“Sperimentazione e monitoraggio

dei sistemi impiantistici integrati costituiti da collettori solari e generatori di calore alimentati a metano o ad altri combustibili tradizionali, ad uso domestico monofamiliare per la produzione di acqua calda sanitaria”

CNR-IEREN

ritorna a sperimentazione e monitoraggio di sistemi impiantistici .....

Sommario

La sperimentazione mira all’individuazione di soluzioni impiantistiche in grado di ottimizzare l’integrazione tra un impianto solare monofamiliare e un apparecchio a gas con produzione istantanea di acqua calda sanitaria.

Nelle condizioni tipiche delle aree climatiche costiere della Sicilia, caratterizzate dalla presenza di 5 o più mesi l’anno con temperature medie giornaliere comprese tra i 19 e i 27 °C e stagioni fredde che presentano valori massimi, della temperatura, sempre superiori ai 20 ° C e con costante assenza di foschia, nebbia e significativi schermi naturali, com’è il caso di Palermo, il grado di insolazione risulta assai variabile, in dipendenza esclusivamente del grado di nuvolosità.

Il risultato che da ciò consegue è che la temperatura dell’acqua dei collettori solari può presentare, anche in inverno, escursioni giornaliere di 10-20 o più gradi.

L’individuazione, in questo caso, delle soluzioni impiantistiche e dei parametri che assicurino al contempo comfort dell’utente, massima utilizzazione dell’acqua solare, stabilità, semplicità e costo limitato, in considerazione anche dei numerosi modelli di caldaia e di componenti sul mercato, scaturisce, necessariamente, da un attento studio ma da, altrettanto importanti, campagne di simulazioni e misura.

E' stato, a tal proposito, progettato e realizzato un apposito banco di prova che ha permesso di sottoporre a test diverse configurazioni impiantistiche nell'integrazione solare-gas.

L'analisi dei risultati delle numerose prove effettuate ha confermato l'utilità del banco di prova che si è rivelato un indispensabile strumento, in grado bocciare soluzioni impiantistiche che sembravano scontate e di mettere in risalto alcune soluzioni innovative, semplici e di basso costo, capaci di sfruttare al meglio l’energia fornita dall’impianto solare.

I risultati ottenuti, infatti, dimostrano come, nell'accoppiamento fra sistema solare e caldaia d'integrazione, sia da preferire il collegamento in serie che comporta un maggiore grado di copertura solare ed una significativa diminuzione dei consumi energetici, rispetto ad una soluzione con integrazione disposta in parallelo.

Sono stati, inoltre, approntati e sottoposti a test, diversi kit per il collegamento in serie dell’integrazione a gas, a valle dell’impianto solare, allo scopo di incrementare i vantaggi, sia in termini di risparmio energetico sia di comfort all’utente in fase di prelievo, e di perseguire l'obiettivo di una maggiore economicità delle soluzioni.

E proprio il basso costo dei componenti costituisce l'ulteriore sfida di mercato e motivo d’interesse che ci si augura possa portare all'adozione dei kit proposti, nell’ambito di programmi volti a favorire l'installazione, nelle città siciliane, dei sistemi solari per la produzione di acqua calda sanitaria.

LA REALTA’ LOCALE

Come fattore comune locale è da rilevare che, negli ultimi anni, nella città di Palermo come in altre grandi città d’Italia, si è assistito ad un abbandono degli impianti centralizzati di riscaldamento e al passaggio ad impianti a gas unifamiliari, intervento, peraltro, auspicato ed incentivato dalla legge 10/91 (art. 8). Per tali impianti autonomi, naturalmente, la scelta più comunemente adottata è stata quella di installazione di caldaie combinate ovvero utili sia per il riscaldamento degli ambienti che per la produzione istantanea di acqua calda sanitaria.

Il passaggio è coinciso, peraltro, con l’abbandono degli scaldabagni elettrici a favore di tali caldaie bivalenti, cambiamento favorito, a Palermo, dalla estensione della rete di distribuzione del metano, i cui lavori di allacciamento delle utenze sono tutt’ora in corso. Allo stato attuale, secondo stime ENEA sono più di 50.000 le caldaie autonome installate.

Il grafico seguente evidenzia l’incremento complessivo delle utenze a gas e la progressiva, obbligata, conversione da gas manifatturato, a gas metano, avuti negli ultimi anni nella città di Palermo (fonte: AMG Palermo).

Un nutrito parco caldaie installato in città, prevalentemente costituito da apparecchi a gas con produzione istantanea di acqua calda ad uso sanitario, rappresenta una base ottimale per il risparmio energetico. La scelta di preferire apparecchi a produzione istantanea per evitare gli sprechi è, infatti, ampiamente raccomandata nella sezione Consumer energy information del Department Of Energy degli Stati Uniti (DOE).

