Calore, Energia e Impianti: Definizione e Tipologie

L'impianto termico è un sistema tecnologico che serve a riscaldare e/o raffrescare gli ambienti. La definizione normativa è data dal dlgs 192/2005, come modificato dal dlgs 48/2020: “impianto tecnologico fisso destinato ai servizi di climatizzazione invernale o estiva degli ambienti, con o senza produzione di acqua calda sanitaria o destinato alla sola produzione di acqua calda sanitaria, indipendentemente dal vettore energetico utilizzato, comprendente eventuali sistemi di produzione, distribuzione, accumulo e utilizzazione del calore nonché gli organi di regolazione e controllo, eventualmente combinato con impianti di ventilazione.

Gli impianti termici (di climatizzazione invernale/estiva) dediti al riscaldamento e raffrescamento degli edifici, sono una fonte significativa di gas effetto serra e responsabili dei cambiamenti climatici. In Europa gli edifici sono responsabili per il 40% del consumo energetico (e per il 36% delle emissioni di gas serra): l’80% dell’energia utilizzata è associata alla climatizzazione e alla produzione di acqua calda sanitaria. Per questo è necessario un uso consapevole e vocato al risparmio energetico, nonché alimentato con fonti di energia pulite.

Tipologie e Componenti degli Impianti Termici

Dopo un’ampia panoramica introduttiva, ci concentreremo sugli impianti termici o di climatizzazione invernale ed estiva più diffusi in ambito residenziale, in utenze di tipo domestico, passandone in rassegna le principali tipologie esistenti (caldaia a condensazione, pompa di calore, sistemi ibridi, impianti a biomassa, collettori solari termici, microcogenerazione, teleriscaldamento), le caratteristiche ed i componenti (dal generatore ai terminali), senza dimenticare l’integrazione con le fonti rinnovabili ed i sistemi collettivi di teleriscaldamento e cogenerazione.

1. Sistema di Generazione: Il Generatore di Calore

Il generatore (ad es. caldaia, pompa di calore) è il cuore dell’impianto termico. Nel caso di grandi impianti (ad es. un condominio centralizzato), sarà custodito in un locale apposito, la Centrale termica, la cui progettazione deve seguire rigorose normative.

Il generatore di calore è il cuore dell’impianto termico o di climatizzazione invernale/estiva con o senza produzione di acqua calda sanitaria. Può essere alimentato a gas naturale (metano), gasolio, olio combustibile, gpl, energia elettrica. L’impianto può essere di tipo centralizzato (come nel caso di un condominio con centrale termica) o autonomo (se può essere gestito direttamente dall’utente nella propria unità immobiliare.

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Caldaia a Condensazione

Sebbene le pompe di calore si diffondono a vista d’occhio, caratterizzando le facciate dei palazzi delle nostre città, la tecnologia storicamente più diffusa per il riscaldamento è quella della caldaia. Nella gran parte degli impianti di riscaldamento esistenti, il calore è generato dalla combustione di gas naturale, gasolio o altro. Nel tempo, la caldaia si è evoluta arrivando oggi alla sua configurazione più efficiente, la caldaia a condensazione, che sfrutta al massimo l’energia contenuta nel combustibile. L’elemento innovativo, rispetto alla caldaia standard, è la capacità di recuperare parte del calore latente dalla condensa dei fumi raffreddati. I vantaggi della caldaia a condensazione sono nei consumi energetici ridotti (e quindi minori costi) grazie all’elevato rendimento, basse emissioni inquinanti, ridotta massa e temperatura dei fumi. Inoltre, a differenza della pompa di calore, la caldaia ha una potenza massima sempre disponibile non influenzata dalle condizioni di lavoro.

