Generatori di calorele caldaie

Prof. Ing. P. RomagnoniUniversità IUAV di Venezia

Dorsoduro 2206Venezia

Il generatore di caloreI generatori di calore

più usuali sono le

caldaie. In esse un

combustibile solido,

liquido o gassoso viene

fatto reagire con

l’ossigeno contenuto

nell’aria atmosferica. Da

tale reazione chimica di

ossidazione viene

prodotto calore e

prodotti gassosi di

combustione (fumi)

Superficie di Confinedel Sistema

Fumi

CombustibileCalore disperso

ECH

Aria comburente Generatore di calore

Fluido in uscita

Fluido in ingresso

QD

QF

ECH = energia chimica del combustibileQD = energia termica dispersa;QF = energia utile al fluido termovettore

Caldaie a condensazione

Residenziale

Scarico condensa

Caldaie a basamento

Caldaia murale

CombustioneIl metano CH4, in presenza di O2, fornisce la seguentereazione:

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + calore

in cui CO2 e H2O sono i prodotti della combustione.

Nell’aria è presente anche l’azoto N2, che non intervienenella reazione: per ogni volume di O2 sono presenti 7,52volumi di altri gas (prevalentemente N2). La reazionediviene:

CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + calore

ovvero in totale 9,52 m3 di aria per ogni m3 di metano.

I combustibili

Comustibile PCI [kcal/kg] PCI [kWh/kg]

Petrolio Greggio 10 000 11,6

G.P.L. 11 000 12,8

Benzina 10 500 12,2

Gasolio 10 200 11,9

Olio Combustibile 9 800 11,4

Gas Naturale 9 200 10,7

Carbon fossile 7 400 8,6

Pellet (standard) 4 100 4,8

Il processo di combustione è il maggiore produttore di particolato (air pollutants)

5 categorie di inquinanti:a) Prodotti di una combustione incompleta:

Aerosol combustibili (solidi e liquidi), incluso fumo;monossido di carbonio, CO;idrocarburi gassosi

b) Anidride carbonica, CO2

c) Ossidi di Azoto (NOx)monossido NO

d) Emissioni da combustibili contaminanti:ceneri;metalliossidi di Zolfo (SO2, SO3)

e) Emissioni risultanti dagli additivi

La produzione di NOx varia con il tempo di permanenza dei gas combusti nel campo delle elevate temperature, con la temperatura della fiamma e con la pressione di O2 nella zona di reazione (meno O2 meno NOx)

Le emissioni

L’emissione di CO varia tra 13 – 17 mg/MJ di energia inviata algeneratore

L’emissione di particolato tra 2,2 – 2,6 mg/ MJ

Le emissioni

Le emissioni

Il generatore di calore:

teste di combustione

Bruciatori ceramici

Bruciatori ceramiciMateriali

Schiuma di carburo di Silicio e una struttura mista di fibre di Al2O3, schiuma di ZrO2 e strutture di C/SiC.

Questi materiali possono essere usati fina a 1650°C

In alcune applicazioni posso usare leghe di Fe- Cr- Al e Nichel

La Zirconia resiste fino a 2300°Cle leghe metalliche fino a 1250 °C

Problemi dei bruciatori tradizionali

- scarsa penetrazione dell’ossigeno (e conseguente formazione di CO)

- inadeguato tempo di reazione (allontanamento degli incombusti)

- eccessiva temperatura di reazione che attiva la formazione di NOx in reazioni secondarie

Bruciatori a matrice ceramica

- matrice porosa ottima penetrabilità dei gas di combustione

- basse emissioni

- resistenza strutturale

- assenza di fiamma

Una caldaia "tipo" è composta da: bruciatore, camera dicombustione, scambiatore di calore, sistemi di controllo esicurezza.

Potenza al Focolare (Pf)Questa potenza è data dal prodotto del potere caloricoinferiore del combustibile impiegato e della portata dicombustibile [kW].

Potenza Termica Utile (Pn)Questa potenza è data dalla quantità di calore trasferita dalfocolare al liquido circostante [kW].

Rendimento Termico UtileÈ il rapporto tra la potenza termica utile e la potenza termicaal focolare [-].

