4.Impianti di riscaldamento - Università degli Studi di ... · Il fluido termovettore è acqua,...

Impianti di Climatizzazione eImpianti di Climatizzazione e Condizionamento

CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI: GLI IMPIANTI DI RISCALDAMENTO

1Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

GENERALITA’

Gli impianti sono realizzati con lo scopo di mantenere all’interno degliambienti confinati condizioni termoigrometriche adeguate alla loroambienti confinati condizioni termoigrometriche adeguate alla lorodestinazione d’uso

Possono essere classificati in:

1 impianti di riscaldamento (controllo della temperatura dell’aria in1. impianti di riscaldamento (controllo della temperatura dell aria in

condizioni invernali);

2 i i ti di li ti i ( t ll d ll t t d ll’ i i2. impianti di climatizzazione (controllo della temperatura dell’aria in

condizioni sia invernali che estive);

3. impianti di condizionamento (controllo di temperatura, umidità

relativa, velocità e purezza dell’aria in condizioni sia invernali che

estive);

4. -apparecchi autonomi (controllo della temperatura dell’aria in unpp ( p

numero limitato di locali, in condizioni sia invernali che estive).2Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

Impianti di riscaldamento e climatizzazione

Gli impianti di riscaldamento e climatizzazione hanno la stessaconfigurazione di impianto ma nel secondo caso si invia nelle tubazioni enegli elementi terminali alternativamente acqua calda o acqua refrigerata,a seconda delle stagioni.

Il fluido termovettore è acqua, riscaldata o raffreddata in centrale equindi distribuita mediante pompe di circolazione e attraverso unarete di tubazioni.Gli elementi terminali nei singoli ambienti possono essere ventilconvettori(fan - coils) o mobiletti ad induzione (nel caso di impianti di riscaldamentopossono essere impiegati anche i radiatori).

Impianti di climatizzazioneAUTONOMI

CENTRALIZZATI


1. CENTRALIZZATI

1. Impianti centralizzati in condominiali: la caldaia è collocata in un locale dedicato, chiamato centrale termica, da cui si snoda la rete;

2. Impianti per quartiere o comprensorio: teleriscaldamento con

acqua surriscaldata o vapore come fluido termovettore e scambiatori di

calore.

Vantaggi: rendimento globale più elevato rispetto a quelliVantaggi: rendimento globale più elevato rispetto a quelli

autonomi;

Svantaggi: la regolazione non può essere modellata secondo le

esigenze specifiche di ciascuna singola utenza


1. Impianti centralizzati in condominiali

Si ha un generatore di calore che produce acqua calda ad una temperaturainferiore a 100°C; la rete di distribuzione dell’acqua, pertanto, non è in pressione.inferiore a 100 C; la rete di distribuzione dell acqua, pertanto, non è in pressione.I primi impianti realizzati erano quasi tutti a circolazione naturale; veniva sfruttatala differenza di densità fra l'acqua dell'andata e l'acqua del ritorno ai corpiq q pscaldanti, dovuta alla differenza di temperatura che si produceva per la cessionedi calore nei corpi scaldanti stessi (radiatori).

Grazie alla silenziosità e affidabilità dei motori e delle pompe, la circolazione

dell’acqua avviene per mezzo di esse si parla dunque di circolazione forzata; l'acqua

circola fra la caldaia ed i corpi scaldanti mediante reti di tubazioni in acciaio

nero, in rame o in materiale plastico.

Le caratteristiche dimensionali e costruttive della centrale termica, sono regolate da

norme volte soprattutto a garantire la sicurezzanorme volte soprattutto a garantire la sicurezza.


Sistemi di distribuzione del fluido termovettore

1. A colonne montanti1. a sorgente2. A cascata

2. Complanare:p1. Ad anello monotubo2. Ad anello a due tubi3. A collettori complanari


Impianti centralizzati

Schema di impianto centralizzato a colonne montanti a sorgente.7Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

Impianti centralizzati

Schema di impianto centralizzato a colonne montanti a cascata ( combustibili come ilSchema di impianto centralizzato a colonne montanti a cascata ( combustibili come il metano).


Dalla caldaia si

Impianti ad anello monotubo

Dalla caldaia si dipartono

verticalmente le tubazioni di

mandata e di ritorno dalleritorno, dalle

quali, in corrispondenza pdi ogni piano e per ogni zona

termica sitermica, si dirama una tubazione di

mandata che si chiude ad anello

su tutti glisu tutti gli utilizzatori

Schema di impianto complanare monotubo con terminali in serie.


Impianti ad anello monotubo: si tratta di una distribuzione sul perimetro della

superficie da scaldare in cui i corpi scaldanti sono posti in serie;superficie da scaldare, in cui i corpi scaldanti sono posti in serie;

C tt i ti hCaratteristiche

- la lunghezza delle tubazioni è ridotta e si ha una maggiore garanzia sulla

tenuta;

- l’ultimo radiatore di ciascuna zona è il più sfavorito in quanto la differenza

tra la temperatura media dell’acqua e quella dell’aria è più bassa;

-per avere la stessa resa, occorre aumentare la superficie di scambio pe a e e a s essa esa, occo e au e a e a supe c e d sca b o

termico.

Se si chiude un radiatore si blocca il flusso anche agli altri (risolto con un by-Se si chiude un radiatore, si blocca il flusso anche agli altri (risolto con un by-

pass).

