superfici di scambio maggiorate rispetto ai
normali generatori consente notevoli recuperi di calore, in
particolare un contenimento dell’energia emessa in ambiente con
i prodotti della combustione (calore sensibile);
la capacità di adattarsi costantemente al carico termico gravante
sull’edificio, garantita da un opportuno sistema di regolazione e
di modulazione della potenza, favoriscono il mantenimento delle
condizioni essenziali al soddisfacimento della richiesta termica
dell’impianto ovviando alle perdite energetiche causate dalle
intermittenze funzionali e dalle tipiche dispersioni legate ad
elevati regimi termici di funzionamento (perdite al mantello,
perdite per distribuzione, ecc.)
67
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Analogamente a quanto usualmente previsto per i sistemi radianti, per
garantire un ulteriore beneficio in termini di risparmio, anche per gli
impianti a radiatori va introdotto il modello di conduzione continua,
secondo il quale la produzione del calore non deve mai essere cessata
ma lasciata libera di fluttuare in relazione alle esigenze dell’edificio. Un
buon impianto termico infatti, qualora dotato di un generatore
caratterizzato da un campo di modulazione ideale capace cioè di
garantire un funzionamento continuo in ogni condizione di carico,
assicura il mantenimento in temperatura dell’edificio e la possibilità di
esercire con radiatori operanti a più moderata temperatura come
illustrato nel paragrafo 3.5.
A fianco dei benefici energetici conseguibili si presentano degli ulteriori
vantaggi di tipo igienico-funzionale garantiti dalla costanza delle
temperature ottenibili con il funzionamento continuo, quali:
-
-
4.3.
la mancata movimentazione della polvere (resa volatile dai
numerosi moti convettivi che si generano a causa dell’elevata
differenza termica tra il radiatore e l’ambiente), grazie al ridotto
regime termico del fluido termovettore;
il ridotto sporcamento delle superfici adiacenti ai radiatori;
regimi termici uniformi che aumentano la salubrità dell’edifico
ovviando alla formazione di muffe ed umidità.
Confronto prestazionale tra diverse tipologie di generatori
Il vantaggio economico nell’impiego di una caldaia a condensazione in
luogo di quella tradizionale è indubbiamente connesso all’entità del
risparmio energetico conseguente alla sua installazione in sostituzione
appunto alla soluzione più tradizionale. A fronte di un maggior costo
iniziale (costo di acquisto) si deve riuscire a verificare quelli che
saranno i costi legati all’erogazione del servizio richiesto (spesa di
gestione), al fine di valutarne l’effettiva convenienza. Per procedere
all’analisi delle prestazioni stagionali di un impianto di riscaldamento
con una caldaia a condensazione è necessario determinare due dati
fondamentali:
-
il fabbisogno dell’edificio;
l’efficienza media di produzione del calore;
Per determinare semplicemente questi parametri, che il progettista deve
preventivamente conoscere ai fini di un’analisi di convenienza
economica, si può utilizzare uno dei metodi di simulazione dinamica del
sistema edificio-impianto (programmi DOE-BLAST), o impiegare delle
stime ugualmente rappresentative determinate in regime stazionario. Il
metodo da noi considerato (Bin method) sfrutta le frequenze di
accadimento delle temperature esterne per ottenere il fabbisogno
termico dell’edificio dovuto alle dispersioni energetiche attraverso
l’involucro e per ventilazione, e grazie ad una modifica di calcolo che
introduce una correlazione lineare tra la temperatura esterna e l’apporto
solare (Bin method modificato), si ottengono dei risultati attendibili
68
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
(almeno alle nostre latitudini, ove gli apporti solari risultano contenuti e
non in grado di falsare i fabbisogni calcolati).
Va infatti precisato che al crescere degli apporti gratuiti rispetto alle
dispersioni energetiche si possono presentare degli scostamenti
importanti tra i risultati ottenuti con i metodi stazionari, rispetto alle
simulazioni dinamiche.
4.4.
Valutazione dei consumi di combustibile derivanti da diverse soluzioni tecnologiche
Per valutare quali benefici possono essere conseguiti in seguito
all’installazione di una caldaia a condensazione in un edificio,
confrontiamo le prestazioni energetiche di un impianto a radiatori
asservito da generatori di diversa tipologia (generatore ad 1 stella
minimo richiesto per legge, a due stelle ovvero tecnologia standard,
generatore ad alto rendimento e generatore a condensazione) per i quali
stimiamo il rendimento di produzione medio stagionale come già
anticipato nel Cap.3.
La valutazione, fatta su dati reperibili in letteratura, ha in particolare
tenuto conto delle perdite energetiche dovute ai fenomeni di
intermittenza derivanti dalla mancata o scarsa presenza di modulazione
della potenza erogata.
Il confronto, basato sulla determinazione dei consumi stagionali di gas
metano, ha considerato l’impianto operante con diverse tipologie di
generatori e con modalità di funzionamento che ne influenzano i vari
rendimenti secondo UNI10348 (produzione, distribuzione, regolazione
ed emissione) dando origine ad un Rendimento Gobale Medio
Stagionale illustrato nella tabella 4.1
La potenza erogata dal generatore per garantire i fabbisogni energetici
richiesti, con tipologia di funzionamento continuo, è di circa 23 kW ed
il generatore installato ha una potenza di 25 kW.
Caldaia 25 kW
RENDIMENTO IMPIANTO
Ș prod. Stagionale
Ș regolazione
Ș emissione
Ș distribuzione
Ș globale impianto
Temperatura media
Classe di efficienza
**
***
0,81
0,86
Anni 80
0,62
*
0,76
0,84
0,94
0,96
0,97
0,98
0,90
0,94
0,94
0,97
0,97
0,95
0,96
0,96
0,98
0,99
0,45
0,64
0,70
0,79
0,95
70
Impianti
esistenti
da 15
anni
70
70
60
50
Minimo
per
legge
****
1,01
Tecnologia
Alto
Condensazione
standard rendimento
Tab 4.1: andamento dei diversi rendimenti in funzione della tecnologia impiegata
Lo studio svolto su di un’intera stagione di riscaldamento, con computo
il più possibile preciso dei carichi termici istantanei, è stato possibile
utilizzando i dati metereologici statistici riportanti le temperature
69
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
esterne e le loro frequenze di accadimento, reperibili in letteratura per la
città di Milano.
Per l’analisi si è inoltre fatto riferimento ad un edificio adibito ad
abitazione civile, costituito da sei appartamenti su tre piani, non
considerando la produzione di a.c.s. per enfatizzare i benefici della
condensazione dovuti al solo riscaldamento.
Caratteristiche dell’edificio:
¾tipologia costruttiva: edificio di recente costruzione, con
isolamento secondo norma;
¾tipologia impiantistica: radiatori
¾gestione del riscaldamento climatica con sonda esterna
¾dati strutturali dell’edificio :
- volume riscaldato complessivo = 1440 m³;
- area complessiva di pianta = 480 m²;
- S/V = 0,60;
- Coefficiente volumico globale Cg = 0,64 w/m³K;
- Temperatura minima di progetto = -5 °C
- N° occupanti = 12
Fig 4.3: struttura e configurazione dell’edificio considerato per la simulazione funzionale
70
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Fig 4.4: esempio dei carichi termici e degli apporti gratuiti gravanti sull’edificio
La metodologia di calcolo tiene conto degli apporti gratuiti, in
particolare della temperatura solare, ritenendo necessario garantire una
temperatura interna minore di 20°C, in quanto questi apporti esterni
possono innalzare l’ambiente di 1÷2 gradi .
Il dimensionamento dei corpi scaldanti è stato fatto considerando di
scambiare 23 kW nelle condizioni di progetto con una temperatura di
mandata caldaia prossima a 65°C, e considerando invece un 'T=10°C le
temperature agli elementi emettitori saranno Tm=55°C e Tr=45°C .
E’ stato inoltre ipotizzato il funzionamento con regime continuo.
Fig 4.5: andamento della frequenza delle temperature esterne per la città di Milano
71
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Con queste ipotesi sono stati calcolati i rendimenti puntuali del
generatore di calore per fornire all’edificio la potenza termica richiesta.
Il calcolo è stato effettuato per più intervalli di temperatura (con
ampiezza di 2°C) dalla temperatura esterna di progetto ad una
temperatura esterna di 15°C, ritenendo che, per valori di temperatura
superiori, i singoli apporti gratuiti siano sufficienti a garantire le
condizioni di benessere negli ambienti.
I valori della potenza istantanea richiesta, pesati in base alla frequenza
in cui si ha l’intervallo di temperatura specificato, forniscono il
fabbisogno energetico stagionale.
Per ciascuno degli esempi che seguono, note le frequenze della
temperatura esterna dell’aria esterna nella stagione di riscaldamento
(fig. 4.5) si è calcolato:
-
Il fabbisogno in termini di potenza Pr dissipata in Watt
Cg * V * (18 Te)
Pr
-
L’energia termica Qt richiesta in ogni intervallo di temperatura,
data la frequenza in ore in kWh:
Qt
-
Il consumo di gas naturale Qgas (Nm3) nei vari intervalli di
temperatura. Ricordando che il PCI del gas metano vale circa 9,5
kWh/Nm3, si ottiene:
Qgas
-
Pr* n / 1000
Qt /(K * 9,5)
La somma dei vari intervalli di temperatura da il consumo
globale, che può essere facilmente corretto, affinché risulti
coerente con il computo del fabbisogno annuale, espresso
secondo il metodo dei gradi giorno (kWh):
(Qt )GG
Cg * V * 24 * GG / 1000
- La stima corretta pertanto è in Nm3:
(Qgas )GG
¦ Qgas * (Qt )GG / ¦ Qt
Sviluppati i calcoli riportati in fig. 4.6 si ricava il risparmio ottenibile di
gas espresso in Nm3/anno, impiegando la caldaia a condensazione
invece che:
-
caldaia ad una stella
caldaia a due stelle
caldaia a tre stelle
'consumo = 2669 m3/anno;
'consumo = 1997 m3/anno;
'consumo = 1084 m3/anno.
72
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
La determinazione del risparmio del consumo di gas così stimata, è stata
ottenuta valutando le prestazioni dello stesso stabile nel quale al posto
del generatore a condensazione venga installato un generatore a diversa
tecnologia, tenendo conto dei conseguenti differenti rendimenti
stagionali ottenibili:
-
sistema edificio impianto con caldaia ad una stella
K globale impianto = 0,64;
sistema edificio impianto con caldaia a due stelle
K globale impianto = 0,70;
sistema edificio impianto con caldaia a tre stelle
K globale impianto = 0,79;
sistema edificio impianto con caldaia a condensazione
K globale impianto = 0,95;
73
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Temp.
Temp.
Esterna
Progetto
(°C)
(°C)
15
-5
205
13
-5
319
Ore
Fabbis.
Temp.
Temp.
Ritorno
Mandata
caldaia
caldaia
4,35
28
31
3
6,77
29
34
Carico %
Consumo
Rendimento
Rendimenti
Energetico
Pr
gas
Cg
V
PCI
utile
prod stag
Qt
(W)
Qgas
(W/m3K)
(m3)
(MJ/m3)
29,72
106,0
21730
567
2765
56
0,64
1440
34,33
3
31,50
104,8
33431,2
1470
4608
147
0,64
1440
34,33
Delta
T
Tmed
(Nm3)
(kWh)
11
-5
441
9,36
31
37
6
34,02
104,6
46128,6
2845
6451
285
0,64
1440
34,33
9
-5
483
10,25
33
41
8
37,00
103
49749
4006
8294
408
0,64
1440
34,33
7
-5
566
12,01
34
45
11
39,50
101,8
57618,8
5738
10138
591
0,64
1440
34,33
5
-5
677
14,36
35
48
13
41,50
101,2
68512,4
8111
11981
840
0,64
1440
34,33
3
-5
563
11,94
37
51
14
44,00
99,6
56074,8
7783
13824
819
0,64
1440
34,33
1
-5
572
12,13
39
53
14
45,76
98,7
56456,4
8962
15667
952
0,64
1440
34,33
-1
-5
404
8,57
39
54
15
46,50
97,8
39511,2
7074
17510
759
0,64
1440
34,33
-3
-5
211
4,48
40
58
18
49,00
97,2
20509,2
4084
19354
441
0,64
1440
34,33
-5
-5
155
3,29
43
62
19
52,50
96,3
14926,5
3286
21197
358
0,64
1440
34,33
-7
-5
118
2,50
45
65
20
55,00
95,9
11316,2
2719
23040
297
0,64
1440
34,33
4714
505,99
475964,3
56643
5953
42,17
100,97
kWh/a
Nm3/a
Località
Milano
2400
GG
53084
kWh/a
Consumo annuale gas corretto (Qgas)GG Nm3/a
5579
Nm3/a
Consumo annuale gas corretto (Qgas)GG Nm3/a con rendimento Globale Impianto
5936
Nm3/a
N° GG
Fabbisogno annuale (Qt)GG kWh/a
ǃ Prod.
ǃ
Globale
Stag.
imp.
%
%
Ș'
Delta cons.
