Glossario della tecnologia di riscaldamento: spiegazione semplice e comprensibile dei termini tecnici

Nel processo di combustione d’olio o gas in una caldaia è inevitabile che si verifichino perdite di energia durante il trasferimento al sistema di riscaldamento. I gas di scarico caldi che fuoriescono nell’atmosfera attraverso il camino contengono una quantità relativamente elevata di calore, definita perdita di gas di scarico.

Lo spazzacamino che effettua la misurazione annuale delle emissioni constata se la qualità della combustione e la perdita di gas di scarico legata al funzionamento del bruciatore sono conformi alle norme di legge Inoltre, controlla che il bruciatore funzioni e che l’impianto sia sicuro. Anche se i valori così certificati sono ineccepibili, ciò non è indicativo dell’effettivo utilizzo dell’energia prodotta dalla caldaia (livello di efficienza standard), il quale è notevolmente influenzato anche dall’entità delle perdite superficiali.

Gli assorbitori sono parte integrante di tutti i collettori solari. Sono collocati sotto la copertura trasparente e scarsamente riflettente del collettore e quindi irradiati direttamente dal sole.

L’assorbitore "“risucchia”" (assorbe) quasi completamente la radiazione solare e l’energia solare viene convertita in calore. Dal punto di vista di un livello di efficienza elevato si segnalano in particolare gli assorbitori con rivestimento altamente selettivo, caratteristica che accomuna tutti i collettori solari di Viessmann.

Un impianto di cogenerazione (CHP) è costituito essenzialmente da un motore, un generatore sincrono e uno scambiatore di calore. Il generatore sincrono (macchina da lavoro) azionato dal motore a combustione interna (macchina motrice) genera corrente alternata trifase (corrente trifase) con una frequenza di 50 Hz e una tensione di 400 volt, destinata solitamente all’autoconsumo.

Il collegamento elettrico avviene con la rete a bassa tensione (livello 0,4 kV). Solitamente, gli impianti di cogenerazione sono gestiti parallelamente alla rete pubblica, ma grazie all’impiego di generatori sincroni il loro funzionamento può essere anche sostitutivo della rete.

L’elettricità eccedente può essere immessa nella rete dell’azienda fornitrice di energia. Il motore emette calore, assorbito in successione dall’olio lubrificante, dall’acqua di raffreddamento del motore e dai gas di scarico nel cosiddetto “circuito di raffreddamento interno” e trasmesso al sistema di riscaldamento tramite uno scambiatore di calore a piastre.

Questo sistema di produzione e utilizzo dell’energia è chiamato cogenerazione, ossia combinazione di potenza e calore (CHP, combined heat and power) perché l’energia meccanica (potenza) generata dal motore e l’energia termica (calore) rilasciata quando il generatore è azionato dal motore vengono utilizzate contemporaneamente.

Nel riscaldamento bivalente l’acqua è riscaldata da due diversi generatori di calore, ad esempio la caldaia e i collettori solari. Il calore passa dai collettori solari all’acqua potabile attraverso una serpentina di riscaldamento del serbatoio di accumulo dell’acqua calda. Se necessario, una seconda serpentina provvede a un ulteriore riscaldamento tramite la caldaia.

Idrogeno e ossigeno: è tutto ciò che serve per produrre elettricità e calore. La base della cosiddetta “combustione a freddo” è costituita dalla reazione chimica delle due sostanze che avviene tra due elettrodi: all’anodo viene fornito idrogeno, che un catalizzatore scinde in ioni positivi ed elettroni negativi, mentre gli elettroni viaggiano lungo un conduttore elettrico fino al catodo e la corrente scorre. Contemporaneamente, gli ioni di idrogeno a carica positiva passano attraverso l’elettrolita (membrana a scambio di ioni) fino al catodo, dove infine reagiscono con l’ossigeno formando acqua. Da questa reazione si libera calore. Il tutto avviene assolutamente senza rilascio di sostanze nocive e nel rispetto dell’ambiente.

Il potere calorifico superiore (PCS) esprime la quantità di calore rilasciata durante la combustione completa, ivi incluso il calore di evaporazione che è contenuto nel vapore acqueo dei gas di riscaldamento.

