Il fluido termovettore, o vettore di calore, è una sostanza in grado di trasportare il calore dalla fonte di calore al terminale di riscaldamento. Affinché un sistema di riscaldamento centralizzato funzioni, il calore viene trasportato attraverso tubi, circuiti e altri tipi di canali proprio tramite il vettore di calore.
In questo articolo discuteremo esclusivamente dei fluidi termovettori liquidi, tralasciando quelli gassosi come aria o vapore, che non vengono utilizzati nei sistemi domestici.
Acqua come Fluido Termovettore
L'acqua per il riscaldamento è la soluzione più ovvia, poiché è facilmente e rapidamente disponibile. È decisamente anche una delle opzioni più economiche, più conveniente rispetto al glicole o a fluidi simili. Tuttavia, contiene numerose impurità sotto forma di sospensioni organiche e inorganiche invisibili a occhio nudo - ma soprattutto sali disciolti, gas e colloidi (come la silice e altri composti). Questi componenti indesiderati hanno effetti negativi sul funzionamento degli apparecchi di riscaldamento e idraulici.
Di conseguenza, l'acqua per gli impianti di riscaldamento richiede talvolta un trattamento per essere sicura per il nostro sistema e per garantire un’efficace trasmissione del calore. L’acqua possiede, però, anche altre caratteristiche di cui spesso ci si dimentica nella progettazione degli impianti, come il residuo secco, l’ossidabilità e il pH.
Calore Specifico dell'Acqua
Per i più curiosi, è interessante sapere che l'acqua varia il suo calore specifico a seconda della temperatura. Il calore specifico dell'acqua varia infatti da circa 4,226 kJ/kgK (per acqua a 0 gradi Celsius) a 4,194 kJ/kgK a una temperatura di 80 gradi Celsius. Anche il coefficiente di conducibilità termica dell'acqua cambia con la temperatura, variando da 0,558 W/mK a 0,681 W/mK (per temperature presenti nei sistemi di riscaldamento domestici, dai valori più bassi fino a +80°C).
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Le difficoltà nell’utilizzo dell’acqua in alcuni impianti, specialmente industriali piuttosto che domestici, derivano anche dal fatto che cambia stato intorno a 0 gradi, mentre tra 90 e 100 gradi inizia a bollire e a evaporare, aumentando notevolmente la pressione nell’impianto. Di conseguenza, è essenziale proteggere gli impianti sia dal raffreddamento intenso che dall’alta pressione in caso di evaporazione.
Un’altra proprietà dell’acqua che influenza le apparecchiature idrauliche è il contenuto di sali disciolti (che possono formare calcare) e il pH, che può contribuire alla corrosione dei componenti in acciaio, come serbatoi, collettori o scambiatori di calore a piastre. A causa dell’effetto corrosivo sull’impianto, è fondamentale tenere d’occhio anche la quantità di ossigeno e anidride carbonica disciolti nell’acqua. Il contenuto di questi gas varia con la temperatura dell’acqua, fenomeno comune in ogni impianto. Ciò porta alla variazione della pressione e alla formazione di bollicine, che si manifestano come piccole sacche d’aria nel sistema.
Nell'acqua sono disciolti dei sali, la cui concentrazione dipende dalla provenienza dell'acqua stessa. I peggiori per l'impianto sono il magnesio e il calcio, elementi che hanno una bassa solubilità ma una capacità di decomposizione dannosa per il nostro sistema di riscaldamento.
La decomposizione dei sali nell'acqua aumenta con la temperatura, iniziando già a 30-40 gradi Celsius. In ogni impianto si creano dunque condizioni favorevoli alla decomposizione di magnesio e calcio, che portano alla formazione di depositi di calcare. Negli impianti di riscaldamento, con l'aumento della temperatura, l'acqua nei generatori evapora e, con la decomposizione dei sali, si formano depositi che si accumulano sulle superfici di scambio termico.
Il contenuto di sali nell'acqua è definito come la durezza dell'acqua, che può variare. Esistono due tipi di durezza: temporanea (carbonatica) e permanente (non carbonatica). La durezza temporanea si verifica quando ci sono bicarbonati di calcio e magnesio che, con la temperatura, si decompongono in sali solubili. Se, invece, la durezza è causata da sali neutri di calcio e magnesio, non si verifica decomposizione con l’aumento della temperatura, e si parla di durezza permanente.