Qgas
Generatore *
0,76
0,64
1745
Nm3/a
7325
Generatore **
0,81
0,70
1293
Nm3/a
6872
Generatore ***
0,86
0,79
893
Nm3/a
6473
101
0,95
-23,83
%
Generatore a condensazione
Risparmio percentuale
Generatore *
Risparmio di
0,94
(considera anche i rendimenti di distribuzione, emissione, regolazione = ǃ
Risparmio percentuale
Generatore **
-18,81
%
Risparmio percentuale
Generatore ***
-13,80
%
Risparmio percentuale
Generatore *
-31,26
%
2699
Nm3/a
8635
Risparmio percentuale
Generatore **
-25,18
%
1997
Nm3/a
7933
Risparmio percentuale
Generatore ***
-15,45
%
1084
Nm3/a
7020
produzione
Delta cons.
Risparmio
stagionale
Qgas
Fig 4.6: foglio di calcolo per la determinazione con il metodo del Bin Method modificato delle diverse prestazioni edificio-impianto
74
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
4.5.
Valutazione economica con metodologia VAN
I possibili interventi che vengono pensati al fine di ottenere un beneficio
energetico, si distinguono per avere dei costi che chiaramente si
discostano in eccesso rispetto alle soluzioni normalmente intraprese. Ad
una prima valutazione di tipo energetico deve seguire pertanto una
valutazione di tipo economico che permetta di effettuare una scelta
economicamente sensata, valutandone correttamente l’impatto
economico e confrontando i costi sostenuti per effettuare l’intervento
con i conseguenti risparmi derivanti dalla gestione dell’impianto. Nella
normale terminologia economica deve essere valutata la redditività
dell’investimento mediante l’analisi costi/benefici.
Gli indici economici utilizzati per stabilire l’effettiva convenienza
dell’investimento sono:
-
Valore Attuale Netto
il tempo di ritorno (Pay Back Period);
il valore attuale netto (VAN).
Il tempo di ritorno (in anni), come è noto, è dato dal rapporto tra il costo
totale dell’investimento ed il risparmio ottenuto sulle spese di
riscaldamento grazie all’intervento stesso; questo parametro non tiene
conto però ne degli anni di vita utile dell’impianto, né del tasso di
interesse del denaro, né dell’inflazione. Affidarsi al tempo di ritorno può
in alcuni casi essere rischioso perché fornisce un’indicazione molto
ottimistica. E’ importante però non dimenticare che i termini del
confronto, affinché siano utili le analisi, devono essere riferiti allo stesso
momento temporale, essendo il tempo un fattore molto influenzante sul
valore di un capitale che può chiaramente svalutarsi (inflazione) o
rivalutarsi (mediante interessi) con il passare degli anni. In sostanza un
determinato capitale oggi disponibile non sarà lo stesso, in valore,
fra un certo numero di anni e un beneficio futuro non è facilmente
monetizzabile.
Per confrontare in maniera corretta ed analitica i valori di denaro riferiti
in tempi diversi, dobbiamo ricorre agli strumenti offerti dalla
matematica finanziaria.
In particolare l’operazione di attualizzazione finanziaria che consente,
come dice la parola stessa, di attualizzare il valore di un capitale
disponibile fra n anni
Il VAN è un indice che restituisce il valore attuale di un
investimento sulla base di flussi di cassa futuri (entrate ed uscite). Il
VAN (Valore Attuale Netto) è definito come differenza tra la somma
dei benefici attualizzata ed il valore dell’investimento. Nella valutazione
dei benefici ottenibili dall’installazione di un generatore a
condensazione rispetto ad altre soluzioni, il VAN costituisce quindi un
parametro ideale in quanto permette un confronto tra un maggior
investimento economico, sostenuto a fronte di risparmi previsti nelle
spese di gestione dell’impianto, conseguibili negli anni successivi
all’entrata in servizio dello stesso.
In questo ambito, pertanto, i dati di output dell’analisi energetica vista
in precedenza (risparmi di combustibile conseguenti alle diverse
soluzioni tecnologiche) diventano le grandezze di input per una prima
75
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
analisi economica. Per completare correttamente l’analisi risulta
pertanto necessario ricorrere al criterio dell’attualizzazione con il quale i
benefici economici, realizzabili negli anni futuri nelle spese di esercizio,
sono resi temporalmente omogenei ad un istante to=2005 , anno in cui è
prevista l’acquisizione del generatore a condensazione. Sono inoltre
stati calcolati i benefici relativi ai vari anni, rapportandoli al beneficio
annuo stimato in moneta attuale all’istante to=2005 e tenendo conto di
un opportuno aumento nominale del costo del combustibile gas metano
(deriva del combustibile: definita come aumento proprio del bene
aggiuntivo ed indipendente dall’inflazione).
L’ipotesi fondamentale sulla quale si basa il VAN è che esista un tasso
di sconto nominale o di interesse r al quale si può indifferentemente
impegnare o chiedere il denaro. Si presentano quindi due casi di
investimento:
- con capitale a credito: con cui per r si assume il più alto tasso di
interesse dei mezzi finanziari cui l’investitore sta attingendo;
- con capitale proprio: con cui per r si assume il più basso tasso di
redditività tra i possibili investimenti alternativi.
Per applicare la metodologia VAN, si richiede la definizione inoltre di:
-
d = tasso di deriva del prezzo dell’energia %;
f = tasso di inflazione %;
r = tasso di sconto, o di interesse annuo %;
n = durata dell’investimento anni;
Io = extracosto dell’investimento = differenza di costo,
considerata per l’utente finale, tra un generatore a condensazione
e quelli ad esso ritenuti alternativi. In particolare il delta costo
considerato risulta essere di:
o 1.200,00 € su caldaia a premiscelazione a tre stelle;
o 1.500,00 € su caldaia ad alto rendimento a due stelle;
o 1.800,00 € su caldaia standard a una stella.
Per le nostre valutazioni abbiamo ritenuto che:
- r=4%
- f = 2 %;
- d = 8%;
- n = 10 anni.
Nella definizione della deriva del combustibile, si è assunto un valore
contenuto e pari all’8%, va osservato infatti che l’aumento del prezzo
del gas in Italia nel corso del periodo Gennaio-Ottobre 2005 è stato
+11,9% (fonte Dipartimento del Tesoro).
I recenti aumenti dei prezzi dell’energia e le prospettive future
portano a concludere che le ipotesi fatte siano sicuramente molto
cautelative.
76
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
A questo punto per completare l’analisi finanziaria, devono essere
definiti altri parametri quali:
-
-
-
CF: flusso di cassa operativo (non attualizzato). E’ il risparmio
annuo conseguito attraverso il minor consumo di gas (prodotto
tra costo al m3 e la quantità di gas risparmiata annualmente).
DCF: flusso di cassa operativo (attualizzato al momento
dell’investimento). E’ il risparmio annuo conseguito attraverso il
minor consumo di gas;
VAN: flussi di cassa operativi (risparmio totale conseguito al
netto dell’investimento) attualizzati cumulati anno per anno
(somma algebrica) ovvero Valore Attuale Netto.
Qualora si volesse comunque eseguire una prima analisi semplificata
senza considerare l’inflazione e la deriva del combustibile, la tabella
(tab.4.2) ci permette di determinare il Fattore di annualità FA che,
funzione della durata in anni dell’investimento (n) e dal tasso di
interesse o di sconto annuo (r) precedentemente definito, permette di
calcolare agevolmente il VAN noti i benefici CF creatisi anno per anno
e derivanti nel nostro caso dal risparmio nell’acquisto del combustibile:
¦ (1 r )
n
FA
1
J
j 1
Pertanto
VAN
CFxFA Io
ad esempio per r = 4% ed n=10 FA = 8,11
Le figure 4.7-4.8-4.9 e le tabelle
4.3-4.4-4.5 rappresentano
l’andamento dei parametri finanziari derivanti da un’analisi più
approfondita in relazione all’impiego del generatore a condensazione al
posto dei generatori a tecnologia inferiore, tenendo conto di tutti i dati
economici influenzanti
77
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Tab 4.2: tabella per il calcolo semplificato del fattore di annualità
.
78
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
CONFRONTO PRESTAZIONALE CON GENERATORE
AD UNA STELLA
DCF
Extra Costo
€
€
VAN
€
1858,26
1800
58
Costo Comb
Risp. Comb
C.F.
Anno
€/Nm3
Nm3/a
€/a
n
0,65
2699
1754,35
1
0,65
2699
1754,35
2
1,0816
1,0404
1,1664
1,12197
1968,33
0,65
2699
1754,35
3
1,124864
1,061208
1,259712
1,188425
2084,91
4112
0,65
2699
1754,35
4
1,169859
1,082432
1,360489
1,258816
2208,40
6320
0,65
2699
1754,35
5
1,216653
1,104081
1,469328
1,333377
2339,21
8659
0,65
2699
1754,35
6
1,265319
1,126162
1,586874
1,412354
2477,76
11137
0,65
2699
1754,35
7
1,315932
1,148686
1,713824
1,496009
2624,52
13761
0,65
2699
1754,35
8
1,368569
1,171659
1,85093
1,584618
2779,98
16541
0,65
2699
1754,35
9
1,423312
1,195093
1,999005
1,678477
2944,64
19486
2699
1754,35
10
1,480244
1,218994
2,158925
1,777894
3119,05
22605
0,65
(1+r)eJ
(1+f)eJ
(1+d)eJ
K
1,04
1,02
1,08
1,059231
CF
Flusso di cassa operativo, non attualizzato = risparmio conseguito grazie al minor consumo di gas
DCF
Flusso di cassa operativo, attualizzato al momento dell'inestimento = risparmio conseguito per minor consumo di gas
VAN
Flusso di cassa operativo (risparmio totale conseguito al netto dell'investimento) attualizzato
2027
cumulato anno per anno
Tab 4.3: andamento dei diversi valori finanziari per generatore ad una stella
VAN calcolato rispetto generatore a 1 stella
25000
20000
15000
Euro
22605
VAN
19486
10000
16541
13761
11137
5000
8659
6320
58
4112
2027
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Anni
Fig 4.7: andamento grafico del VAN desumibile dal confronto con un generatore ad una stella
79
€
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
CONFRONTO PRESTAZIONALE CON GENERATORE
A DUE STELLE
VAN
Costo Comb
Risp. Comb
C.F.
Anno
€/Nm3
Nm3/a
€/a
n
0,65
1997
1298,05
1
0,65
1997
1298,05
2
1,0816
1,0404
0,65
1997
1298,05
3
1,124864
1,061208
0,65
1997
1298,05
4
1,169859
1,082432
1,360489
0,65
1997
1298,05
5
1,216653
1,104081
1,469328
0,65
1997
1298,05
6
1,265319
1,126162
1,586874
1,412354
1833,31
8072
0,65
1997
1298,05
7
1,315932
1,148686
1,713824
1,496009
1941,89
10014
0,65
1997
1298,05
8
1,368569
1,171659
1,85093
1,584618
2056,91
12071
0,65
1997
1298,05
9
1,423312
1,195093
1,999005
1,678477
2178,75
14250
0,65
1997
1298,05
10
1,480244
1,218994
2,158925
1,777894
2307,80
16557
DCF
Extra Costo
€
€
€
1,059231
1374,93
1500
-125
1,1664
1,12197
1456,37
1331
1,259712
1,188425
1542,64
2874
1,258816
1634,01
4508
1,333377
1730,79
6239
(1+r)eJ
(1+f)eJ
(1+d)eJ
K
1,04
1,02
1,08
CF
Flusso di cassa operativo, non attualizzato = risparmio conseguito grazie al minor consumo di gas
DCF
Flusso di cassa operativo, attualizzato al momento dell'inestimento = risparmio conseguito per minor consumo di gas
VAN
Flusso di cassa operativo (risparmio totale conseguito al netto dell'investimento) attualizzato
cumulato anno per anno
Tab 4.4: andamento dei diversi valori finanziari per generatore a due stelle
VAN calcolato rispetto generatore a 2 stelle
18000
16000
14000
1
12000
2
10000
Euro
3
16557
8000
12071
6000
6
10014
2000
7
8072
4000
8
6239
9
4508
-125
2874
10
1331
0
-2000
1
2
3
4
5
14250
4
5
6
7
8
9
10
Anni
Fig 4.8: andamento grafico del VAN desumibile dal confronto con un generatore a due stelle
80
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
CONFRONTO PRESTAZIONALE CON GENERATORE
A TRE STELLE
DCF
Extra Costo
€
€
VAN
€
746,33
1200
-454
Costo Comb
Risp. Comb
C.F.
