Radiatori e pannelli radianti per le caldaie a condensazione: introduzione

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Radiatori e pannelli radianti per le caldaie a condensazione: introduzione.

Questo articolo, data la lunghezza, è stato suddiviso in due parti. La prima, più teorica, è una introduzione ad alcuni concetti e termini usati per  illustrare e confrontare, nella seconda parte, le diverse soluzioni di radiatori disponibili per le caldaie a condensazione. Chi volesse saltare l'introduzione, può farlo andando subito alla parte più pratica: "Radiatori e pannelli radianti per le caldaie a condensazione: soluzioni disponibili".
Di seguito, per evitare ripetizioni inutili, verrà a volte usato il termine "radiatore" per indicare non solo i radiatori propriamente detti, ma anche i pannelli radianti. Il significato corretto risulterà comunque chiaro dal contesto.  

E' una opinione abbastanza diffusa quella secondo cui le caldaie a condensazione possano fornire apprezzabili aumenti di rendimento solo se utilizzate con appositi radiatori, opinione che giudica i vecchi classici termosifoni, apparecchi inadeguati per l'utilizzo con tale tipo di caldaie. Ma come stanno davvero le cose?

Sfruttamento del vapore e temperatura di mandata e ritorno
 

Per iniziare a rispondere a questa domanda è bene ricordare che le caldaie a condensazione funzionano recuperando il calore del vapore ottenuto nei fumi di combustione. Tale recupero implica la trasformazione del vapore in acqua, passaggio che libera una consistente quantità di calore e che avviene ad una temperatura di 55 gradi (che può arrivare fino a 57, in dipendenza in particolare della quantità di anidride carbonica presente nei prodotti di combustione che varia a seconda del tipo di gas utilizzato e di altri fattori).

Affinché la caldaia sia in grado di "assorbire" tale calore, l'acqua che circola nello scambiatore di calore della caldaia stessa deve essere chiaramente ad una temperatura inferiore, temperatura che corrisponde a quella di ritorno dell'impianto di riscaldamento. Facendo un esempio, se la temperatura di ritorno, quella cioè dell'acqua che arriva alla caldaia dopo essere passata nei radiatori, è di 50 gradi, allora nello scambiatore di calore tale acqua riuscirà a sottrarre al calore del vapore una quantità proporzionale ai 7 gradi di differenza. La parte cioè recuperata dal vapore sarà proporzionale a quei sette gradi, benché non "uguale" a 7 gradi, dato che per ragioni termodinamiche solo parte di quei sette gradi sono davvero utilizzabili. Altro calore potrà chiaramente essere recuperato dagli altri fumi di combustione, che cedono calore a temperature molto più alte dei 55/57 gradi del vapore acqueo.

Stando così le cose è evidente come più bassa è la temperatura di ritorno dell'impianto, maggiore è la quantità di calore recuperabile dal vapore. Con una temperatura di ritorno di 30 gradi, la caldaia è quindi in grado di recuperare una quantità di calore molto maggiore che non con quella dei 50 gradi dell'esempio. La cosa è facilmente visibile nel grafico qui sotto, che mostra come la quantità di vapore che si condensa aumenti al diminuire della temperatura.

Dovrebbe essere anche chiaro come la temperatura di ritorno dell'impianto varia a seconda di quella di mandata, che è la temperatura alla quale l'acqua dell'impianto esce dalla caldaia per andare ai radiatori. Più quella di mandata è alta, più sarà alta la temperatura di ritorno, dato che benché i radiatori sottraggano calore all'acqua per darlo all'ambiente, la diminuzione di temperatura che tale sottrazione implica sarà sempre relativamente modesta, spesso nell'ordine di una decina di gradi.

Per questa ragione più è bassa la temperatura di mandata, quella cioè su cui si agisce direttamente nella regolazione della caldaia, più in media sarà alto il rendimento della caldaia stessa, perché sarà maggiore la quantità di calore recuperata dal vapore. Lavorare a temperature di mandata (e di conseguenza di ritorno) particolarmente basse, significa per una caldaia a condensazione poter fornire i massimi rendimenti.

L'idea di abbassare a piacere la temperatura di mandata dell'impianto, regolandola al minimo sulla caldaia per avere il massimo rendimento, non è però realizzabile. Questo perché per avere negli ambienti una temperatura confortevole, ad esempio di 20 gradi, la temperatura dell'acqua che circola nei radiatori deve essere considerevolmente superiore alla temperatura di comfort, altrimenti l'ambiente disperderebbe all'esterno il calore con la stessa velocità con la quale i radiatori lo forniscono, e non raggiungerebbe mai la temperatura voluta.

