L'impianto a condensazione - Ordine degli Ingegneri della provincia ...

31/01/2011Caldaia tradizionale: il focolare in basso provoca la circolazione naturaledell’acqua in caldaia.Si ha condensazione solo se tutto il corpo caldaia è freddo31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 9DA2…8 °CA10…60°CDa potenzaminima amassimaCaldaia a condensazioneCaldaia a condensazioneIl focolare è in alto, nellazona ad alta temperaturaScambiatore incontrocorrenteI fumi si raffreddanomentre scendonoL’acqua di ritorno siriscalda mentre sale.La condensacade sul fondo31/01/2011 Ing. SOCAL slide - UNI-TS 10 11300-2Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 5

31/01/2011Temperatura ecomposizione dei fumi CONDENSAZIONECALDAIA∆T fumi rispetto all’acquadi ritorno in caldaiaIMPIANTOTEMPERATURA DELL’ACQUADI RITORNO IN CALDAIALa temperatura finale di scarico dei fumi segue la temperatura diritorno dell’acqua in caldaia: il ∆T finale (visto dai fumi) è costante aparità di estensione dello scambiatore e di potenza al focolare31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 11L’effetto di uno scambiatore più esteso è quello di prolungarel’avvicinamento della temperatura finale di scarico alla temperatura diritorno dell’acqua in caldaia.Il ∆T finale fumi/acqua si riduce ed il rendimento aumenta31/01/2011 Ing. SOCAL - Generazione 12Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 6

31/01/2011L’effetto di una maggiore potenza termica al focolare è quello dirichiedere una maggiore differenza fra temperatura dei fumi etemperatura dell’acqua in caldaia per scambiare una maggior potenza.Il ∆T finale fumi/acqua aumenta ed il rendimento si riduce31/01/2011 Ing. SOCAL - Generazione 13Curva per T= 20-40 !31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 14Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 7

31/01/201131/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 15Perché il calcolo delle temperature dell’acqua Calcolo delle temperature del circuito di distribuzione(mandata e ritorno) per il calcolo delle dispersioni di rete Calcolo della temperatura media del generatore per il calcolo delle dispersioni del generatore Calcolo della temperatura di ritorno nel generatore per il calcolo del rendimento di ungeneratore a condensazione Calcolo della temperatura di mandata del generatore per il calcolo del COP di una pompa di caloreNOTA BENE POTENZA = PORTATA x ∆T x Cp31/01/2011 Ing. SOCAL - UNI-TS 11300-2 16Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 8

31/01/2011Calcolo delle temperature dell’acqua nell’impiantoPartendo dai dati di energiasi devono calcolare in sequenza, per ogni mese (raccomandazione CTI)1. Temperatura di mandata e ritorno agli emettitori– Scelta del tipo e dimensionamento degli emettitori– Scelta delle temperature di progetto dell’impianto2. Temperatura di mandata e ritorno dei singoli circuiti di distribuzione(gruppi di emettitori omogenei– In base agli schemi circuitali e di regolazione (diretto, miscelazione, by-pass)3. Temperatura di mandata e ritorno ai collettori della generazione infunzione delle temperature e portate dei circuiti di distribuzione collegati– Media delle temperature dell’acqua di ritorno dai circuiti di distribuzione, pesatain base alle rispettive portate4. Temperatura di mandata e ritorno e portata dell’acqua nei generatori– Scelta del circuito di generazione (diretto o con portata indipendente)31/01/2011 Ing. SOCAL - UNI-TS 11300-2 17Impianto a condensazioneProcurarsi “acqua fredda” Temperatura di ritornodai corpi scaldanti– SCELTA DELLA TIPOLOGIA EDIMENSIONAMENTO DEI CORPI SCALDANTIPortare l’acqua fredda al collettore di ritorno circuito di distribuzione– Scelta dello schema idraulico appropriatoPortare l’acqua fredda nel generatore collegamento del generatoreai collettori della centrale termica– Scelta dello schema idraulico appropriato– Scelta del generatore adatto31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 18Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 9