Anno
€/Nm3
Nm3/a
€/a
n
0,65
1084
704,6
1
0,65
1084
704,6
2
1,0816
1,0404
1,1664
1,12197
790,54
337
0,65
1084
704,6
3
1,124864
1,061208
1,259712
1,188425
837,36
1174
0,65
1084
704,6
4
1,169859
1,082432
1,360489
1,258816
886,96
2061
0,65
1084
704,6
5
1,216653
1,104081
1,469328
1,333377
939,50
3001
0,65
1084
704,6
6
1,265319
1,126162
1,586874
1,412354
995,14
3996
0,65
1084
704,6
7
1,315932
1,148686
1,713824
1,496009
1054,09
5050
0,65
1084
704,6
8
1,368569
1,171659
1,85093
1,584618
1116,52
6166
0,65
1084
704,6
9
1,423312
1,195093
1,999005
1,678477
1182,65
7349
0,65
1084
704,6
10
1,480244
1,218994
2,158925
1,777894
1252,70
8602
(1+r)eJ
(1+f)eJ
(1+d)eJ
K
1,04
1,02
1,08
1,059231
CF
Flusso di cassa operativo, non attualizzato = risparmio conseguito grazie al minor consumo di gas
DCF
Flusso di cassa operativo, attualizzato al momento dell'inestimento = risparmio conseguito per minor consumo di gas
VAN
Flusso di cassa operativo (risparmio totale conseguito al netto dell'investimento) attualizzato
cumulato anno per anno
Tab 4.5: andamento dei diversi valori finanziari per generatore a tre stelle
VAN calcolato rispetto generatore a 3 stelle
9000
8000
7000
1
6000
2
5000
3
8602
Euro 4000
7349
5
6166
3000
6
5050
7
3996
2000
8
3001
9
2061
1000
-454
0
10
1174
337
-1000
1
2
3
4
4
5
6
7
8
9
10
Anni
Fig 4.9: andamento grafico del VAN desumibile dal confronto con un generatore a tre stelle
81
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Analizzando i risultati dell’analisi energetica emerge che la soluzione
impiantistica con un generatore a condensazione non solo si impone
nell’ottica del miglioramento dell’efficienza dei processi di
trasferimento di energia ma, osservando anche i flussi di cassa nei dieci
anni considerati ed i risultati economici conseguibili dovuti ai risparmi
stagionali di combustibile ottenibili con il miglioramento del
Rendimento Globale dell’impianto termico, si può facilmente delinearne
l’eclatante convenienza economica:
I risparmi sono:
¾- 2.699 Nm3/anno pari al 31,26% rispetto ad un impianto
con caldaia tradizionale ad una stella;
¾- 1.997 Nm3/anno pari al 25,18% rispetto ad un impianto
con caldaia ad alto rendimento a due stelle;
¾- 1.084 Nm3/anno pari al 15,45% rispetto ad un impianto
con caldaia ad premiscelazione modulante a tre stelle.
E la valorizzazione del VAN :
¾22.605,00 € il risparmio cumulato attualizzato nei 10 anni
rispetto ad un impianto con caldaia tradizionale ad una stella;
¾16.557,00 € il risparmio cumulato attualizzato nei 10 anni
rispetto ad un impianto con caldaia ad alto rendimento a due
stelle;
¾8.602,00 € il risparmio cumulato attualizzato nei 10 anni
rispetto ad un impianto con caldaia ad premiscelazione
modulante a tre stelle.
Si può certamente notare, pertanto, come i valori dei VAN calcolati
sulle basi del minor esborso annuo per l’acquisto del combustibile,
evidenziano come l’investimento in tecnologia sia molto remunerativo.
Aver sostenuto un extracosto per l’investimento sul motore della casa,
(la caldaia è infatti il fulcro attorno al quale ruotano tutti i servizi atti a
garantire il comfort quali il riscaldamento e la produzione di acqua
calda sanitaria), è molto più redditizio di altri tipi di investimento
(BOT, deposito bancario, attività di borsa, ecc.).
Risulta infatti interessante capire quale sarebbe stato il nostro capitale se
avessimo investito diversamente il denaro.
Per fare questo bisogna utilizzare la procedura di capitalizzazione
finanziaria, attraverso la quale è possibile conoscere il valore futuro Cn
del capitale attualmente disponibile Co
Cn
C o x(1 r ) n
Pertanto se avessimo infatti investito in uno strumento finanziario in
grado di garantire r = 4% annuo ne deriverebbe che con:
82
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
ƒ Co=1.200,00 € (maggior esborso per l’acquisto della caldaia a
premiscelazione a tre stelle) il Cn = 1.776,00 €;
ƒ Co=1.500,00 € (maggior esborso per l’acquisto della caldaia ad alto
rendimento a due stelle) il Cn = 2.220,00 €;
ƒ Co=1.800,00 € (maggior esborso per l’acquisto della caldaia
standard a una stella) il Cn = 2.664,00 €.
Nel nostro caso, il confronto eseguito con un investimento della durata
di 10 anni in grado di garantire il 4% annuo (ipotesi al quanto
ottimistica da ottenersi senza rischi finanziari), dimostra come
l’investimento in tecnologia risulti ben più conveniente.
La possibilità offerta inoltre da un sistema a condensazione in esercizio
continuo di garantire il comfort diminuendo il livello termico del fluido
termovettore erogato agli organi emettitori, risulta anche essere un
notevole contributo al rispetto dell’ambiente nel quale viviamo, in
quanto si ha proporzionalmente una riduzione di agenti inquinanti
emessi, in particolare di CO2 ed NOx.
83
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
4.6.
Consumi energetici degli edifici
Black out, cambiamenti climatici e scenari macropolitici altamente
instabili che fanno oscillare costantemente il prezzo dei combustibili
devono obbligatoriamente far pensare ad un diverso modo di disporre
del calore generato con i combustibili fossili. Non risulta più possibile
lo spreco energetico (gli edifici hanno un fabbisogno energetico per il
riscaldamento molto elevato pari in Italia 68% ed in Europa al 57%
dell’energia totale consumata fig. 4.10); per questo motivo l’Unione
Europea ha introdotto una Direttiva Energy Performance of Buildings
(EPBD) 2002/91/CE del 16 Dicembre 2001 che prevede entro il 4
gennaio 2006, il recepimento da parte di tutti gli stati membri, i quali a
loro volta dovranno quindi introdurre un sistema di certificazione che
consenta un contenimento dei consumi. L’Italia ha recentemente
emanato in tal senso il D.Legislativo 19 Agosto 2005, n.192 che
disciplina gli edifici di nuova costruzione e le ristrutturazioni importanti
(con superficie utile superiore a 1.000 m2). Appare subito chiaro che
questo sia però riduttivo in quanto lascia molti dubbi per quanto
riguarda il parco edilizio esistente caratterizzato da scarsi se non assenti
elementi isolanti e servito da sistemi di produzione del calore
scarsamente efficienti in quanto costituiti da obsoleti generatori di
calore spesso sovradimensionati.
Fig 4.10: andamento grafico dei consumi energetici degli edifici in Italia ed in Europa (fonte
ENEA)
La consapevolezza che molto possa essere fatto nella progettazione di
nuovi edifici (corretta coibentazione, scelta ottimale dei generatori di
calore, orientamenti favorevoli allo sfruttamento degli apporti gratuiti,
ecc), porta invece a valutazioni estremamente pessimistiche per quanto
riguarda la riqualificazione degli edifici esistenti.
Consumo energetico
in Italia
Il parco degli edifici in Italia è molto vecchio, caratterizzate da strutture
antecedenti l’introduzione della Legge 373/76 e con l’80% degli
impianti da riqualificare (fonte Assotermica).
84
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Il consumo energetico degli edifici è nel nostro paese molto alto,
stimato intorno a 70÷120 kWh/m2a per edifici di nuova costruzione e
per edifici di vecchia costruzione pari 160÷220 kWh/m2a.
Il consumo medio delle abitazioni lombarde, in particolare, per il solo
riscaldamento è di 180 kWh/m2a, mentre comprendendo gli usi cucina e
la produzione di acqua calda sanitaria, tale consumo aumenta a 220
kWh/m2a.
Un’indagine condotta su oltre 500 edifici del territorio milanese ha
inoltre permesso una valutazione dei consumi per il riscaldamento
invernale in funzione della destinazione d’uso dell’edificio sito in zona
climatica pari a 2400 GG:
¾Edifici residenziali = 163,20 kWh/m2a ;
¾Edifici ad uso uffici = 130,57 kWh/m2a ;
¾Asili nido = 150,00 kWh/m2a;
¾Scuole = 126,11 kWh/m2a.
Fig 4.11: raffronto tra i consumi energetici(litri di gasolio su superficie riscaldata) in rapporto
alla legislazione italiana
La legislazione nazionale vigente in materia di risparmio energetico
degli edifici, modificata in parte ed in attesa di decreti attuativi dal
D.Lgs 19 Agosto 2005, n192, non indica ancora una ben precisa
prescrizione per la suddivisione in classi degli edifici in base al loro
consumo stimato in sede progettuale, come invece già accade in alcuni
paesi Europei. Già da tempo in molti di questi paesi, infatti , vige un ben
preciso limite di consumo energetico:
-
in Austria il limite è di 65 kWh/m2a per edifici di nuova
costruzione;
in Germania tale limite è compreso tra 50 e 80 kWh/m2a e
25y60 kWh/m2a per gli edifici definiti a basso consumo;
85
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
-
in Svizzera per gli edifici residenziali di nuova costruzione è
invece previsto un limite di 45 kWh/m2a e 90 kWh/m2a per gli
edifici antecedenti agli anni 90.
In Italia si sta muovendo un certo interesse verso la certificazione
energetica degli edifici anche grazie alla Provincia autonoma di Bolzano
che, per prima nel 2000, ha redatto un documento che indica la
procedura da seguire ai fini dell’ottenimento della certificazione
energetica dell’edificio. La certificazione risulta attualmente un
requisito indispensabile per ottenere l’abitabilità ed i valori massimo
ammessi sono quelli della categoria C il cui limite è di 70 kWh/m2a
(fig.4.12 categorie di consumo secondo Casa Clima), gli edifici che
risulteranno invece più virtuosi ricadendo nella categoria A avranno una
riduzione degli oneri di urbanizzazione del 10%.
Fig 4.12: andamento grafico dei consumi energetici degli edifici e loro suddivisione in categorie
secondo Casa Clima
La fig. 4.13 illustra un primo esempio di certificazione rilasciata nel
Comune di Carugate (MI) che, sull’esperienza di Bolzano, ha anch’esso
inserito la certificazione energetica di Casa Clima nel proprio
regolamento edilizio.
86
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Fig 4.13: esempio di targhetta energetica apposta su un condominio nel comune di Carugate (MI)
Fig 4.14: attestato di certificazione energetica per un condominio nel comune di Carugate (MI)
Ci sono notevoli aspettative quindi attorno alla certificazione energetica
degli edifici in quanto potrà contribuire oltre ad una cospicua riduzione
dei consumi e delle emissioni inquinanti, anche una potenziale
rivalutazione dei patrimoni immobiliari che, rispondendo ai più alti
standard di risparmio energetico, vedranno valorizzata questa loro
caratteristica soprattutto in fase di compravendita.
Il D.Lgs 192/2005 prevede che entro un anno dalla sua entrata in vigore,
tutti gli edifici di nuova costruzione o soggetti a ristrutturazione (con
alcune limitazioni) siano dotati di un apposito certificato che ne attesti
87
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
la virtuosità energetica, certificato che il notaio dovrà allegare all’atto di
compravendita per renderlo giuridicamente valido.
La fig. 4.15 illustra la possibile etichettatura energetica degli edifici
prevista dal D.Lgs 192/2005 sulla base di quanto già sperimentato da
Casa Clima, mentre ad oggi non sono state ancora pubblicati i valori
soglia che permetteranno la suddivisioni nelle suddette classi
energetiche.
La fig. 4.16 rappresenta comunque un’utile tabella che permette una
prima individuazione delle categorie di appartenenza in funzione del
consumo annuale di energia per m3 di cubatura, necessaria per il
riscaldamento degli edifici residenziali.
Fig 4.15: ipotesi di etichetta energetica secondo DIR 2002/91/CE
Fig 4.16: classificazione energetica degli edifici mediante suddivisione in classi di consumo
88
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
4.7.
Valutazione dei benefici derivanti dalla riqualificazione di un impianto termico al
servizio di un condominio di 20 alloggi
In seguito a quanto sin qui discusso sulla situazione energetica degli
edifici italiani ed europei, risulta interessante capire quali possano
essere i benefici ottenibili, in ambito di intervento su edifici esistenti,
con sistemi a condensazione, opportunamente concepiti e fatti esercire,
per garantire non solo il comfort, ma soprattutto un ridotto consumo
energetico.
Appare chiaro come questi benefici siano tanto più evidenti quanto più
elevata è la tecnologia installata, ma molte volte l’ostacolo del
finanziamento iniziale risulta insormontabile o difficilmente accettabile
dall’utente che è abituato a ragionare con l’ottica del prezzo e non del
costo (prezzo = esborso per l’acquisto del nuovo impianto, costo =
spesa annua di gestione che coincide con la spesa per il
combustibile).
Per rendere più tangibile come, anche in una semplice riqualificazione,
la tecnologia possa portare, con un adeguato investimento iniziale, ad
enormi vantaggi che ripagano l’investimento in pochi esercizi futuri,
affianchiamo all’analisi empirica precedentemente illustrata, un’analisi
reale dei costi/benefici sostenuti per il riscaldamento di un intero
edificio composto da 20 appartamenti, collocato in zona climatica E e
assoggettato ad un regime di funzionamento continuo con produzione
del calore mediante caldaie a condensazione.
Descrizione del sistema edificio/impianto:
Sito:
Milano - Via Pompeo Neri 11:
Edificio:
anni 70 composto da 20 appartamenti
Superficie netta riscaldata: 2.470 m²
Volumetria riscaldata:
7.410 m3
Impianto:
a radiatori esistenti
Descrizione dell’intervento:
Si è riqualificata la sola centrale termica dove un generatore a gasolio da
178 kW è stato sostituito con n° 2 generatori a condensazione Geminox
THRi fatti funzionare in continuo con logica climatica.
