Il funzionamento delle caldaie a condensazione: perché sono così vantaggiose?

Le Direttive Europee hanno imposto, a partire dal settembre 2015, l’obbligo di produrre e commercializzare esclusivamente caldaie a condensazione, che hanno quindi ufficialmente sostituito le vecchie caldaie tradizionali, con l’obiettivo di garantire efficienze energetiche elevate e ridotti impatti ambientali.

Tuttavia, per sfruttare al meglio le potenzialità delle caldaie a condensazione, è necessario porre attenzione a diversi aspetti, tra cui la corretta installazione e configurazione. Vediamo nel seguente paragrafo in cosa si distinguono rispetto alle vecchie caldaie tradizionali.

Le diverse tipologie di apparecchi secondo la normativa EN 1749:2020

I generatori di calore (o caldaie) sono quegli apparecchi nei quali avviene il trasferimento di energia termica dai prodotti della combustione al fluido termovettore (generalmente acqua), successivamente convogliato verso i terminali di emissione.

La normativa UNI EN 1749:2020 “Classificazione degli apparecchi a gas in funzione del metodo di adduzione dell’aria comburente e di evacuazione dei prodotti della combustione (tipi)” propone una classificazione in tre diverse categorie degli apparecchi a gas a seconda del metodo di prelievo dell’aria comburente e di scarico dei prodotti della combustione.

Le categorie, a loro volta suddivise in ulteriori sottocategorie in funzione di alcune caratteristiche costruttive, sono le seguenti:

• Tipo A: apparecchi previsti per non essere collegati ad un condotto o ad un dispositivo speciale di evacuazione dei prodotti della combustione verso l'esterno del locale in cui sono installati;
• Tipo B: apparecchi previsti per essere collegati ad un condotto di evacuazione dei prodotti della combustione verso l'esterno del locale: l'aria comburente è prelevata direttamente nell'ambiente dove gli apparecchi sono installati. Possono distinguersi tra apparecchi a tiraggio naturale o apparecchi a tiraggio forzato;
• Tipo C: apparecchi nei quali il circuito di combustione (presa dell'aria comburente, camera di combustione, scambiatore, evacuazione dei prodotti della combustione) è stagno rispetto al locale in cui sono installati. Anche questi possono distinguersi tra apparecchi a tiraggio naturale o apparecchi a tiraggio forzato.

Le caldaie a condensazione appartengono al tipo C e ne costituiscono un particolare sottogruppo, in quanto consentono di recuperare il calore latente di condensazione contenuto nei fumi di scarico, non sfruttato nelle caldaie tradizionali.

Queste ultime sono costituite da uno scambiatore di calore che sottrae calore ai gas caldi generati dalla combustione per cederlo al fluido termovettore, mentre i fumi vengono emessi in atmosfera a una temperatura pari a 200 ÷ 250 °C nel caso delle caldaie tradizionali a bassa efficienza e di 140 ÷ 160 °C nel caso delle caldaie tradizionali ad elevata efficienza. Un limite delle caldaie tradizionali consiste nella ridotta efficienza a causa dei materiali con cui sono realizzate, poiché non sono in grado di resistere all’attacco delle sostanze acide contenute nei gas di scarico generati dalla combustione. A causa della presenza di queste sostanze non è possibile raffreddare i gas al di sotto di una temperatura di 100 °C, per la quale si formerebbe condensa con un effetto corrosivo sulle superfici metalliche non opportunamente trattate della caldaia e della canna fumaria.

Il funzionamento delle caldaie a condensazione

Per rispondere a questo limite sono state sviluppate le caldaie a condensazione. I principali componenti di una caldaia a condensazione sono:

• Un bruciatore, in cui l’aria viene miscelata con il combustibile;
• Una camera di combustione, detta anche focolare, in cui avviene l’accensione del gas proveniente dal bruciatore;
• Due scambiatori, primario e secondario, per la sottrazione del calore dai fumi di scarico;
• Un vaso di espansione, per compensare le variazioni in volume dell’acqua dovute all’aumento della temperatura;
• Tubi per la circolazione dei fumi caldi della combustione;
• Un involucro esterno di materiale isolante protetto da una lamiera;
• Un sistema di evacuazione per la fuoriuscita e lo smaltimento dei fumi di scarico;
• Un sistema per lo scarico dell’acqua di condensa.