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Poiché utilizziamo l'acqua, gli impianti si incrostano nel tempo, perché in gran parte della Europa (e Italia) l'acqua è dura o molto dura. È un nemico invisibile, perché l'acqua dura non è riconoscibile senza analisi fisico-chimiche. Tuttavia, sappiamo che col tempo la presenza di acqua non trattata riduce notevolmente la durata di dispositivi come caldaie, pompe di calore, lampade UV per acqua, scambiatori di calore a piastre, serbatoi, collettori di riscaldamento a pavimento e persino radiatori.
Con il tempo, i tubi e i canali dell'impianto si incrostano di calcare, riducendo la conducibilità termica del sistema e causando un aumento delle spese per il riscaldamento o del consumo di combustibile fino al 30-40%.
Trattamento dell'Acqua
L'attuale tendenza è l'uso di addolcitori galvanici a flusso continuo - filtri per acqua dura basati sulla tecnologia chiamata IPSE. Si tratta di un dispositivo a forma di tubo, montato sul tubo principale di ingresso dell'acqua. Il filtro per acqua dura IPSE funziona al meglio come prevenzione; tuttavia, un impianto già incrostato rimarrà comunque un problema significativo. I vantaggi dei filtri per acqua dura sono la loro assenza di manutenzione e la durata, che può arrivare anche fino a 10 anni. Funzionano come una piccola cella galvanica, nei dispositivi di migliore qualità rinforzata con uno strato d'argento.
Alternative all'Acqua: Glicole Etilenico, Dowtherm e Olio Minerale
In primo luogo, l'uso di questi fluidi elimina la necessità di trattare l'acqua per l'impianto e riduce il rischio di formazione di calcare nelle tubazioni di riscaldamento, evitando incrostazioni sui dispositivi e la conseguente riduzione dell'efficienza e la necessità di sostituzione più frequente. Tuttavia, presentano anche una serie di svantaggi.
In pratica, il bilancio dei pro e dei contro di questi fluidi ci porta a concludere che si tratta di vettori di calore specializzati, destinati principalmente a spazi con specifiche esigenze, ad esempio industriali.
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Dowtherm (Etere Difenilico)
Un fluido riscaldante dal nome esotico, ma poco pratico per le installazioni domestiche, è il dowtherm o etere difenilico. Utilizzato come vettore di calore quasi esclusivamente in impianti industriali altamente specializzati, presenta un interessante calore specifico, che varia tra 1,55 e 2,76 kJ/kgK. Anche il suo punto di congelamento di -55 gradi Celsius è notevole, permettendo l’uso in ambienti riscaldati solo occasionalmente. Tuttavia, l'etere difenilico è pericoloso per la salute e infiammabile, il che lo esclude dalle applicazioni domestiche e persino in ambienti industriali con lavorazioni a rischio di scintille, come la saldatura.
Olio Minerale
Il principale vantaggio dell'olio minerale è che non congela nel nostro clima. Con un punto di congelamento fino a -50 gradi Celsius, può essere utilizzato persino in Scandinavia o nelle regioni settentrionali della Russia. Rimane liquido in un ampio intervallo di temperature, con un punto di ebollizione tra 280 e 350 gradi Celsius. Come altri oli, non causa formazione di calcare né corrosione. Tuttavia, è decisamente più costoso dell'acqua e nel tempo possono depositarsi resine oleose sulle superfici di scambio termico. Tende inoltre a ossidarsi facilmente, richiedendo uno sfiato più frequente.
Glicole Etilenico
Il glicole etilenico è una valida alternativa all'acqua negli impianti di riscaldamento (o meglio, in alcune sezioni di essi, come quelle esposte al rischio di congelamento). Come l’olio minerale, non genera calcare. Il suo punto di congelamento varia da circa -17°C fino a -49°C, garantendo la protezione necessaria per l’impianto nel nostro clima.