Analisi energetica:
Nella stagione 2002-2003 prima dell’intervento i consumi di gasolio
sono stati pari a 16.470 litri x 0,88 €/lit = 14.490,00€/anno
Nella stagione 2003-2004 i consumi annui di metano rilevati sono stati
pari a 11.998 m³/anno x 0,67€/m3 = 8.038,00€/anno;
Nella stagione 2004-2005 i consumi annui di metano rilevati sono stati
pari a 12.158 m³/anno x 0,67€/m3 = 8.145,00€/anno.
Risparmio stagione 2003-2004 (FC) = 14.490,00 - 8.038,00 = 6.452,00€
Risparmio stagione 2004-2005 (Fc) = 14.490,00 - 8.145,00 = 6.345,00€
Assunto che:
1 m³ Metano = 34,53 MJ (dal valore del PCI)
89
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
1kWh 3600 kJ
Consumo energetico annuo 11.998 x34,5
414,29 x10 3 MJ / anno
Consumo energetico annuo specifico 414,24 x10 6 / 2.470
414,29 x10 6 kJ / anno
167,73 x10 3 kJ / m 2 anno
Consumo energetico annuo specifico 167,73x10 3 / 3.600
46,59 kWh / m 2 anno
Da cui risulta che secondo le categorie di consumo di calore di Casa
Clima, anche un edificio degli anni 70 la cui centrale termica viene
adeguatamente gestita e realizzata con generatori di calore ad
elevata efficienza (4 stelle secondo DIR92/42/CEE) può rientrare
nella categoria di basso consumo con etichettatura energetica
“Classe B” il cui limite superiore è di 50 kWh/m2a (fig. 4.17).
Fig 4.17: posizionamento su scala Casa Clima dei consumi dell’Edificio di Via Pompeo 11
Analisi economica: ritorno dell’investimento:
Essendo stato l’intero costo della riqualificazione dell’impianto pari a
30.000,00€ (I0), comprensiva di opere murarie per la messa a norma
della centrale termica, da una semplice analisi economica basata sul
tempo di ritorno TR che esprime il periodo in anni, a partire dai quali i
flussi di cassa in entrata dall’investimento avranno compensato il suo
costo iniziale, si ottiene nel caso in questione che, essendo il risparmio
conseguito annualmente grazie alla riqualificazione di 6.452,00€ (Fc) e
ritenendo che questo si mantenga costante nel tempo, il TR è pari a
TR
Io
Fc
30.000,00
6.452,00
4,6 anni
La corretta scelta dei generatori di calore e un’attenta supervisione
dell’impianto, hanno inoltre permesso la riqualificazione e l’utilizzo
della centrale termica esistente favorendo il contenimento dei costi
di riqualificazione. Costi che sarebbero risultati amplificati
nell’ipotesi di adottare una soluzione non ottimizzata e
conseguentemente la costruzione di una centrale termica esterna.
90
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Fig 4.18: edificio Via Pompeo Neri Milano
L’esempio qui riportato evidenzia come, anche nella riqualificazione di
edifici esistenti, senza appesantire ulteriormente i costi di intervento con
onerosi e spesso improponibili opere di coibentazione (si pensi al solo
costo dell’impalcatura esterna per un eventuale isolamento a cappotto),
possano essere conseguiti notevoli riduzioni sia di combustibile
impiegato che di emissioni inquinanti prodotte, contribuendo in maniera
significativa al miglioramento della qualità dell’aria delle nostre città.
L’analisi energetica ha permesso di notare come, grazie solamente ad
un’opportuna realizzazione e conduzione della centrale termica
(funzionamento climatico senza intermittenze con generatori
altamente tecnologici), si possano pesantemente contenere i consumi
energetici di un edificio il cui grado di isolamento risulta al quanto
scarso vista la sua costruzione addirittura antecedente la Legge 373/76,
garantendo al contempo un comfort maggiore di quanto
precedentemente fruito che, a causa del funzionamento intermittente,
risultava non uniforme e pertanto insoddisfacente.
91
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
4.8.
Valutazione dei benefici derivanti dalla riqualificazione di un impianto termico al
servizio di un condominio di 32 alloggi
Descrizione del sistema edificio/impianto:
Sito:
Milano - Via Vittorio Veneto 20
Edificio:
anni 70 composto da 32 appartamenti
Superficie netta riscaldata: 7.040 m²
Volumetria riscaldata:
21.120 m3
Impianto:
a pannelli radianti
Descrizione dell’intervento:
Si è riqualificata la sola centrale termica, dove un generatore a gasolio
da 697 kW è stato sostituito con n° 1 generatore a condensazione
Geminox THRi 10-200 ed un generatore a condensazione Geminox
THRi 10-50, fatti funzionare in continuo con logica climatica.
Analisi energetica:
Nella stagione 2000-2001 prima dell’intervento i consumi di gasolio
sono stati pari a 42.500 litri x 0,88 €/lit = 37.400,00€/anno
Nella stagione 2001-2002 i consumi annui di metano rilevati sono stati
pari a 33.238 m³/anno x 0,67€/m3 = 22.269,00€/anno;
Nella stagione 2002-2003 i consumi annui di metano rilevati sono stati
pari a 35.637 m³/anno x 0,67€/m3 = 23.876,00€/anno;
Risparmio stagione 2001-2002 (FC)=37.400,00-22.269,00=15.131,00€
Risparmio stagione 2002-2003 (Fc)=37.400,00-23.876,00=13.524,00€
Consumo energetico annuo 35.637 x34,5 1.229,40 x10 3 MJ / anno 1.229,40 x10 6 kJ / anno
Consumo energetico annuo specifico 1.229,40 x10 6 / 7.040
Consumo energetico annuo specifico 174,64 x10 3 / 3.600
174,64 x10 3 kJ / m 2 anno
48,51 kWh / m 2 anno
Consumi ancora estremamente ridotti, che fanno ancora ricondurre
lo stabile alla classe C (fig. 4.19).
Fig 4.19: posizionamento su scala Casa Clima dei consumi dell’Edificio di Via Vittorio Veneto 20
92
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
Analisi economica: ritorno dell’investimento:
Essendo stato l’intero costo della riqualificazione dell’impianto pari a
49.000,00€ (I0), da una semplice analisi economica basata sul tempo di
ritorno TR che esprime il periodo in anni, a partire dai quali i flussi di
cassa in entrata dall’investimento avranno compensato il suo costo
iniziale. Si ottiene, nel caso in questione che, essendo il risparmio medio
conseguito annualmente grazie alla riqualificazione di 14.327,00€ (Fc) e
nell’ipotesi che questo si mantenga costante nel tempo, il TR è pari a
TR
Io
Fc
49.000,00
14.327,00
3,4 anni
Quindi anche in questo caso un ritorno dell’investimento
immediato, che fa diventare remunerativo l’investimento in
tecnologia, generato dalla sola riqualificazione della centrale
termica con generatori altamente efficienti a condensazione e posti
in esercizio continuo.
Fig 4.20: edificio di Via Vittorio Veneto 20 Milano
93
4. Vantaggi della tecnica a condensazione
4.9.
Conclusioni
Appare chiaro come, in una situazione di alta precarietà energetica,
l’unico modo per limitare i consumi degli edifici passi per un uso
razionale dell’energia e un’ottimizzazione dei sistemi di produzione del
calore resi disponibili dalla più moderna tecnologia.
Il parco degli edifici esistenti, che abbiamo visto essere altamente
energivoro, obbliga la presa di coscienza che debbano quanto prima
essere attivati degli urgenti interventi atti a ridurre il consumo
energetico dell’edificio.
Risulta altresì evidente come l’aumento dell’isolamento termico sia
certamente una soluzione auspicabile per contenere le dispersioni
termiche e quindi innalzare la qualità energetica dell’edificio. Tutti gli
interventi di riqualificazione devono però necessariamente comprendere
una preventiva analisi del rapporto costi/benefici, analisi che nel caso
dell’isolamento degli edifici esistenti, magari di rilevanza
storica/architettonica, mostra un ritorno economico molto spostato nel
tempo a causa dell’onerosità dell’intervento stesso (costi del materiale
di coibentazione, costi dei ponteggi e di manodopera, ritinteggiatura,
ecc.).
In un sistema edificio-impianto, la scelta di ottimizzare la produzione
del calore ed una sua più corretta gestione (funzionamento continuo)
appare quindi, risultati alla mano, l’intervento più efficace e
remunerativo nella riqualificazione degli edifici esistenti. Vantaggi che
come precedentemente osservato non solo danno origine ad un rilevante
abbattimento dei consumi, ma garantiscono l’ottenimento di ideali ed
uniformi condizioni di comfort.
94
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.
5.1
SOLUZIONI A CONDENSAZIONE ERRETIESSE
Filosofia Erretiesse
Erretiesse da sempre propone generatori di calore altamente tecnologici
caratterizzati da considerevoli prestazioni stagionali in virtù di una
grande efficienza, i modelli (Geminox ed Evinox) sono certificati a
quattro stelle mentre i modelli Hamworthy sono certificati a tre
stelle secondo la Direttiva 92/42/CE. Tutti i generatori sono inoltre
contrassegnati da elevati gradi di modulazione funzionale che
favoriscono elevati rendimenti stagionali. Flessibilità e adattabilità
rappresentano caratteristiche essenziali di una moderna centrale termica,
costruita su elementi non solo altamente efficienti, ma anche rispettosi
dell’ambiente. Tutti i generatori appartengono alla classe meno
inquinante essendo altamente al di sotto dei 70 mg/kWh previsti dalla
Classe 5 secondo UNI EN 297.
5.2
Gamma Geminox
Società francese del Gruppo tedesco Robert Bosch Gmbt, Geminox è
marchio conosciuto e garanzia di qualità nel comparto europeo della
produzione termotecnica. Leader di riferimento nella “tecnologia della
condensazione”, in cui opera da oltre trent’anni, è la prima industria
francese nella produzione di caldaie in acciaio con oltre 70.000 unità
vendute nel 2004. La gamma a condensazione si articola in un ventaglio
di proposte dall’ampiezza senza eguali per applicazioni sia pensili che al
suolo, con generatori singoli o in batteria, tutti in acciaio inox e
, una riconoscenza
caratterizzati dalla marcatura a quattro stelle
conferita per il raggiungimento del massimo grado di efficienza
energetica secondo la Direttiva Europea 92/42/CE.
Fig 5.1: gamma a condensazione Geminox
95
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.2.1. Geminox THRi: caldaie pensili a condensazione
Generatore tecnologicamente evoluto in
grado di ottimizzare lo sfruttamento
energetico del combustibile mediante il
processo di condensazione e la modulazione
lineare di potenza. La struttura di scambio ad
elevata superficie e il bruciatore premiscelato
con ridotte emissioni inquinanti (NOx e CO),
in ottemperanza alle più rigorose Normative
Europee, ne fanno un generatore dalle elevate
prestazioni energetico/ambientali. Il sistema
di combustione, grazie all’ampio campo di
modulazione, è in grado di adeguare la
potenza fornita al reale carico termico dell’edificio innalzando così i
rendimenti di produzione stagionali. La gestione della distribuzione
termica dei singoli circuiti è resa flessibile dal regolatore elettronico a
microprocessore, mentre la telegestione (opzionale) ne permette il
controllo remoto via telematica.
Caratteristiche principali
¾Gamma di 9 modelli con potenza termica utile da 1,0 a 52,6 kW
¾Caldaie di tipo pensile ad elevata efficienza energetica (fino al 109%),
categoria
secondo Direttiva Europea 92/42/CEE
¾Modulazione di potenza termica estremamente ridotta (appena 1 kW
nella versione THRi 0,9-9) con controllo climatico a sonda esterna
¾Versioni solo riscaldamento o riscaldamento e produzione di a.c.s. con
scambiatore istantaneo a piastre, scambiatore immerso in accumulo,
bollitore integrato in acciaio inox o con collegamento a bollitore
esterno
¾Bruciatore di gas metano o GPL premiscelato in acciaio inox a basse
emissioni inquinanti (conforme al Marchio ecologico Angelo Blu
tedesco e in Classe 5 secondo UNI EN 297)
¾Regolazione elettronica di funzionamento a microprocessore con
attivazione dei circuiti di riscaldamento diretto/miscelato mediante
moduli dedicati (Clip- In opzionali) e controllo ambiente con sonda
QAA73 (opzionale)
¾Possibilità di gestione funzionale da unità remota, mediante modulo di
telegestione (opzionale)
96
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.2.2. Geminox THRi: caldaia a basamento a condensazione con doppio circuito
Generatore tecnologicamente evoluto in grado
di ottimizzare lo sfruttamento energetico del
combustibile mediante il processo di
condensazione e la modulazione lineare di
potenza. La struttura di scambio ad elevata
superficie e il bruciatore premiscelato con
ridotte emissioni inquinanti (NOx e CO), in
ottemperanza alle più rigorose Normative
Europee, ne fanno un generatore dalle elevate
prestazioni energetico/ambientali. Il sistema di
combustione, grazie all’ampio campo di
modulazione, è in grado di adeguare la potenza
fornita al reale carico termico dell’edificio
innalzando così i rendimenti di produzione
stagionali. La gestione della distribuzione
termica dei due circuiti di serie permette la
semplice creazione di impianti misti grazie ad
un’integrato regolatore elettronico a
microprocessore, mentre la telegestione (opzionale) ne permette il
controllo remoto via telematica.