Definizioni

ி

Rendimento di combustione (termico utile)

Tipologie di generatori

- Caldaia standard: la temperatura media di esercizio è limitata dalla tipologia costruttiva;

- Caldaia a bassa temperatura: possono funzionare in modo continuativo ad una temperatura di ingresso di 35 – 40 °C (può avvenire la condensa nei gas di scarico)

- Caldaia a condensazione: sono realizzate per realizzare e sfruttare la condensazione del vapore acqueo dei gas di scarico

La marchiatura CE delle caldaie a bassa temperatura e a condensazione è subordinata a soddisfare il rendimento minimo alla potenzialità massima utile o a carico ridotto (30%)

Rendimento minimo secondo la Direttiva europea 92/42 CEE

)()(

1001

2

1 BCOA

q

HHHqq

LAA

i

isSAk

Rendimento di combustione di caldaia

A = temperatura dei fumi;L = temperatura aria;A1, B = fattori di combustione; = indice di condensazione (quantità di acqua di condensa/quantità teorica)CO2 = concentrazione di anidride carbonica;qA = dispersione dei gas di scaricoqS = disprersioni per irraggiamentoHi = potere calorifero inferiore;Hs = potere calorifero superiore

dove:Pf perdite di combustione (%);Tf temperatura dei prodotti della combustione (°C);Ta temperatura dell’aria comburente (°C);O2 concentrazione di ossigeno nei prodotti della combustione (% volume);CO2 concentrazione di anidride carbonica nei prodotti della combustione(% volume).

Pf

Il rendimento stagionale è il rapporto tra la quantità di calore utile rilasciata in un anno e la quantità di calore del combustibile fornita dal generatore

Incidenza della temperatura di mandata e ritorno sul rendimento stagionale

Rendimentostagionale

Le perdite dal mantello si possono ridurre con il concorso di piùespedienti, costruttivi e progettuali:

1. con un efficace isolamento termico del mantello;

2. mantenendo bassa la temperatura media dell’acquanel generatore (ciò comporta l’adozione di impianti abassa temperatura; non tutti i generatori si prestano peròper le condizioni di funzionamento che ne derivano);

3. dimensionando il generatore per l’effettivo fabbisogno (unsovradimensionamento non giustificato genera un inutileaumento di costi ed un deprecabile aumento delle dispersionipassive);

4. installando i generatori in ambiente protetto (all’internodell’involucro riscaldato o in apposita centrale termica).

Anche le perdite di combustione si possono ridurre con il concorsodi più espedienti, costruttivi e progettuali:

1. migliorando la combustione, ossia riducendo l’eccesso d’aria, conassenza di incombusti (il limite è costituito dalla capacità delbruciatore di funzionare stabilmente con eccessi d’aria molto bassi);

2. abbassando la temperatura dei fumi mediante l’adozione di unsistema di scambio più efficiente (più abbondante); anche unatemperatura più bassa dell’acqua nel generatore contribuisce adabbassare la temperatura dei fumi, migliorando il rendimento dicombustione; nei generatori di calore tradizionali, allacciati a caminialtrettanto tradizionali, il limite è costituito dalla necessità diassicurare il funzionamento del camino, il cui tiraggio, come è noto,è proporzionale, a parità di altre condizioni, alla temperatura deifumi.

Le perdite al camino a bruciatore spento sono dovute al tiraggio delcamino che, durante i periodi di inattività del bruciatore, aspira ariadall’ambiente.

Il flusso così aspirato, passando attraverso il generatore, asportacalore dalle sue strutture interne e lo convoglia al camino.

Le perdite al camino a bruciatore spento possono essere ridotte con iseguenti criteri:

1. adottando bruciatori muniti di serranda in grado di chiudereaccuratamente l’ingresso dell’aria comburente durante i periodi difermata del bruciatore;2. sigillando accuratamente ogni possibile ingresso d’aria nelgeneratore;3. abbassando la temperatura dei fumi, in modo da limitare iltiraggio;4. inserendo regolatori di tiraggio, nel caso di tiraggio eccessivo.

Schema della tecnica di condensazione

La caldaia a condensazione

Temperatura di condensa

Durante il processo di condensazione parte dell’anidride carbonica,sostanza di natura acida, si mescola all’acqua abbassandone il valoredi pH fino a circa 4/3,5 e conferendo dunque la tipica acidità ai residuidi condensazione.Tutte le caldaie a condensazione devono essere collegate ad unoscarico della condensa residua di combustione, in accordo con lanorma UNI 7129/2015 Parte 5 – Sistemi per lo scarico dellecondense(sostituisce la UNI 11071/2003).

