Le caldaie a gas, sempre più efficienti e sicure, rappresentano il componente principale dei sistemi di riscaldamento nella maggior parte degli edifici. Integrate con altri sistemi, permettono anche lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia. In particolare, le caldaie a condensazione, che recuperano calore dalla condensa dei fumi di scarico, stanno ormai sostituendo in maniera definitiva le caldaie standard.
La conoscenza delle funzioni basilari di una caldaia può essere di supporto per un corretto utilizzo e per la prevenzione o l'interpretazione dei più comuni malfunzionamenti. I modelli di caldaie più diffusi, a servizio degli appartamenti standard con dimensioni ordinarie, hanno potenze nominali di 24 kW, 28 kW e 32 kW e sono a camera stagna e tiraggio forzato.
La camera stagna definisce l'involucro che contiene la camera di combustione nella quale brucia il gas, con specifici rapporti stechiometrici, con l'aria ottenuti con la ventilazione forzata che contribuisce anche alla espulsione dei fumi prodotti.
Circuiti Idrici e Gas della Caldaia
In ogni caldaia è possibile distinguere due tipi di circuiti basilari: il circuito idraulico ed il circuito gas. Altri componenti comuni a tutte le caldaie sono: il pannello dei comandi, la scheda elettronica e diversi accessori ed optional, forniti dalle case produttrici per far fronte alle varie esigenze di installazione, funzionamento ed integrazione con i diversi tipi di impianti. Le dimensioni di una caldaia sono, generalmente, di circa 80 cm di altezza, circa 40 cm di larghezza e 20 cm profondità.
Compatibilmente con i circuiti descritti e per realizzare le connessione con gli impianti di riscaldamento e acqua calda sanitaria, nella parte inferiore di una caldaia è possibile distinguere un attacco per l'alimentazione gas (all'estermità del tubo giallo), un'uscita per l'acqua calda sanitaria, un'entrata per l'acqua fredda, un'uscita corrispondente con la mandata dell'impianto di riscaldamento ed un ritorno dello stesso impianto. Mandata e ritorno impianto sono alle estremità rossa e blu nella figura a lato.
Gli attacchi hanno misure standard, per il gas e l'impianto di riscaldamento sono di 3/4" mentre sono di 1/2" per l'acqua sanitaria, infine, è naturalmente presente un cavo per l'alimentazione elettrica della scheda di controllo della caldaia.
Il circuito idraulico nella caldaia può essere visto come un unico circuito che lavora in maniera esclusiva per il riscaldamento o per la produzione di acqua calda sanitaria, esso è suddiviso in due sotto-circuiti, quello di riscaldamento collegato allo scambiatore termico in camera di combustione (scambiatore primario) e quello per la produzione di acqua calda sanitaria collegato ad uno scambiatore secondario, quest'ultimo scambia energia termica tra il primario e l'acqua fredda proveniente dalla rete idrica.
Funzionamento della Caldaia: Riscaldamento e Acqua Calda Sanitaria
I due sotto-circuiti idrici sono separati da una valvola a tre vie controllata dalla scheda della caldaia, in modo tale che uno solo alla volta dei due lavora, alla produzione di acqua calda sanitaria è attribuita una priorità maggiore rispetto alla funzione di riscaldamento.
Sul sotto-circuito di riscaldamento è presente un gruppo circolatore che mette in moto l'acqua nell'impianto e che nelle caldaie più evolute è ad inverter, ossia, in grado di modulare i giri e quindi i consumi di energia elettrica in funzione della richiesta di energia termica dall'utenza.
Una valvola di sicurezza, generalmente tarata a 3 bar, ed un pressostato, sono i dispositivi che inibiscono il funzionamento del circolatore, e quindi della caldaia, qualora la pressione sul circuito di riscaldamento raggiunga valori eccessivi rispetto a quelli di normale funzionamento, la circolazione dell'acqua nell'impianto è preliminare all'avvio della combustione. In maniera analoga sul circuito sanitario un flusso-stato inibisce l'accensione della caldaia se non rileva il flusso, ossia, la circolazione dell'acqua che altrimenti raggiungerebbe temperature pericolosamente alte.