Caratteristiche principali
¾Gamma di 2 modelli con range di potenza termica utile da 2,6 a 25,8
kW
¾Caldaie di tipo pensile ad elevata efficienza energetica (fino al 109%),
secondo Direttiva Europea 92/42/CEE
categoria
¾Modulazione di potenza termica estremamente ridotta (appena 2,6 kW
nella versione THRi 2-17) con controllo climatico a sonda esterna
¾Versioni con produzione di a.c.s. integrata mediante bollitore da 120
litri
¾Bruciatore di gas metano (versione THRi 2-17) o metano/GPL
(versione THRi 5-25) premiscelato in acciaio inox a basse emissioni
inquinanti (conforme al Marchio ecologico Angelo Blu tedesco e in
Classe 5 secondo UNI EN 297)
¾Regolazione elettronica di funzionamento a microprocessore con
attivazione dei due circuiti di riscaldamento diretto e miscelato con
controllo ambiente mediante sonda QAA73 (opzionale)
¾Circuito miscelato con valvola miscelatrice, circolatore dedicato e
termostato di sicurezza della temperatura erogata
¾Possibilità di gestione funzionale da unità remota, mediante modulo di
telegestione (opzionale).
97
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.2.3. Geminox Arté: caldaie pensili a condensazione per edifici residenziali collettivi
Generatore tecnologicamente evoluto in grado di
ottimizzare lo sfruttamento energetico del
combustibile mediante il processo di
condensazione e la modulazione lineare di
potenza. La struttura di scambio ad elevata
superficie e il bruciatore premiscelato con ridotte
emissioni inquinanti (NOx e CO), in
ottemperanza alle più rigorose Normative
Europee, ne fanno un generatore dalle elevate
prestazioni energetico/ambientali. Il sistema di
combustione, grazie all’ ampio campo di
modulazione, è in grado di adeguare la potenza
fornita al reale carico termico dell’edificio innalzando i rendimenti di
produzione stagionali.
Caratteristiche principali
¾Unico modello con potenza termica utile da 4,8 a 25,8 kW
¾Caldaia di tipo pensile ad elevata efficienza energetica (fino al 109%),
secondo Direttiva Europea 92/42/CEE
categoria
¾Modulazione di potenza termica estremamente ridotta (appena 4,8
kW) con controllo climatico a sonda esterna
¾Versione riscaldamento e produzione di a.c.s. con scambiatore
istantaneo a piastre saldobrasate in acciaio inox 8÷11.5 l/min secondo
(EN625)
¾Bruciatore di gas metano o GPL premiscelato in acciaio inox a basse
emissioni inquinanti (conforme al Marchio ecologico Angelo Blu
tedesco e in Classe 5 secondo UNI EN 297)
¾Regolazione elettronica di funzionamento a microprocessore di tipo
semplificato (non abbinabile ai Clip In o a regolatori Eutronic)
¾Configurazione impianto non selezionabile, gestione di un solo
circuito diretto di riscaldamento con logica climatica
¾Funzionamento singolo, non abbinabile in cascata termica
¾Dima per attacchi
¾Scarico fumi sdoppiato non presente (opzionale).
98
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.2.4. Geminox THRi-TWIN: caldaie a condensazione in cascata termica fino a 35 kW
Sistemi combinati concepiti per l’utilizzo e
la distribuzione del calore prodotto
dall’inserimento di due generatori a
condensazione della gamma THRi posti in
cascata termica con portata termica
complessiva non superiore a 35 kW, senza
quindi più bisogno di collocazione in
centrale termica dedicata.
La versatilità dei singoli generatori e la loro
flessibilità operativa, assicurano in ogni
momento un funzionamento sempre
coerente con gli effettivi fabbisogni termici
degli edifici a partire da una potenza
minima di appena 1 kW, preservando da inutili ed energeticamente
dispendiosi regimi intermittenti spesso presenti in condizioni di carichi
estremamente variabili o parziali. La suddivisione della potenza su due
focolari è garanzia della continuità del servizio favorendo inoltre una
maggiore qualità operativo/prestazionale. Il sistema di generazione si
completa con un’apposita raccorderia idraulica (proposta in kit),
comprensiva già di collettore di spillamento con attacchi Dx e Sx atta a
velocizzare ed a facilitare l’installazione. L’evacuazione dei prodotti
della combustione avviene mediante condotti in PPs perfettamente
integrati con i generatori. La gestione elettronica di serie, garantisce
infine il più completo ed affinato funzionamento del sistema secondo
logica climatica con inserimento sequenziale.
Caratteristiche principali
¾Realizzazione di Sistemi a condensazione a sviluppo modulare con
variazione lineare della potenza a partire da 1,0 kW e portata termica
complessiva sempre sotto i 35 kW, non necessitando quindi di centrale
termica
¾Regolazione elettronica di funzionamento a microprocessore con
attivazione dei focolari in funzione del carico termico e della strategia
funzionale desiderata con compensazione climatica.
¾Gestione di un circuito diretto di distribuzione con possibilità di
ampliamento a più circuiti addizionali di riscaldamento
diretto/miscelato mediante moduli componibili della serie Eutronic
(opzionali)
¾Possibilità di gestione e controllo funzionale da unità remota,
attraverso modulo di telegestione (opzionale)
¾Rapidità e facilità di installazione grazie a pesi ed ingombri
estremamente ridotti ed al kit idraulico di serie
¾Affidabilità e garanzia di continuità di funzionamento permessi dalla
struttura modulare
¾Scarico dei prodotti della combustione con collettori in pressione in
PPs
¾Collettori idraulici monostruttura di mandata/ritorno impianto con
collettore di spillamento integrato.
99
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.2.5. Geminox THRi: caldaie a condensazione in cascata termica sopra 35 kW
I generatori della gamma
THRi rappresentano la
soluzione ideale nella
realizzazione di impianti
termici in cascata, al fine
di poter abbinare in ogni
momento la potenza
termica
ai
reali
fabbisogni degli edifici.
Le soluzioni modulari a
condensazione
sono
dotate di un ampio range
di modulazione che ne garantisce un’estrema flessibilità funzionale e la
possibilità di ricoprire vasti campi operativi a partire da una potenza
minima di appena 1 kW. Il sistema modulare, oltre alla generazione
termica, può comprendere anche la distribuzione idraulica dell’acqua
del circuito primario, grazie ai collettori orizzontali monostruttura ed ai
collettori di spillamento forniti completamente isolati. L’evacuazione
dei prodotti della combustione avviene attraverso condotti in
polipropilene PPs opportunamente dimensionati e perfettamente
integrati con i generatori. La gestione elettronica infine, consente la
scelta tra numerose strategie operative di cascata e la gestione
ottimizzata dei cuircuiti di distribuzione. I generatori THRi hanno
ricevuto la certificazione ISPESL per la realizzazione di centrali
modulari costituite da più elementi in batteria
Caratteristiche principali
¾Realizzazione di centrali a condensazione a sviluppo modulare con
variazione lineare della potenza a partire da 1,0 kW
¾Certificazione ISPESL per realizzazione di centrali termiche in cascata
termica
¾Regolazione elettronica di funzionamento a microprocessore con
attivazione dei focolari in funzione del carico termico e della strategia
funzionale desiderata con compensazione climatica
¾Gestione dei circuiti di distribuzione in costante comunicazione con la
generazione del calore per l’ottenimento sempre della massima
efficienza funzionale
¾Possibilità di gestione e controllo funzionale da unità remota,
mediante modulo di telegestione (opzionale)
¾Rapidità e facilità di installazione grazie a pesi ed ingombri
estremamente ridotti
¾Affidabilità e garanzia di continuità di funzionamento permessi dalla
struttura modulare
¾Scarico dei prodotti della combustione con collettori in pressione in
PPs
¾Collettori idraulici di mandata e ritorno impianto monostruttura
prefabbricati
100
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.2.6. Geminox THRi-CS: moduli termici preassemblati in configurazione orizzontale
I generatori di calore modulari a
condensazione della gamma THRi-CS
sono in grado non solo di ottimizzare lo
sfruttamento
energetico
del
combustibile mediante il processo di
condensazione, ma grazie all’ampio
campo
di
modulazione
e
all’abbinamento in configurazione
modulare,
garantiscono
assoluta
flessibilità e massima efficienza
energetica in ogni condizione di
esercizio. I singoli moduli dotati di
bruciatore premiscelato con ridotte emissioni inquinanti (NOx e CO) in
ottemperanza alle più rigorose Normative Europee, garantiscono inoltre
il massimo rispetto per l’ambiente. La gestione della cascata termica e la
distribuzione dei singoli circuiti è resa flessibile da un’elettronica
affidabile ed estremamente funzionale, mentre la telegestione
(opzionale) ne permette il controllo remoto via telematica.
Caratteristiche principali
¾diverse soluzioni ricoprenti una gamma di potenza termica utile da
10,6 a 404 kW con moduli di potenza utile unitaria da 10,6 a 101 kW
¾Moduli ad elevata efficienza energetica (fino al 109%),
secondo Direttiva Europea 92/42/CEE
categoria
¾Modulazione di potenza termica particolarmente ridotta (fino a 10,6
kW) con controllo dell’inserzione dei moduli selezionabile e
comandata da logica climatica a sonda esterna
¾Versione solo riscaldamento con possibile abbinamento a bollitori in
acciaio inox per la produzione di a.c.s. (kit valvola deviatrice di serie)
¾Gestione di un circuito diretto con possibilità di ampliamento a più
circuiti addizionali di riscaldamento diretto/miscelato mediante moduli
componibili della serie Eutronic (opzionali)
¾Struttura estremamente compatta, completamente assemblata e
precablata, con attacchi idraulici Dx e Sx, collettore di spillamento e
tronchetto per posizionamento degli organi ISPESL (dispositivi non
forniti)
¾Efficiente rapporto potenza/area impegnata per un ideale
posizionamento anche sul tetto degli edifici
¾Mantellatura opzionale di contenimento e protezione per installazione
esterna con vano per l’alloggiamento degli organi di sicurezza, delle
pompe impianto e vaso di espansione (non forniti)
¾Certificazione ISPESL per realizzazione di centrali termiche modulari
in cascata termica
¾Sicurezza di funzionamento garantita dalla suddivisione della potenza
termica su più focolari
¾Possibilità di gestione e controllo funzionale da unità remota,
mediante modulo di telegestione (opzionale).
101
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.2.7. Geminox JOINT: moduli termici preassemblati in configurazione verticale
I generatori di calore modulari a condensazione della gamma THRi si
prestano efficacemente alla realizzazione di complete centrali
modulari prefabbricate
in grado di unire agli enormi benefici energetici tipici dei generatori a
condensazione, il vantaggio di una configurazione completamente
assemblata e dotata di tutti gli elementi atti a garantire la sicurezza
funzionale e la gestione ottimizzata della produzione del calore con
spazi di ingombro estremamente ridotti. L’ampio campo di modulazione
dei moduli elementari THRi ed il funzionamento in cascata termica,
garantiscono assoluta flessibilità e massima efficienza energetica in ogni
condizione di esercizio. I moduli costituenti dotati di bruciatore
premiscelato con ridotte emissioni inquinanti (NOx e CO) in
ottemperanza alle più rigorose Normative Europee, garantiscono inoltre
il massimo rispetto per l’ambiente.
La gestione della cascata termica e la distribuzione dei singoli circuiti è
resa flessibile da un’elettronica affidabile ed estremamente funzionale,
mentre la telegestione (opzionale) ne permette il controllo remoto via
telematica.
Caratteristiche principali
¾6 diverse soluzioni, realizzate rispettivamente con n° 3, 4, 5, 6, 7
oppure 8 moduli termici in batteria aventi potenza utile unitaria
variabile da 9,7 a 52,6 kW, per un valore massimo di 420,8 kW nella
versione con 8 generatori in cascata termica
¾Moduli termici elementari THRi 10-50 ad elevata efficienza
energetica (fino al 107%), categoria
secondo Direttiva
Europea 92/42/CEE
¾Modulazione di potenza particolarmente ridotta (solo 9,7 kW) con
controllo di serie dell’inserzione in cascata dei generatori componenti
secondo logica climatica a sonda esterna
102
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
¾Versione solo riscaldamento o riscaldamento e produzione di a.c.s
realizzata mediante collegamento a bollitori opzionali di moduli
termici dedicati ciascuno dotato di kit valvola deviatrice
¾Gestione di serie di un circuito diretto a valle del disconnettere
idraulico con possibilità di ampliamento a più circuiti addizionali di
riscaldamento diretto/miscelato attraverso moduli componibili della
serie Eutronic (opzionali)
¾Struttura estremamente compatta, completamente assemblata e
precablata, con attacchi idraulici Dx o Sx (da definire in fase
d’ordine), collettore di spillamento e tronchetto con organi ISPESL già
installati , ritorno dedicato per circuito di produzione di a.c.s.
(versione con produzione sanitaria).