Per generatori installati in unità ad uso abitativo con potenzanominale fino a 35 kW, la raccolta dei residui liquidi avviene avalle del generatore e della canna fumaria per convogliarli direttamentenell’impianto fognario. Le condense acide possono causare danniambientali, essendo esse sostanze inquinanti, motivo per cui normativae legislazione ne impongono la raccolta e lo smaltimento.

Tuttavia, proprio a causa della loro acidità, tali residui possono portaredanni all’impianto di smaltimento fognario arrivando alla corrosione dicondotti non adeguati ed omologati per resistere a tale caratteristica, adifferenza di quelli realizzati appositamente per la raccolta e ilconvogliamento.

Nella sopracitata norma UNI viene fatta una prima distinzione affinchélo scarico delle condense avvenga in modo ottimale:

1. tra l’impianto gas (generatore) e l’impianto di smaltimentocondense è necessario evitare che i prodotti combusti (oeventualmente incombusti) possano entrare nell’impianto di scaricodelle condense e, successivamente, nella rete fognaria;

2. a monte della rete fognaria, si devono compensare le eventualivariazioni di pressione nella rete stessa.In caso di depressurizzazione a valle dell’impianto s’incorrerebbe nelrischio di svuotare il sifone di caldaia con conseguente immissione digas nella rete fognaria andando inoltre ad aumentare la portatatermica dell’apparecchio in modo potenzialmente rilevante; viceversa,in caso di pressurizzazione a valle dell’impianto smaltimento reflui,questi rischierebbero, sempre svuotando il sifone di raccolta, di esserespinti all’interno del generatore.

A livello legislativo, lo scarico di condense nella rete fognariarientra nell’ambito di applicazione del D. Lgs. 3/4/2006, n° 152e s.m.i. il quale disciplina, nella Parte terza, gli scarichi di qualsiasitipo, pubblici e privati, diretti ed indiretti, in tutte le acquesuperficiali e sotterranee, pubbliche e private, nonché in fognature,sul suolo e nel sottosuolo.

In particolare, nel caso di recapito in una fognatura pubblica, primadell’entrata in funzione dell’impianto centralizzato di depurazione, ilDecreto prescrive che le sostanze oggetto degli scarichi debbanoavere un pH compreso tra 5,5 e 9,5 (detto limite vale anche nelcaso in cui lo scarico venga fatto recapitare in acque superficiali).

I reflui domestici mediamente prodotti da un’unitàabitativa sono quantitativamente molto superiori rispettoalle condense acide prodotte da un generatore nel medesimoarco di tempo (ad esempio, una caldaia da 28 kW funzionante aregime ed alla massima potenza, con temperatura mediadell’acqua a 35°C comporta una portata di scarico condensa paria circa 2,5-2,7 litri/ora, equivalenti a circa 3 m3 di acqua dicondensa a stagione, contro circa 50 m3 di acque reflue diun’abitazione nel medesimo periodo) ed inoltre possiedonouna notevole basicità.

Per questo motivo sono “naturalmente” in grado di neutralizzarel’acidità dei liquidi di condensazione, rendendo così possibilelo scarico diretto nella rete fognaria.Nei casi in cui non sia possibile lo scarico in una rete fognaria odi edifici con destinazioni d’uso “miste” (abitative e non) lanorma prescrive di neutralizzare l’acidità delle condenseprima della loro immissione nella rete fognaria dismaltimento mediante un neutralizzatore (o passivatore).

Fonte MiSELe condense provenienti da caldaie si assimilano ad acque refluedomestiche; tali condense possono essere mescolate alle acquemeteoriche (l’insieme costituisce uno scarico di acque reflue urbane),talvolta anche senza neutralizzazione.

La semplificazione notevole è dovuta al fatto che si ritiene che lacondensa non aggiunga criticità ulteriori ai reflui, salvo il medio gradodi acidità facilmente compensabile.

I casi sono 2:1.se la rete fognaria è di tipo unitario (cosa che avviene quasi ovunquein Italia) la neutralizzazione è necessaria solo se il materiale di cui ècostituita la canalizzazione (o pluviale) in cui arriva la condensa sia arischio di corrosione;2.se la rete fognaria è del tipo “separato” non è ammesso lo scaricodella condensa nelle acque meteoriche.