La capacità dei circolatori di mettere in movimento una certa quantità di acqua, vincendo con la pressione le resistenze offerte dall'impianto, è espressa dalla curva portata / prevalenza fornita dal costruttore. La portata esprime i litri per ora di acqua messi in movimento dal circolatore, mentre, la prevalenza che diminuisce all'aumentare della portata è espressa in m.c.a. (metri di colonna d'acqua). Un metro di colonna d'acqua è la pressione esercitata da una colonna di acqua alta 10 metri su una superficie di un metro quadrato, corrispondente anche ad 1 bar o 100 kPascal.
Mediamente i circolatori per le caldaie descritte hanno curva con portate e prevalenze che hanno rispettivamente range da 0 - 1500 litri per ora e 0 - 5 m.c.a. Anche il flussostato, sul circuito sanitario è caratterizzato da una portata ed una prevalenza che sono, generalmente, di circa 2 litri per minuto e circa mezzo bar.
L'attivazione della modalità di riscaldamento per una caldaia avviene a seguito di un segnale che giunge alla scheda di controllo e che può essere generato da un termostato ambiente, da un sensore o un dispositivo di controllo e o regolazione che può agire anche in remoto, la temperatura dell'acqua per il riscaldamento può variare, generalmente, in un range tra 30°C e 85°C.
Successivamente alla richiesta di riscaldamento viene alimentato il gruppo circolatore ed attivato dopo che la scheda ha ricevuto i segnali del suo corretto funzionamento, dopo pochi secondi viene attivata la ventilazione e prodotta la combustione.
Perché una Caldaia a Condensazione Rende di Più?
Le caldaie a condensazione offrono un rendimento superiore per tre motivi principali:
- Temperatura di uscita dei fumi inferiore (30-70 °C rispetto ai 120-160 °C delle migliori caldaie tradizionali) → +3-6% di rendimento di combustione.
- Condensazione del vapore d’acqua nei fumi fino al 10%.
- Minori perdite a vuoto, garantendo un’efficienza più elevata.
Condizione Necessaria per la Condensazione
Affinché la caldaia possa condensare, la temperatura di ritorno reale deve essere sufficientemente bassa per raffreddare i fumi sotto il punto di rugiada (circa 57 °C). In pratica, la condensazione inizia intorno ai 50 °C al ritorno in caldaia.
Fattori che Favoriscono la Condensazione:
- Bassa temperatura dell’acqua di ritorno in caldaia (< 50 °C).
- Funzionamento a bassa potenza.
- Basso eccesso d’aria, che impedisce l’innalzamento del punto di rugiada.
Requisiti dell’Impianto per la Condensazione
Per ottenere il massimo rendimento dalla caldaia a condensazione, l’impianto deve essere progettato con:
- Generatore a elevata modulazione, e, in presenza di radiatori o circuiti miscelati, in grado di mantenere salti termici elevati.
- Regolazione accurata dell’eccesso d’aria, soprattutto alle basse potenze.
- Valvole termostatiche sui radiatori, per ridurre la temperatura di ritorno e garantire il corretto funzionamento dell’impianto anche nei transitori.
- Schema idraulico e regolazioni adeguate per evitare dispersioni di calore.
- Funzionamento continuo, evitando accensioni e spegnimenti frequenti.
Dubbi Comuni sulle Caldaie a Condensazione
Esistono alcuni preconcetti diffusi sulle caldaie a condensazione:
- “Ci vuole l’impianto a pannelli radianti per condensare” ❌ Falso, è possibile condensare anche con i radiatori, se ben regolati.
- “Non si può condensare con i radiatori” ❌ Falso, la regolazione termostatica permette un’efficienza ottimale anche con i radiatori.
Domande Frequenti:
- Come si può far condensare una caldaia collegata a un impianto a radiatori?
- Come può NON condensare una caldaia collegata a un impianto a pannelli radianti?
- Perché utilizzare la termoregolazione?
Cercheremo di rispondere a queste domande utilizzando esempi e schemi esemplificativi. Il dimensionamento di un impianto riguarda le condizioni di progetto, cioè quelle di massima potenza richiesta, situazioni che non si verificheranno quasi mai.
Occorre quindi far erogare all’impianto la potenza necessaria istante per istante ed a tal fine occorrono:
- circuiti idraulici adeguati
- un sistema di regolazione dell’emissione del calore
Tipologie di Circuiti Idraulici
I circuiti più adatti per la condensazione sono:
- Circuiti di distribuzione a portata variabile
- Circuiti di distribuzione a temperatura scorrevole
Questi circuiti consentono di mantenere la temperatura di ritorno il più bassa possibile, favorendo la condensazione.