1.Per la regolazione si impiegano valvole a quattro vie, questo sistema viene

utilizzato dove gli altri risultano troppo costosi, ad esempio per riscaldare locali

molto ampi.10Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

Impianti ad anello a due tubi: consente un minor impiego di tubazioni senza precludere la possibilità di regolare il singolo terminale; consiste nel servire in serie e parallelola possibilità di regolare il singolo terminale; consiste nel servire in serie e parallelo con due tubi i diversi terminali, che prendono il fluido dal tubo di mandata e lo scaricano su quello di ritorno. qIl ritorno di un terminale non va quindi a quelli successivi.

: Schema di impianto a due tubi a ritorno semplice.

−Le portate sono diverse nelle diverse zone di distribuzione; ad ogni uscita versoun terminale, la portata diminuisce nel tubo di mandata, che verrà quindidimensionato con diametri decrescenti, in modo da avere perdite di carico costantiper unità di lunghezza.L’ultimo terminale sarà soggetto a perdite molto più alte del primo per la−L ultimo terminale sarà soggetto a perdite molto più alte del primo, per la

maggior lunghezza dei tubi di mandata e ritorno.11Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

−Se l’impianto è molto lungo, con il ritorno inverso tutti i terminali sono

soggetti a perdite di carico simili, anche se a livello impiantistico occorre

utilizzare una tubazione di ritorno più lunga.

Schema di impianto a due tubi a ritorno inverso.


Impianti a collettori complanari

I terminali sono dimensionati in base alla ripartizione del carico termico nei

diversi ambienti e la distribuzione dell’acqua calda avviene

indipendentemente per ciascun radiatore.

Dal collettore partono tanti tubi quanti sono gli elementi terminali (uno per

la mandata e uno per il ritorno); si tratta di tubi di diametro moltopiccolo, in genere <16 mm, in rame, senza pezzi speciali; sono installatip , g , p p

stendendoli sul massetto e proteggendoli dallo schiacciamento.

Per limitare lo sviluppo dei circuiti interni, è solitamente consigliabile

disporre i collettori in zona baricentrica rispetto ai terminali da servire.


Impianti a collettori complanari


• Gli impianti a sorgente e a cascata sono abbandonati; ciò è dovuto al• Gli impianti a sorgente e a cascata, sono abbandonati; ciò è dovuto al

fatto che, per molti aspetti, non rispondono alle nuove normative.

• Infatti esse richiedono che la tariffazione sia individuale, valutata in

relazione alle calorie effettivamente consumate dal singolo utente;

occorre pertanto individuare relativamente a ciascuna unità immobiliareoccorre pertanto individuare, relativamente a ciascuna unità immobiliare,

la portata d’acqua e le temperature di ingresso e di uscita.

• In un impianto a sorgente o a cascata tutto ciò risulta complesso, in

quanto occorrerebbe inserire un contacalorie per ciascun radiatore ed un

totalizzatore; nei sistemi ad anello o a collettori complanari invece ètotalizzatore; nei sistemi ad anello o a collettori complanari, invece, è

sufficiente un contacalorie per ogni anello o collettore, cioè per ogni unità

immobiliare.


Impianti di teleriscaldamento

Gli impianti di teleriscaldamento sono costituiti da una centrale di produzione del calore, con il fluido termovettore immesso in una rete di

distribuzione in grado di servire uno o più quartieri cittadini. Il fluido può essere vapore o acqua surriscaldata, in fase liquida, alla

t t di i 130 °Ctemperatura di circa 130 °C. In corrispondenza dei singoli edifici serviti la rete si immette nella centrale

termica dove uno scambiatore di calore alimenta l’impianto dell’edificiotermica, dove uno scambiatore di calore alimenta l’impianto dell’edificio, con un sistema di distribuzione simile a quelli descritti in precedenza.

Un impianto di teleriscaldamento può servire anche edifici esistenti, sostituendo il generatore di calore con uno scambiatore di caloresostituendo il generatore di calore con uno scambiatore di calore.

Vantaggi: possibilità di allontanare dall’interno degli agglomerati urbani leVantaggi: possibilità di allontanare dall interno degli agglomerati urbani le emissioni dei prodotti della combustione;

ottenere un consistente risparmio energetico, grazie agli elevati valori delottenere un consistente risparmio energetico, grazie agli elevati valori del rendimento dei generatori di calore di grandi dimensioni.


2.IMPIANTI AUTONOMI

• Ogni utenza è servita da un generatore di calore, con una taglia media di circa 35kW termici. La grande diffusione degli impianti autonomi è stata determinata dallapossibilità di farli funzionare secondo le esigenze dell’utente; il rendimento globale èpossibilità di farli funzionare secondo le esigenze dell utente; il rendimento globale èpiù basso rispetto agli impianti centralizzati con maggiori costi di esercizio.

• La distribuzione dell'acqua calda avviene con le stesse modalità viste per gli• La distribuzione dell acqua calda avviene con le stesse modalità viste per gliimpianti centralizzati.

N ll’ bit d li i i ti t i i it i di t i l ti• Nell’ambito degli impianti autonomi si possono citare i radiatori a gas, elementiche hanno la forma di un ventilconvettore ed ognuno dei quali possiede unbruciatore. I vantaggi di questi impianti sono il fatto che il collegamento tra glielementi terminali è costituito da un tubo di piccolissime dimensioni, non esistonoproblemi di congelamento e l’impianto può essere parzializzato.• Si tratta di impianti a convezione forzata tra i fumi della combustione del gas eSi tratta di impianti a convezione forzata tra i fumi della combustione del gas el’aria, che presentano un fattore di scambio molto elevato, pertanto il tempo dimessa a regime è ridotto.• Tra gli svantaggi dei radiatori a gas occorre ricordare che si ha la presenza di• Tra gli svantaggi dei radiatori a gas occorre ricordare che si ha la presenza dinumerose fiamme ed altrettanti scarichi in un appartamento; si hanno inoltre molteprobabilità di guasti e occorre un’adeguata manutenzione, soprattutto nel controllareli i higli scarichi.