Un tempo il calore di evaporazione non poteva essere utilizzato poiché non esistevano ancora le possibilità tecniche, quindi il valore di riferimento usato in tutti i calcoli del rendimento termico era il potere calorifico inferiore (PCI). L’utilizzo aggiuntivo del calore di evaporazione e il riferimento al PCI possono quindi dare come risultato rendimenti superiori al 100 %.

La tecnologia di condensazione utilizza non soltanto il calore prodotto come temperatura misurabile dei gas di riscaldamento durante la combustione (potere calorifico inferiore), ma anche il loro contenuto di vapore acqueo (potere calorifico superiore). Le caldaie a condensazione sono in grado di estrarre quasi tutto il calore contenuto nei gas di scarico e di convertirlo ulteriormente in energia termica che poi utilizzano.

Le caldaie a condensazione sono dotate di scambiatori di calore ad alte prestazioni che, prima che i gas di scarico fuoriescano dal camino, li raffreddano finché il vapore acqueo in essi contenuto si condensa. Il calore di condensazione così rilasciato viene nuovamente introdotto nel sistema di riscaldamento.

Grazie a questa tecnologia, il rendimento standard di una caldaia a condensazione arriva fino al 98% (con valore di riferimento PCS). Le caldaie a condensazione funzionano quindi con un particolare risparmio di energia, a tutto vantaggio sia del portafoglio che dell’ambiente.

Il principio di funzionamento della caldaia a tre giri di fumo contribuisce a ridurre l’emissione di sostanze nocive. I gas di riscaldamento passano dapprima nella camera di combustione, poi vengono nuovamente convogliati sul davanti attraverso un’area di riflusso e infine entrano in un terzo tiraggio. Il tempo di permanenza dei gas di combustione nella zona più calda si riduce e con esso la formazione di ossidi di azoto (NO_x).

Oggi nelle nuove costruzioni un generatore di calore su tre è una pompa di calore, e questo trend è in aumento. Il calore per il riscaldamento viene estratto dall’aria ambiente, dal suolo o dalle acque sotterranee.

Il sistema di accumulo del ghiaccio Viessmann offre un’altra interessante fonte di calore per le pompe di calore salamoia/acqua. L’accumulatore è costituito da una cisterna con scambiatori di calore incorporati che viene interrata in giardino e riempita con normale acqua di rubinetto. Sul tetto dell’edificio si installano speciali assorbitori solari e d’aria che captano il calore dall’aria ambiente e dalla radiazione solare e lo immettono nell’accumulatore, il quale preleva inoltre direttamente anche il calore del suolo.

La pompa di calore estrae dall’acqua immagazzinata nella cisterna, in base alle necessità, l’energia che serve per il riscaldamento e la produzione d’acqua calda. Anche dopo il congelamento dell’accumulatore, dagli assorbitori solari/d’aria e dal terreno giunge ancora calore sufficiente a far sì che la pompa di calore scaldi l’edificio in modo sicuro ed economico. L’energia fornita dal sole, dall’aria ambiente e dal calore geotermico viene utilizzata per scongelare la cisterna.

Tutti i processi di combustione che impiegano fonti di energia fossile producono, oltre all’inevitabile anidride carbonica (CO₂), anche altre sostanze nocive: monossido di carbonio (CO) e ossido di azoto (NOx). Gli ossidi di azoto rivestono un’importanza particolare: il loro aumento causa un incremento dell’ozono tossico ed è anche considerato corresponsabile delle piogge acide.

Nel principio dei tubi di calore, il fluido solare non scorre direttamente attraverso i tubi: avviene invece l’evaporazione di una sostanza portante nei tubi sotto l’assorbitore che trasferisce il calore al fluido solare. Il collegamento a secco dei tubi nel collettore, il basso contenuto di liquido nel collettore e l’arresto automatico della temperatura di Vitosol 300-T garantiscono una sicurezza operativa particolarmente elevata.

Una caldaia murale è un dispositivo a parete destinato soltanto al riscaldamento. È inoltre possibile abbinare questi dispositivi ad un serbatoio boiler per riscaldare l’acqua.

Regolando il riscaldamento in base alle condizioni meteo si garantisce l’adeguamento della temperatura di mandata dell’acqua all’effettivo fabbisogno termico (la temperatura di mandata è la temperatura dell’acqua che alimenta i termosifoni/il riscaldamento a pavimento).

A tal fine si misura la temperatura esterna e di conseguenza si stabilisce la temperatura di mandata anche in base alla temperatura ambiente desiderata e alle caratteristiche delle pareti dell’edificio.

