Speciale 75
Le nuove caldaie: tecnologia, efficienza, risparmio energetico
Alcuni contenuti di questo speciale:
Articolo
di Ing. Isacco Simion
Caldaie e innovazioni: nuove tecnologie per una maggiore efficienza energetica
Utilizzo di fonti rinnovabili, periodicità di manutenzione, rendimenti degli impianti elevati, esigenze particolareggiate, introduzione di nuove leggi e regolamenti italiani ed europei, ristrutturazione di impianti esistenti: ecco alcuni aspetti che in questi ultimi anni hanno portato i produttori di caldaie a sviluppare prodotti innovativi, realizzando soluzioni diverse per soddisfare le rinnovate esigenze del mercato.
Giusto per fornire un dato statistico, nel territorio italiano, sono attualmente installate più di 19 milioni di caldaie, a servizio sia di impianti autonomi, sia centralizzati. La maggior parte è però composta da sistemi obsoleti, con rendimenti bassi e consumi ed emissioni in ambiente elevati; sistemi che in qualche anno con tutta probabilità saranno sostituiti da nuovi generatori.
In questo articolo, allora, tratteremo delle tipologie di caldaie presenti sul mercato, in particolare di quelle meno conosciute, analizzandone brevemente le caratteristiche, ma anche illustreremo le ultime novità legislative inerenti alla produzione, installazione e manutenzione di caldaie.
Lasciamo quindi da parte i generatori a gas più comuni nel mercato: le caldaie a gas tradizionali e a condensazione. Il loro funzionamento, le caratteristiche e i campi di utilizzo sono ormai ben noti non solo ai tecnici del settore. Diamo invece uno sguardo alle altre tipologie.
La caldaia elettrica consiste, in sostanza, in una resistenza elettrica che riscalda il fluido termovettore dell'impianto (acqua).
A fronte di un rendimento dell'apparecchio pari a circa il 100%, allineato a quello di tutte le macchine elettriche, bisogna però considerare anche il rendimento di produzione e distribuzione dell'energia elettrica che ci arriva in casa. Secondo gli ultimi dati forniti dall'autorità per l'energia elettrica, il rendimento del sistema elettrico italiano è il 46%. Ne consegue che per produrre calore con una caldaia elettrica, si cede all'ambiente circa il 50% dell'energia disponibile alla fonte: un rendimento nettamente inferiore anche ad una tradizionale caldaia a gas.
È per questo motivo che l'utilizzo di questi generatori è limitato alle applicazioni per le quali l'utilizzo di altre fonti di calore non è possibile, né lo è economicamente e/o fisicamente l'utilizzo di generatori di calore diversi (es. pompe di calore).
Se si pensa che per produrre acqua calda sanitaria istantanea per un normale rubinetto di casa (0,1 l/s), considerando una temperatura di uscita di 40° e di entrata in caldaia di 15°, servirebbe una potenza almeno pari a: 0,1 * 4186 * (40 - 15) = 10465 W, appare evidente che, con le potenze elettriche erogate dai contatori più comuni, è impossibile l'utilizzo di una caldaia elettrica per la produzione istantanea di acqua calda sanitaria. Nel mercato, infatti, si trovano caldaie elettriche per solo riscaldamento; per la produzione di acqua calda sanitaria, si deve ricorrere ad accumuli tradizionali con serpentine, con resistenze elettriche, o tank in tank.
Si tratta di caldaie a gas a condensazione dotate di uno scambiatore con due circuiti: una tubazione è dedicata all'impianto di riscaldamento, e una seconda, invece, produce acqua calda sanitaria. In questo modo entrambi i circuiti (riscaldamento e acqua sanitaria) possono sfruttare il calore latente di condensazione dei fumi: il flusso di acqua sanitaria viene riscaldato direttamente nel corpo caldaia raffreddando, allo stesso modo del funzionamento in riscaldamento, i gas di combustione, portandoli a condensazione. Non sono così necessari altri scambiatori né la valvola a 3 vie utilizzati nelle caldaie più comuni.
In termini energetici ne consegue un'efficienza per la produzione di acqua calda sanitaria fino al 20% maggiore rispetto ad una caldaia tradizionale.