CRITERI DI PROGETTO PER IMPIANTI DI RISCALDAMENTORISCALDAMENTO


DEFINIZIONE

U i i t di i ld t è l l di l ti diUn impianto di riscaldamento è quel complesso di elementi e di

apparecchiature atti a realizzare e mantenere in determinati ambienti

valori della temperatura maggiori di quelli esterni.

Consentono di controllare solo la temperatura dell’aria nell’ambiente

riscaldato; non sono controllate l’umidità relativa (che tende a diminuire; (

all’aumentare della temperatura dell’aria), la temperatura media radiante

(anche se col passare del tempo la differen a di temperat ra tra le pareti(anche se, col passare del tempo, la differenza di temperatura tra le pareti

e l’aria tende a diventare trascurabile) e la velocità dell’aria.


COMPONENTI PRINCIPALI:

• elementi terminali o corpi scaldanti;• rete di distribuzione dell’acqua calda;q ;• vaso di espansione;• pompa di circolazione;p p• generatore di calore.

L’acqua presente nella rete di distribuzione circola, per mezzo di una pompa, all’internodel generatore di calore, dove viene scaldata ed inviata agli elementi terminali chescambiano calore con l’aria ambiente, mantenendone la temperatura al valore diprogetto.Il vaso di espansione presente nel circuito serve ad assorbire le dilatazionitermiche dell’acqua dalle condizioni di volume minimo ad impianto spento a quelle


termiche dell acqua dalle condizioni di volume minimo, ad impianto spento, a quelledi volume massimo, ad impianto acceso.

ELEMENTI TERMINALI

Hanno il compito di fornire all’ambiente da riscaldare l’energiap gtermica necessaria a soddisfare il carico termico.Negli impianti di riscaldamento i tipi di elementi terminali sono:g p p

radiatori;ventilconvettori;ventilconvettori;pannelli radianti.

I radiatori sono ancora gli elementi terminali più diffusi; sono

Radiatori

I radiatori sono ancora gli elementi terminali più diffusi; sonoalimentati quasi esclusivamente ad acqua calda, con unatemperatura di ingresso di circa 75÷85°Ctemperatura di ingresso di circa 75÷85 C.I radiatori scambiano calore principalmente per irraggiamento ed in

i i imisura minore per convezione.


Radiatori

L’installazione ottimale è sotto le finestre o lungo le pareti esterne.

Vantaggi:−buone condizioni di benessere termoigrometrico, limitando ilfenomeno dell’asimmetria radiante bilanciando il flusso termico

gg

fenomeno dell asimmetria radiante, bilanciando il flusso termicoverso superfici fredde (le finestre);

−si contrastano gli effetti delle correnti che si formano in prossimitàdelle superfici fredde (finestre o pareti esterne) sfruttando le stessedelle superfici fredde (finestre o pareti esterne) sfruttando le stessecorrenti per aumentare lo scambio termico per convezione;

−si sfrutta lo spazio disponibile sotto le finestre, dove di solito nonsono collocati altri complementi di arredo.


RadiatoriSvantaggi:ggpresenza di superfici radianti a temperatura diversa da quelladell’aria: queste possono dar luogo anche alla combustione delq p gpulviscolo per effetto delle elevate temperature con conseguenteannerimento della parete al di sopra del radiatoreannerimento della parete al di sopra del radiatore.

In base al materiale con cui sono costruiti possono essere classificatinei seguenti tipi: in ghisa, in acciaio, in alluminio.

GHISAModulari con elementi a colonne o piastre di conseguenza si possono

realizzare corpi scaldanti di potenzialità adeguata alle esigenze

GHISA

p p g gdell’ambiente in cui devono essere installati; resistenti alla corrosione conuna vita utile molto lunga.

S lt ti h ’ l t i i t i d l tSono molto pesanti e hanno un’elevata inerzia termica: da un lato,l’ambiente si mantiene caldo per un certo periodo di tempo dopo lospegnimento dell’impianto, dall’altro, la temperatura interna dell’ambiente sip g p , , pporta a regime con un ritardo superiore rispetto al caso in cui si impieghinoradiatori in acciaio o alluminio.


Disegno schematico di un radiatore in ghisa.


RadiatoriACCIAIOACCIAIOSono costituiti da elementi saldati (piastre, lamelle, colonne), pertanto

non sono componibili ma le proprietà meccaniche dell’acciaionon sono componibili ma le proprietà meccaniche dell acciaio

permettono la realizzazione di radiatori di forme e dimensioni tali da

risultare più leggeri e meno costosi rispetto a quelli in ghisa.

Lo svantaggio principale è che sono soggetti a corrosione pertanto

ALLUMINIO

hanno una vita utile più breve rispetto a quelli in ghisa.

ALLUMINIO

Si caratterizzano per la leggerezza e la resistenza alle corrosioni esterne;sono costituiti da elementi componibili realizzati per estrusione opressofusione e assemblati tramite nipples.

Sono leggermente più costosi rispetto ai radiatori in acciaio e possonoessere soggetti a corrosioni interne nel caso in cui l’acqua sia troppoaddolcita; hanno un’inerzia termica molto bassa.


VentilconvettoriS tit iti d t t lli t t filtSono costituiti da un carter metallico contenente un filtro, una

batteria alettata rame-alluminio e un ventilatore a più velocità.

Normalmente la struttura esterna è di forma parallelepipeda ep p pprovvista di due aperture: una in basso per l'ingresso dell'aria dariscaldare ed una in alto per la fuoriuscita dell'aria caldariscaldare ed una in alto per la fuoriuscita dell aria calda.