31/01/2011Dati nominali del radiatoree grandezze di riferimentoT mandata = 80 C1000 WPortata43 kg/hT media70 CT amb20 CT ritorno = 60 C31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione19Potenza radiatore in funzione della temperatura media dell'acquaPotenza emessa [W]1600140012001000800600400200020 30 40 50 60 70 80 90 100Temperatura media dell'acqua [°C]62 °CLA POTENZA EMESSA DA UNRADIATORE DIPENDE DALLA SUATEMPERATURA MEDIAP1,3⎛ Tmed− Tamb⎞= ⎜⎟⎝ 70°C − 20°C ⎠⋅ Pnom=( Tmand− Trit) ⋅ Portata ⋅ Cp31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione20Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 10

31/01/2011Situazione media per il mese di gennaioin caso di progettazione tradizionalee funzionamento 14 ore al giorno.Potenza di dimensionamento UNI 7357: 1000 W31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 21Regolazione a temperatura variabile e portata costanteEmettitori portata costante T variabileTemperature [°C]80706050403020700600500400300200100Portata [kg/h]100 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000Potenza emessa [W]Mandata [°C] Ritorno [°C] Media Portata [kg/h]La portata è costanteLa potenza è funzione della temperaturadi mandata (meglio: di quella media)031/01/2011 Ing. SOCAL - Calcolo temperatura acqua22Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 11

31/01/2011Situazione media per il mese di gennaioin caso di progettazione tradizionalee funzionamento 24 ore al giorno.Potenza di dimensionamento 1000 W31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 23Effetto della variazione della temperatura di mandatasul ∆T e sulle portate nei radiatoriin presenza di valvole termostatiche che regolano latemperatura media del radiatore31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 24Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 12

31/01/2011Regolazione a portata variabile con temperatura compensata9080Regolazione a temperatura compensata e portata variabile700600Temperature °C70605040500400300200Portata kg/h30100200 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza W0Mandata °C Media °C Ritorno °C Portata kg/hAi carichi elevati, il limite di temperatura dimandata causa un aumento della portataCalcolo vero a regime: nei transitorile portate aumentano (avviamento)o diminuiscono (forti apporti gratuiti)T?'H,cr,flwV'H,cr?'H,cr,ret?'H,dis,ret?'H,dis,flwM?'H,em,flw?'H,em,ret31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti di riscaldamento25V'H,emTRegolazione a portata variabile935 W748 W571 W406 W70 °C70 °C70 °C70 °C160 l/h67,5 °C32 l/h60 °C14 l/h52,5 °C7 l/h45 °C65 °C50 °C35 °C20 °C20 °C20 °C20 °C20 °CRADIATORE DA 1000 W NOMINALI31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti di riscaldamento 26Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 13

31/01/2011Effetto della variazione di temperatura406 W406 W406 W406 W50 °C55 °C60 °C65 °C35 l/h45 °C18 l/h45 °C12 l/h45 °C9 l/h45 °C40 °C35 °C30 °C25 °C20 °C20 °C20 °C20 °CIn presenza di regolazione per singolo corpo scaldante agente sulla portata(valvole termostatiche), una variazione della temperatura di mandata provoca soloun cambiamento delle portate (entro il limite idraulico di massima portata).31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti di riscaldamento 27Uso dei radiatori per la condensazioneCome costringere il radiatore a funzionare a bassaportata ed elevata differenza di temperatura ? Valvola termostatica in regolazione– riduzione dei consumi elettrici– riduzione del diametro dei tubi– bilanciamento automatico dell’impianto Riduzione dei giri pompa ed aumento temperatura di mandata– Automatico, con sensore di temperatura di ritorno, anche in avviamento– Non ribilancia l’impianto– Applicabile solo su piccoli impiantiLe due soluzioni non sono compatibili fra loro…31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 28Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 14

