Funzionamento delle caldaie e rendimento energetico

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In questo articolo illustriamo il funzionamento delle caldaie dal punto di vista prettamento tecnico del rendimento energetico. Chi fosse invece interessato a una introduzione generale riguardo alle tipologie principali delle caldaie a gas, può andare a "La caldaia a gas".

Per comprendere il funzionamento di una caldaia a condensazione bisogna innanzitutto capire come viene sfruttata l’energia dei combustibili nei moderni bruciatori, compresi quelli delle caldaie tradizionali. Nell’illustrare la cosa, quando in seguito parleremo di acqua, prenderemo ad esempio soprattutto quella dell’impianto di riscaldamento, ma quanto detto varrà ugualmente per l’acqua calda di uso domestico. 

Funzionamento delle caldaie

Schema di funzionamento di una caldaia tradizionale a gas.Ogni caldaia funziona secondo il principio di sottrarre calore ai gas prodotti dalla combustione per darlo all’acqua del riscaldamento. Di conseguenza quanto più la caldaia riesce a raffreddare i gas di scarico, tanto più calore riuscirà a dare all’acqua dell’impianto. Il calore dato all’acqua che deve essere riscaldata è quindi uguale a quello effettivamente sottratto ai gas di combustione, senza quindi contare quello che si prede attraverso i fumi.

Nella pratica il funzionamento è il seguente. Quando il combustibile viene bruciato, passa attraverso uno scambiatore di calore, un dispositivo che sottrae il calore ai fumi di combustione per darlo all’acqua dell’impianto di riscaldamento. Questa a sua volta lo passerà ai radiatori che infine lo daranno all’ambiente riscaldandolo.

Un classico scambiatore di calore di questo tipo è una serpentina che viene riscaldata dai gas di combustione e in cui entra l’acqua fredda dell’impianto di riscaldamento, che sottrae a sua volta il calore alla serpentina, riscaldandosi, per poi uscire dall’altra parte ed andare ai radiatori.

Il potere calorifico

E’ importante però sapere che in un combustibile esistono due tipi di “calore” o meglio di “potere calorifico“, quello “superiore” (che chiameremo anche “p.c.s.”) e quello “inferiore” (che chiameremo anche “p.c.i.”). Il potere calorifico superiore è quello contenuto complessivamente in tutto il combustibile. E’ la quantità totale di energia che si sprigiona complessivamente nel processo di combustione.

Il potere calorifico inferiore è invece quello sfruttabile senza dover fare condensare il vapore prodottosi nella combustione, senza dovere cioè sottrarre ulteriore calore ai gas di combustione per darlo all’acqua dell’impianto, sino a che il vapore della combustione passi allo stato liquido. Il potere calorifico inferiore è chiaramente minore di quello superiore ed è l’unico ad essere sfruttato nelle caldaie tradizionali, attraverso dispositivi come la serpentina appena illustrata. La differenza tra il potere calorifico superiore (p.c.s) e quello inferiore (p.c.i) è chiamata “calore latente del vapore acqueo” e rappresenta quindi la quantità di calore in più rispetto al p.c.i., recuperabile facendo scendere i fumi di combustione sino alla temperatura di condensazione del vapore. Solo le caldaie a condensazione sono in grado di sfruttare tale calore.

Si tenga presente che sia per ragioni storiche, sia per facilitare il confronto dei rendimenti delle caldaie a condensazione rispetto a quelle tradizionali, come base di percentuale viene preso per convenzione il potere calorifico inferiore di un dato combustibile. Di conseguenza parlando del “100%” ad esempio per il gas metano, ci si riferisce al “100% del (solo) potere calorifero inferiore” del gas metano. Chiaramente, mantenendo tale convenzione, essendo il potere calorifico superiore maggiore di quello inferiore (dato che a quest’ultimo si deve aggiungere il calore latente del vapore acqueo), la totalità in percentuale del potere calorifico superiore sarà maggiore del 100%. Questo è un paradosso che ha la giustificazione nella sua efficacia nel confrontare i rendimenti delle caldaie tradizionali e di quelle a condensazione.

Il rendimento energetico nelle moderne caldaie tradizionali

Per quanto riguarda una analisi dei valori precisi di quanto appena detto, chiariamo che i valori che possono essere dati non sono mai assoluti, ma variano a seconda della situazione e per diversi parametri quali il modello di caldaia, il tipo di combustibile, la temperatura esterna, la temperatura di uscita dell’acqua dell’impianto e altri ancora. Di seguito faremo riferimento a un tipo di situazioni piuttosto comuni per caldaie moderne di tipo tradizionale (non quindi a condensazione), funzionanti con una temperatura dell’acqua di 75 gradi, e che quindi giustificano i valori che verranno dati.

Rendimento energetico di una moderna caldaia tradizionale funzionante alla temperatura di 75 gradi.Chiarito questo, e sempre usando la convenzione sopra illustrata, possiamo ora dire che la quantità del calore latente del vapore, che come si è detto è la differenza tra potere calorifico superiore ed inferiore, è in percentuale uguale all’11%. Di conseguenza il potere calorifico superiore sarà uguale a 100% (p.c.i.) + 11% (calore latente), e cioè a 111%. E’ questo il paradosso di cui parlavamo, ma che serve, come si diceva e come meglio si vedrà in seguito, a facilitare il confronto tra le due tipologie di caldaie.

Per quanto riguarda il potere calorifico inferiore, i moderni bruciatori tradizionali, prendendo il caso più comune di lavoro ad una temperatura dell’acqua di riscaldamento di 75 gradi, riescono ad utilizzarne al massimo solo il 90%, perché non sono in grado di abbassare la temperatura dei gas di scarico sotto i 150 gradi circa. Il calore così sfruttato viene chiamato calore sensibile, proprio perché è quello che si potra “sentire” convertito in riscaldamento. Il restante 10% è la parte del calore non sfruttata. Questa parte del calore inferiore, che potrebbe essere sfruttato, si perde quindi attravreso i fumi di combustione che escono nell’ambiente esterno lungo il tubo della caldaia ad una temperatura di circa 150 gradi, sprecando così una considerevole quantità di energia. Detto diversamente, nei tradizionali bruciatori, il 10% del potere calorifico inferiore viene sprecato.

A questo spreco si deve aggiungere quello costituito da tutto il calore latente del vapore acqueo, che come si è visto ammonta a circa l’11%, dato che i bruciatori tradizionali non sono in grado di sfruttarne neppure una parte. Di conseguenza del 111% del potere calorifico superiore, che ricordiamo è la totalità di energia disponibile in un combustibile, le caldaie tradizionali ne sfruttano al massimo il 90%, sprecandone quindi circa il 21%.
Tutto quanto qui detto, che magari può apparire un po’ troppo tecnico, è essenziale per capire come le caldaie a condensazione riescano ad avere rendimenti ben maggiori di quelle tradizionali, argomento che trattiamo in questo articolo.

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