Caldaia a condensazione: criteri progettuali e parametri di funzionamento

Dal 26 settembre 2015, in attuazione della Direttiva Ecodesign 2009/125/CE, vi è l’obbligo di immettere in commercio e di installare solo caldaie a condensazione ad alto rendimento (salvo rari casi).

Si tratta di generatori di calore che ben si prestano ad essere impiegati per utenze domestiche e ad essere combinati con sistemi di emissione sia a bassa che alta temperatura, poiché idonei all’installazione in qualsiasi zona climatica.

In questa trattazione vedremo quali sono i parametri che caratterizzano il funzionamento delle caldaie a condensazione e quali sono i principali criteri cui prestare attenzione durante la progettazione dell’impianto.

Il principio di funzionamento di una caldaia a condensazione

La Commissione Europea, con la Direttiva ErP (Energy related Products) 2009/125/CE anche detta “Ecodesign”, recepita ed attuata con il Decreto Legislativo 15/2011, introduce l’obbligo dell’etichettatura energetica dal 26 settembre 2015 per tutti gli apparecchi per il riscaldamento degli ambienti e la produzione di acqua calda sanitaria. Di fatto, tale direttiva sancisce l’effettivo passaggio dall’impiego delle caldaie tradizionali a quello delle caldaie a condensazione ad alto rendimento.

Il regolamento Ecodesign fissa una nuova etichettatura energetica sugli standard minimi di efficienza per le caldaie. In particolare, si prevede una classificazione energetica da A+ a G per gli apparecchi di riscaldamento degli ambienti e da A a G per gli apparecchi per la produzione di acqua calda sanitaria.

Da qui l’obbligo di installare solo caldaie a condensazione, ovvero generatori di calore in grado di recuperare gran parte del calore latente contenuto nei fumi di scarico che, altrimenti, andrebbe disperso nella canna fumaria, così come avviene nelle caldaie tradizionali.

Il calore recuperato viene ceduto all’impianto di riscaldamento, raggiungendo così rendimenti del 100% contro il 95% delle caldaie tradizionali e l’85% dei vecchi generatori tradizionali a gasolio.

Figura 1 – Caldaia a condensazione

Le componenti principali di una caldaia a condensazione sono le seguenti:

• Un bruciatore, che miscela l’aria con il combustibile, alimentando la camera di combustione;
  
• Una camera di combustione;
  
• Una serie di tubi nei quali circolano i fumi caldi della combustione che scambiano calore con il fluido termovettore;
  
• Uno scambiatore per il recupero del calore proveniente dai fumi di scarico;
  
• Un involucro esterno di materiale isolante protetto da una lamiera;
  
• Un tubo per lo scarico dell’acqua di condensa.

Come avviene il recupero del calore

Come precedentemente menzionato, in una caldaia convenzionale, vi è una perdita di calore attraverso l’emissione in atmosfera, tramite la canna fumaria, dei fumi di scarico prodotti, ancora caldi, che si traduce in una diminuzione della potenza termica utile rispetto alla potenza termica al focolare.

Nella caldaia a condensazione questo non avviene, o avviene in misura molto minore, poiché tale tipologia di dispositivo si basa proprio sulla capacità di recuperare il calore altrimenti disperso, e quindi la potenza altrimenti sprecata, e di immetterlo nel circuito. Nello specifico, i fumi trattenuti vengono convogliati all’interno di uno scambiatore, il quale recupera gran parte del calore e lo cede allo scambiatore primario, utilizzandolo per preriscaldare l’acqua. Tale calore, dopo essersi raffreddato, viene condensato e si trasforma in vapore acqueo, per essere successivamente raccolto e scaricato. 

La temperatura dei fumi all’uscita dalla caldaia è quindi indicativa dell’efficienza del processo: finché essa rimane al di sopra del punto di rugiada (per il gas naturale tra i 53°C e i 58°C) si recupera solo il calore sensibile, mentre se questa scende al di sotto del punto di rugiada una parte del vapore acqueo contenuto nei fumi inizia a condensare, liberando il calore latente.

La temperatura a cui fuoriescono i fumi da una caldaia a condensazione si attesta attorno ai 40°C. Quanto più è bassa la temperatura dell’acqua di ritorno, tanto maggiore sarà la quantità di calore recuperato dai fumi di scarico.