Se è presente un sistema per la raccolta della condensa, iltil tt ò i i t h il ff tventilconvettore può essere impiegato anche per il raffrescamento.

Sono commercializzati nel modello verticale (a pavimento) e nelmodello orizzontale (a soffitto), con o senza mobiletto.( ),

Possono funzionare a tutt’aria di ricircolo oppure mediante unaserrandina che consente l'immissione di aria esterna fino ad unserrandina che consente l immissione di aria esterna, fino ad un30% circa della portata totale.


Schema costruttivo di un ventilconvettore.


Ventilconvettori ed areotermi

Il flusso d’aria, spinto dal ventilatore, investe la batteria alettatariscaldandosi (o raffreddandosi nel caso estivo) per convezione( ) pforzata. La potenza termica qc scambiata è pari a:

( )aOHcc TThSq2

−⋅⋅=

dove:t t i bi t (W)qc = potenza termica scambiata (W);

S = superficie di scambio termico (m2);h ffi i l b l di bi i ihc = coefficiente globale di scambio termico per convezione

(W/m2K);TH2O = temperatura media dell’acqua all’interno della batteria (K);Ta = temperatura dell’aria all’ingresso al ventilconvettore (K).


Ventilconvettori

Lavorano con temperature dell’acqua inferiori rispetto ai radiatoriLavorano con temperature dell acqua inferiori rispetto ai radiatori,dell’ordine di 40-60 °C.

Vantaggi:

• possono essere alimentati con acqua calda dai collettori solari;

• le perdite di calore lungo la rete di distribuzione sono più basse;• le perdite di calore lungo la rete di distribuzione sono più basse;

• non si ha formazione di zone nere sulla superficie della parete;

• possono essere impiegati per il raffrescamento estivo;

lt t i i tt i di t i• a volte sono meno costosi rispetto ai radiatori.


Si b ll t i i i di f i t d i til tt i

Aerotermi

Si basano sullo stesso principio di funzionamento dei ventilconvettori, ma hanno minore capacità di regolazione.

Sono costituiti da batterie di tubi alettati attraversate da flussi di aria mossi da ventilatori.

Caratteristiche: basso costo, molto rumorosi ed elevate potenzialità.

a) b)

Schema costruttivo di un aerotermo a proiezione orizzontale (a) e verticale (b).30Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

Pannelli radianti

Sono superfici molto estese che scambiano calore per irraggiamento;li ti t i t t d ll t ttpossono essere realizzati come parte integrante delle strutture oppure

costruiti separatamente e poi installati nell’ambiente da riscaldare.

Nel primo caso si tratta di soluzioni in cui il corpo scaldante è parte p p pdello stesso circuito di distribuzione del fluido termovettore; infatti le parti terminali delle tubazioni del circuito sono annegate nellaparti terminali delle tubazioni del circuito sono annegate nella

struttura del pavimento, delle pareti o del soffitto, e cedono calore di i ll ti ff i t l l l i ld tper radiazione alle pareti affacciate sul locale riscaldato.

Tra questi i più comuni sono gli impianti a pavimento radiante, con tubazioni in materiale plastico poste al di sopra di uno strato di materiale

isolante e ricoperte dal massetto e dal pavimento.p p


Esempio di pannello radiante a pavimento.


Pannelli radianti

Devono essere alimentati con acqua a temperature di 28 35 °C; aDevono essere alimentati con acqua a temperature di 28-35 °C; atemperature superiori i pannelli procurano sensazioni di malessere.

Vantaggi:•buone condizioni di benessere, evitano la formazione di discontinuità e disuniformità di temperatura;• non formano correnti d’aria; • evitano la combustione del pulviscolo atmosferico;• sono abbinabili a tecnologie per il risparmio energetico (collettori solari, caldaie a condensazione, ecc.);, );• assenza di elementi terminali.

Svantaggi:• costosi;

l i li t l’i t ll i• personale specializzato per l’installazione; • in caso di guasto occorre rimuovere il pavimento per la riparazione.


Pannelli radiantiSe impiegati per il raffrescamento estivo devono essere accompagnati da unSe impiegati per il raffrescamento estivo, devono essere accompagnati da unsensore anticondensa che controlli la temperatura superficiale del

i t f d i d h i t i llpavimento, facendo in modo che si mantenga sempre superiore allatemperatura di rugiada dell’aria ambiente.

I pannelli indipendenti dalle strutture sono costituiti da griglie ditubi sulle quali sono saldate inferiormente piastre metalliche esuperiormente sono posti degli strati di materiale isolante persuperiormente sono posti degli strati di materiale isolante perevitare la dispersione termica verso il soffitto.

Sono installati in ambienti ampi dove è necessario creare zone aSono installati in ambienti ampi, dove è necessario creare zone a temperatura diversificata (capannoni, officine, saloni espositivi).

Sono alimentati con fluidi molto caldi, acqua a 80÷90 °C o fumiSo o a e tat co u d o to ca d , acqua a 80 90 C o ucaldi a temperature di 150÷180 °C: sono posizionati incorrispondenza di soffitti alti (altezza superiore ai 4÷5 m) cosìcorrispondenza di soffitti alti (altezza superiore ai 4÷5 m), cosìda evitare che possano verificarsi contatti accidentali.


Esempio di pannello radiante a soffitto (Temperierung)Esempio di pannello radiante a soffitto (Temperierung).