31/01/2011Regolazione ON-OFFOFF8070Emettitori Q var T costante400350Temperature [°C]60504030201000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000Potenza emessa [W]Mandata [°C] Ritorno [°C] Portata [kg/h]30025020015010050-Portata [kg/h]La portata è variabile “ad impulsi”Aggiungere la compensazione climatica peravvicinarsi alla modalità a portata costante31/01/2011 Ing. SOCAL - Calcolo temperatura acqua29VentilconvettoriTemperature °C9080706050403020Regolazione a temperatura costante e scambio variabile0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza W7006005004003002001000Portata kg/hLa portata è costante.All’aumentare dellapotenzaemessa, diminuisce latemperatura di ritorno.Viceversa, ai bassicarichi aumenta latemperatura di ritornoMandata °C Media °C Ritorno °C Portata kg/h31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti di riscaldamento30Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 15

31/01/2011Circuito di distribuzione a miscelazione• La temperatura di mandata agli emettitori è inferiore alla temperatura dimandata dal collettore• CONDENSAZIONE OK: la temperatura di ritorno al collettore è uguale allatemperatura di ritorno dagli emettitori• CALDAIA KO: la portata prelevata dal collettore è inferiore alla portatacircolante negli emettitori31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 33Circuito di distribuzione a miscelazione, pannelliQuando si interpone una valvola miscelatrice sull’alimentazione di unpannello, come carico per il generatore non c’è più alcuna differenza rispettoad un radiatore. Anzi il ∆T è sicuramente elevato.Caso tipico: utenze miste a bassa ed alta temperatura(pannelli + scaldasalviette in bagno o acqua calda sanitaria)31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 34Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 17

31/01/2011Circuito di distribuzione a by-pass• La temperatura di mandata agli emettitori è uguale alla temperatura dimandata dal collettore• CONDENSAZIONE KO: La temperatura di ritorno al collettore è maggioredella temperatura di ritorno dagli emettitori• CALDAIA OK: La portata prelevata dal collettore è superiore alla portatacircolante negli emettitori• Esempio: circuito monotubo31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 35MT?'H,cr,flw?'H,em,flwV'H,cr?'H,cr,retV'H,em?'H,em,retUTATemperature °C706050403020Unità di trattamento aria0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000Potenza W1.2501.000Mandata rete [°C] Ritorno rete [°C] Ritorno UTA [°C]Portata rete [kg/h]Portata UTA [kg/h]7505002500Portata kg/hLa UTA funziona aportata variabile etemperatura costante.Conviene installare unavalvola a 2 vie ed unapompa a pressionecostante.Si risparmiano energiaelettrica e dispersionidella tubazione di ritorno31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti di riscaldamento 36Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 18

31/01/2011MTSoluzione classicaMassimi consumi elettriciMassime dispersioniPortata costanteSoluzione furbaConsumi elettrici ridottiMinime dispersioniPortata variabileMTSoluzione ottimaConsumi elettrici minimiMinime dispersioniNumero minimo di componentiPortata variabileT31/01/2011 Ing. SOCAL - Emissione e distribuzione 37Circuito di generazione diretto• CONDENSAZIONE OK: Temperatura e portata sono le stesse di quelleprelevate al collettore dai circuiti di distribuzione collegati31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 38Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 19

31/01/2011Circuito di generazione con pompa anticondensa• Alla portata prelevata dal collettore dei circuiti di distribuzione collegati sisomma la portata della pompa anticondensa• La temperatura di ritorno in caldaia è maggiore di quella del collettore diritorno della distribuzione• La temperatura di ritorno in caldaia è massima ai minimi carichi31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 39Circuito idraulico tipico caldaia31/01/2011 Ing. SOCAL - Calcolo temperatura acqua 40Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 20