La relazione tra temperatura esterna e temperatura di mandata si esprime con le curve climatiche. Semplificando: minore è la temperatura esterna, maggiore è la temperatura dell’acqua di caldaia o di mandata.

Il potere calorifico inferiore (PCI) esprime la quantità di calore rilasciata durante la combustione completa laddove l’acqua prodottasi viene espulsa sottoforma di vapore. Il calore d’evaporazione contenuto nel vapore acqueo dei gas di riscaldamento non viene sfruttato.

Un dispositivo ibrido è un dispositivo alimentato da diverse fonti di energia, ad esempio i sistemi bivalenti a pompe di calore. Questi ultimi sono impianti di riscaldamento con una pompa di calore a trazione elettrica abbinata ad almeno una caldaia a combustibile fossile e un sistema di controllo di livello superiore.

Quando è in esercizio, la pompa di calore copre il carico di base con la sua elevata percentuale di calore ambiente gratuito: l’unità esterna estrae il calore dall’aria esterna e per mezzo del compressore porta la temperatura di mandata fino a 55 °C.

La caldaia a condensazione a gas si accende sempre soltanto quando è opportuno in base alla modalità di funzionamento preimpostata, cioè quando si possono ottenere minori costi di esercizio per il gestore dell’impianto o si emette meno CO₂ o per aumentare la disponibilità di acqua calda.

Tutte le caldaie a condensazione murali e compatte di Viessmann sono oggi dotate dello scambiatore di calore in acciaio inossidabile Inox-Radial. Questa tecnologia è caratterizzata da un alto livello di efficienza fino al 98%, dalla lunga durata e da un funzionamento sicuro ed efficiente.

Lo scambiatore di calore Inox-Radial raffredda i gas di scarico prima della loro fuoriuscita dal camino, cosicché il vapore acqueo in essi contenuto si condensa in modo mirato e il calore liberato viene reimmesso nel sistema di riscaldamento. Questo principio di funzionamento consente non solo di risparmiare energia preziosa, ma anche di proteggere l’ambiente riducendo fortemente le emissioni di CO₂.

Nelle pompe di calore. il coefficiente di prestazione COP (Coefficient of performance) è il rapporto tra resa termica ed energia assorbita. Il fattore di prestazione annuale è la media di tutti i COP registrati nel corso di un anno. Il COP serve a confrontare le pompe di calore dal punto di vista dell’efficienza, ma si applica solo a un punto specifico dell’esercizio e in condizioni di temperatura definite.

In sede di progettazione di un impianto si deve invece prendere in considerazione il funzionamento nel corso dell’intero anno. Ciò significa che la quantità di calore erogato in tutto l’anno viene messa in rapporto con l’attività elettrica dell’intero impianto a pompa di calore nello stesso arco di tempo (ivi incluse le quote di elettricità per pompe, dispositivi di comando ecc.). Il risultato è il cosiddetto fattore di prestazione annuale. Esempio: un valore JAZ di 4,5 significa che nel corso dell’anno la pompa di calore ha assorbito in media un kilowattora di energia elettrica per produrre 4,5 kilowattora di calore.

Un dispositivo combinato è un apparecchio murale utilizzato sia per il riscaldamento degli ambienti che per la produzione di acqua calda potabile. Il riscaldamento dell’acqua potabile avviene in base al principio del riscaldatore a ciclo continuo.

I dispositivi murali a gas a condensazione  Vitodens  sono dotati di regolatore di combustione Lambda Pro Control che garantisce una combustione sempre stabile e rispettosa dell’ambiente, un livello di efficienza costantemente elevato e un’elevata sicurezza operativa anche in caso di variazione della qualità del gas.

Il regolatore di combustione Lambda Pro Control riconosce automaticamente qualsiasi tipo di gas utilizzato, il che evita tutte le operazioni di impostazione e calibrazione manuale in fase di messa in funzione. Inoltre il Lambda Pro Control regola continuamente la miscela gas-aria per garantire una combustione sempre efficiente e a bassa emissione di sostanze inquinanti anche se la qualità del gas è variabile. I dati di misurazione sono forniti dall’elettrodo di ionizzazione direttamente dalla fiamma senza alcuna distorsione.