In genere sono corpi scaldanti molto rudimentali, poco costosi e presentano il vantaggio di riuscire ad emettere un’elevata potenza termica per unità divantaggio di riuscire ad emettere un elevata potenza termica per unità di superficie; inoltre, poiché lo scambio termico avviene per irraggiamento, grazie alla loro conformazione è possibile concentrare la potenza termica emessa in

b d fi it t ll d iù h l t t d ll’ i li bi di ti izone ben definite, controllando più che la temperatura dell’aria, gli scambi radiativi col soggetto e garantendo comunque un benessere termico.


Andamento verticale della temperatura con diverse tipologie di elementi terminali.36Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

DIMENSIONAMENTO

Il dimensionamento degli elementi terminali è sviluppato con l’ausilioIl dimensionamento degli elementi terminali è sviluppato con l ausiliodei cataloghi delle ditte produttrici dove sono riportati i datinecessari ai calcoli: potenza termica sviluppata perdite di cariconecessari ai calcoli: potenza termica sviluppata, perdite di caricoimputabili all’elemento, portata del fluido termovettore, temperatured’esercizio.

Conoscendo le dimensioni del locale servito e calcolando il contributo

dei di ersi carichi termici è possibile ottenere na prima stima s lladei diversi carichi termici, è possibile ottenere una prima stima sulla

potenza termica richiesta in ambiente.


DIMENSIONAMENTO

Nelle schede tecniche degli elementi terminali fornite dai costruttori, in basell tt i ti h di t i ll i d l l l i i di idalle caratteristiche di potenza prossime alle esigenze del locale, si individua

preliminarmente la tipologia di corpo scaldante:

- per i radiatori sono fornite le potenze termiche rese da ciascunelemento, pertanto si determina il numero di elementi dividendo la potenzarichiesta per la potenza di ciascun elemento e arrotondando all’interorichiesta per la potenza di ciascun elemento e arrotondando all interosuperiore; le rese sono riferite a valori stabiliti del ∆T tra acqua nelradiatore e aria ambiente e possono essere appositamente corretti perp pp pvalori diversi;− per i ventilconvettori sono fornite la potenza termica e frigoriferaglobalmente rese da diversi modelli nelle diverse taglie basta selezionareglobalmente rese da diversi modelli nelle diverse taglie, basta selezionareil modello di taglia pari (se disponibile) o appena superiore a quellarichiesta in ambiente;;− per i pannelli radianti sono fornite le potenze termiche rese per unità disuperficie al variare del diametro e dell’interasse delle tubazioni, èsufficiente individuare e selezionare la configurazione la cui potenzasufficiente individuare e selezionare la configurazione la cui potenza,moltiplicata per la superficie dell’ambiente, fornisce la potenza richiesta.


DIMENSIONAMENTO

Per il dimensionamento dell’elemento si considera la potenza termicanominale riferita alla differenza tra la temperatura media dell’acquanell’elemento terminale e la temperatura ambiente (∆T); ∆T è un valorefissato, pari a 50°C, ma lo si può ottenere anche mediando il valore ditemperatura dell’acqua in ingresso e quello in uscita dall’elementoterminale (ad esempio per i radiatori TH20 in = 85 °C; TH20 out = 75 °C; TH20

media = 80°C; Ta = 20 °C, ∆T = 60 °C).

Per ΔT diversi da quello di riferimento, la potenza dell’elemento (Q) si ricava mediante la relazione seguente:

nm TKQ Δ⋅=

dove Km [W/°C] e n sono coefficienti il cui valore è tabulato nei dati tecnicidel singolo modello.del singolo modello.


DIMENSIONAMENTO

Noto il carico termico Q del locale e determinato il ΔT, si calcola la portatadi fluido necessaria ad alimentare il corpo scaldante mediante la seguentedi fluido necessaria ad alimentare il corpo scaldante mediante la seguenterelazione:

QO2HO2HO2H T

QgΔ⋅ρ⋅γ

= (m3/s)

dove:g = portata di acqua (m3/s);g p q ( );Q = potenza termica richiesta in ambiente (kW);γH2O = calore specifico dell’acqua, (kJ/kg °C);γH2O p q ( g )ρH2O = densità dell’acqua, (kg/m3);∆TH2O= differenza tra la temperatura dell’acqua in ingresso e in uscitaH2O

dall’elemento scaldante (°C) (5 ÷ 20 °C).


DIMENSIONAMENTO

La potenza termica Q in realtà deve essere corretta calcolando ilcosiddetto fattore di resa di ogni corpo scaldante in base alle diversecosiddetto fattore di resa di ogni corpo scaldante, in base alle diversetipologie.La potenza termica scambiata effettivamente con l’ambiente nelleLa potenza termica scambiata effettivamente con l ambiente nellecondizioni di funzionamento può essere infatti calcolata mediante laseg ente rela ioneseguente relazione:

FQQ nomeff ⋅=dove:Qeff= potenza termica effettiva (W);eff p ( )Qnom= potenza termica nominale (W);F =fattore correttivo globale (adimensionale).g ( )

Il fattore correttivo computa in sé una serie di contributi identificabili in diverserelazioni, a seconda che ci si trovi a dimensionare radiatori, ventilconvettori oaerotermi.


RETE DI DISTRIBUZIONE

I principali fluidi termovettori impiegati nella distribuzione del calorep p p gsono acqua e aria; l’acqua presenta dei vantaggi che ne fannogeneralmente il vettore preferito a tale scopo: ha un caloreg p pspecifico superiore di quattro volte rispetto a quello dell’aria (γH2O =4 186 kJ/kg K γ = 1 004 kJ/kg K) e ha un coefficiente di4.186 kJ/kg K, γa 1.004 kJ/kg K) e ha un coefficiente diconvezione più elevato.

Tubazioni: tipologie e dimensionamento

Sono generalmente realizzate in rame, acciaio o plastica.