La differenza tra temperatura desiderata e temperatura dell'acqua dei radiatori, chiamata Delta Termico, deve quindi essere abbastanza alta affinché il tutto funzioni efficacemente. Quanto alta dipende essenzialmente da due fattori: il livello di isolamento termico dell'ambiente e la capacità dei radiatori di scambiare calore con l'ambiente stesso.
 

L'isolamento termico dell'ambiente
 

Riguardo al primo, è chiaro come un immobile con un buon isolamento, sia in grado di trattenere maggiormente il calore al proprio interno rispetto ad uno male isolato. Ciò fa sì che per avere la stessa temperatura, il calore che deve essere fornito dai radiatori in un certo periodo di tempo nell'immobile bene isolato, sia inferiore a quello richiesto in un immobile male isolato. Detto diversamente la velocità con cui il calore viene fornito deve essere maggiore nell'immobile male isolato, e di conseguenza deve essere maggiore la temperatura dell'acqua dei radiatori, dato che più questa è alta più il calore viene fornito velocemente. Per questa ragione in un immobile con un buon isolamento la temperatura dell'acqua dell'impianto, può essere "ragionevolmente" bassa, e sicuramente inferiore a quella di un immobile male isolato.
 

La capacità di scambiare calore
 

L'altro fattore, e cioè la capacità di scambio del calore dei radiatori, è un po' più complesso, dipendendo sia dall'ampiezza della superficie dei radiatori, sia dalla cosiddetta "inerzia" del radiatore stesso.

La superficie del radiatore

Partendo dalla prima è facile capire che più è ampia la superficie del radiatore, più facilmente questo, a parità di altre condizioni, riuscirà a far passare il calore dell'acqua contenuta al suo interno all'ambiente. Radiatori con superfici molto ampie, scambiando molto velocemente il calore, possono quindi essere utilizzati con temperature di mandata dell'impianto molto basse. Radiatori piccoli hanno invece bisogno di temperature di mandata più alte. Detto diversamente il delta termico di lavoro di un radiatore, e cioè la differenza tra la temperatura dell’ambiente e quella dell’acqua del radiatore, è inversamente proporzionale alla superficie del radiatore, come si evince dalle tabelle sottostanti, che illustrano come bisogna dimensionare un radiatore per avere il medesimo comfort, a seconda del delta termico (e quindi della temperatura di mandata) a cui l'impianto lavora:

Si nota chiaramente come al diminuire del delta termico la dimensione del radiatore aumenti in proporzione.

Se si guardano le cose più da vicino si capisce che non potrebbero stare diversamente. Ogni ambiente infatti, fissata una determinata temperatura esterna e una interna che si desidera mantenere (temperatura di comfort), disperdendo in ogni caso del calore all'esterno, ha bisogno di uno specifico apporto di calore affinché la temperatura interna rimanga costante. Più l'ambiente è male isolato e la differenza tra temperatura interna ed esterna è alta, più sarà alta la velocità alla quale il sistema di riscaldamento dovrà fornire il calore all'ambiente.

La velocità in questione viene misurata in kW (chilowatt). Di conseguenza ogni ambiente, data una certa temperatura esterna e una interna (quella che si desidera avere) ha bisogno di un certo numero di kW per mantenerla. Dato che la velocità a cui il calore può essere scambiato con l'ambiente dal radiatore dipende, come si diceva, dal delta termico a cui il radiatore viene fatto lavorare, ne consegue che i kW che ogni radiatore riesce a fornire dipendono dal delta termico della situazione.

Tutto questo è chiaramente illustrato nella grafica sottostante che mostra come calcolare i kW che un dato radiatore è in grado di fornire a seconda del delta termico al quale il radiatore viene fatto lavorare. Nell'esempio viene preso come "base" un radiatore in grado di fornire 1 kW  lavorando con un delta termico di 50°, che è il delta termico nominale di riferimento dei costruttori, perché è quello a cui tradizionalmente lavoravano i radiatori con le caldaie tradizionali:

E' facile notare che mentre con una caldaia tradizionale che lavora ad un delta termico alto, di 50°, il radiatore dell'esempio riesce a fornire la potenza di 1 kW, la potenza fornita con una caldaia a condensazione che lavora con un delta termico basso, di 25°, è notevolmente inferiore. Per calcolarla bisogna moltiplicare 1 kW per 0,41, che è il fattore di conversione corrispondente al delta termico di 25°, come si evince dalla tabella. La caldaia a condensazione, la vorando a bassa temperatura, riesce quindi a fornire con quello stesso radiatore 0,41 kW, mentre la caldaia tradizionale, lavorando ad un delta di 50°, fornisce 1 kW intero.