¾Efficiente rapporto potenza/area impegnata per un ideale
posizionamento anche sul tetto degli edifici
¾Mantellatura di contenimento e protezione resistente agli agenti
atmosferici per collocazione su spazio scoperto a cielo libero
¾Estrema semplicità e riduzione dei tempi nella costituzione di centrali
termiche in cascata , in quanto generatore di calore modulare già
preassemblato e completo
¾Terminali verticali di raccolta e scarico fumi dai singoli moduli
componenti
¾Certificazione ISPESL
¾Sicurezza di funzionamento ed affidabilità garantita dalla suddivisione
della potenza termica su più focolari
¾Possibilità di gestione e controllo funzionale da unità remota,
mediante modulo di telegestione della serie Eutronic (opzionale)
103
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
5.3
Gamma Evinox
In questo marchio proprio di Erretiesse trova spazio la gamma di caldaie
a condensazione diretta di media e grande potenza, che amplia e
rafforza l’offerta di generatori altamente tecnologici prestazionali. Le
caldaie a condensazione Evinox sono costruite in acciaio inox, hanno la
particolarità di mantenere invariata su tutta la gamma la specifica
concezione costruttivo-funzionale che assegna allo scambiatore
integrato il ruolo anche di recuperatore energetico. In tale modo esse si
discostano dalle soluzioni comuni che invece devono ricorrere
all’utilizzo di una batteria esterna condensatrice, abbinata a generatori di
costituzione tradizionale, permettendo così un eccezionale contenimento
degli ingombri in pianta. Tutti i modelli Evinox rispondono ai più alti
standard di collaudo, di lavoro e di qualità e sono stati insigniti della
prestigiosa marcatura d’efficienza energetica a quattro stelle
secondo la Direttiva Europea 92/42/CEE.
5.3.1
Evinox: Caldaie a condensazione di media e grande potenza a basamento
Generatori tecnologicamente evoluti
per installazioni di media e grossa
potenza, ideale soluzione per
incrementare l’efficienza energetica
mediante
il
processo
di
condensazione garantendo versatilità
di funzionamento in ogni condizione
di utilizzo grazie al processo di
modulazione continua favorito da
bruciatori premiscelati di gas
estremamente
performanti.
La
particolare camera di combustione e
l’ottimale scelta dei bruciatori
assicurano
ridotte
emissioni
inquinanti (NOx e CO), garantendo
sempre il massimo rispetto per
l’ambiente in ottemperanza alle più
rigorose Normative Europee.
La compatta struttura monoblocco,
realizzata
completamente
in
acciaio AISI 316L, conferisce un
assoluto
contenimento
degli
ingombri agevolando non solo
l’opera di installazione ma anche il
recupero degli spazi edilizii. Le
caldaie Evinox si prestano ad
essere abbinate in batteria offrendo
flessibilità ed affidabilità. Tutti gli
aspetti funzionali: dal controllo
operativo alla distribuzione dei
singoli circuiti, fino alla cascata
104
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
termica di più generatori sono resi estremamente semplici da una
flessibile ed affidabile elettronica, mentre la telegestione (opzionale)
permette il controllo remoto via telematica.
Caratteristiche principali
¾6 diversi modelli ricoprenti una gamma di potenza termica utile da
35,6 a 484,7 kW
¾Generatori ad elevata efficienza energetica (fino al 108%), categoria
secondo Direttiva Europea 92/42/CEE
¾Modulazione di potenza termica particolarmente ridotta (fino al 22%)
con controllo climatico a sonda esterna
¾Struttura estremamente compatta, completamente assemblata ed
isolata con attacchi idraulici posteriori facilmente raggiungibili
¾Estrema silenziosità operativa, ideale soluzione per applicazioni
dove il comfort acustico diventa elemento imprescindibile
33÷66 dB(A)
¾Efficiente rapporto potenza/area impegnata (484 kW in meno di
0,7m²)
¾Bruciatore di gas metano premiscelato in acciaio inox a basse
emissioni inquinanti
¾Regolazione elettronica di funzionamento a microprocessore con
attivazione dei circuiti di riscaldamento diretto/miscelato mediante
moduli dedicati (Clip- In opzionali o termoregolazioni della serie
Eutronic)
¾Possibilità di gestione funzionale da unità remota, mediante modulo di
telegestione della serie Eutronic (opzionale)
¾Versione DUAL con accoppiamento di due generatori dotati di kit
collettori preassemblati.
5.3.2
Evinox Caby: Stazioni di generazione calore a condensazione preassemblate
Stazioni di
generazione e
distribuzione
del calore
preassemblate,
idonee alla
realizzazione
estremamente
rapida di
centrali
termiche
complete e
compatte,
appositamente
concepite per
l’installazione in spazi a cielo aperto.
L’adduzione combustibile, i collegamenti idraulici all’impianto e la
fornitura di energia elettrica sono gli unici completamenti necessari a
105
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
rendere operativo il sistema, concepito e realizzato come entità unica
dotata di certificazione di prodotto e marcatura CE.
La potenza termica è fornita dai generatori integrati EVINOX a garanzia
di elevata efficienza energetica, flessibilità ed affidabilità. La tecnica di
combustione premiscelata, estremamente silenziosa e bilanciata, ne fa
inoltre un prodotto a basso impatto ambientale non solo nell’emissione
di agenti inquinanti, ma soprattutto in relazione all’inquinamento
acustico, argomento sempre più attuale e oggetto spesso di controversie.
Il frazionamento su più focolari e l’elevato campo di modulazione sono
in fine garanzia di un esercizio economico commisurato al carico
termico dell’edificio, con elevamento del rendimento di produzione
medio stagionale garantita da ampia modulazione e dalla tecnica della
condensazione, favorendo ed una drastica riduzione dei costi di
esercizio.
Caratteristiche principali:
¾Stazione di generazione realizzata su progetto specifico senza alcun
limite di potenza termica nominale
¾Apparecchio con certificazione di prodotto secondo Direttiva
Macchine (marcatura CE)
¾Struttura autonoma completa di organi per la generazione e gestione
del calore, di apparecchiature di controllo, sicurezza ed intercettazione
in conformità alle specifiche ISPESL (D.M. 1 Dicembre 1975)
¾Generazione termica con moduli a condensazione ad elevata efficienza
energetica stagionale.
¾Totale libertà di posizionamento a terra, su tetto o terrazzi in
conformità al D.M.12 Aprile 1996
¾Tempi e costi realizzativi certi e anticipatamente preventivabili, in
quanto centrale prefabbricata completamente funzionale che necessita
della sola posa in opera
¾Estrema silenziosità operativa, ideale soluzione per applicazioni dove
il comfort acustico diventa elemento imprescindibile
¾Configurazione particolarmente compatta grazie all’efficiente rapporto
potenza/area impegnata (soli 2,4 m² per 484 kW)
106
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
¾Sicurezza di funzionamento garantita dalla suddivisione della
potenza termica su più focolari
¾Sistemi di trattamento del fluido primario con filtro magnetico o
scambiatore a piastre integrato.
5.4
Gamma Hamworthy
Per impianti termici di medie e grandi dimensioni Erretiesse propone
Wessex MODUMAX, le centrali a gas premiscelate a struttura
modulare caratterizzate da una soluzione costruttiva estremamente
compatta e flessibile con ingombri ridottissimi, ideale applicazione dove
lo spazio non è sempre disponibile. Con l’inglese Hamworthy,
Erretiesse ha contribuito ad introdurre anche in Italia come promotrice
indiscussa, i principi della cascata termica e del frazionamento delle
potenze delle centrali, quali elementi imprescindibili per l’ottenimento
del risparmio energetico e del miglior sfruttamento del combustibile.
secondo la Direttiva Europea
I moduli Wessex sono classificati a
92/42/CEE, favorendo un elevata resa stagionale grazie anche alla loro
straordinaria capacità di modulazione della potenza fornita in funzione
della richiesta dell’impianto termico.
5.4.1
Hamworty: Centrali termiche modulari premiscelate a condensazione
Gamma di generatori di calore a basamento a condensazione a
per
realizzazione di centrali termiche modulari estremamete flessibili
silenziose ed affidabili. Bruciatore premiscelato con ridotte emissioni
inquinanti (NOx e CO) in ottemperanza alle più rigorose Normative
107
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
Europee. Sistema di combustione ad elevato campo di modulazione per
garantire in ogni condizione di esercizio un adeguamento ottimale al
reale carico termico dell’edificio ed il conseguimento di elevati
rendimenti di produzione medi stagionali.
Caratteristiche principali
¾Gamma di moduli componibili in batteria da 250 kW di potenza
termica unitaria nominale, per realizzazione di centrali termiche a
condensazione modulari senza alcun limite superiore di potenza
secondo
¾Generatori ad elevata efficienza energetica categoria
Direttiva Europea 92/42/CEE
¾Innalzamento del rendimento di produzione medio stagionale,
derivante da un’eccellente efficienza di trasformazione ai carichi
parziali
¾Modulazione di potenza termica particolarmente ridotta (fino al 20%)
con un livello minimo di soli 49 kW e controllo climatico a sonda
esterna
¾Struttura estremamente compatta, completamente assemblata ed
isolata con attacchi idraulici posteriori facilmente raggiungibili
¾Estrema silenziosità operativa, ideale soluzione per applicazioni dove
il comfort acustico diventa elemento imprescindibile 47-65 dB(A)
¾Bruciatore di gas metano premiscelato in acciaio inox a basse
emissioni inquinanti
¾Struttura modulare in configurazione sovrapposta, completa di
collettori acqua, gas e prodotti della combustione
¾Efficiente rapporto potenza/area impegnata per un ideale
posizionamento anche sul tetto degli edifici (1m² per 750 kW)
¾Introduzione e trasporto in centrale termica agevolati dal possibile
disassemblaggio dei generatori
¾Sicurezza di funzionamento garantita dalla suddivisione della potenza
termica su più focolari
¾Regolazione elettronica di funzionamento a microprocessore con
attivazione dei circuiti di riscaldamento diretto/miscelato mediante
moduli dedicati (Clip- In opzionali o termoregolazioni della serie
Eutronic)
¾Possibilità di gestione funzionale da unità remota, mediante modulo di
telegestione della serie Eutronic (opzionale).
5.3.2
Wessex Caby: Stazioni di generazione calore a condensazione preassemblate
I generatori a condensazione Wessex Modumax si prestano anch’essi
idealmente alla realizzazione di centrali termiche preassemblate che,
richiedendo solamente l’allacciamento idrico-gas-elettrico, offrono alla
committenza la sicurezza di un intero Sistema di generazione del calore
pronto all’uso.
108
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
Caratteristiche principali:
¾Stazione di generazione realizzata su progetto specifico senza alcun
limite di potenza termica nominale
¾Apparecchio con certificazione di prodotto secondo Direttiva
Macchine (marcatura CE)
¾Struttura autonoma completa di organi per la generazione e gestione
del calore, di apparecchiature di controllo, sicurezza ed intercettazione
in conformità alle specifiche ISPESL (D.M. 1 Dicembre 1975)
¾Generazione termica con moduli a condensazione ad elevata efficienza
energetica stagionale.
¾Totale libertà di posizionamento a terra, su tetto o terrazzi in
conformità al D.M.12 Aprile 1996
¾Tempi e costi realizzativi certi e anticipatamente preventivabili, in
quanto centrale prefabbricata completamente funzionale che necessita
della sola posa in opera
¾Estrema silenziosità operativa, ideale soluzione per applicazioni dove
il comfort acustico diventa elemento imprescindibile
¾Configurazione particolarmente compatta grazie all’efficiente rapporto
potenza/area impegnata (soli 2,4 m² per 484 kW)
¾Sicurezza di funzionamento garantita dalla suddivisione della
potenza termica su più focolari
109
5. Soluzioni a condensazione Erretiesse
Fig 5.1: esempio di collocazione a tetto mediante gru
Fig 5.2: esempio di sottocentrale preassemblata
110
6. Quadro normativo
6.
6.1.
QUADRO NORMATIVO
Generalità
Come spesso accade in Italia, l’evoluzione tecnologica non è sempre
seguita adeguatamente dagli sviluppi normativi. Questo ha provocato,
specie per le caldaie a condensazione, delle situazioni di incertezza che
certamente non ne hanno favorito la diffusione. In particolare sono
sempre stati critici gli aspetti legati alla gestione dello smaltimento della
condensa (chiaramente non presente nei normali generatori), ed
all’evacuazione dei prodotti della combustione la cui caratteristica a
bassa temperatura non sempre si abbina favorevolmente a sistemi
operanti in depressione per tiraggio naturale.
Queste esigenze hanno portato il Comitato Italiano Gas (CIG) ad
elaborare nel 2003 la norma UNI 11071 : “Impianti a gas per uso
domestico asserviti da apparecchi a condensazione e affini. Criteri per
la progettazione, installazione, la messa in servizio e la manutenzione”.
La norma interessa tutti gli impianti domestici e similari asserviti da
generatori a condensazione ed affini di portata termica nominale non
maggiore di 35 kW.
Per gli impianti di potenza superiore si è già chiusa l’inchiesta pubblica,
quindi sarà prossima la pubblicazione, del progetto di norma CIG.
E.01.08.929.0 che, completando la UNI 11071, affronta tutte le
problematiche relative alla realizzazioni delle centrali termiche di
potenza quindi anche superiore ai 35 kW.
La UNI11071 si prefigge di chiarire alcuni aspetti non trattati dalle
attuali norme in uso per la regolamentazione degli impianti a gas:
-
UNI 7129 (Impianti domestici asserviti da generatori a gas
alimentati e non da rete domestica);
UNI 7131 (Impianti domestici asserviti da generatori non
alimentati da rete domestica).
Con l’introduzione di questa nuova norma il CIG ha in particolare
approfondito gli aspetti relativi infatti a :
-
gestione del condensato;
sistema per l’evacuazione dei prodotti della combustione.
Al fine di poter in parte contribuire al chiarimento alcuni di questi
elementi abbiamo qui rappresentato i principali punti trattati dalle
norme citate, senza peraltro volerci sostituire alle norme stesse, alle
quali comunque si rimanda per ulteriori approfondimenti e per
validare quanto descritto.