Vantaggi del rame: marcata manovrabilità e lavorabilità (piegatura a

mano) e la possibilità di trovare in commercio anche tubi con diametri

ridotti Sono impiegate quasi esclusivamente laddove sono necessariridotti. Sono impiegate quasi esclusivamente laddove sono necessari

piccoli diametri delle tubazioni (inferiori a 20 mm).La possibilità di adattare le tubazioni in rame alle esigenze

dell’edificio consente una riduzione dei pezzi speciali; quandop p ; q

necessari, i raccordi sono realizzati in bronzo, per poi essere saldati

l di t b tal rame mediante brasatura

Svantaggi: soprattutto negli ultimi anni il costo ha subito un

innalzamento considerevole, (possibilità di riciclo della materia prima)., (p p )



Per le tubazioni di diametro superiore a 20 mm in genere si usa

l’acciaio, per il quale risulta più agevole la realizzazione di pezzil acciaio, per il quale risulta più agevole la realizzazione di pezzi

speciali.

T i di i ti i di i i ll ld t è d it i ilTra i diversi tipi di acciaio, quello senza saldature è da ritenersi il

migliore a scopi impiantistici; per curve, angoli, raccordi, sono in

commercio appositi pezzi speciali da installarsi con filettatura

(richiusa con teflon) o saldatura(richiusa con teflon) o saldatura.

Per il dimensionamento delle tubazioni si ricorre a diagrammi chePer il dimensionamento delle tubazioni si ricorre a diagrammi che

legano le portate e le perdite di carico alla velocità e al diametro

delle tubazioni.



Per ottenere il massimo trasferimento di energia termica con il

minimo diametro, si aumenta la velocità: come conseguenza

a mentano le perdite di carico e la pre alen a richiesta alla pompaaumentano le perdite di carico e la prevalenza richiesta alla pompa.

Si cerca pertanto una soluzione in grado di ottimizzare le opposte

esigenze e, lavorando a favore di sicurezza, nella pratica impiantistica

si impiegano come dati di ingresso al diagramma i seguenti:

perdite di carico inferiori a 150 Pa/m;perdite di carico inferiori a 150 Pa/m;

velocità inferiori a 1 ÷ 1.5 m/s.

Per portate <10 m3/h si predilige come parametro la perdita di

carico; oltre tale valore si usa la velocitàcarico; oltre tale valore si usa la velocità.


a) b)

Diagramma portata - perdite di carico per tubazioni in acciaio a), in rame b).46Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti


Una volta determinata la portata “g” si entra in un diagrammadel tipo di quelli appena visti; a seconda della tipologia didel tipo di quelli appena visti; a seconda della tipologia ditubazione e assegnando il valore della perdita di carico o di portatasi determinano il diametro equivalente e la velocitàsi determinano il diametro equivalente e la velocità.Note le quattro grandezze per ogni tratto di tubazione, il circuito è dimensionato; il calcolo della perdita di carico totale, necessario al dimensionamento della pompa, si effettua individuando il circuito più sfavorito ed impiegando la relazione:

n∑ ⋅==1i

diid RLR (Pa)

in cui:in cui:Rd = perdita di carico distribuita del circuito più sfavorito (Pa);Li = lunghezza del tratto i-esimo del circuito più sfavorito (m);Rdi = perdita di carico per unità di lunghezza del tratto i-esimo del circuito

più sfavorito (Pa/m).47Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti


Le perdite di carico concentrate sono dovute ad irregolarità

ti ll’i t d ll t b i h id i d lpresenti all’interno della tubazione, che causano una riduzione del

carico. Irregolarità tipiche sono: brusche variazioni di sezione,

curve, gomiti, giunzioni, valvole e in generale la presenza di

qualunque apparecchiatura attraversata dal fluidoqualunque apparecchiatura attraversata dal fluido.

Le perdite di carico concentrate si trovano tabulate in abachi e

possono essere fornite sia direttamente, come caduta di pressione,

sia come lunghezza equivalente Leq.q

Lunghezza di un tratto di tubazione lungo cui si ha perdita diLunghezza di un tratto di tubazione lungo cui si ha perdita di

carico distribuita uguale a quella prodotta dalla discontinuità in

esame.48Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

Diametro tubazione(in pollici) Gomito a 90° Curva a 90° Curva a 180° Cambi di

direzione

½ 0 48 0 30 0 76 0 91½ 0.48 0.30 0.76 0.91

¾ 0.61 0.42 0.98 1.2

1 0.79 0.51 1.2 1.5

1 ¼ 1.0 0.70 1.7 2.1

1 ½ 1.2 0.80 1.9 2.4

2 1.5 1.0 2.5 3.02 1.5 1.0 2.5 3.0

2 ½ 1.8 1.2 3.0 3.6

3 2.3 1.5 3.6 4.6

3 ½ 2.7 1.8 4.6 5.4

4 3.0 2.0 5.1 6.4

5 4.0 2.5 6.4 7.6

6 4.9 3.0 7.6 9.1

8 6.1 4.0 10.4 10.7

10 7 7 4 9 12 8 15 210 7.7 4.9 12.8 15.2

12 9.1 5.8 15.3 18.3

14 10.4 7.0 16.8 20.7

16 11.6 7.9 18.9 23.8

18 12.8 8.8 21.4 26.0



n

La perdita di carico concentrata totale del tratto più sfavorito è data da

∑ ⋅==1i

ieqic RLR (Pa)

in cui:cuRc = perdite di carico concentrate del circuito più sfavorito;Leqi = lunghezza equivalente dell’i-esima discontinuità presente nelt tt iù f it ( )tratto più sfavorito (m);Ri = perdita di carico per unità di lunghezza del tratto i-esimo sul quale si

trova la discontinuità in esame (Pa/m).t o a a d sco t u tà esa e ( a/ )

La perdita di carico totale del circuito si determina infine sommando leperdite di carico ripartite e quelle concentrate:

RRR += (Pa)cdtot RRR += (Pa)


Collettori: tipologie e dimensionamento

I collettori sono tratti di condotto che servono a distribuire e araccogliere i fluidi di più circuiti.Si distinguono in collettori di zona e collettori principali.