Le caldaie e gli scaldabagni con boiler ad accumulo, anche in assenza di richiesta d’acqua calda da parte dell’utente, fanno periodicamente entrare in funzione il bruciatore per mantenere l’acqua a temperatura. Ciò comporta le cosiddette ”perdite di standby”: il calore prodotto e trasferito all’acqua, si disperde attraverso le pareti del boiler, dello scambiatore e della canna fumaria. Le perdite di standby possono raggiungere anche il 20-30% della spesa che una famiglia affronta ogni anno per il riscaldamento dell’acqua sanitaria nelle abitazioni. Per ridurre questo costo anche il DOE consiglia, appunto, l’uso di sistemi “on demand”, senza boiler.

L’assenza di accumulo se da un canto massimizza la resa energetica delle caldaie, d’altro canto rende necessario lo studio e la simulazione di quegli schemi d’impianto, i più semplici, e di quegli accorgimenti, i meno costosi e complessi, per una migliore integrazione tra questa tipologia di apparecchi a gas e i comuni impianti solari compatti per la produzione di acqua calda sanitaria.

Ciò vale, a maggior forza, quando si è in presenza di una notevole differenziazione dei modelli di caldaia istantanea, installati con sofisticazione, più o meno spinta, del bruciatore (fisso, variabile a gradini, modulante) e dei sistemi di funzionamento o di regolazione (caldaie a condensazione o con regolazione della temperatura dell’acqua, microaccumuli) e quando si è in presenza di particolarmente miti condizioni di clima.

Condizioni climatiche locali

Nello studio dei sistemi ibridi solare-gas importanza rilevante assumono, naturalmente, le condizioni climatiche locali.

Il clima locale e, quindi, le temperature medie dell’acqua proveniente dai collettori solari, influenza, infatti, la scelta delle soluzioni impiantistiche (es. impianto di tipo serie o parallelo, pre o post miscelazioni, etc.) e dei valori dei parametri di settaggio, tipicamente set point di temperatura, che assicurino il raggiungimento del maggior grado di copertura solare con l’impianto ibrido.

Tutto ciò in relazione anche agli accorgimenti adottati e al tipo e al funzionamento degli accessori e dei controlli installati, tipici esempi sono la scelta di commutazione manuale estate-inverno o range di funzionamento, tempi di risposta e tolleranze di commutazione, di miscelatori o di valvole deviatrici, volani termici etc..

A chiarimento di quanto detto si consideri, ad esempio, il caso di una comune valvola deviatrice termostatica a funzionamento passivo, che agisca, cioè, senza l’ausilio di motorizzazioni o servomeccanismi elettrici, che presenti un intervallo di 10-14 °C nella commutazione.

Consideriamo, inoltre, le condizioni tipiche delle aree climatiche costiere della Sicilia caratterizzati dalla presenza di 5 o più mesi l’anno con temperature medie giornaliere confortevoli, comprese, cioè, tra i 19 e i 27 °C e stagioni fredde che presentano valori massimi, della temperatura, sempre superiori ai 20 ° C.

In tali condizioni climatiche e in costante assenza di foschia, nebbia e di significativi schermi naturali, com’è il caso di Palermo, il grado di insolazione risulta assai variabile, in dipendenza del grado di nuvolosità.

Il risultato complessivo che da tutto ciò consegue, è che la temperatura dell’acqua ai collettori può presentare, anche in inverno, escursioni giornaliere di 10-20 o più gradi e ciò anche in dipendenza dalla temperatura media mensile dell’acqua di rete; acqua di rete che può subire un aumento della temperatura di ulteriori 4-6°C in relazione alla presenza, frequente in città, di riserve idriche poste sul tetto e direttamente esposte ai raggi solari.

Una tale range di escursione termica è confrontabile con intervalli di commutazione delle dimensioni prima viste.

LA RICERCA

Considerando il fatto che nella città di Palermo il parco installato in città è prevalentemente costituito da apparecchi a gas con produzione istantanea di acqua calda ad uso sanitario, una prestante integrazione con qualsiasi tipologia di impianto solare deve ricercarsi in quest’ambito.

Tali premesse sono le ragioni che hanno spinto l’Amministrazione Comunale a commissionare all’Istituto per l'Edilizia e il Risparmio Energetico del Consiglio Nazionale delle Ricerche uno studio che permetta di comprendere le reali difficoltà e soluzioni per la realizzazione di un buon accoppiamento “sole-gas”.

Non si tratta, dunque, di studiare il comportamento dei vari pannelli solari a queste latitudini e alla corrispondente situazione climatica, argomento questo ampiamente trattato in passato da altri, ma bensì di ottimizzare un impianto misto solare + gas attraverso l’aumento della copertura energetica solare tentando di sfruttare anche quelle temperature dell’acqua proveniente dal pannello solare che nelle stagioni fredde, sebbene non elevate, costituiscono sempre una riserva di energia.

Tale ipotesi di lavoro è realizzabile in considerazione del clima locale abbastanza favorevole anche in inverno; obbiettivo è comprendere se sia possibile realizzare un sistema misto, a basso costo e con accessori comunemente reperibili nel mercato, che possa in generale consumare meno gas aumentando la copertura di energia proveniente dall’impianto solare.