Regolazione dell’Emissione del Calore
Per modulare la potenza termica si possono adottare diversi sistemi:
- Regolazione della temperatura di mandata
- Tramite sensori di temperatura esterna o interna.
- Con valvole miscelatrici o generatori a temperatura scorrevole.
- Regolazione della portata
- In funzione della temperatura interna (o del set-point aria)
- Con continuità, con valvole termostatiche e valvole a by-pass
- Con valvole di zona ON-OFF a 2 o 3 vie.
- Regolazione dello scambio termico
- In funzione della temperatura interna (o del set-point aria)
- Con attivazione di un ventilatore (ventilconvettori ed aerotermi)
- Una combinazione delle due precedenti
Questi sistemi possono essere usati singolarmente o in combinazione per massimizzare l’efficienza.
Come Far Condensare una Caldaia con i Radiatori
Ci concentreremo nell’analisi dei circuiti che impiegano valvole termostatiche, la soluzione più moderna ed efficace per il controllo di impianti di riscaldamento a radiatori. La regolazione a portata variabile prevede che la potenza emessa sia controllata agendo sulla portata circolante nell’impianto. In pratica questo tipo di regolazione si attua installando su ciascun corpo scaldante una valvola termostatica.
Vantaggi delle Valvole Termostatiche:
- Riduzione della portata d’acqua, minimizzando i consumi elettrici e il costo della pompa.
- Bilanciamento automatico dell’impianto, evitando fenomeni di instabilità.
- Temperatura di ritorno più bassa, favorendo lo sfruttamento di caldaie a condensazione.
Quando il locale è freddo, inizialmente la valvola sarà completamente aperta e la portata nel radiatore sarà quella massima, detta anche “di progetto”. Poiché l’acqua attraversa rapidamente il radiatore, in queste condizioni esce ancora calda e tutto il radiatore è caldo: la potenza erogata è quella massima di progetto e la temperatura della stanza aumenta. Con l’aumento della temperatura ambiente, la valvola si chiude progressivamente, riducendo la portata e abbassando la temperatura di ritorno.
Al variare della differenza tra temperatura ambiente e temperatura ghiera:
- L’apertura della valvola; aumenta la perdita di carico a cavallo dell’otturatore
- La portata di acqua circolante nel corpo scaldante
- La temperatura di ritorno del corpo scaldante
- La temperatura media del corpo scaldante (poiché la temperatura di mandata è costante)
- La potenza emessa dal corpo scaldante.
Per piccole differenze di temperatura, l’apertura della valvola è modesta e la piccola portata di acqua circolante fa in tempo a raffreddarsi quasi completamente nell’attraversare il corpo scaldante. La bassa temperatura di ritorno che si ottiene (che tende ad avvicinarsi alla temperatura del locale, cioè circa 20°C) determina una bassa temperatura media del corpo scaldante, quindi una bassa potenza emessa dal corpo scaldante, anche se la sua superficie e la temperatura di ingresso rimangono costanti.
Al limite, se la potenza richiesta dal locale è veramente modesta (per esempio nelle mezze stagioni), la pochissima acqua immessa nel radiatore si raffredderà completamente prima ancora di raggiungere la parte inferiore del radiatore, ove la temperatura dell’acqua si stabilizza vicino alla temperatura ambiente. In queste condizioni, la parte superiore del radiatore è calda (alla temperatura di mandata) mentre la parte inferiore è fredda (a temperatura ambiente). E’ come se il radiatore “rimpicciolisse” progressivamente.
La valvola termostatica è un regolatore della temperatura ambiente di tipo proporzionale. Essa agisce sulla portata d’acqua circolante sul radiatore, in modo tale da ridurne la temperatura media e la potenza erogata. La conseguenza del funzionamento corretto delle valvole termostatiche è una drastica riduzione delle portate d’acqua circolanti all’interno dell’impianto e l’abbassamento della temperatura media del radiatore.
Questo sistema risulta ad oggi il migliore per garantire il massimo livello di condensazione con le moderne caldaie a gas in impianti a radiatori!
Come NON Condensare con i Pannelli Radianti
Alcune configurazioni possono impedire la condensazione, come nel caso di impianti con compensatore idraulico. Se la portata del circuito primario è superiore a quella del secondario, il delta T si riduce, aumentando la temperatura di ritorno e annullando la condensazione.
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