Pompa di Calore (PdC)

Le pompe di calore sono fino a 4 volte più efficienti di una caldaia a gas: la pompa di calore è una tecnologia efficiente per il riscaldamento, il raffrescamento e la produzione di acqua calda sanitaria, con vantaggi sia economici che ambientali. Possono essere del tipo a gas (o ad assorbimento) o elettriche (a compressione). Il principale vantaggio nell’uso della PdC risiede nel ridotto consumo energetico: solo una parte dell’energia richiesta per riscaldare o raffrescare gli ambienti deve essere fornita dalla rete (elettrica o gas); la restante quota è fornita gratuitamente dall’energia prelevata dall’ambiente esterno, con considerevoli risparmi energetici. Il privilegio delle pompe di calore elettriche sta nel poter sfruttare energia gratuita per il loro funzionamento: se abbinate infatti ad una fonte energetica rinnovabile come quella solare, in combinazione con i pannelli fotovoltaici, possono funzionare sfruttando l’energia gratuita del sole. Parametri fondamentali per valutare l’efficienza di una pompa di calore elettrica sono i coefficienti COP (Coefficent of Performance, coefficiente di prestazione) ed EER (Energy Efficiency Ratio, rapporto di efficienza energetica) che indicano rispettivamente l’efficienza di riscaldamento e di raffrescamento dei climatizzatori.

Impianto Ibrido (Caldaia + PdC)

La resa di una pompa di calore diminuisce alle basse temperature. Sotto certe temperature è più conveniente usare la caldaia perché, a pari effetto, il costo del consumo di energia elettrica supera il costo del gas bruciato. La soluzione? Unire le due tecnologie sfruttando le potenzialità di entrambe: quello che si ottiene è un impianto ibrido, dove la caldaia e la pompa di calore lavorano in sinergia, attivandosi una o l’altra a seconda delle migliori condizioni di esercizio. Il punto di forza degli impianti ibridi, è la collaborazione tra caldaia e pdc, gas ed elettricità. In funzione delle condizioni climatiche esterne, infatti, il sistema sceglie quale dei due impianti sia più efficiente in quelle condizioni d’uso e, automaticamente, seleziona il generatore di calore più appropriato. Generalmente, a basse temperature esterne (sotto i 7 °C) è sempre più conveniente utilizzare la caldaia a gas. Viceversa, per temperature più miti, la pompa di calore è la scelta più vantaggiosa. Un apparecchio ibrido può essere configurato in numerose varianti, secondo i vettori energetici, le sorgenti di calore, gli schemi impiantistici adottati. Concludendo, il sistema ibrido (pompa di calore + caldaia a condensazione) è programmato per selezionare automaticamente la giusta combinazione di tecnologie per massimizzare l’efficienza energetica (in relazione alle temperature esterne) e fornire livelli di comfort ideali.

Impianto a Biomasse

Gli impianti di climatizzazione invernale a biomasse combustibili, sono dotati di generatori di calore del tipo a caldaia, camino o termocamino, stufa. Le biomasse, prima fonte di energia utilizzata dall’uomo, sono una fonte rinnovabile, sono ogni materiale di origine biologica (organica) sia animale che vegetale, che non abbia subito un processo di fossilizzazione. Le biomasse combustibili si trovano in commercio generalmente come derivati del legno sotto forma di ciocchi o tronchetti di legno, bricchette, cippato di legna e pellet. La classificazione qualitativa dei biocombustibili solidi è definita a livello europeo dalla specifica tecnica CEN/TS 14961 (Solid biofuels, fuel specification and classes, 2005) sulla base della quale nel 2007 è stata pubblicata in Italia la specifica tecnica UNI/TS 11264 “Caratterizzazione di legna da ardere, bricchette e cippato”. Il potere calorifico della biomassa è sensibilmente inferiore a quello dei combustibili fossili, ed è variabile in funzione del tipo di biomassa (specie legnosa, presenza di corteccia, biomassa erbacea ecc.) nonché fortemente influenzato dal tenore idrico (inversamente proporzionale).