La fornitura decentralizzata di calore ed energia assume un’importanza sempre crescente. Viessmann offre soluzioni che possono contribuire a bilanciare la volatilità dell’approvvigionamento elettrico da energie rinnovabili. Per sostituire le centrali nucleari e le centrali convenzionali su larga scala sono stati costruiti molti parchi eolici e impianti fotovoltaici.

Ma poiché i rendimenti sono fluttuanti e non possono essere pianificati, gli impianti di cogenerazione (CHP) controllabili sono importanti fattori di successo della transizione energetica.  

Produzione decentralizzata di energia: Laddove si verificano colli di bottiglia nella fluttuante produzione di energia elettrica, i sistemi di micro CHP possono dare un importante contributo al soddisfacimento della domanda. Poiché la produzione di elettricità avviene in modo decentralizzato e direttamente in loco, si riduce anche il carico sulle reti elettriche. La generazione di energia elettrica propria mediante cogenerazione sostituisce il prelievo dalla rete pubblica. Abbinandola ad un sistema di accumulo dell’energia elettrica è possibile ottenere un’alimentazione autosufficiente, soprattutto con i sistemi di microcogenerazione.

[1] Caldaia per picchi di carico

[2] Modulo a celle a combustibile

[3] Serbatoio a colonna 220 l in acciaio inox per acqua potabile con componenti idraulici e sensori

[4] Sistema di scarico dei gas e alimentazione d’aria

[5] Contatore di corrente CHP integrato

[6] Interfaccia di comunicazione WiFi

[7] Contatore domestico (contatore bidirezionale di corrente

[8] Rete elettrica domestica

[9] Rete elettrica pubblica

[10] Internet/App ViCare

Le pompe di calore servono anzitutto a garantire un livello di calore gradevole e confortevole e un’affidabile alimentazione di acqua calda sanitaria. Ma non è tutto: le pompe di calore possono anche provvedere al raffrescamento degli edifici. Mentre in inverno il suolo o le acque sotterranee fungono da fonte di energia per il riscaldamento, in estate possono essere utilizzati per il raffrescamento naturale.

Con la funzione “natural cooling”, la regolazione della pompa di calore attiva solo la pompa primaria e la pompa del circuito di riscaldamento, in modo tale che nello scambiatore di calore l’acqua relativamente calda del riscaldamento a pavimento ceda calore alla salamoia del circuito primario. Dai locali collegati viene così estratto calore. Il “natural cooling” è dunque un metodo di raffreddamento degli edifici particolarmente economico che promuove il risparmio energetico.

Il rendimento standard è un concetto utilizzato per poter confrontare diverse caldaie in termini di utilizzo dell’energia: esprime tale utilizzo indicando fino a quale percentuale l’energia consumata dalla caldaia viene convertita in calore utile nell’intero anno.

Il livello del rendimento standard è notevolmente influenzato da quello delle perdite di gas di scarico e delle perdite superficiali che avvengono durante il funzionamento.

Le perdite superficiali sono quote di capacità di combustione disperse nell’aria circostante attraverso la superficie della caldaia e quindi non più disponibili come calore utile per il riscaldamento.

Si verificano durante l’esercizio del bruciatore tramite irraggiamento oppure nel periodo di inattività del bruciatore come perdite di disponibilità, soprattutto nelle mezze stagioni ma anche in estate quando la caldaia serve esclusivamente a riscaldare l’acqua.

In una caldaia vecchia le perdite superficiali sono di norma molto più elevate delle perdite di gas di scarico misurate dallo spazzacamino. Il livello delle perdite superficiali è quindi un fattore decisivo ai fini della convenienza economica (rendimento standard) della caldaia.

Le definizioni "“dipendente dall’aria ambiente”" e "“indipendente dall’aria ambiente”" descrivono il modo il cui una caldaia si procura l’aria necessaria per la combustione.

Nel funzionamento dipendente dall’aria ambiente la caldaia prende l’aria per la combustione dall’ambiente in cui è collocata. Quest’ultimo deve essere ovviamente dotato di sufficienti possibilità di areazione, e a tal proposito esistono varie opzioni: spesso la fornitura d’aria per la combustione è assicurata da aperture nelle pareti esterne o da fughe con sbocco verso l’esterno. Per l’installazione nell’ambiente domestico è indicato la cosiddetta "interconnessione dell’aria ambiente" che assicurata una sufficiente aerazione collegando diversi ambienti tramite aperture (fessure delle porte)

