Tipi di riscaldamento degli ambienti domestici, l’evoluzione tecnologica

Allo stato attuale, l'industria dell'impiantistica in genere sta affrontando temi diversi, che vanno dagli interventi di riqualificazione su edifici esistenti, alla ricerca di sistemi e componenti che puntino al massimo risparmio economico e al massimo sfruttamento di energie rinnovabili, tenendo conto anche delle esigenze dell'utente.

I mezzi per arrivare allo scopo finale sono svariati: si va dalla domotica, ai componenti per impianti e loro regolazione, dall'associazione di tecnologie diverse (fotovoltaico, solare termico, geotermia, biomasse con pompe di calore o altro), al risparmio energetico ottenuto mediante ottimizzazione dell'efficienza dei sistemi di ventilazione meccanica controllata, alla continua evoluzione dei generatori di calore. Per brevità di esposizione, e data la vastità dell'argomento, è proprio su quest'ultimi che si tratterà nel proseguo del presente articolo, fornendo una breve panoramica delle soluzioni presenti nel mercato e oggetto di ricerca, tralasciando quelle più diffuse e conosciute.

POMPE DI CALORE POLIVALENTI

Macchine frigorifere a ciclo reversibile che consentono la contemporanea produzione di acqua refrigerata ed acqua calda, sfruttando il recupero del calore di condensazione, che altrimenti sarebbe disperso nell'ambiente esterno.

Si hanno tre tipi di funzionamento:

• Produzione di acqua refrigerata (raffrescamento): l'unità si comporta come gruppo frigorifero;
• Produzione di acqua calda (riscaldamento e acqua calda sanitaria): l'unità si comporta come pompa di calore;
• Produzione simultanea di acqua calda e refrigerata (riscaldamento e raffrescamento, o raffrescamento e acqua calda sanitaria): l'unità si comporta come gruppo frigorifero; il calore prodotto nel condensatore viene recuperato attraverso uno scambiatore.

POMPE DI CALORE AD ASSORBIMENTO

Il comune ciclo frigorifero è sostituito con il ciclo ad assorbimento nel quale si sostituisce il compressore frigorifero, alimentato elettricamente, con un sistema di due serbatoi (generatore e assorbitore) alimentato a gas. Nel primo si cede calore ad una miscela composta da un soluto, facilmente evaporabile, e un solvente (acqua e ammoniaca o acqua e bromuri di litio). Per effetto del calore ceduto, si libera il componente più volatile che inizia il ciclo di condensazione, laminazione ed evaporazione per entrare poi nell'assorbitore.

Il grosso vantaggio è che non si deve comprimere un gas, ma una miscela liquida (solvente e fluido frigorifero), con notevole risparmio di energia meccanica (e quindi elettrica): si usa solamente 1/10 dell'impegno elettrico di una comune pompa di calore elettrica. Lo svantaggio è che, in condizioni di raffrescamento, si ha un'efficienza inferiore alle pompe di calore elettriche.

POMPE DI CALORE A CO2

Ideali per la produzione di acqua ad alta temperatura, anche con climi rigidi possono produrre acqua calda fino a 90°C, temperatura difficilmente raggiungibile con sistemi di PdC tradizionali. Il ciclo ad anidride carbonica, infatti, ben si adatta al riscaldamento di acqua ad alte temperature, consentendo un risparmio energetico fino al 75%.

SISTEMI AD ADSORBIMENTO A ZEOLITE

Sono sistemi integrati che comprendono pannelli solari termici e pompe di calore a gas e zeolite.
Ma cos'è la zeolite? È un minerale alluminosilicato cristallino a basso peso molecolare dotato di elevatissima superficie data dalla presenza di cavità interne (microporosità), in grado di adsorbire (in gergo “catturare”) grandi quantità di molecole d'acqua e rilasciarle nuovamente una volta riscaldata. Le particelle d'acqua adsorbite vengono frenate bruscamente dal loro moto libero, trasformando l'energia cinetica in energia termica.

Si hanno quindi due fasi di funzionamento:

1. Desorbimento: le zeoliti sature d'acqua vengono riscaldate tramite un fonte termica (combustione di gas) provocando il rilascio di vapore che in uno scambiatore cede calore al fluido termovettore; quest'ultimo si scalda e le molecole di vapore raffreddate condensano;
2. Adsorbimento: La condensa, posta in un ambiente sottovuoto, viene fatta evaporare riscaldandola per mezzo di una fonte di calore rinnovabile, inviandola alle superfici di scambio in cui circola il fluido termovettore; il vapore viene a contatto con le zeoliti che adsorbono le molecole facendole condensare; il calore generato viene ceduto al fluido dell'impianto che si scalda.

