Centrale termica in funzione

Sviluppo di una centrale termica

L’impianto di riscaldamento è un impianto termico che serve alla produzione e alla distribuzione di calore al fine di riscaldare gli ambienti.

Più precisamente, gli impianti di riscaldamento rientrano nella categoria degli impianti di climatizzazione, i quali controllano la temperatura dell’aria non solo durante l’inverno, ma anche in estate. Il fluido termovettore, l’acqua, viene infatti riscaldata o refrigerata a seconda delle stagioni e distribuita attraverso una rete di tubazioni con l’aiuto di pompe idrauliche.

E’ noto che il calore si trasferisce nel verso in cui la temperatura diminuisce, cioè da zone a temperatura più elevata verso zone a temperatura inferiore. Questo è un processo che avviene spontaneamente in natura, senza l’intervento di alcuna macchina. Il processo inverso, invece, cioè il trasferimento del calore da zone a temperatura più bassa verso zone a temperatura maggiore, non si verifica spontaneamente e richiede l’impiego di specifiche macchine chiamate macchine frigorifere. Tra queste vi rientrano:

il condensatore: è uno scambiatore di calore in cui entra il vapore che viene condensato, ed eventualmente sottoraffreddato, e poi scaricato sotto forma di liquido cedendo calore ad un fluido a temperatura minore. Si distinguono in condensatori “a miscela” e “a superficie” a seconda che il fluido utilizzato per la sottrazione di calore venga o meno miscelato al vapore da condensare;
la pompa di calore: anche questa può considerarsi una macchina frigorifera in quanto è capace di trasferire calore da una sorgente a più bassa temperatura ad un pozzo a temperatura maggiore. Il meccanismo, però è inverso: lo scopo di una pompa di calore, infatti, è quello di mantenere un ambiente riscaldato ad una temperatura elevata fornendogli il calore sottratto a una sorgente a temperatura inferiore, come l’acqua di bacini, fiumi o l’aria atmosferica (che è la sorgente termica più utilizzata dalle pompe di calore nonostante il problema dell’accumulo di brina).

A seconda della dimensione, gli impianti di climatizzazione si suddividono in:

impianti autonomi, cioè quelli che comprendono una unità abitativa (regolabili secondo le specifiche esigenze della singola utenza), comunemente chiamata caldaia;
impianti centralizzati, che riguardano i condomini, e in tal caso si parla di centrale termica, o i quartieri, per i quali si parla di teleriscaldamento.

Negli impianti centralizzati, la potenza del generatore di calore è sempre superiore ai 35 kW e, perciò, la centrale termica è situata in un apposito locale dedicato. Questi impianti, seppur non regolabili dalla singola utenza, offrono un rendimento globale più elevato rispetto a quelli autonomi.

Quando un impianto di riscaldamento diventa centrale termica? La soglia dei 35 kW

E’ importante soffermarsi sulla differenza principale tra un impianto di riscaldamento (caldaia) e una centrale termica, in quanto a seconda dell’uno o dell’altro caso gli oneri, sia per l’installatore sia per il cliente, cambiano notevolmente.

Se la potenza complessiva del generatore di calore è inferiore ai 35 kW si fa riferimento alla norma UNI 7129, inerente agli impianti a gas per uso domestico.

Se più generatori di calore superano i 35 kW e vengono installati nello stesso locale o in locali comunicanti, si rientra nel DM 8 novembre 2019 per la prevenzione incendi e l’impianto viene definito centrale termica.

Per ovviare a tale onere, si devono rispettare tre requisiti:

l’installazione delle caldaie in locali differenti, evitando così la somma dei kW e la creazione di una centrale termica;
le specifiche caratteristiche costruttive dei locali, che devono costituire compartimento antincendio. In particolare, le strutture portanti devono avere una resistenza al fuoco non inferiore a R 120 e gli elementi separanti non inferiore a REI 120. Tuttavia, se la portata termica totale dell’impianto è inferiore a 116 kW, i valori scendono a R 60 e REI 60.
Il materiale di reazione al fuoco deve appartenere alla classe 0;
la prova di tenuta delle tubazioni di adduzione gas e di trasporto del fluido termovettore, a cui fa capo la norma UNI 11528.

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Le componenti di una centrale termica

L’impianto di riscaldamento si compone di tre elementi principali: il generatore di calore, le tubature e i terminali.