Sono un sistema innovativo le cui installazioni sono ancora limitate, che sfrutta, appunto, le proprietà dell'idrogeno per produrre calore.
Normalmente quando si parla in termini energetici dell'idrogeno, si pensa alla produzione di energia elettrica tramite le celle a combustibile. Le caldaie ad idrogeno introducono in aggiunta un sistema diverso che sfrutta la “combustione” senza fiamma dell'idrogeno per produrre calore.
Il processo di trasformazione in energia termica passa attraverso un prima trasformazione della molecola d'acqua in ossigeno ed idrogeno, lo stoccaggio di quest'ultimo, e la combustione dello stesso senza fiamma, in un componente chiamato combustore, con temperature in uscita di 35-40°C.
C’è chi le chiama caldaie e chi pompe di calore. In realtà sono sistemi ibridi che per funzionare hanno bisogno di un caldaia a condensazione a gas e una fonte rinnovabile, tipicamente i pannelli solari termici.
I sistemi a zeolite sfruttano il principio dell'adsorbimento delle molecole d'acqua sulla superficie di un materiale poroso chiamato zeolite.
In sostanza le molecole d'acqua che vengono adsorbite, vengono frenate bruscamente dal loro moto libero, trasformando l'energia cinetica in energia termica.
Il rendimento energetico potenzialmente, al netto delle perdite, può arrivare al 140%.
Ricadono in questa categoria le caldaie a legna, pellet e cippato. Questi generatori di ultima generazione non hanno niente a che fare con le vecchie stufe e caldaie a legna: i rendimenti sono molto più alti e il problema di emissioni, soprattutto di particelle sottili, è ormai storia passata. Tra l'altro, la combustione di biomasse legnose non immette nuove quantità di CO2 nell'atmosfera rispetto a quanto si avrebbe dal processo di decomposizione delle piante stesse.
In questi ultimi anni si sono evolute notevolmente, tramite l'applicazione di diverse tecnologie quali la fiamma rovescia o gassificazione di legno, l'utilizzo di sonde lambda, la pulizia automatica della griglia e degli scambiatori, l'utilizzo di particolari accorgimenti che le rendono più sicure e durature, come l'evitare il ritorno di fiamma, il controllo della temperatura dei fumi e il sistema anticondensa.
Anche nelle caldaie a biomassa legnosa alcune ditte sfruttano il recupero del calore latente di condensazione dei fumi per aumentarne l'efficienza. Ne è migliorata anche l'autonomia, che poteva essere l'elemento decisionale sull'installazione delle stesse, mediante vani di carico più capienti o serbatoi con annesso sistema di trasporto del combustibile.
Se ne è già accennato in altri speciali, ma, visto che, comunque sia, almeno uno dei componenti è una caldaia, meritano di essere oggetto anche del presente.
Si possono sostanzialmente suddividere in due categorie: i sistemi che utilizzano la caldaia a combustibili fossili come generatore alternativo a quello “principale”, e quelli che utilizzano la caldaia qualora ce ne sia una convenienza economica ed energetica.
Tra i primi troviamo i sistemi con caldaie a biomasse legnose associate a caldaie a combustibile fossile (metano, gpl, gasolio), nei quali l'utilizzo di queste ultime interviene solamente esaurita la scorta nel vano di carico di legna, pellet o cippato.
Tra i secondi si racchiudono tutti i sistemi che associano pompe di calore, caldaie a combustibile fossile e altre fonti rinnovabili.
In quest'ultima casistica le modalità di funzionamento nei casi più comuni di associazione pompa di calore – caldaia, sono essenzialmente tre:
• funzionamento bivalente alternativo: al di sotto di una determinata temperatura esterna, la pompa di calore si spegne e il calore viene generato solamente della caldaia.
• Funzionamento bivalente parallelo: al di sotto di una determinata temperatura esterna, i due generatori di calore funzionano in parallelo.
• Funzionamento bivalente misto: in determinati range di temperatura si ha il funzionamento solamente di pompa di calore, solamente della caldaia o di entrambi in parallelo.