Sulla base di tali considerazioni, nelle nuove costruzioni risulta più efficiente abbinare le caldaie a condensazione con impianti di riscaldamento a bassa temperatura (quali impianti a pavimento o a parete radiante) oppure con radiatori con una superficie elevata, poiché aumentando lo scambio termico con l’ambiente generano un maggiore abbassamento della temperatura di ritorno.

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Nel caso, invece, di riqualificazione di un edificio esistente con sostituzione di una caldaia tradizionale in un impianto che lavora a temperature medie dell’acqua di 70°C, la potenzialità di risparmio energetico offerta dalla nuova caldaia a condensazione sarà naturalmente inferiore. Il vantaggio dato da questi sistemi è che, in ogni caso, la loro flessibilità li rende adeguabili a qualsiasi situazione, riuscendo comunque a garantire il funzionamento dell’impianto.

Abbiamo visto come una caldaia a condensazione basi, dunque, il suo funzionamento sulla capacità di recuperare il calore prodotto durante la combustione mediante il suo trasferimento dai fumi al fluido termovettore. In questo modo, il rendimento della caldaia aumenta in modo netto, raggiungendo valori attorno al 100%. Per tale ragione, le caldaie a condensazione sono in grado di generare una potenza termica utile superiore a quella prodotta dal focolare.

La maggior parte dei generatori a condensazione è di tipo modulante, ossia consente di variare la potenza erogata mantenendo costante il rapporto aria/combustibile, garantendo così una riduzione dei tempi di intermittenza in modo da diminuire lo scarto tra il rendimento utile e il rendimento medio stagionale.

Quali parametri caratterizzano una caldaia a condensazione

Tra i parametri che caratterizzano il funzionamento di una caldaia a condensazione troviamo:

• La potenza termica del focolare: la quantità di energia prodotta dal combustibile consumato in una precisa frazione di tempo;
  
• La potenza termica utile: la quantità di energia realmente trasferita, sotto forma di calore attraverso i tubi, al fluido termovettore nello stesso arco temporale.

Le perdite di calore del sistema, che rappresentano la differenza tra le due potenze sopramenzionate, sono dovute in minor parte alle dispersioni attraverso il mantello isolante e in maggior parte alle già citate emissioni in atmosfera dei fumi di scarico. 

Va da sé che minori sono tali perdite, maggiore sarà il rendimento della caldaia.

Ma è davvero possibile superare il 100% del rendimento per una caldaia?

Per utilizzare una semplificazione, bisogna valutare quanta energia è necessaria per produrre il calore che serve a riscaldare i terminali di emissione e a fornire acqua calda sanitaria all’ambiente e quanta quota parte di tale calore viene dispersa.

Convenzionalmente, gli strumenti per la misura dell’efficienza della combustione effettuano il calcolo utilizzando come parametro di riferimento il P.C.I., ossia il potere calorifico inferiore. Esso rappresenta il calore sprigionato dalla combustione, al netto del calore latente di condensazione dell’acqua, che si forma per la combinazione dell’idrogeno contenuto nel combustibile e l’ossigeno atmosferico, e vale 47,7 MJ/kg nel caso del gas naturale.

Vi è poi il P.C.S., ovvero il potere calorifico superiore. Quest’ultimo viene definito come la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante di una massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente. In altre parole, si tratta del calore lordo prodotto dalla combustione, e vale 54 MJ/kg per il gas naturale, cioè il 13% maggiore del P.C.I..

Poiché le caldaie a condensazione recuperano una frazione del calore latente del vapore acqueo, il calcolo dell’efficienza riferito al P.C.I. darà sempre un valore superiore al 100%, mentre se fosse riferito al P.C.S. sarebbe inferiore.

I principali criteri che orientano le scelte progettuali

In sintesi, i criteri progettuali da seguire per ottimizzare il rendimento medio stagionale di una caldaia a condensazione sono:

• Minimizzare la temperatura di ritorno dell’acqua in caldaia, attraverso l’opportuna scelta di terminali di emissione funzionali al caso specifico;
  
• Massimizzare i periodi in cui la caldaia lavora a bassa potenza in modo da ridurre la differenza di temperatura finale tra fumi e acqua, tramite l’utilizzo di sistemi di modulazione della potenza che riducono le intermittenze;
  
• Mantenere sempre un eccesso di aria stabile e limitato, grazie alla possibilità di accoppiare un bruciatore a premiscelazione con cui si ottiene una ottimale regolazione della miscela combustibile / comburente.

Per ulteriori approfondimenti circa la determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale si veda la specifica tecnica  UNI-TS 11300-2:2019.

...CONTINUA.

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