Il glicole ha i suoi vantaggi, ma anche alcuni svantaggi. Innanzitutto, è decisamente più costoso dell’acqua. Prima di decidere di usarlo, dobbiamo sapere che il glicole riduce la trasmissione di calore. Non congelando, cede anche meno facilmente l'energia termica rispetto all’acqua. Si stima che la trasmissione di calore sia inferiore dell'8% con una soluzione al 30% di glicole, fino a una riduzione del 15% con una soluzione al 50%. Ciò comporta una maggiore inerzia dell’impianto, tempi di riscaldamento più lunghi e un consumo di combustibile leggermente maggiore.
Questo spiega perché il glicole viene diluito: un glicole diluito offre la protezione dal congelamento necessaria, ma riduce i suoi effetti negativi (e risulta anche più economico). Per i motivi sopra descritti, possiamo concludere che il glicole non è certamente una buona soluzione per il riscaldamento a pavimento; potrebbe essere eventualmente adatto ai sistemi di riscaldamento a radiatori. Utilizzare il glicole nel riscaldamento a pavimento può rendere molto lento il riscaldamento dell’impianto freddo.
È un mito pensare che aumentare la pressione nell’impianto sia sufficiente per neutralizzare l’inerzia termica del glicole nel riscaldamento a pavimento. Se proprio si vuole, l'uso del glicole per i radiatori ha più senso. Nei radiatori, il glicole è meno problematico rispetto al riscaldamento a pavimento, poiché si tratta di una sottile lamina d’acciaio e non di una massiccia pavimentazione in calcestruzzo.
Glicole e Pompe di Calore
È possibile che tu stia leggendo questo articolo per valutare l’uso del glicole nel circuito di una pompa di calore monoblocco. La pompa di calore monoblocco, essendo collocata all'esterno, è effettivamente esposta al rischio di congelamento, con potenziali gravi conseguenze finanziarie. Vale quindi la pena usare il glicole per la pompa di calore?
Ci sono diversi aspetti da considerare per valutare il rischio di congelamento della pompa di calore. Una delle cause principali (oltre ai freddi estremi) sono le interruzioni di corrente, che impediscono la funzione di sbrinamento (defrost). Nelle zone in cui sono comuni le interruzioni di corrente potrebbe essere consigliabile prendere precauzioni.
Inoltre, bisogna ricordare che una pompa di calore è un investimento a lungo termine, progettato per durare quindici o venti anni. Non sappiamo quale sarà la situazione inverni rigidi tra 10-15 o 20 anni.
Un terzo aspetto, molto importante, riguarda i produttori di pompe di calore che richiedono l'uso del glicole nel circuito esterno. Quando si usa il glicole per la pompa di calore, è sconsigliato riempire l’intero sistema domestico con glicole a causa dell'inerzia termica. In questo caso, è consigliabile separare i sistemi con uno scambiatore di calore, per creare circuiti indipendenti - uno a glicole e uno ad acqua - che si scambiano calore tra loro. In questo modo, il glicole utilizzato per la pompa di calore non comprometterà né rallenterà in modo significativo l’efficacia del sistema di riscaldamento.
La separazione tra il circuito dell’acqua domestica e il circuito a glicole della pompa di calore può essere realizzata con uno scambiatore di calore a piastre. Sebbene questo aumenti i costi dell’impianto, si ottiene in cambio la piena protezione del sistema monoblocco. È un aspetto da considerare in fase di valutazione del rischio di congelamento della pompa di calore.
Lo svantaggio è che gli scambiatori per pompe di calore monoblocco a glicole devono essere relativamente grandi, quindi non sono i dispositivi più economici. Uno scambiatore per il circuito glicole della pompa di calore dovrebbe avere almeno 1,5 m² di superficie per 10 kW di capacità per pompe di calore che operano intorno a 50°C.
Separazione dei Circuiti
Per i motivi sopra descritti, se si prevede di collegare una struttura aggiuntiva all'impianto, in cui, a causa del rischio di congelamento, si decide di usare il glicole, non si consiglia di impiegare il glicole in tutto l’impianto. In pratica, è meglio separare il circuito del locale soggetto a congelamento dal circuito principale.
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