In questa parte vedremo quali sono le disposizioni introdotte in questi ultimi anni da leggi, decreti e delibere limitatamente alla produzione, installazione e manutenzione di caldaie. Daremo anche uno sguardo ai nuovi regolamenti europei che normeranno la produzione di caldaie dal 2015.
Giusto per fornire un dato statistico, nel territorio italiano, sono attualmente installate più di 19 milioni di caldaie, a servizio sia di impianti autonomi, sia centralizzati. La maggior parte è però composta da sistemi obsoleti, con rendimenti bassi e consumi ed emissioni in ambiente elevati; sistemi che in qualche anno con tutta probabilità saranno sostituiti da nuovi generatori.
In questo articolo, allora, tratteremo delle tipologie di caldaie presenti sul mercato, in particolare di quelle meno conosciute, analizzandone brevemente le caratteristiche, ma anche illustreremo le ultime novità legislative inerenti alla produzione, installazione e manutenzione di caldaie.
Lasciamo quindi da parte i generatori a gas più comuni nel mercato: le caldaie a gas tradizionali e a condensazione. Il loro funzionamento, le caratteristiche e i campi di utilizzo sono ormai ben noti non solo ai tecnici del settore. Diamo invece uno sguardo alle altre tipologie.
Caldaie elettriche
La caldaia elettrica consiste, in sostanza, in una resistenza elettrica che riscalda il fluido termovettore dell'impianto (acqua).
A fronte di un rendimento dell'apparecchio pari a circa il 100%, allineato a quello di tutte le macchine elettriche, bisogna però considerare anche il rendimento di produzione e distribuzione dell'energia elettrica che ci arriva in casa. Secondo gli ultimi dati forniti dall'autorità per l'energia elettrica, il rendimento del sistema elettrico italiano è il 46%. Ne consegue che per produrre calore con una caldaia elettrica, si cede all'ambiente circa il 50% dell'energia disponibile alla fonte: un rendimento nettamente inferiore anche ad una tradizionale caldaia a gas.
È per questo motivo che l'utilizzo di questi generatori è limitato alle applicazioni per le quali l'utilizzo di altre fonti di calore non è possibile, né lo è economicamente e/o fisicamente l'utilizzo di generatori di calore diversi (es. pompe di calore).
Se si pensa che per produrre acqua calda sanitaria istantanea per un normale rubinetto di casa (0,1 l/s), considerando una temperatura di uscita di 40° e di entrata in caldaia di 15°, servirebbe una potenza almeno pari a: 0,1 * 4186 * (40 - 15) = 10465 W, appare evidente che, con le potenze elettriche erogate dai contatori più comuni, è impossibile l'utilizzo di una caldaia elettrica per la produzione istantanea di acqua calda sanitaria. Nel mercato, infatti, si trovano caldaie elettriche per solo riscaldamento; per la produzione di acqua calda sanitaria, si deve ricorrere ad accumuli tradizionali con serpentine, con resistenze elettriche, o tank in tank.
Caldaie a doppia condensazione (a condensazione totale)
Si tratta di caldaie a gas a condensazione dotate di uno scambiatore con due circuiti: una tubazione è dedicata all'impianto di riscaldamento, e una seconda, invece, produce acqua calda sanitaria. In questo modo entrambi i circuiti (riscaldamento e acqua sanitaria) possono sfruttare il calore latente di condensazione dei fumi: il flusso di acqua sanitaria viene riscaldato direttamente nel corpo caldaia raffreddando, allo stesso modo del funzionamento in riscaldamento, i gas di combustione, portandoli a condensazione. Non sono così necessari altri scambiatori né la valvola a 3 vie utilizzati nelle caldaie più comuni.In termini energetici ne consegue un'efficienza per la produzione di acqua calda sanitaria fino al 20% maggiore rispetto ad una caldaia tradizionale.
Caldaie a idrogeno
Sono un sistema innovativo le cui installazioni sono ancora limitate, che sfrutta, appunto, le proprietà dell'idrogeno per produrre calore.
Normalmente quando si parla in termini energetici dell'idrogeno, si pensa alla produzione di energia elettrica tramite le celle a combustibile. Le caldaie ad idrogeno introducono in aggiunta un sistema diverso che sfrutta la “combustione” senza fiamma dell'idrogeno per produrre calore.