Per il dimensionamento non esistono formule

generali, poiché entrano in gioco numerosi

fattori; è bene prevedere sezioni abbondanti

delle tubazioni che si raccordano: sezionieccessivamente piccole potrebberoeccessivamente piccole potrebberoprovocare ripartizioni di fluido nonomogenee.

Schema di un collettore di distribuzione51Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

I ll tt i di ll tt i i t i h ll l t i i l di

Collettori: tipologie e dimensionamentoI collettori di zona sono collettori interni che collegano la rete principale didistribuzione ai vari elementi terminali.Sono realizzati in ottone ma esistono anche in rame o in lega di alluminioSono realizzati in ottone, ma esistono anche in rame o in lega di alluminioe sono a loro volta suddivisi in:1 ciechi: con un’estremità chiusa e l’altra predisposta per l’attacco delle1. ciechi: con un estremità chiusa e l altra predisposta per l attacco delle

tubazioni; hanno un numero variabile di derivazioni maschio/femmina concui raccordare gli elementi terminali;cui raccordare gli elementi terminali;

2. semplici: hanno entrambe le estremità aperte hanno un diverso numerodi derivazioni maschio/femmina per il raccordo agli elementi terminali;di derivazioni maschio/femmina per il raccordo agli elementi terminali;

3. complanari (verticali o orizzontali): costituiti da un doppio condottociascuno con il proprio asse giacente sullo stesso piano dell’altro; dap p g p ;ciascun condotto si diramano un numero variabile di derivazionimaschio/femmina per il raccordo agli elementi terminali;p g ;

4. con valvole di intercettazione: stesse caratteristiche dei collettorisemplici, ma ciascuna derivazione è dotata di una valvola per laregolazione del flusso.


Collettori: tipologie e dimensionamento

I collettori principali sono detti anche di centrale, perché sono installatisoprattutto nelle centrali termiche e frigoriferesoprattutto nelle centrali termiche e frigorifere.

Possono essere:Possono essere:1. a condotti indipendenti: il fluido caldo e il fluido freddo scorrono in tubi

diversi;diversi;2. a condotti coassiali: il fluido caldo e il fluido freddo scorrono in uno

stesso tubo, opportunamente separati ed isolati;stesso tubo, opportunamente separati ed isolati;3. con attacchi centrali: i tubi di alimentazione del fluido termovettore

provenienti dal generatore sono raccordati ortogonalmente rispettop g g pall’asse del collettore;

4. con attacchi laterali: i tubi di alimentazione del fluido termovettoresono raccordati longitudinalmente rispetto all’asse del collettore.


Vaso di espansione: tipologie e dimensionamento

Nelle reti di distribuzione dell’acqua calda è necessario inserire un vaso diespansione, un dispositivo che serve ad assorbire la variazione di volumedell'acqua causata dall'aumento di temperatura, permettendo il correttofunzionamento di un impianto di riscaldamento in tutte le sue fasi operativeed evitando sovrapressioni che potrebbero danneggiare l’impianto stesso.

Il D.M. 1-12-1975 e le norme ISPESL raccolta R 82 prevedono per ilcalcolo del volume del vaso di espansione l’uso della seguente relazione:

( )( ) )m(

P/P1eeVV 3

FI

00v −

−⋅= ( )FI

Vv = volume del vaso di espansione (litri);V0 = contenuto di acqua nell’impianto (litri);V0 contenuto di acqua nell impianto (litri);e = coefficiente di espansione dell’acqua alla temperatura finale;e0 = coefficiente di espansione dell’acqua alla temperatura iniziale;P i l t di i (b )PI = pressione assoluta di carica vaso (bar);PF = pressione assoluta massima di esercizio del vaso (bar).



• I valori di e ed e0 sono tabulati,

• P è data dalla somma algebrica di due termini la pressione di taratura• PF è data dalla somma algebrica di due termini, la pressione di taratura

della valvola di sicurezza (PVS) e la pressione corrispondente al

( )dislivello tra vaso di espansione e valvola di sicurezza (PΔH).

Ad esempio: sottoponendo l’acqua ad un ΔT = 70°C, si osserva un aumento di volume di circa il 3%.

Il dimensionamento del vaso di espansione si determina considerando ilIl dimensionamento del vaso di espansione si determina considerando il

volume totale di acqua presente nell’impianto (tubazioni, caldaia,

elementi terminali) e applicando al valore ottenuto dalla percentualeelementi terminali) e applicando al valore ottenuto dalla percentuale

un’ulteriore maggiorazione, come fattore cautelativo.


P i i

Vaso di espansione: tipologie e dimensionamento Posizionamento

1 Nel punto più alto dell’impianto (vaso aperto) in cui l’acqua arriva1. Nel punto più alto dell impianto (vaso aperto), in cui l acqua arrivaattraverso un tubo di sicurezza. Il vaso deve avere una capacità utilenon inferiore al volume di espansione dell’acqua ed essere dotato di

i il l b di f di i Siuna protezione contro il gelo, un tubo di sfogo e uno di troppo pieno. Sitratta di sistemi ultimamente abbandonati, anche se il loro impiego èancora obbligatorio in impianti che bruciano combustibili solidi;ancora obbligatorio in impianti che bruciano combustibili solidi;Vantaggi: facilità di installazione.Svantaggi: difficoltà nell’ispezionabilità per interventi di manutenzione

di i di iordinaria e straordinaria.