Ventilazione Meccanica Controllata (VMC)

La Ventilazione Meccanica Controllata (VMC) è una tecnologia relativamente recente, che si è fortemente sviluppata parallelamente alla comparsa di edifici dall’alta efficienza energetica (passivi o nZEB), con involucri fortemente coibentati ad elevata tenuta all’aria e serramenti a doppi e tripli vetri bassoemissivi che non permettono al fabbricato di “respirare” naturalmente (cosa che nei vecchi edifici avviene tramite infiltrazioni, ricambi d’aria o dispersioni termiche: i cosiddetti “spifferi”) con il conseguente abbassamento della qualità dell’aria interna. Il Decreto del Ministero della Sanità del 5 luglio 1975, impone alcuni requisiti di agibilità (o abitabilità), dalle superfici minime dei locali e delle finestre (sup. aeroilluminante) fino a prevedere il ricorso alla ventilazione meccanica ove quella naturale ne sia impedita (ad es. cucine e/o gabinetti). Per la progettazione della ventilazione negli edifici occorre seguire il pacchetto di norme UNI EN 16798. A partire dal 1 gennaio 2016 è entrato in vigore il Regolamento n. Quando la ventilazione meccanica controllata è un sistema completo (di cui l’unità di trattamento dell’aria o UTA è parte integrante) che permette di tenere sotto controllo anche altri parametri quali la temperatura dell’aria, l’umidità relativa e la concentrazione di inquinanti, garantendo riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria è anche identificato con la sigla HVAC (letteralmente: Heating, Ventilation and Air Conditioning). Il vantaggio più significativo, che permette un notevole risparmio energetico, dei sistemi VMC moderni è la capacità di recupero termico.

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2. Sistema di Distribuzione

Il sistema di distribuzione dell’impianto termico trasporta il calore nei vari ambienti dell’edificio: è costituito dall’insieme delle tubazioni o canali di mandata e ritorno in cui circola il fluido termovettore. Negli impianti ad acqua o idronici il trasferimento del fluido termovettore dal generatore ai terminali di erogazione (radiatori, ventilconvettori, pannelli radianti), avviene attraverso una rete di distribuzione costituita da tubi adeguatamente coibentati. Negli impianti ad aria o aeraulici il trasferimento del fluido termovettore dal generatore ai terminali di erogazione avviene attraverso una rete di distribuzione costituita da canali (rettangolari o circolari) che trasportano l’aria dalle griglie (di estrazione) alle bocchette (di immissione).

3. Sistema di Regolazione e Controllo

Il sistema di regolazione e controllo degli impianti per il riscaldamento e il raffrescamento è costituito dall’insieme delle valvole, termostati, sonde termiche, sensori ecc. che gestiscono e controllano sia il flusso che la temperatura del fluido termovettore, sia la temperatura ambiente. Possono, ad esempio, regolare la temperatura a zona, assegnando a ciascun locale quella più adatta per le specifiche esigenze. I sistemi più semplici di termoregolazione sono le valvole termostatiche apposte sui radiatori che ne permettono il controllo manuale del calore regolando il flusso dell’acqua.

4. Sistema di Emissione

Il sistema di emissione di un impianto di climatizzazione è costituito da terminali o apparecchi che erogano il calore agli ambienti e rappresentano l’elemento finale, ultimo, dell’impianto termico. L’impianto termico ad acqua (idronico) con corpi scaldanti nelle diverse configurazioni (radiatori, termoarredi e scaldasalviette), rappresentano i terminali di scambio termico più diffusi negli edifici residenziali: semplici da installare e abbinabili alle caldaie tradizionali. Sempre per l’impianto idronico, altro tipo di terminali sono i ventilconvettori (o fan-coil), caratterizzati da un elevato livello di efficienza grazie alla velocità con cui riscaldano gli ambienti (se dimensionati correttamente) e alla bassa temperatura del fluido termovettore (intorno a 50 °C). Inoltre possono funzionare, a differenza dei radiatori, anche per il raffrescamento estivo. Altro tipo di terminali sono i pannelli radianti (a pavimento, parete o soffitto), per il riscaldamento e raffrescamento degli ambienti. L’impianto sfrutta la grande superficie a disposizione per lo scambio termico prevalente a irraggiamento.