Nel funzionamento indipendente dall’aria ambiente, l’aria necessaria per la combustione è introdotta dall’esterno attraverso un condotto di alimentazione. In sintesi esistono tre soluzioni:

1. Introduzione dell’aria tramite condotto verticale a tetto
2. Introduzione dell’aria tramite collegamento nella parete esterna
3. Introduzione dell’aria tramite camino con sistema di scarico e alimentazione d’aria

I vantaggi offerti dal funzionamento indipendente dall’aria ambiente consistono nelle opzioni di installazione ancora più flessibili per i dispositivi murali a gas rispetto al funzionamento dipendente dall’aria ambiente. L’apparecchio può essere installato ovunque: dagli ambienti domestici ai locali ricreativi ma anche in nicchie, armadi e soffitte

Inoltre, l’indipendenza dall’aria ambiente riduce le perdite in quanto per la combustione non viene usata l’aria ambiente riscaldata, quindi le unità indipendenti dall’aria ambiente possono essere installate all’interno dell’involucro termico dell’edificio.

Il cuore di questa soluzione è l’accumulatore bivalente per acqua calda sanitaria. Quando la radiazione solare è sufficiente, il fluido che si trova nell’impianto solare riscalda l’acqua dello scaldacqua ad accumulo attraverso il sottostante scambiatore di calore. Quando la temperatura si abbassa a seguito del prelievo di acqua, ad esempio per il bagno o la doccia, la caldaia si accende al bisogno per riscaldare ulteriormente tramite il secondo circuito.

Il fluido solare riscaldato nei collettori solari è utilizzabile non solo per la produzione di acqua calda sanitaria ma anche per il riscaldamento supplementare dell’acqua di riscaldamento. Il circuito di riscaldamento utilizza a tale scopo, tramite uno scambiatore di calore, l’acqua contenuta nell’accumulatore solare che viene continuamente riscaldata dai collettori. Il sistema di regolazione verifica se è possibile raggiungere la temperatura ambiente desiderata: se questa è inferiore al valore nominale si accende anche la caldaia.

Quando la luce solare colpisce l’assorbitore, il collettore solare genera sempre calore anche se tale calore non è necessario. Ciò può accadere ad esempio in estate, quando gli abitanti della casa sono in vacanza. Se non è più possibile trasferire calore allo scaldacqua ad accumulo o al serbatoio tampone dell’acqua di riscaldamento perché già completamente pieno, la pompa di ricircolo si spegne e l’impianto solare termico va in stagnazione.

L’ulteriore radiazione solare causa l’aumento delle temperature dei collettori fino all’evaporazione del fluido termovettore e ad un elevato stress termico sui componenti del sistema quali guarnizioni, pompe, valvole e il fluido termovettore. La protezione dal surriscaldamento ThermProtect previene efficacemente la formazione di vapore negli impianti in cui è installata.

Per la prima volta è stato messo a punto e brevettato un collettore piano che interrompe l’assorbimento di energia quando si raggiunge una data temperatura. Il rivestimento captante di Vitosol 200-FM si basa sul principio degli “stadi di transizione”. In base alla temperatura del collettore, la sua struttura cristallina cambia e con essa anche le sue prestazioni. La temperatura di stagnazione diminuisce. Se l’assorbitore raggiunge una temperatura di circa 75 °C la struttura cristallina cambia, moltiplicando la dissipazione termica. In tal modo, la potenza del collettore si riduce con l’aumentare della temperatura; la temperatura di stagnazione è molto più bassa e non si forma vapore.

Quando la temperatura nel collettore si abbassa, la struttura cristallina ritorna allo stato originale. Con questa tecnologia, oltre il 95% dell’energia solare captata dall’impianto viene assorbita e convertita in calore mentre solo meno del 5% viene dissipato. Il rendimento del nuovo collettore è quindi superiore a quello degli abituali collettori piani poiché questo tipo non va in stagnazione e può fornire nuovamente calore in ogni momento. La modifica della struttura cristallina è reversibile all’infinito e il funzionamento è permanente.

Durante il normale funzionamento del collettore, il nuovo rivestimento assorbente del collettore piano Vitosol 200-FM si comporta come un rivestimento assorbente standard dei collettori piani Viessmann. Quando invece il collettore supera la temperatura di 75 °C, la dissipazione termica si moltiplica: in caso di stagnazione vi è così la certezza di evitare il surriscaldamento e la formazione di vapore.