2 Nel locale caldaia (vaso chiuso) in cui l’espansione avviene a2. Nel locale caldaia (vaso chiuso), in cui l espansione avviene apressione maggiore di quella atmosferica. E’ realizzato con unamembrana che funge da ammortizzatore.V i f il ibil i l i d diVantaggi: facilmente accessibile risulta conveniente da un punto di

vista economico e i materiali di cui sono costituite le membranegarantiscono una buona resistenza nel tempogarantiscono una buona resistenza nel tempo

Svantaggi: presenza di un elemento in pressione56Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti

Pompe di circolazione: tipologie e dimensionamento

Gli impianti a circolazione naturale, nei quali il movimento dell’acqua ècausato dalle differenze di temperatura sono ormai in disuso da anni acausato dalle differenze di temperatura, sono ormai in disuso da anni, aper la maggiore complessità e per i vincoli sempre più stringenti in materiadi risparmio energetico e tutela dell’ambientedi risparmio energetico e tutela dell ambiente.

Gli impianti attualmente in uso sono tutti a circolazione forzata, effettuatamediante pompe Trattandosi di sistemi chiusi l’acqua circolante rimanemediante pompe. Trattandosi di sistemi chiusi, l’acqua circolante rimanesempre la stessa, a parte le perdite che si hanno nelle giunzioni.

Vantaggi: flusso d'acqua più veloce, con conseguente risparmio dicombustibile per la produzione di calore; possibilità di alimentare radiatoricombustibile per la produzione di calore; possibilità di alimentare radiatoriposti anche alla stessa quota della caldaia o addirittura inferiore.Le pompe di circolazione assolvono la funzione di vincere le perdite di caricoLe pompe di circolazione assolvono la funzione di vincere le perdite di caricoripartite e localizzate: in genere si tratta di elettropompe, ossia macchineche sfruttano l’energia meccanica fornita da un motore elettrico per sollevareche sfruttano l energia meccanica fornita da un motore elettrico per sollevareo far circolare il fluido.


Pompe di circolazione: tipologie

In base alle caratteristiche costruttive o alla modalità con cui trasmettono energia all’acqua le pompe si distinguono in:energia all’acqua, le pompe si distinguono in:

1. pompe volumetriche: sfruttano la variazione di volume in una camerap pper provocare la spinta sul fluido.

2 pompe centrifughe: il fluido viene messo in rotazione da una girante2. pompe centrifughe: il fluido viene messo in rotazione da una girante,

aspirato assialmente e rinviato in direzione periferica all’estremità delle

l d ll i t tpale della girante stessa.

3. pompe ad elica, o assiali: sono costituite da un’elica calettata su un

albero, che imprime una spinta al fluido che viene aspirato e rinviato

sullo stesso asse.

Negli impianti di riscaldamento, la tipologia centrifuga è quella piùg p , p g g q p

impiegata.59Corso di Impianti Tecnici per l'edilizia - E. Moretti


Una pompa è caratterizzata da due parametri: portata e prevalenza.La scelta della pompa è effettuata in base alla curva caratteristicap p

portata/prevalenza.La portata si determina a partire dal fabbisogno energetico dell’edificio e dalp p g g

salto termico fra le temperature in ingresso e in uscita dell’acqua:

TQ ΔTgQ Δ⋅ρ⋅γ⋅=

in cui:in cui:Q = carico termico dell’utenza, per mantenere la temperatura alle

condizioni di progetto (W);p g ( );g = portata d’acqua (m3/h);γ = calore specifico dell’acqua (J/kg °C);ρ = densità dell’acqua (kg/m3);ΔT = differenza tra la temperatura all’uscita e quella in ingresso allacaldaia (°C).


Pompe di circolazione: dimensionamento

Determinata la portata, si passa allo studio del circuito individuando le

diverse perdite di carico e la prevalenza necessaria a vincerlediverse perdite di carico e la prevalenza necessaria a vincerle.

O i i it h tt i ti l t ll f iOgni circuito ha una curva caratteristica, legata alla sua conformazione e

alle singolarità: poiché le perdite di carico sono proporzionali al quadrato

della velocità, la curva può essere riportata in un diagramma g/H, in cui

dall’intersezione della curva caratteristica del circuito e di quella della pompa

è possibile individuare il punto di funzionamento.

Dopo aver determinato le coordinate del punto di funzionamento, occorreprestare attenzione al fatto che esso ricada nella parte centrale della curvaprestare attenzione al fatto che esso ricada nella parte centrale della curvacaratteristica, affinché il funzionamento sia ottimale, con rendimenti elevatidelle pompedelle pompe.


Curvecaratteristiche diuna pompa e di uncircuito e punti difunzionamento.


Portate maggiori

Elettropompe in parallelo

Aumentare la prevalenza

Elettropompe in seriep p



La potenza assorbita da una pompa dipende dalle caratteristiche di lavoro

della stessa; noto il rendimento (η), la potenza può essere determinata

mediante la seguente relazione:

⋅⋅ρ=

HgP (kW)η⋅2.367

P ( )

in cui:P = potenza assorbita dalla pompa (kW);ρ = densità del fluido di lavoro (kg/m3);g = portata (m3/h);H = prevalenza (m c.a.);367.2 = coefficiente numerico di conversione che ingloba la costante di

accelerazione universale;η = rendimento.


4.Impianti di riscaldamento - Università degli Studi di ... · Il fluido termovettore è acqua,...

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