In sintesi, in termini parametrici, si ha che fornendo 100kWh di energia primaria da gas (fase di desorbimento), si cedono all'impianto circa 40kWh di calore; nella fase di assorbimento, invece, si cedono circa 100kWh all'utenza, fornendone 40 da fonte rinnovabile. Si ha quindi un'efficienza che potenzialmente, al netto delle perdite, può arrivare al 140%.

L'unico quesito che ci si pone riguarda l'impatto ambientale per la produzione di zeolite, visto che quella presente in natura non è utilizzabile in quanto non pura. Le zeoliti, infatti, sono comunemente ottenute con acqua distillata con un impegno energetico e un impatto ambientale non trascurabile. Esiste però un progetto sviluppato dal CNR – IMAA e depositato da poco negli USA grazie al quale si è scoperto che le zeoliti si possono sintetizzare dalle ceneri di carbone, utilizzando a tal scopo le ceneri delle centrali termoelettriche e acqua di mare, reperibile a costo zero e a temperature inferiori a 45° con conseguente riduzione della spesa energetica.


“CALDAIE” AD IDROGENO

Il processo per la produzione di energia comprende:

• Elettrolizzatore per trasformare l'energia disponibile in idrogeno mediante la scissione della molecola dell'acqua in idrogeno e ossigeno (elettrolisi);
• Stoccaggio dell'idrogeno in un serbatoio o in bombole;
• Prelievo dell'idrogeno a seconda delle necessità per produrre calore (mediante combustore catalitico) o elettricità (mediante celle a combustibile).

Il combustore catalitico permette di produrre energia termica senza l'utilizzo di combustibili fossili: il catalizzatore permette a idrogeno e ossigeno di combinarsi in una molecola di acqua, liberando calore.

CALDAIE A PELLETS E BIOMASSE

La combustione di derivati del legno non immette nuove quantità di CO2 nell'atmosfera rispetto a quanto si avrebbe dal processo di decomposizione delle piante stesse. Tra l'altro le quantità di CO2 liberate corrispondono al carbonio che la pianta ha accumulato durante il suo processo di crescita.

COGENERAZIONE E TRIGENERAZIONE

La produzione combinata di energia elettrica e calore in uno stesso “impianto” prende il nome di cogenerazione (CHP – Combined Heat and Power). Un sistema cogenerativo è, in genere, costituito da un impianto motore (turbogas, impianti a vapore, motori alternativi a combustione interna, oppure tecnologie più innovative, quali microturbine, motori stirling, celle a combustibile), da un generatore elettrico mosso dall'impianto motore e da scambiatori di calore.

I vantaggi, rispetto ad un sistema per la produzione separata di calore ed energia elettrica, sono:

• Minor consumo di energia primaria grazie alla maggior efficienza del sistema: è possibile raggiungere anche indici EUF superiori a 0,8 (rapporto tra energia del combustibile ed energia sfruttata utilmente);
• Minori emissioni in atmosfera di gas climalteranti e di sostanze nocive;
• Riduzione delle perdite per trasmissione.

Affinchè ci sia la convenienza in termini economici ed energetici, per l'applicazione della cogenerazione devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

• Presenza e vicinanza dell'utenza termica;
• Contemporaneità delle utenze (richiesta contemporanea di energia termica ed elettrica);
• Compatibilità delle temperature;
• Flessibilità dell'impianto: il rapporto tra le due tipologie di energia può variare, così si può avere in certi momenti una richiesta di energia elettrica proporzionalmente maggiore di quella termica, e viceversa.

Un sistema di trigenerazione (CCHP – Combined Cooling, Heating and Power), invece, è in grado di produrre tre forme distinte di energia (elettrica, termica e frigorifera). Si tratta, in sostanza, di un sistema di cogenerazione che, nel periodo in cui c'è richiesta di energia frigorifera, sfrutta la tecnologia dei gruppi frigoriferi ad assorbimento, di cui si è accennato sopra, per la produzione di freddo.

Una nota storica: il primo esempio di cogeneratore in Italia, fu il TotEM (Total Energy Module) ideato dall'ing. Palazzetti del centro ricerche Fiat, che utilizzava il motore di una Fiat 127, e forniva circa 15kW di energia elettrica. Venne prodotto in quantità limitate, e non diventò mai un'alternativa alla più comune caldaia da riscaldamento. Dal 1986 la proprietà del brevetto subì diversi passaggi, e oggi in Germania trova applicazioni in diversi ambiti.