111
6. Quadro normativo
6.2.
Gestione del condensato in una caldaia a condensazione con potenza < 35 kW
Con l’entrata in vigore della norma UNI11071, si è chiarito come
effettuare lo scarico della condensa ed in parte dove convogliarla. Va
ricordato in che in Italia esistono diversi provvedimenti legislativi che
regolamento lo scarico di sostanze in relazione alla loro natura.
Lo scarico delle condense in fogna rientra nell’ambito di applicazione
del D.Lgs 11 Maggio 1999, n°152. Questo decreto che disciplina gli
scarichi di qualsiasi tipo, pubblici e privati, diretti ed indiretti, in tutte le
acque superficiali pubbliche e private, nonché in fognature. Nel caso ad
esempio di fognatura pubblica, tale decreto prescrive che le sostanze
oggetto degli scarichi abbiano un PH compreso tra 5,5÷9,5.
Lo scarico della condensa quindi, rientrando nell’ambito di questo
decreto, potrebbe non soddisfare pienamente quest’ultima prescrizione
in quanto il valore di acidità medio del condensato si attesta intorno a
4,5. Poiché nella realtà la condensa prodotta viene fatta confluire prima
dello scarico nella fognatura pubblica in opportuni pozzetti di
decantazione nei quali entra in contatto con gli altri reflui domestici
prodotti (ad elevata componente basica), il problema da studi specifici è
stato dimostrato non sussistere in quanto ivi la condensa viene
ampiamente neutralizzata. La norma, che comunque fornisce delle
indicazioni di buona tecnica non esaurisce la problematica relativa allo
scarico che potrebbe essere soggetto anche a particolari regolamenti
locali, che l’installatore deve tenere conto.
Al punto 5.1 la UNI 11071 cita infatti:
“Lo scarico delle condense deve avvenire in apposito sistema di
raccolta/evacuazione, per esempio in rete fognaria, nel rispetto della
legislazione vigente in materia e tenendo in considerazione i
regolamenti locali”.
La norma UNI 11071 nella sua Appendice B riporta chiaramente come
possa essere scaricata la condensa prodotta da un apparecchio a gas nel
sistema fognario, permettendo anche la determinazione del quantitativo
massimo di condensa prodotta, che influenzata da temperatura
operativa, tipo di combustibile, eccesso d’aria e rendimento del
generatore si attesta in condizioni stechiometriche a :
-
gas naturale = 0,16 l/h per kW di portata termica;
GPL-propano = 0,13 l/h per kW di portata termica;
GPL-butano = 0,12 l/h per kW di portata termica.
Un esempio sempre riportato nell’appendice B della norma evidenzia la
correlazione tra condensa prodotta e la rispettiva richiesta di refluo
domestico necessaria alla sua neutralizzazione.
Nel caso di una caldaia a gas a condensazione a metano avente portata
termica 24 kW, ed operante per un periodo giornaliero di 8 ore alla
massima potenza, la condensa prodotta idealmente assume valore
c
0,16 x 24 x8
30,7 litri / giorno
112
6. Quadro normativo
Tale produzione va confrontata con il quantitativo di scarico refluo
prodotto mediamente da una persona che vale 180 litri giornalieri.
Pertanto il valore di condensa prodotta può essere ritenuto trascurabile
nei confronti del totale refluo domestico che lo neutralizza, ciò permette
quindi (nel caso di potenza minore di 35 kW) lo scarico della condensa
direttamente in fogna.
A titolo di esempio la norma riporta due casi:
a) Installazione in un locale ad uso abitativo: per utilizzi civili
non si rendono necessari particolari accorgimenti;
b) Installazione in uffici:nel caso in cui l’ufficio: asservito da un
apparecchio singolo, abbia un numero di utenti minore di 10, è
opportuna l’installazione di un neutralizzatore di condense. Nel
caso che gli utenti siano più di 10 vale quanto visto per
l’istallazione in locale ad uso abitativo.
6.2.1
Realizzazione del sistema di scarico delle condense per potenze < 35 kW
La norma UNI 11071 presenta un esempio di collegamento di un
apparecchio a condensazione con relativo sistema di evacuazione dei
prodotti della combustione nel quale sono presenti sia il sifone di
raccolta condensa di caldaia che il sifone di raccolta condensa dal
sistema di evacuazione dei fumi, che deve essere sempre previsto a
meno che la stessa caldaia sia stata concepita per prevedere la doppia
raccolta (condotta fumi e caldaia stessa) fig.6.1 e 6.2.
Fig 6.1: esempio di collegamento dell’apparecchio e del sistema fumario all’impianto di scarico
condense
113
6. Quadro normativo
Fig 6.2: esempio di collegamento dell’apparecchio con raccolta diretta delle condense
provenienti dallo scarico fumi all’impianto di scarico condense
Per garantire un corretto funzionamento la norma impone la presenza di
due disgiunzioni funzionali:
- la prima direttamente in caldaia il cui compito è quello di evitare
che i gas combusti possano confluire nel sistema di scarico
condense e quindi successivamente nella fogna;
- la seconda posta a monte della rete fognaria, atta a contenere le
variazione di pressione della rete stessa.
Nella realtà queste due disgiunzioni esistono già in quanto:
- la prima prevista da una norma di prodotto UNI EN 677 che
richiede la presenza di un sifone appositamente progettato dal
costruttore di caldaia al fine di garantire un battente idrostatico
sufficiente a vincere la prevalenze del ventilatore;
- la seconda prescrizione è solitamente soddisfatta dai dispositivi
che normalmente sono già presenti nel sistema fognario. Tra tali
dispositivi più comuni troviamo:
x a fossa settica con sfiato esterno (tipo Immhoff o
analogo);
x il sifone con sfiato esterno (tipo Firenze od analogo).
La norma UNI 11071 comprende oltre alla fossa settica ed al sifone con
sfiato esterno, altre possibili disgiunzioni funzionali poste a monte della
rete fognaria che sono rappresentate nella tabella seguente.
114
6. Quadro normativo
Tab. 6.1: esempio configurazioni del dispositivo A (seconda disgiunzione funzionale)
L’impianto di scarico delle condense deve comunque essere realizzato
nel rispetto delle norme di riferimento, ed in assenza di indicazioni
specifiche oltre a prevedere un opportuno punto di disgiunzione
funzionale con il sistema fognario, deve rispettare le seguenti
prescrizioni:
- garantire il corretto deflusso degli scarichi liquidi, prevenendo
eventuali perdite;
- essere installato in modo da evitare il congelamento
dell’eventuale liquido in esso contenuto.
Per accertarsi della corretta funzionalità del sistema di evacuazione
condense l’installatore in sede di collaudo dovrà inoltre verificare che:
- in prossimità del collegamento apparecchio-impianto di scarico;
- in prossimità del tappo di carico del sifone
vi sia il corretto deflusso del quantitativo minimo di acqua previsto dalla
tabella 6.2
Tipo di gas
Potenza termica
d 15 kW
(litri)
Potenza termica
>15 kW ma d25 kW
(litri)
Potenza termica
>25 kW ma d35 kW
(litri)
Gas naturale
0,4
0,7
GPL-propano
0,4
0,6
GPL-butano
0,3
0,5
Tab. 6.2: quantitativo minimo in litri di acqua da scaricare in 5 minuti al variare
dell’apparecchio e del tipo di gas
115
1,0
0,8
0,7
della potenza
6. Quadro normativo
Per la manutenzione dovranno essere invece periodicamente verificati:
- lo stato di eventuale occlusione;
- integrità della tubazione.
6.2.2
Il sistema di scarico dei prodotti della combustione per potenze < 35 kW
Un importante argomento che da sempre ha ingenerato confusione
nell’installazione dei generatori a condensazione riguarda il sistema di
scarico dei prodotti della combustione. Con l’introduzione della UNI
11071 finalmente si è consolidato quanto già precedentemente illustrato
nella norma UNI10845 pubblicata nel 2000 sull’intubamento delle
canne fumarie e dei camini esistenti, al fine di ripristinarne l’idoneità.
La UNI11071 ha infatti ripreso gran parte di quanto previsto da questa
norma estendendolo però anche alle caldaie a condensazione ed
affini, dando inoltre la possibilità di intubare cavedi anche in edifici
di nuova costruzione.
La UNI 11071 precisa che l’evacuazione dei fumi può avvenire secondo
le seguenti modalità:
- in camino/canna fumaria collettiva in depressione;
- in camino operante con pressione positiva rispetto all’ambiente
di installazione collocato esternamente all’unità abitativa e non
addossato ad essa;
- attraverso un condotto di intubamento operante in pressione
positiva rispetto all’ambiente di installazione collocato in
partizioni interne o chiusure dell’edificio;
- tramite un condotto di intubamento operante in depressione;
- direttamente a parete (qualora consentito vedere D.P.R. 551/99)
o a tetto attraverso terminale opportuno.
In particolare la tabella 6.3 riporta l’abbinamento tra le diverse tipologie
di generatori ed i vari sistemi di evacuazione consentiti.
Sistema scarico fumi
B
B
tiraggio
tiraggio
naturale
forzato
(B11)
(B32)
Camino in depressione
x
x
Camino in pressione positiva
x
Canna fumaria collettiva ramificata
x
Canna fumaria collettiva in depressione
Condotto
per
intubamento
in
x
x
depressione
Condotto per intubamento in pressione
x
positiva
Evacuazione diretta a parete o a tetto a
x
x
mezzo terminale
Tab. 6.3: abbinamento sistema di evacuazione – tipologia di apparecchio.
116
C
tiraggio forzato
(C1-C3-C4-C5-C8)
x
x
x
x
x
x
6. Quadro normativo
6.2.3
Caratteristiche generali dei sistemi di scarico dei prodotti della combustione
I diversi sistemi di evacuazione dei prodotti della combustione, ad
eccezione della parte del sistema fornita dal costruttore
dell’apparecchio, devono essere realizzati secondo le seguenti
caratteristiche:
- possedere uno scarico della condensa, qualora non si preveda di
convogliarla direttamente in caldaia;
- evitare durante il funzionamento la formazione del ghiaccio
mantenendo la temperatura della parete interna sempre sopra gli
0°C lungo tutto il loro sviluppo;
- essere a tenuta, la tenuta della parte del sistema di evacuazione
non omologata con l’apparecchio deve essere garantita dal
costruttore secondo quanto previsto dalla UNI EN 1443;
- essere resistenti ad una temperatura maggiore della massima
raggiungibile dal generatore di calore;
- garantire una resistenza alla corrosione di classe W1 secondo la
UNI EN 1443, essere cioè adatti alla condensa prodotta dai
combustibili gassosi;
- avere caratteristica di reazione al fuoco di classe 0 (superficie
canne fumari/camini o struttura dei vani tecnici);
- evitare l’eventuale aspirazione dei prodotti della combustione al
all’interno del sistema di adduzione dell’aria comburente.
I raccordo degli apparecchi ad una canna fumaria o ad un condotto per
l’intubamento può essere effettuato mediante un canale da fumo o di un
condotto di evacuazione dei prodotti della combustione che devono
soddisfare le seguenti prescrizioni:
- essere idonei a resistere nel tempo alle normali sollecitazioni
meccaniche, al calore, ai prodotti della combustione e dei loro
condensati;
- essere collegati a tenuta;
- essere collegati in vista e facilmente smontabili.
La tipologia più comune di scarico dei prodotti della combustione nei
sistemi a condensazione viene eseguita mediante l’intubamento con
condotti funzionanti in pressione che devono rispettare le seguenti
prescrizioni:
- i prodotti devono essere espressamente dichiarati dal costruttore;
- tra la superficie perimetrale interna del camino/canna
fumaria/vano tecnico esistente dell’edificio e la superficie
perimetrale esterna del condotto intubato, deve essere garantita
una sezione di ventilazione garantita da un’apposita apertura
prevista alla base e nella sommità;
- nel caso il sistema intubato non sia all’interno o a ridosso
dell’edificio, l’intercapedine di cui sopra non risulta necessaria;
117
6. Quadro normativo
-
nel caso ancora che l’aria comburente venga prelevata
dall’intercapedine non risulta necessaria l’apertura alla base ma
solamente quella nella sommità.
Relativamente
al
dimensionamento
della
sezione
libera
dell’intercapedine e dell’apertura della base ( o dell’eventuale canale di
collegamento), nei casi in cui non sia previsto un progetto (portata
termica <35 kW non inserita in sistemi multipli o collettivi), si può fare
riferimento alla tabella 6.4.
di
Sezione utile di Sezione
apertura alla
ventilazione
base (o del
canale
di
collegamento)
Senza aspirazione t sezione del > della sezione
utile
di
di
aria condotto
ventilazione
comburente
intubato
dall’intercapedine
Con aspirazione t al 150% della > della sezione
di
di
aria sezione
del utile
ventilazione
comburente
condotto
(apertura
non
dall’intercapedine intubato
necessaria)
Tab. 6.4: dimensioni della sezione utile di ventilazione e dell’apertura della base.
Aperture
necessarie
Apertura
base e
sommità
alla
alla
Apertura
sommità
alla
Alla luce di quanto sopra esposto la norma UNI 11071 riporta alcune
schematizzazioni nel caso in cui i condotti intubati abbiano sezione
d100 cm2
La figura 6.3 illustra il caso in assenza di aspirazione dell’aria
comburente dal cavedio;
La figura 6.4 prevede invece il prelievo dell’aria direttamente dal
cavedio, in questa ipotesi la sezione libera deve avere almeno un’area
pari al 150% della sezione interna del condotto di scarico dei fumi.