Il Vaso di Espansione

Il sistema a vaso di espansione serve per assorbire gli aumenti di volume dell'acqua quando aumenta di temperatura. Infatti l'aumento di temperatura provoca un aumento di pressione dell'acqua e di conseguenza un aumento di volume di circa il 4% con il passaggio della temperatura dell'acqua da 15°C a 90°C.

Tipologie di Vaso di Espansione

• Vasi di espansione chiusi: autopressurizzati, pressurizzati, a membrana. Vengono precaricati in pressione per eguagliare o superare la pressione dell'impianto.
• Vasi di espansione aperti: Le vasche sono collegate alla caldaia tramite un tubo di carico e un tubo di sicurezza opportunamente dimensionati in base alla potenza della caldaia e che partono dalla caldaia e raggiungono il vaso di espansione collocato nel punto più in alto dell'impianto.

Il vaso di espansione deve essere dimensionato dal termo tecnico in base alla capacità e dimensione dell'impianto termico in modo da assorbire gli aumenti di volume che subisce il fluido termico quando aumenta di temperatura. Occorre quindi fare molta attenzione quando si fanno ridimensionamenti all'impianto termico come l'aggiunta di una caldaia o di elementi riscaldanti nelle stanze per avere più caldo. In questi casi bisogna verificare che il vaso di espansione sia adeguato alle nuove dimensioni dell'impianto e, se inadeguato, va sostituito con uno idoneo.

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Tipologie di Impianti

• Impianti a pioggia a circolazione naturale: Qui il generatore di calore viene installato nel punto più basso dell'impianto, come ad esempio in una cantina. La circolazione dell'acqua calda è possibile perché durante la fase di riscaldamento, l'acqua aumenta di volume e diventa più leggera, permettendogli di salire in modo naturale fino a raggiungere il punto più alto da dove ridiscende passando per i corpi scaldanti e cedendo calore, si raffredda, si comprime e diventa più pesante, fino a rientrare in caldaia per essere di nuovo riscaldata.
• Impianti a sorgente
• Impianti a livello
• Impianti monotubo

Riscaldamento Elettrico: Tipologie e Considerazioni

Devi scegliere il riscaldamento per la tua casa? L’uso della corrente elettrica spesso è associato a risparmio, semplicità di installazione, comfort percepito, ma in realtà dietro questo argomento ci sono un gran numero di tecnologie. I prodotti più semplici fanno uso di resistenze elettriche che trasformano l’energia elettrica in calore, e poi lo diffondono nell’ambiente in modi diversi, con ventole o anche per semplice contatto con le superfici.

Esistono diverse tipologie di riscaldamento elettrico, ciascuna con caratteristiche specifiche in termini di efficienza, modalità di installazione e utilizzo. Dalle soluzioni più tradizionali, come termosifoni e stufe elettriche, a quelle più innovative, come il riscaldamento a pavimento o a parete, ogni tecnologia può rispondere a differenti esigenze abitative e di comfort.