Come detto precedentemente, con le caldaie a condensazione è possibile recuperare il calore latente di condensazione contenuto nei fumi di scarico prodotti dalla combustione.

Questo avviene convogliandoli verso un primo scambiatore, dove vengono raffreddati e portati al di sotto della temperatura di rugiada (53 ÷ 59 °C) in modo da farli condensare. Quando la temperatura dei fumi rimane al di sopra della temperatura di rugiada è possibile recuperare solamente il calore sensibile, invece portandoli al di sotto di tale temperatura è possibile sfruttare anche il calore latente di condensazione contenuto in essi. Tale calore sottratto viene utilizzato per preriscaldare l’acqua di ritorno dell’impianto di riscaldamento, prima che questa raggiunga la camera di combustione, dove quindi è richiesta una minore quantità di combustibile per raggiungere la temperatura di progetto del fluido.

La temperatura dell’acqua di ritorno è funzione dei terminali di emissione presenti negli ambienti e della loro superficie di scambio termico, in relazione alla temperatura dell’ambiente interno. Minore è la temperatura dell’acqua di ritorno maggiore sarà il calore ceduto dai fumi attraverso il primo scambiatore. Per questo motivo realizzare impianti di riscaldamento a bassa temperatura (ventilconvettori o pannelli radianti a pavimento, a parete o a soffitto) favorisce l’efficienza del processo.

Inoltre, è necessario che la temperatura di ritorno del fluido termovettore sia inferiore alla temperatura di condensazione del gas di combustione, per permettere a quest’ultimo di condensare. Una strategia consiste nell’evitare l’aumento della temperatura di ritorno tramite collegamenti diretti con la mandata, e nell’impiego di sistemi idraulici con miscelatori a tre vie. Per massimizzare la condensazione è necessario riportare l’acqua fredda di ritorno nella zona della caldaia prossima all’uscita dei fumi.

Ulteriore conseguenza della condensazione dei fumi di scarico è la riduzione della loro temperatura in uscita dalla caldaia (pari a circa 40 °C) e una conseguente riduzione del tiraggio naturale generato fra la camera di combustione e il punto di uscita dei fumi, proprio a causa della bassa differenza di temperatura tra l’aria esterna e i fumi stessi. Questo rende necessario l’inserimento di un ventilatore all’interno della canna fumaria, a monte della camera di combustione, che garantisca il tiraggio assistito necessario per l’evacuazione dei fumi.

La formazione di condense acide a causa dei prodotti generati dal processo di combustione (CO2, NOx, SOx), rende necessario l’utilizzo di materiali resistenti alla corrosione (acciai inossidabili, leghe di alluminio, fusioni in ghisa speciale) per la realizzazione degli scambiatori e dei condotti di scarico dei fumi. In questi ultimi possono essere utilizzati anche alcuni materiali plastici.

Parametri che caratterizzano il funzionamento di una caldaia a condensazione

Quali sono i principali parametri caratterizzanti il funzionamento di una caldaia a condensazione?

• Potenza termica al focolare: data dal prodotto del potere calorifico inferiore del combustibile impiegato e della sua portata;
• potenza termica convenzionale: data dalla potenza termica al focolare diminuita della potenza termica persa al camino, che coincide con la perdita per calore sensibile nei fumi;
• potenza termica utile: data dalla quantità di calore ceduta nell’unità di tempo al fluido termovettore, corrispondente, quindi, alla potenza convenzionale diminuita della potenza scambiata dall’involucro del generatore con l’ambiente esterno;
• rendimento di combustione: è il rapporto fra la potenza termica convenzionale e la potenza termica al focolare;
• rendimento termico utile: è il rapporto fra la potenza termica utile e la potenza termica al focolare.

Il rendimento di una caldaia a condensazione

La potenza termica utile è minore rispetto alla potenza termica al focolare a causa delle perdite di calore determinate dalle dispersioni attraverso l’involucro esterno e dalle emissioni dei fumi di scarico. Per questo motivo il rendimento della caldaia è misurato in relazione all’entità di tali perdite.