Pertanto, in caso di reti fognarie unitarie e di pluviali di materialeidoneo allo scarico della condensa, si potrebbe addirittura scaricaredirettamente la condensa nel pluviale, senza neutralizzazione.

Recupero supplementare di calore da raffreddamento dei gas di scarico e condensazione

Andamento dellatemperatura dei gas di combustione e temperatura superficie lato fumi

Incidenza della temperatura di ritorno in caldaia

DPR 16 Aprile 2013, n° 74

DPR 16 Aprile 2013, n° 74

Il percorso dei fumi

Conduzione in caldaia

Caldaia a condensazione con due attacchi

Figura 3: Installazione di una caldaia tradizionale1) Regolatore; 2) Sonda esterna; 3) Corpi scaldanti; 4) Caldaia

L’installazione

Più basse sono le temperature di ritorno più alto è il recupero (maggiore è la condensazione). E’ necessario non favorire l’aumento della temperatura di ritorno.

Nota: È auspicabile l’impiego di circolatori modulanti che adattano la portata di acqua ai requisiti del sistema

OHrictrascaldaia QbQQQ 2][

= potenza termica dispersa per trasmissione dall’involucro riscaldato (pareti opache e trasparenti, ponti termici,…) [W];

= potenza dispersa per il ricambio dell’aria dovuto alle infiltrazioni [W];tale potenza può essere determinata con la seguente espressione:

= 0,34 n* V (int – ext)

V = volume della zona riscaldata [m3];in = temperatura dell’aria interna di progetto [°C];ext = temperatura dell’aria esterna di progetto [°C];n* = numero di volumi all’ora ricambiati [h-1]b = coefficiente di maggiorazione dovuto a intermittenze nel funzionamento, transitori,…[-].

Si può porre b = 1,4 per l’Italia del Centro - Nord e b = 1,5 per l’Italia meridionale.

trasQ

ricQ

ricQ

Coefficienti termici per la determinazione delle potenze dei generatori

Utenza generica 10 – 15 W/m3

Uffici 12 W/m3

Ospedali 25 – 30 W/m3

Residenze 10 W/m3

Scuole 16 W/m3

Infiltrazioni 2 – 4 W/m3

Potenza termica generatore 25 – 30 W/m3

n = numero di persone che usufruisce del servizio;c = calore specifico dell’acqua = 4186,8 J/( kg K);r = densità dell’acqua =1000 kg/ m3;G = consumo medio giornaliero a persona (in un’abitazione 0,080 – 0,150 m3);ea = temperatura di erogazione ( 45 °C);a = temperatura dell’acqua proveniente dall’acquedotto ( 15°C); = rendimento del generatore di acqua calda.

40086)(

2

r aeaOH

GcnQ

Calore per la produzione di acqua calda

Qw = r c Vw (w – 0) ngg

Volume giornaliero

[l / giorno] d’acqua calda richiesta

Temperatura dell’acqua calda prodotta

(standard = 40°C)

Temperatura dell’acqua entrante nel sistema di produzione (0 = 14°C)

Per edifici residenziali:

Vw = mw S fbagni

Superficie lorda Fabbisogno specifico m’w

[l/(m2 gg)]Q’w

[MJ/(m2 gg)]

S < 50 m2 3 0,314

50 ≤ S < 120 m2 2,5 0,262

120 ≤ S < 200 m2 2,0 0,210

S 200 m2 1,5 0,157

Numero bagni Fattore fbagni

1 1

2 1,33

3 o più 1,66

Metodo di calcolo• Determinazione della temperatura esterna (normativa)

• Determinazione dei valori di temperatura interna, secondonorma, per ogni locale riscaldato.

• Calcolo normalizzato delle perdite termiche per trasmissione.

• Somma delle perdite termiche normalizzate di tutti i locali riscaldati,senza considerare il flusso di calore trasversale ai locali.Si otterrà cosi la perdita termica per trasmissione standard dell’interoedificio.

• Calcolo delle perdite termiche per ventilazione, secondo norma,tenendo conto di eventuali installazioni meccaniche di ventilazione.

• Somma di tutte le perdite termiche nominali per ventilazione.Si otterrà cosi la perdita standard di ventilazione dell’intero edificio.

• Calcolo del fabbisogno standard di potenza termica per l’interoedificio (in W), tenendo conto dei fattori di correzione, in particolareper la ventilazione.