Tipologie di Riscaldamento Elettrico

• Termosifoni elettrici: esteticamente molto simili ai classici termosifoni, ma non sono collegati alla rete idrica, e quindi non sono attraversati da acqua calda. Per mantenere più a lungo il calore generato spesso hanno al loro interno oli speciali.
• Radiatori elettrici: Cugini dei termosifoni elettrici, ma diversi esteticamente sono i radiatori elettrici. A differenza dei termosifoni, possono essere posizionati liberamente poiché hanno bisogno solo di una presa di corrente, e non serve il collegamento all’impianto idraulico. I radiatori elettrici sono usati spesso in ristrutturazioni di vecchie abitazioni, dove magari non era nemmeno presente un impianto idraulico diffuso, visto l’utilizzo di vecchie stufe e camini.
• Riscaldamento elettrico a pavimento: Si intendono due diverse tipologie di impianto. In quello più diffuso, una pompa di calore elettrica genera acqua calda, che poi viene convogliata in tubi a spirale situati sotto il pavimento. Esiste poi una variante che non ha bisogno di apparecchiature esterne, poiché sotto il pavimento sono direttamente posizionati dei cavi resistenza, che si scaldano ed ottengono il medesimo risultato. A differenza del tradizionale riscaldamento a pavimento però si tende ad inserire questa struttura in un massetto molto più sottile, o addirittura ad evitare del tutto un massetto, posizionando subito sopra i cavi riscaldanti il pavimento scelto. Inoltre, si tratta di un sistema che spesso è scelto nelle ristrutturazioni, dove potrebbe non essere possibile variare di molto l’altezza della stanza. Anche pochi millimetri non utilizzati quindi sono importanti. Avendo una capacità radiante inferiore rispetto al riscaldamento a pavimento ad acqua, è consigliato sfruttare il riscaldamento elettrico in case ben isolate, in caso contrario si rischia che il calore prodotto si disperda rapidamente e non sia sufficiente per raggiungere il comfort desiderato.
• Riscaldamento elettrico a soffitto: una variante del riscaldamento a pavimento, ma posizionato dal lato opposto della stanza. L’installazione è più complessa, ma il tutto può facilmente essere nascosto senza lavori invasivi, poiché tutti gli impianti vengono nascosti in controsoffitto di cartongesso.
• Riscaldamento a battiscopa: sfrutta proprio il bordo tra pavimento e parete, dietro il quale viene nascosto un corpo riscaldante elettrico, solitamente una resistenza.
• Ventilconvettori (fancoil): sempre più utilizzati, grazie alla facilità di installazione. Sono quindi una soluzione ideale per chi vuole sfruttare una pompa di calore, ma non ha possibilità di fare lavori invasivi per installare un intero riscaldamento a pavimento. L’acqua calda passa in uno scambiatore di calore, ed una ventola diffonde il caldo nella stanza, riscaldandola velocemente.

Efficienza e Costi

Sicuramente il prodotto elettrico più efficiente, e che quindi consuma meno, è la pompa di calore, e di conseguenza al top della categoria troviamo il riscaldamento a pavimento con circuito ad acqua, ed il suo parente stretto a soffitto. È necessario considerare anche che il riscaldamento elettrico non sempre può essere una soluzione ottimale. Un ultimo punto sicuramente importante è quello dei costi, che sono molto variabili. Una caldaia tradizionale, anche a condensazione, può costare poche centinaia di euro, mentre una pompa di calore costa alcune migliaia di euro, fino ad arrivare anche a cifre intorno ai 10.000 euro per i modelli migliori. Di conseguenza avere un impianto moderno e con consumi ridotti richiede a volte un investimento iniziale importante. Lo stesso discorso vale per tipologie di riscaldamento elettrico che coinvolgono ampie superfici, come pavimento o soffitto.

La tecnologia è sempre più presente nella nostra vita quotidiana, e può esserlo anche in casa con un impianto domotico. Oggi un impianto domotico, che permette di controllare da remoto e in modo smart tutto ciò che utilizza energia elettrica in casa, è accessibile a chiunque, e non più solo per le case più costose e futuristiche.

Centrali Termiche: Definizione e Funzionamento

Le centrali termiche rappresentano un elemento cardine nel panorama energetico moderno, giocando un ruolo fondamentale nella produzione di calore. Una centrale termica è un impianto che converte energia da combustibili come gas, gasolio o biomassa in calore, utilizzato per riscaldare edifici, produrre acqua calda sanitaria o alimentare processi industriali contribuendo significativamente al comfort abitativo e all’efficienza energetica di edifici residenziali e industriali.