Il processo di trasformazione in energia termica passa attraverso un prima trasformazione della molecola d'acqua in ossigeno ed idrogeno, lo stoccaggio di quest'ultimo, e la combustione dello stesso senza fiamma, in un componente chiamato combustore, con temperature in uscita di 35-40°C.
Sistemi a zeolite
C’è chi le chiama caldaie e chi pompe di calore. In realtà sono sistemi ibridi che per funzionare hanno bisogno di un caldaia a condensazione a gas e una fonte rinnovabile, tipicamente i pannelli solari termici.
I sistemi a zeolite sfruttano il principio dell'adsorbimento delle molecole d'acqua sulla superficie di un materiale poroso chiamato zeolite.
In sostanza le molecole d'acqua che vengono adsorbite, vengono frenate bruscamente dal loro moto libero, trasformando l'energia cinetica in energia termica.
Il rendimento energetico potenzialmente, al netto delle perdite, può arrivare al 140%.
Caldaie a biomassa legnosa
Ricadono in questa categoria le caldaie a legna, pellet e cippato. Questi generatori di ultima generazione non hanno niente a che fare con le vecchie stufe e caldaie a legna: i rendimenti sono molto più alti e il problema di emissioni, soprattutto di particelle sottili, è ormai storia passata. Tra l'altro, la combustione di biomasse legnose non immette nuove quantità di CO2 nell'atmosfera rispetto a quanto si avrebbe dal processo di decomposizione delle piante stesse.
In questi ultimi anni si sono evolute notevolmente, tramite l'applicazione di diverse tecnologie quali la fiamma rovescia o gassificazione di legno, l'utilizzo di sonde lambda, la pulizia automatica della griglia e degli scambiatori, l'utilizzo di particolari accorgimenti che le rendono più sicure e durature, come l'evitare il ritorno di fiamma, il controllo della temperatura dei fumi e il sistema anticondensa.
Anche nelle caldaie a biomassa legnosa alcune ditte sfruttano il recupero del calore latente di condensazione dei fumi per aumentarne l'efficienza. Ne è migliorata anche l'autonomia, che poteva essere l'elemento decisionale sull'installazione delle stesse, mediante vani di carico più capienti o serbatoi con annesso sistema di trasporto del combustibile.
Sistemi ibridi
Se ne è già accennato in altri speciali, ma, visto che, comunque sia, almeno uno dei componenti è una caldaia, meritano di essere oggetto anche del presente.
Si possono sostanzialmente suddividere in due categorie: i sistemi che utilizzano la caldaia a combustibili fossili come generatore alternativo a quello “principale”, e quelli che utilizzano la caldaia qualora ce ne sia una convenienza economica ed energetica.
Tra i primi troviamo i sistemi con caldaie a biomasse legnose associate a caldaie a combustibile fossile (metano, gpl, gasolio), nei quali l'utilizzo di queste ultime interviene solamente esaurita la scorta nel vano di carico di legna, pellet o cippato.
Tra i secondi si racchiudono tutti i sistemi che associano pompe di calore, caldaie a combustibile fossile e altre fonti rinnovabili.
In quest'ultima casistica le modalità di funzionamento nei casi più comuni di associazione pompa di calore – caldaia, sono essenzialmente tre:
• funzionamento bivalente alternativo: al di sotto di una determinata temperatura esterna, la pompa di calore si spegne e il calore viene generato solamente della caldaia.
• Funzionamento bivalente parallelo: al di sotto di una determinata temperatura esterna, i due generatori di calore funzionano in parallelo.
• Funzionamento bivalente misto: in determinati range di temperatura si ha il funzionamento solamente di pompa di calore, solamente della caldaia o di entrambi in parallelo.
Ultime disposizioni legislative in materia di caldaie
In questa parte vedremo quali sono le disposizioni introdotte in questi ultimi anni da leggi, decreti e delibere limitatamente alla produzione, installazione e manutenzione di caldaie. Daremo anche uno sguardo ai nuovi regolamenti europei che normeranno la produzione di caldaie dal 2015.