Le caldaie a condensazione riescono a raggiungere rendimenti superiori al 100% se riferiti al Potere Calorifico Inferiore (PCI), ovvero il calore generato dalla combustione diminuito del calore di condensazione del vapore d’acqua.

Si distingue quindi dal Potere Calorifico Superiore (PCS), che rappresenta la quantità totale di calore generata dalla combustione completa dell’unità di massa (MJ/kg) per i combustibili solidi o liquidi e dell’unità di volume (MJ/m³) per i combustibili gassosi.

Esso inoltre tiene conto del calore ceduto dalla condensazione del vapore d’acqua: 2500 kJ/kg. Tale calore, che viene recuperato nelle caldaie a condensazione, è di entità non trascurabile, poiché la differenza fra potere calorifico superiore e potere calorifico inferiore è pari a circa l’11% per il gas naturale. Come anticipato, per poter sfruttare questo calore è necessario portare i prodotti della combustione al di sotto della temperatura di rugiada.

In conclusione, nelle caldaie a condensazione si può stimare un rendimento sul PCS intorno al 93%, e un rendimento sul PCI del 105%.

Tipologie di caldaie a condensazione e loro installazione

Le caldaie a condensazione si suddividono in due diverse tipologie: murali o a basamento. Le prime vengono posizionate a parete e sono utilizzate generalmente per impianti autonomi o in case unifamiliari; le seconde, di dimensioni e potenze maggiori, sono utilizzate per ambienti più grandi.

Generalmente in fase di sostituzione della caldaia si consiglia di prediligere per quella nuova la tipologia di quella preesistente, in quanto l’ingombro delle caldaie a condensazione è paragonabile a quello di una caldaia tradizionale.

Inoltre, la normativa UNI 7129-2:2015 “Impianti a gas per uso domestico alimentati da rete di distribuzione - Progettazione, installazione e manutenzione – Parte 2: Installazione degli apparecchi di utilizzazione, ventilazione, e areazione dei locali di installazione” indica la necessità di avere locali aerati o aerabili per la collocazione di caldaie a condensazione.

Tuttavia, non sono posti particolari limiti nella scelta del locale interno in cui collocarle, ad eccezione dei box auto, essendo queste a tenuta stagna. Ad ogni modo, è necessario considerare che il posizionamento e le caratteristiche della canna fumaria e dei canali di scarico della condensa possono rendere un ambiente più adeguato rispetto ad altri.

Per quanto riguarda lo scarico dei fumi, quando una caldaia tradizionale viene sostituita con una a condensazione, si possono perseguire tre diverse strade: sfruttare le canne fumarie e i camini esistenti, secondo la normativa UNI 10845:2018 “Impianti a gas per uso civile - Sistemi per l'evacuazione dei prodotti della combustione asserviti ad apparecchi alimentati a gas - Criteri di verifica e risanamento (verifica e intubamento)”, costruire nuove canne fumarie e camini, prevedere lo scarico all’esterno (a tetto o a parete).

Inoltre, a differenza delle caldaie tradizionali, è necessario prevedere lo scarico della condensa. Le tubazioni devono essere in grado di resistere alla corrosione dovuta all’acidità dell’acqua di condensa, che deve essere correttamente smaltita secondo tre diverse possibilità: nelle acque reflue domestiche, nelle acque bianche, in un pozzetto interrato (le ultime due solo in particolari condizioni).

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La corretta installazione delle caldaie a condensazione

Perché le caldaie a condensazione sono così vantaggiose?

Come visto nei paragrafi precedenti, la caldaia tradizionale non consente di sfruttare il calore latente di condensazione contenuto nei fumi di scarico prodotti, generando una riduzione della potenza termica utile rispetto alla potenza termica al focolare.

Al contrario, la caldaia a condensazione riesce a sfruttare questo calore, aumentando il rendimento. A un maggior rendimento consegue un ridotto consumo di combustibile, minori emissioni di inquinanti in atmosfera e un risparmio in bolletta.

La presenza di un ventilatore necessario per il tiraggio assistito dei gas di scarico genera consumi elettrici maggiori rispetto a una caldaia tradizionale, ma grazie a motori elettrici ad alta efficienza è possibile far fronte a tale aumento.

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