31/01/2011Andamento tipico delle temperature80706050403020Temperature rete + generatore\M andata emettitoriRitorno emettitoriM andata generatoreRitorno generatore0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000Potenza erogata dai radiatori [W]Diagramma per…impianto a radiatori,valvola a tre viecaldaia e pompaanticondensa,funzionamento 14 ore31/01/2011 Ing. SOCAL - Calcolo temperatura acqua 41Generatore con portata indipendente Portata generatore– Se indipendente dato di progetto (circuito primario)– Con anticondensa portata utenza + portata pompa∆T generatore = potenza erogata / portata Se portata generatore > portata utenze– T mandata generatore = T mandata utenza– T ritorno generatore = T mandata – ∆T generatore Se portata generatore < portata utenze– T ritorno generatore = T ritorno utenza– T mandata generatore = T ritorno + ∆T generatore31/01/2011 Ing. SOCAL - Calcolo temperatura acqua42Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 21

31/01/2011Effetto del compensatore idraulico sulle temperatureCircuito secondarioa portata elevataTipico nel caso di pannellicon connessione direttaCircuito secondarioa bassa portataTipico nel caso di radiatorio pannelli con schema a tre vieCondensazione OKCondensazione KO31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 43QUANDOLA PORTATA NEL GENERATOREE’ MAGGIOREDELLA PORTATA NELLE UTENZELE TEMPERATURE DI MANDATACOINCIDONO31/01/2011 Ing. SOCAL - Calcolo temperatura acqua 44Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 22

31/01/2011QUANDOLA PORTATA NELLE UTENZEE’ MAGGIOREDELLA PORTATA NEL GENERATORELE TEMPERATURE DI RITORNOCOINCIDONO31/01/2011 Ing. SOCAL - Calcolo temperatura acqua 45Circuito di generazione con pompa primaria• La portata circolante nel generatore è determinata dalle caratteristiche dellapompa primaria• La temperatura di ritorno in caldaia è maggiore della media delletemperature di ritorno dei circuiti di distribuzione• La temperatura di ritorno in caldaia è massima ai minimi carichiE’ esattamentecome avere uncompensatoreidraulico…31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 46Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 23

31/01/2011Come NON condensarecon un impianto “a bassa temperatura”31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 49Impianto tipo a radiatori a condensazione31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 50Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 25

31/01/2011La progettazione di un impianto a condensazioneIl progetto tradizionale si limita a– dimensionamento dell’impianto nelle condizioni di progetto (di massimapotenza erogata).– calcolo dell’energia (consumi) in automatico con gli stessi datiLo scopo dell’impianto diventa ora quello di funzionare con la minimatemperatura di ritorno in caldaia possibile: anche la temperatura diritorno dell’acqua in caldaia deve essere calcolata e progettataOccorre completare il progetto verificando le temperatura dell’acquanell’impianto nelle condizioni reali (medie) di funzionamento.Ciò richiede un’attenzione particolare a:– dimensionamento dei corpi scaldanti (già fatto…)– scelta del sistema di regolazione ambiente– schema idraulico e dimensionamento della rete di distribuzione– dimensionamento della pompa di circolazione– requisiti supplementari per il generatore e per i dispositivi di regolazione31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 51Produzione di acqua calda sanitariaAccumuloSi può funzionare stabilmentein condensazioneMiglioramento:scambiatore esternoanziché immerso nel bollitoreProduzioneistantaneaSe non si modulala portata dellapompa primariaai bassi carichi sialza la temperaturadi ritorno in caldaia31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 52Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 26

31/01/2011Produzione di acqua calda sanitaria conaccumulo inerziale e scambiatore esterno31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 53IMPIANTO TIPO ACONDENSAZIONE CONDISPOSITIVI DICONTABILIZZAZIONE.La caldaia