Se quindi si vuole ottenere con una caldaia a condensazione che lavora a una bassa temperatura di mandata, lo stesso apporto di calore dato da una tradizionale che lavora a temperature più alte, bisogna aumentare le dimensioni del radiatore in modo che si aumenti la sua capacità di scambiare calore con l'ambiente. E' questa la ragione per cui i radiatori utilizzati a basse temperature necessitano di dimensioni maggiori.

Si faccia attenzione che quanto detto non significa per nulla che un radiatore con una caldaia a condensazione renda di meno nel senso di consumare più gas (o gasolio) e scaldare meno. Al contrario, il rendimento energetico, per tutte le ragioni sopra esposte, è ben maggiore. Quella che è invece minore è solo la velocità con cui il radiatore riesce a fornire una stessa quantità di calore all'ambiente.

L'inerzia termica

Riguardo all'inerzia, l’altra caratteristica da tenere in considerazione riguardo alla facilità di scambio del calore dei radiatori,  indica il tempo che il corpo del radiatore impiega per passare ad una diversa temperatura quando si modifica la sua regolazione. Quando quindi si dice che un radiatore ha un'inerzia alta, significa che da quando viene attivato richiede un tempo (relativamente) lungo per essere portato alla giusta temperatura di funzionamento. Di conseguenza maggiore è la velocità con cui il radiatore raggiunge la temperatura alla quale funziona in maniera efficace, minore è l'inerzia. L'inerzia dipende essenzialmente dai materiali di cui è fabbricato il radiatore, nonché dallo spessore degli stessi, e anche da ciò che, in determinati casi, circonda o ingloba il radiatore o il pannello radiante.

Per comprendere come stanno le cose si può confrontare un vecchio termosifone in ghisa con uno moderno in alluminio. Si vedrà che l'inerzia del primo è molto più alta di quella del secondo, per due ragioni. La prima è che la conducibilità termica dell'alluminio, cioè la sua capacità di scambiare calore, è circa 4 volte superiore a quella della ghisa. La seconda ragione è che le pareti dei termosifoni in ghisa sono molto più spesse di quelle dei termosifoni in alluminio. Cosa che comporta un tempo più lungo affinché l'intera massa del termosifone sia portata alla giusta temperatura di funzionamento.

In determinate tipologie di radiatore, come si accennava, bisogna però anche considerare i materiali che possono "separare" il radiatore stesso o gli elementi del pannello radiante, dall'aria dell'ambiente da riscaldare. Il classico caso è quello dei pannelli radianti a pavimento, che a differenza ad esempio dei termosifoni, sono separati dall'aria dell'ambiente dall'intero spessore del pavimento. E' tale spessore a costituire, per buona parte, l'inerzia di questo tipo di radiatori, che è generalmente alta. Il motivo è che il pavimento è di solito costituito da materiali a bassa conducibilità termica, ad esempio il marmo, utilizzati in spessori notevoli, caratteristiche che incidono negativamente sull'inerzia.

Parlando in generale, avere una bassa inerzia è importante soprattutto in quelle situazioni in cui vi è bisogno di riscaldare velocemente un determinato ambiente, o comunque avere a disposizione un sistema che "risponda" velocemente alle esigenze dell'ambiente. Un caso comune è quello delle residenze utilizzate sporadicamente, magari nelle vacanze o nei fine settimana, e lasciate chiuse negli altri periodi. In questi casi gli ambienti sono inizialmente particolarmente freddi e necessitano quindi di un riscaldamento "veloce". Dei radiatori ad alta inerzia impiegherebbero troppo tempo per giungere alla temperatura corretta di funzionamento, cosa che ritarderebbe il riscaldamento dell'ambiente. In questi casi, radiatori a bassa inerzia, sono di solito più efficaci.

Considerando invece in particolare le caldaie a condensazione, o comunque i sistemi che lavorano con bassi delta termici, radiatori a bassa inerzia consentono di raggiungere velocemente la temperatura di funzionamento e poi quella ottimale per l'ambiente riscaldato, e poi di mantenerla tale, attivando la caldaia per il solo tempo necessario a recuperare il calore perso dall'ambiente. Questo, grazie alla velocità con cui il calore viene immesso negli ambienti dai radiatori a bassa inerzia. L'utilizzo in questa modalità può aumentare in maniera sensibile i rendimenti e quindi i relativi risparmi.

Seconda parte:  "Radiatori e pannelli radianti per le caldaie a condensazione: soluzioni disponibili".

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