Il funzionamento di una centrale termica si basa sulla conversione di energia da una fonte primaria in energia termica sotto forma di calore che viene poi distribuito attraverso un sistema di tubazioni e radiatori per riscaldare gli ambienti o produrre acqua calda sanitaria. Il processo inizia con l’accensione del generatore di calore, che brucia il combustibile per produrre energia termica che viene poi trasferita a un fluido termovettore, solitamente acqua o vapore, attraverso uno scambiatore di calore. Il fluido riscaldato viene quindi pompato attraverso il sistema di distribuzione, che può includere pompe e valvole per regolare il flusso e la pressione. I sistemi di controllo e regolazione assicurano che il processo avvenga in modo efficiente e sicuro, mantenendo la temperatura desiderata e monitorando i parametri operativi.

Tipi di Centrali Termiche

• Centrali termiche a gas: utilizzano il gas naturale come combustibile principale. Questi impianti sono noti per la loro efficienza e la ridotta emissione di inquinanti rispetto ad altre fonti fossili.
• Centrali termiche a gasolio: impiegano il gasolio come combustibile e per questo sono considerate meno ecologiche rispetto a quelle a gas. Il loro utilizzo è preferito nelle aree dove il gas naturale non è facilmente disponibile.
• Centrali termiche a biomassa: utilizzano materiale organico, come legno, scarti agricoli o rifiuti organici, come fonte di energia. Questo tipo di impianto a biomassa è considerato più sostenibile.
• Centrali termiche a teleriscaldamento: producono calore centralizzato che viene poi distribuito a un vasto numero di edifici attraverso una rete di tubazioni sotterranee.

Componenti di una Centrale Termica

• Generatore di calore: il cuore della centrale termica che ha lo scopo di convertire l’energia del combustibile in energia termica.
• Scambiatore di calore: trasferisce l’energia termica dal generatore al fluido termovettore.
• Pompe e valvole: cruciali per il trasporto e la regolazione del fluido termovettore all’interno del sistema.
• Sistemi di controllo e regolazione: monitorano e gestiscono il funzionamento della centrale termica, ottimizzando l’efficienza e la sicurezza.

Vantaggi e Svantaggi delle Centrali Termiche

Vantaggi

• Efficienza energetica: progettate per massimizzare l’efficienza energetica, riducendo i consumi di combustibile e le emissioni inquinanti.
• Affidabilità: in grado di fornire calore in modo costante e affidabile.
• Flessibilità: possono essere alimentate con diversi tipi di combustibile.
• Sostenibilità: le centrali a biomassa e a teleriscaldamento offrono soluzioni più sostenibili.

Svantaggi

• Costo iniziale: l’installazione può richiedere un investimento iniziale significativo.
• Manutenzione: richiedono una manutenzione regolare.
• Impatto ambientale: l’uso di combustibili fossili può contribuire alle emissioni di gas serra.

Applicazioni delle Centrali Termiche

• Centrale termica condominiale: riscaldamento di edifici residenziali.
• Riscaldamento di edifici industriali: per mantenere le condizioni operative ottimali.
• Produzione di acqua calda sanitaria: per il comfort domestico e applicazioni commerciali.

Normativa per le Centrali Termiche

La normativa per le centrali termiche è fondamentale per garantire la sicurezza, l’efficienza e la sostenibilità degli impianti. In Italia, le centrali termiche devono rispettare una serie di norme e regolamenti, tra cui:

• Norme UNI: definiscono i requisiti per la progettazione, l’installazione e la manutenzione.
• Regolamenti regionali: integrano le norme nazionali, tenendo conto delle particolari esigenze locali.
• Direttive europee: stabiliscono obiettivi e requisiti minimi per l’efficienza energetica e la riduzione delle emissioni inquinanti.

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