Localizzazione delle caldaie (D.M. Interno 12/04/1996)

I locali non devono sottostare a locali di pubblico spettacolo, ad ambienti con affollamento > 0,4 pp/m2 o a vie d’uscita

Localizzazione delle caldaiea gas

La scelta di più caldaie è da preferirsi per sicurezza di esercizio.

Più caldaie = più perdite al mantello

Potenza equi-ripartita = condizioni idrauliche ottimali emanutenzione semplificata

Il dimensionamento dei camini è effettuato sulla base dinormative specifiche (UNI 9615-1,UNI 9615-2, UNI 10640, UNI10641) e di disposizioni legislative.

canna fumaria collettiva ramificata (CCR): condotto asservito apiù apparecchi installati su più piani di un edificio, realizzatosolitamente con elementi prefabbricati che determinano unaserie di condotti singoli (secondari), ciascuno dell’altezza di unpiano, e un collettore (primario) nel quale defluiscono i prodottidella combustione provenienti dai secondari

comignolo: dispositivo posto alla bocca del camino/ cannafumaria che permette la dispersione dei prodotti dellacombustione anche in presenza di condizioni atmosfericheavverse. Il comignolo deve avere una sezione di uscita almenodoppia di quella del camino/ canna fumaria sul quale èinstallato.

camino

Il camino

Per il calcolo dell’energia richiesta è richiesta la definizione di(vedi UNI TS 11300-2)

perdite di emissione: Perdite di energia termica che aumentano ilfabbisogno delle unità terminali dovute a non omogenea distribuzionedella temperatura dell'aria negli ambienti od a flussi di calore direttiverso l'esterno.

perdite di regolazione: Perdite di energia termica dovute allaregolazione imperfetta della temperatura degli ambienti riscaldati.

perdite di distribuzione: Perdite di energia termica della rete didistribuzione.

perdite di produzione: Perdite di energia termica del sottosistema diproduzione, comprese le perdite in funzionamento ed in stand-bynonché le perdite dovute al controllo non ideale del sistema digenerazione, comprese le perdite recuperabili.

La distribuzione del fluido termovettore

da UNI TS 11300-2

Rendimenti della distribuzione

da UNI TS 11300-2

Rendimenti della distribuzione

da UNI TS 11300-2

Rendimenti della distribuzione

Perdite di carico e scelta pompa

variazione (riduzione) della portata

variazione (riduzione) della portata neigrossi impianti

Distribuzione delle pressioni in una rete di tubazioni

Decreto MiSE 10 febbraio 2014Modelli di libretto di impianto per la climatizzazione e dirapporto di efficienza energetica di cui al DPR 74/ 2013

A partire dal 1 Giugno 2014 in occasione degli interventi di controllo edeventuale manutenzione su impianti di climatizzazione invernale Pn >10 kW e di climatizzazione estiva con Pn > 12 kW, il rapporto diefficienza energetica deve risultare conforme agli allegati II, III, IV e Vdel Decreto.

Allegati disponibili in formato pdf sul sito del MiSE(http://www.sviluppoeconomico.gov.it/)

Al responsabile dell’impianto è data facoltà di selezionare, far compilaree aggiornare le sole schede del libretto pertinenti alla tipologiadell’impianto termico al quale il libretto si riferisce

Nel caso di dismissione dell’impianto le schede sono conservate peralmeno 5 anni dalla data di dismissione.

Caldaie a pellet

• Efficienza 86-94% • Hanno una potenza massima a partire da 10 kW e

possono operare tra 30-100% della potenza massima• Potenze massime di 40 kW• Rilascio del pellet pneumatico dal camion allo

stoccaggio di casa• Trasferimento automatico di pellet al bruciatore e la

rimozione di cenere• Comuni in Austria

Riscaldatori a resistenza elettrica

• Efficienza del 100% nel punto di utilizzo

• Facilmente controllabili - possono fornire solo la quantità di calorenecessaria e non più

• Nelle case di super-isolate, circa 1/3 del calore totale richiestoviene da calore di scarto da illuminazione, elettrodomestici eapparecchiature elettroniche, in modo da una parte significativadel riscaldamento è già elettrico

• L’efficienza complessiva – incluse le perdite alla centrale diproduzione di energia elettrica e di trasmissione può essereabbastanza bassa (30-40%)