Fig. 6.3: esempi di installazione di condotti intubati (sezione S d100 cm2)nel caso di assenza di
aspirazione dell’aria comburente dal cavedio stesso
118
6. Quadro normativo
Fig. 6.4: esempi di installazione di condotti intubati (sezione S d100 cm2) nel caso di presenza di
aspirazione dell’aria comburente dal cavedio stesso
Nel caso di sezioni > a 100 cm2 la UNI 11071 specifica che:
- nel caso di alloggiamento circolare in ogni punto la distanza
minima dal condotto intubato deve essere di almeno 3 cm;
- nell’intubamento di cavedi rettangolari o quadrati in ogni punto
la distanza deve essere maggiore o uguale a 2 cm.
Fig. 6.5: esempi di installazione di condotti intubati (sezione S >100 cm2) nel caso di presenza di
aspirazione dell’aria comburente dal cavedio stesso
Nel caso di sistemi di intubamento multipli per i quali è richiesto un
progetto, oltre ai requisiti richiesti per i sistemi singoli, devono essere
soddisfatte le seguenti richieste:
- la parete del condotto di intubamento deve distare almeno 2 cm
dalle altre superfici esistenti;
- nel caso di condotti in pressione positiva la sezione libera deve
essere almeno pari a quella impegnata dai condotti di
intubamento;
- ogni singolo condotto deve prevedere uno specifico sistema di
scarico delle condense;
- evitare che gli scarichi non producano tra di loro reciproco
ostacolo fluidodinamica alla corretta evacuazione dei fumi
119
6. Quadro normativo
Fig. 6.6: esempi di installazione nel caso intubamento multiplo
6.3.
Requisiti normativi per le centrali termiche a condensazione
Abbiamo già riportato l’esistenza di un progetto di norma CIG
E01.08.929.0, del quale si è già chiusa l’inchiesta pubblica, e di cui
pertanto si attende la pubblicazione. Per completezza di informazione
riportiamo alcune indicazioni desumibili dalla bozza posta in
discussione, precisando che si tratta di elementi indicativi che delineano
gli intenti della nuova possibile norma, attualmente ancora non
ratificati.
La CIG E01.08.929.0 fornisce i criteri per la progettazione, la messa in
servizio e la manutenzione degli impianti a gas ad uso civile asserviti ad
apparecchi a condensazione ed affini aventi portata termica nominale
singola > 35 kW o complessiva > di 35 kW, se installati in batteria, e
alimentati da gas combustibile a pressione non maggiore di 0,5 bar.
Rientrano nell’ambito di applicazione della norma:
a) impianti di climatizzazione degli edifici ed ambienti;
b) impianti per la produzione centralizzata di a.c.s.
Rientrano ancora nell’ambito di applicazione della norma più
apparecchi a condensazione ed affini, anche quando installati non in
batteria, se:
a) evacuano i fumi in un unico collettore fumario;
b) scaricano in un unico impianto di smaltimento condensa.
6.3.1
Scarico e trattamento della condensa
Il progetto di norma è stato costruito sulla base di quanto previsto per la
UNI 11071, della quale riporta notevoli similitudini:
- per lo scarico della condensa viene riportato un esempio relativo
ad una caldaia di Pn>70 kW (che pertanto non prevede il sifone
di caldaia integrato come previsto dalla norma UNI EN 677) per
quanto riguarda il collegamento dell’apparecchio e del sistema
di scarico dei prodotti della combustione all’impianto di scarico
120
6. Quadro normativo
condense (fig.6.7). Anche in questo caso dovrà essere garantita
una disgiunzione funzionale con l’impianto di smaltimento nel
sistema fognario a mezzo del dispositivo A (fossa settica con
sfiato esterno tipo Immhoff, sifone con sfiato tipo Firenze, ecc.).
Fig. 6.7: esempi di collegamento caldaia e sistema di scarico fumi all’impianto di scarico condense
-
per quanto riguarda i sistemi di scarico collettivi,
indipendentemente dalla potenza degli apparecchi impiegati, si
illustrano due diverse possibilità di collegamento:
x collettore idraulico avente il secondo dispositivo
funzionale a valle dell’ultimo nodo di confluenza della
portata di condensa, con collegamento degli apparecchi a
tenuta (fig. 6.8);
x collettore idraulico in cui la seconda disgiunzione
funzionale viene operata a valle di ogni nodo di
confluenza della portata di condensa dagli apparecchi in
modo dedicato, con collegamento non a tenuta (fig. 6.9).
Fig. 6.8: esempi di collegamento con collettore avente unica disgiunzione funzionale a valle
dell’ultimo nodo di confluenza
121
6. Quadro normativo
Fig. 6.9: esempi di collegamento con collettore avente una disgiunzione funzionale a valle di ogni
singolo apparecchio
La disgiunzione funzionale a valle di ogni singolo nodo deve essere
prevista, nel caso di apparecchi non similari o comunque avente portate
termica differente.
Il sistemo di scarico delle condense dovrà essere in grado di smaltire il
quantitativo riportato in tabella 6.5
Potenza
Potenza
Potenza
Potenza
Termica kW
Termica kW
Termica kW
Termica kW
35<Q=116
116<Q=350
350<Q=580
Q>580
(litri)
(litri)
(litri
litri)
Gas naturale
3,1
9,4
15,5
2xQx0,16x0,84
GPL-propano
2,6
7,6
12,6
2xQx0,13x0,84
GPL-butano
2,4
7
11,6
2xQx0,12x0,84
Tab. 6.5: quantitativo minimo in litri di acqua da scaricare in 5 minuti al variare del tipo di gas e
della potenza Q dell’apparecchio o della potenza complessiva degli apparecchi collegati al
sistema di evacuazione
La proposta di norma CIG E01.08.929.0 prevede per gli impianti di
portata termica nominale maggiori di 116 kW l’obbligo della
neutralizzazione della condensa a valle del primo dispositivo di
disgiunzione funzionale, in maniera tale da poter neutralizzare sia la
condensa prodotta dall’apparecchio che quella all’interno del sistema
fumario. Nel caso di potenze comprese tra 35 kW e 116 kW, l’obbligo
della neutralizzazione viene definito in relazione allo schema logico di
figura 6.10 secondo il quale è necessaria l’installazione di un dispositivo
di neutralizzazione quando:
- lo scarico delle condense non affluisce in zona basica, cioè in un
punto che consenta la miscelazione con reflui basici, a monte del
corpo recettore;
- lo scarico delle condense affluisca in zona basica, ma i reflui
basici con cui avviene la miscelazione (funzione del numero di
utenze o di unità abitative servite dall’impianto), non siano
sufficienti a garantirne la neutralizzazione.
Tipo di gas
122
6. Quadro normativo
Fig. 6.10: procedura per determinare l’obbligatorietà della neutralizzazione delle condense
Ai fini di prevedere l’installazione del neutralizzatore di condensa
asservito ad un impianto a gas con portata termica complessiva non
maggiore di 116 kW, si individuano i seguenti casi:
- unità immobiliari destinate ad uso abitativo con obbligo del
neutralizzatore quando la portata termica nominale complessiva
dell’impianto Q, relativa al numero di unità immobiliari, è
superiore al valore Q indicati in tabella 6.6.
Tab. 6.6: prospetto per utilizzi civili in edificio ad uso abitativo
-
unità immobiliari destinate ad uso non abitativo il
neutralizzatore deve essere previsto in base al numero di addetti
in funzione della portata termica nominale complessiva
dell’impianto stesso Q. La tabella 6.7 riporta il numero minimo
di utenti, al di sotto del quale è necessario prevedere un
opportuno sistema di neutralizzazione.
Tab. 6.7: prospetto per utilizzi civili in edificio ad uso non abitativo
123
6. Quadro normativo
6.3.2
Evacuazione dei prodotti della combustione
Anche per i generatori di calore di portata termica superiore ai 35 kW
vengono definiti i requisiti generali dei sistemi per l’evacuazione dei
prodotti della combustione ad essi collegati, i quali devono essere
rispondenti ai requisiti generali richiamati dalla EN 1443.
L’evacuazione dei fumi deve essere eseguita secondo uno dei seguenti
modi:
- evacuazione mediante camino operante in depressione;
- evacuazione in camino operante con pressione positiva rispetto
all’ambiente di installazione collocato esternamente all’unità
abitativa e non ad essa addossato;
- evacuazione attraverso un condotto per l’intubamento
funzionante con pressione positiva rispetto all’ambiente e
collocato in un vano tecnico;
- evacuazione tramite un condotto per intubamento operante in
depressione;
- evacuazione diretta a mezzo di terminale.
I suddetti sistemi di evacuazione dei prodotti della combustione, devono
essere progettati da professionisti ed installati da imprese specializzate,
aventi specifica competenza tecnica.
Un importante specificazione introdotta dal progetto di norma CIG
E01.08.929.0 riguarda l’ammissibilità dei collettori fumari , la loro
configurazione strutturale e collocazione negli edifici. Secondo la
definizione riportata il collettore da fumo è un condotto che serve a
raccogliere i prodotti della combustione provenienti da due o più
apparecchi dello stesso tipo, alimentati con lo stesso combustibile, verso
un camino/sistema intubato e deve avere le seguenti caratteristiche:
- avere sezione interna circolare, ovale o almeno quadrangolare
con spigoli aventi raggio di curvatura non inferiore a 20mm;
- essere privi di dispositivi di intercettazione;
- gli eventuali regolatori di tiraggio devono avere sicurezza
intrinseca positiva, garantire cioè che i fumi non vengano
riversati in ambiente;
- per collettori a sviluppo verticale gli apparecchi collegati devono
stare nello stesso locale, mentre per i collettori orizzontali è
consentito l’attraversamento di un solo locale.
per quanto riguarda le caratteristiche e le prescrizioni relative alla
realizzazione di sistemi intubati con condotti in pressione positiva
rispetto all’ambiente o in depressione il progetto di norma ricalca
quanto già previsto dalla UNI11071.
124
6. Quadro normativo
Fig. 6.11: esempio di installazione di caldaie Geminox THRi in batteria con collettore orizzontale
scarico con condotto in pressione su cavedio areato
Al fine comunque di dare un’indicazione per la più corretta
progettazione dei sistemi fumari, nella tabella sottostante vengono
riportati i riferimenti normativi per la determinazione dei sistemi di
scarico dei prodotti della combustione suddivisi in funzione della
potenza termica del generatore (kW), del tipo di combustione (naturale,
forzata, pressurizzata o a condensazione), della parte dell’impianto
fumario (canale da fumo, condotto da fumo, collettore da fumo, camino,
canna fumaria, condotto per intubamento.
125
6. Quadro normativo
(*) In attesa della pubblicazione del progetto di norma CIG
E01.08.904.0
Tab. 6.8 : prospetto per la scelta dl tipo di evacuazione dei prodotti della combustione in
funzione della tipologia funzionale(da sito GBD camini s.r.l.)
NB: Le indicazioni del presente capitolo hanno una valenza
riassuntiva, si rimanda comunque alla specifica norma per tutti gli
eventuali dettagli e/o precisazioni.
6.4 Conclusioni
Il panorama normativo è in costante evoluzione e, come
precedentemente affermato, si sta ancora attendendo la pubblicazione di
un’importante norma relativa ai generatori a condensazione di potenza
nominale superiore ai 35 kW. Questa evoluzione non solo attesa è
ampiamente auspicabile per poter favorire l’installazione la
manutenzione ed il corretto utilizzo di tecnologie che, seppur
consolidate, appaiono ancora a volte distanti dalla quotidianità
impiantistica.
126
Riferimenti Bibliografici
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Le caldaie a condensazione, dalla teoria agli impianti – Renato Lazzarin
– Peg Padova 1986.
Componenti d’impianto essenziali per un razionale uso dell’energia
nella climatizzazione residenziale – Ing. Laurent Socal – Convegno
ANTA Termoidraulica Clima 2005.
I moderni impianti autonomi con produzione centralizzata del calore:
criteri di dimensionamento – Franco Soma – Installatore Europeo
10/2000
Incrementare l’efficienza energetica – Renato Lazzarin – CDA Gennaio
01/2004
Valutazione semplificata delle prestazioni stagionali di una caldaia a
condensazione – L. Schibuola – 53° Congresso Nazionale ATI, Firenze
settembre 1998
Moderne soluzioni impiantistiche per il risparmio energetico – Walter
Grassi – Giampaolo Statizzi – Maggioli Editore Luglio 2001
D.P.R. 15 novembre 1996, n°660, Regolamento per l’attuazione della
Direttiva 92/42/CEE concernente i requisiti di rendimento delle caldaie
ad acqua calda, alimentate con combustibili liquidi o gassosi.
UNI 11071 : “Impianti a gas per uso domestico asserviti da apparecchi a
condensazione e affini. Criteri per la progettazione, installazione, la
messa in servizio e la manutenzione”.
Progetto di norma CIG E01.08.929.0: “Impianti a gas per uso domestico
asserviti da apparecchi a condensazione e affini con portata termica
nominale > di 35 kW”.
Prospetto di scelta del sistema di evacuazione dei prodotti della
combustione GBD camini s.r.l.
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