31/01/2011IMPIANTO TIPO ACONDENSAZIONE INEDIFICIO ESISTENTESe possibile isolamentosottotetto: riduzionedifferenze consumi fra unitàimmobiliariMeno costoso ed invasivorispetto ad una serie dinuovi impianti autonomi31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 55E quindi….Una caldaia a condensazione èuna caldaia che può condensare, non una caldaia che condensa !Condizione necessaria per funzionare in condensazione è che la temperatura diritorno reale in caldaia sia sufficientemente bassa da far raffreddare i fumi sotto ilpunto di rugiada (circa 57 °C).In pratica la condensazione inizia verso i 50 °C al ritorno in caldaiaLe condizioni che favoriscono la condensazione sono– Bassa temperatura dell’acqua di ritorno in caldaia (< 50 °C)– Funzionamento della caldaia a bassa potenza– Basso eccesso d’aria (l’eccesso d’aria abbassa il punto di rugiada)Per questo occorre un impianto con– Generatore in grado di funzionare a bassa potenza e, in presenza di radiatori ocircuiti miscelati, in grado di sopportare basse portate d’acqua– Generatore con regolazione accurata e stabile dell’eccesso d’aria, in particolare allebasse potenze– Utilizzo delle valvole termostatiche, per regolare ed abbassare la temperatura diritorno dalla rete di distribuzione (oppure impianto a pannelli), sfruttando lapreregolazione per garantire il corretto funzionamento anche nei transitori– Schema idraulico corretto– Funzionamento continuo, senza intermittenza31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 56Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 28

31/01/2011Tipologie di caldaie a condensazione Caratteristiche qualificanti– DT finale acqua-fumi alla minima ed alla massima potenza– Campo di modulazione della potenza– Stabilità della regolazione dell’eccesso d’aria– Portata minima d’acqua di funzionamento espressa come: minima portata richiesta massimo ∆T sopportabile richiesta di installazione di un compensatore idraulico– Sensibilità alla qualità dell’acqua– Tipo di circolazione dell’acqua al loro interno– Livello tecnologico dei sistemi di regolazione Tipologie principali– Ad elevato contenuto d’acqua– A basso contenuto d’acqua, fusione di alluminio, corpi di acciaio ed altri– A basso contenuto d’acqua, tubo alettato31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 57Generatori ad elevato volume d’acqua La caldaia è costituita da un focolare immerso inun corpo cilindrico tradizionale ed unoscambiatore in controcorrente al di sotto. C’è un notevole accumulo di calore nell’acquacontenuta all’interno del corpo cilindricosuperiore. Contenuto d’acqua oltre 1 l/kW Sono generalmente adatti al funzionamento abassa portata ma ci sono rischi di temperaturaeccessiva nella parte alta del generatore Spesso sono dotati di presa intermedia31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 58Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 29

31/01/201131/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 59Pompa antiebollizioneLa presa intermedia consente anche di inserire una pompa per evitaresurriscaldamenti locali dei generatori ad elevato volume d’acqua.31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 60Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 30

31/01/2011Generatori a tubo d’acqua Il nome è ripreso dalla classificazione dei generatori di vapore La caldaia è costituita da un tubo, spesso alettato, ove scorrel’acqua che percorre la cassa fumi in verso opposto a quello deifumi. Non c’è alcun accumulo significativo di calore all’interno delcorpo caldaia. Contenuto d’acqua circa 0,1 l/kW La regolazione di temperatura è difficile: ogni accensione sitraduce in un salto di temperatura all’uscita Hanno una portata minima al di sotto della quale non si devemai scendere31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 61Generatori a basso volume d’acquaLa caldaia è costituita da una fusione di alluminio o da un corpo in acciaioinox sagomato, con focolare nella parte alta ed uno scambiatore incontrocorrente al di sotto.Nel caso delle fusioni in alluminio,le superfici sono alettatesia lato fumi che lato acquaL’acqua scorre in passaggiricavati nel corpo di alluminio.L’accumulo di caloreavviene nel metallo della fusione(alettature lato fumi)Contenuto d’acqua tipico 0,1-1 l/kWAlcuni modelli sono adatti alfunzionamento a bassa portata(con sonde temperatura intermedie)Alcuni modelli sono dotati di presa intermedia31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 62Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 31

31/01/2011Circuito a doppio ritornoLa presa intermedia consente di sfruttare la condensazione anche inimpianti misti. La potenza da sviluppare a bassa temperatura è il 15%della potenza totale al focolare.31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 63Scambiatore esterno31/01/2011 Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 64Ing. SOCAL - Impianti a condensazione 32