Il generatore di calore

Il generatore di calore è alimentato da un combustibile fossile (più raramente da una biomassa) che, bruciando, riscalda il fluido termovettore lungo la rete di trasporto fino ai terminali.
La caldaia, il tipo di generatore di calore più usuale, è composta da:

la rampa del gas, di colore giallo scuro, che serve a convogliare il combustibile dalla rete o dal serbatoio al bruciatore;
il bruciatore, in cui avviene la miscelazione di un combustibile ed un comburente producendo la reazione di combustione e successivamente la fiamma, la quale trasmette il calore sia per conduzione termica sia per irraggiamento. Il bruciatore può essere:
- ad aria aspirata, di utilizzo civile, in cui l’aria viene aspirata in modo naturale dal combustibile (si sfrutta l’effetto Venturi);
- ad aria soffiata, di utilizzo industriale, in cui il tiraggio dell’aria avviene grazie ad un ventilatore posizionato nella parte alta del bruciatore;
- ad aria aspirata, di utilizzo civile, in cui l’aria viene aspirata in modo naturale dal combustibile (si sfrutta l’effetto Venturi);
il camino, per l’espulsione dei fumi. Le canne fumarie possono essere di polipropilene saturo (PPS), acciaio inox resistente all’umido o alluminio speciale; se fanno parte di una caldaia con portata termica superiore a 35 kW si applica la norma tecnica UNI 11528:2014.

La combustione è una reazione tra un combustibile e un comburente dalla quale si libera una quantità rilevante di energia. Il combustibile è solitamente un composto contenente carbonio e/o idrogeno, mentre il comburente è una sostanza contenente atomi ad elevata elettronegatività ( N, O, F), di cui il più diffuso è l’ossigeno dell’aria. I prodotti della combustione sono, in genere, costituiti da molecole stabili, cioè poco reattive.

I combustibili si distinguono principalmente in base allo stato fisico (solido, liquido o gassoso) e in base alle condizioni di impiego a seconda che vengano adoperati così come si trovano in natura o come prodotti di trasformazioni industriali (naturali e derivati).
I componenti principali dei combustibili sono: C, H, S, O, N, ceneri (residui incombusti) ed acqua.
L’energia chimica messa a disposizione da un combustibile fossile solido (ad esempio il carbone coke) è fortemente influenzata dal contenuto di acqua presente nel combustibile stesso.

La quasi totalità dei combustibili liquidi deriva dal petrolio che è composto all’incirca da 83% di carbonio, il 14% di idrogeno, 2-3% di ossigeno e piccole quantità di zolfo e azoto.
Dal petrolio si ricavano i prodotti liquidi e gassosi.
I combustibili liquidi, come ad esempio la benzina, sono per lo più costituiti da idrocarburi e solitamente si classificano in base alla leggerezza (densità) e all’intervallo di distillazione (la temperatura in cui avviene l’ebollizione). Tra i combustibili gassosi, il più diffuso è il gas naturale, grazie all’elevata disponibilità. Molto utilizzato è anche il GPL (Gas di petrolio liquefatto) grazie al fatto che, a temperatura ambiente, si ottiene allo stato liquido con un modesto incremento di pressione.

I diversi tipi di combustibile

Combustibili naturali: (legno secco, torba, lignite, carboni fossili antracite e litantrace) e derivati (coke di petrolio)
Combustibili liquidi: benzina, cherosene, gasolio, olio di catrame, olio combustibile, metanolo.
Combustibili gassosi: GPL (miscela di propano e butano), gas naturale (costituito prevalentemente di metano), metano, gas d’altoforno, idrogeno, monossido di carbonio.

Alimentazione di una centrale termica

L’alimentazione di una centrale termica avviene principalmente a gas metano, a gasolio e a GPL. A seconda del tipo di combustibile, si definiscono le applicazioni civili o industriali di una centrale termica:

La centrale termica a gas metano viene utilizzata per il riscaldamento degli edifici, per la produzione di acqua calda, per grandi cucine, forni da pane, lavanderie, inceneritori,ecc. Nell’industria chimica viene sfruttato per la produzione di idrogeno e di fertilizzanti, ammoniaca sintetica, clorurati e altri prodotti di sintesi.
La centrale termica a gasolio, olio combustibile o combustibile liquido viene utilizzata per la climatizzazione di edifici e ambienti, per la produzione di acqua calda e/o vapore, per grandi cucine, forni da pane, lavanderie e sterilizzazione.
La centrale termica a GPL viene utilizzata ampiamente nel settore agricolo per le coltivazioni in serra, la floricoltura, l’essiccazione, il riscaldamento degli allevamenti, i processi caseari e di stagionatura. Il GPL viene usato anche per riscaldare i forni dell’industria dei laterizi, del vetro e della ceramica, nel settore alimentare e in quello ospedaliero.
Le centrali a GPL non sono mai interrate perché il GPL, avendo una densità maggiore di quella dell’aria, tende ad accumularsi a terra e non può disperdersi nell’aria.

Le tubature

In molte applicazioni pratiche di riscaldamento o raffreddamento si utilizza il flusso di un liquido o di un gas all’interno di tubi o condotti. Il fluido viene mosso da un ventilatore o da una pompa all’interno di un tubo di lunghezza adeguata a realizzare lo scambio desiderato (convezione forzata interna).

Il fluido termovettore per eccellenza è l’acqua. Questa circola fra la caldaia ed i terminali con reti di tubazioni di acciaio nero (o rame) coibentate che si distinguono in monotubo, frequentemente utilizzate negli impianti autonomi ove i terminali sono posti in serie in una struttura ad anello, e bitubo, quelle più utilizzate negli impianti centralizzati.

L’ impianto con rete di distribuzione a due tubi è costituito da due linee, le tubazioni di mandata (caldaia-terminale) e le tubazioni di ritorno (terminale-caldaia): consiste nel servire in serie e parallelo con due tubi i diversi terminali, che prendono il fluido dal tubo di mandata e lo scaricano su quello di ritorno. Questo significa che il ritorno di un terminale non va a quelli successivi.

La maggior parte dei fluidi, specialmente i liquidi, vengono trasportati in tubi circolari, perché possono sopportare elevate differenze di pressione tra l’ingresso e l’uscita senza subire deformazioni significative. I tubi a sezione non circolare sono invece più spesso usati nelle applicazioni di raffreddamento e riscaldamento degli edifici, dove le differenze di pressione sono relativamente piccole e i costi di produzione e installazione inferiori. Per una data area superficiale, il tubo circolare fornisce la massima potenza termica con la minima caduta di pressione, il che spiega l’enorme diffusione di tubi circolari negli scambiatori di calore.

Gli impianti che fanno circolare il vapore sono simili a quelli con acqua calda, ma la componentistica dell’impianto deve essere tarata su temperature e pressioni molto più elevate.

I terminali

I terminali sono i corpi scaldanti dell’impianto di riscaldamento dai quali viene dissipato il calore nell’ambiente. Si distinguono in:

radiatori (caloriferi): serpentine di metallo (ghisa o alluminio) in cui l’acqua calda entra dal foro superiore ed esce dal foro inferiore; il calore si propaga in maniera abbastanza lenta, ma si mantiene per diverso tempo anche ad impianto spento.
Analoghe ai radiatori sono le piastre radianti, con la differenza che quest’ultime possono operare anche a temperature inferiori a 50 °C. Ciò permette di sfruttare al meglio le potenzialità delle sorgenti energetiche a bassa temperatura (caldaie a condensazione, pompe di calore), risparmiando energia. Inoltre, consentono di operare la climatizzazione estiva.
ventilconvettori (aerotermi): apparecchi che possono essere installati a terra o nel soffitto, costituiti da tubi alettati racchiusi all’interno di un involucro di metallo.Raggiungono la temperatura richiesta nell’ambiente rapidamente, ma si raffreddano con la stessa velocità ad impianto spento. Si possono usare anche come climatizzatori.
pannelli radianti: tubazioni in cui l’acqua circola a temperatura bassa e costante. Vengono distribuiti uniformemente su tutto il solaio (massetto) e riscaldano l’ambiente per irraggiamento. Possono essere anche a soffitto o a parete, quest’ultimi sono meno frequenti. Un sistema di riscaldamento a pavimento non raggiunge rapidamente la temperatura richiesta, perché la quantità di acqua calda da dover riscaldare è notevole,ma consente di riscaldare l’ambiente in maniera omogenea, mantiene a lungo la temperatura richiesta e porta anche a un grande risparmio monetario.