L’attenzione quindi si è particolarmente focalizzata sulla zona di confluenza dei due impianti: laddove l’acqua solare proveniente dal pannello si “unisce” con una eventuale, se necessaria, acqua calda di integrazione.

A tal fine nasce l’esigenza di una sperimentazione che attraverso la messa in prova di ogni possibile soluzione studiata nella fase teorica, riesca meglio a fare comprendere i vantaggi della sua adozione in un impianto realmente installato.

Oltre allo studio delle prestazioni energetiche, con la sperimentazione si potrebbe mettere in risalto un eventuale potenziamento del grado di comfort che l’utente comunemente ha con il solo apparecchio a gas per la produzione di acqua calda. Come già descritto, una delle fastidiose conseguenze dell’adozione degli apparecchi istantanei a gas è la difficoltà che hanno questi ultimi a mantenere un accettabile grado di “comfort” al punto di prelievo dell’acqua calda. Fastidiose oscillazioni della temperatura dell’acqua, infatti, provocano un non indifferente disagio all’utente e un superfluo consumo di energia e di acqua, bene quest’ultimo sempre più prezioso. Le case costruttrici di apparecchi a gas stanno lavorando per restituire in misura sempre minore tale disagio, adottando soluzioni per la produzione di acqua calda sanitaria che rappresentano un misto tra apparecchi istantanei e ad accumulo.

Le conclusioni della sperimentazione e l’analisi dei risultati saranno consegnate al Comune di Palermo, il quale intende offrire all’utenza privata le migliori soluzioni impiantistiche per lo sfruttamento dell’energia solare, mettere a disposizione personale qualificato sia nella fase d’installazione sia in quella di manutenzione e altresì, dare specifiche linee guida a società che intendano erogare il servizio di fornitura calore solare (solar utilities).

Più nel dettaglio, le finalità della ricerca che, alla luce delle esigenze sopra descritte, potrebbe essere intrapresa, possono riassumersi nei punti seguenti:

o Ottimizzare le prestazioni mediante configurazioni innovative

L'obiettivo è di ottenere notevoli vantaggi di risparmio energetico adottando configurazioni impiantistiche innovative che tengano conto della diversità delle energie impiegate. Facilità di gestione e di controllo dell'impianto unitamente ai bassi costi, saranno caratteristiche importanti da ricercare nelle diverse configurazioni ipotizzabili.

o Fornire il giusto comfort all'utente

Un buon impianto solare integrato con apparecchio a gas, deve poter fornire all'utente un flusso di acqua a temperatura costante. Le oscillazioni di temperatura che caratterizzano di per sé un impianto con produzione di acqua calda istantanea, possono accentuarsi con l'apporto della parte solare. Compito di questa parte di sperimentazione potrebbe essere l’individuazione di alcune semplici soluzioni da offrire all'utente per limitare tale disagio e garantire una temperatura dell'acqua calda entro un campo di variazione limitato rispetto al valore di comfort.

o Sviluppo di una forma innovativa di Garanzia dei Risultati Solari (GRS)

Esigenza di chi eroga il servizio fornitura calore con impianti misti è di contabilizzare il consumo dell'utente con strumenti idonei e dal costo commisurato ad un impianto di piccole dimensioni, come gli impianti monofamiliari per la produzione di acqua calda sanitaria. La ricerca potrebbe essere ampliata per sperimentare e confrontare vari sistemi semplificati di contabilizzazione del calore sulla base del loro rapporto qualità/prezzo per sviluppare a titolo sperimentale una forma innovativa di Garanzia dei Risultati Solari (GRS) basata su un monitoraggio semplificato.

Per sviluppare al meglio ciascun punto occorre tempo e risorse non indifferenti; in questa fase ci si concentrerà maggiormente sul primo punto ponendo, se possibile, le basi per eventuale successivo studio degli altri due aspetti.

banco prova

CALDAIA - modulante con controllo elettronico di temperatura

CONCLUSIONI

L’insieme dei test costituisce una base dati idonea ad esplorare diversi aspetti, sia generali sia specifici, caratteristici degli impianti misti sole/gas ad uso domestico monofamiliare per la produzione di acqua calda sanitaria, concernenti l’ubicazione di tali impianti nel contesto climatico locale.

I numerosissimi modelli di apparecchi a gas, murali e non, presenti oggi sul mercato, come si può facilmente immaginare, ha impedito una trattazione esaustiva di tutti casi possibili. Dall’insieme dei modelli offerti sono stati, comunque, individuati quelli rispondenti alla tipologia caldaia bivalente e scaldabagno per la sola produzione di acqua calda sanitaria.

Dall’indagine sono state escluse le vecchie caldaie non modulanti che, sebbene ancora presenti in modesto numero negli appartamenti della città, sono da tempo fuori produzione e quindi da considerarsi desuete e pronte per essere sostituite con quelle a più alto rendimento, magari con una opportuna campagna “rottamazione”.

Tra gli scaldabagni, sono stati esclusi dal test i modulanti a controllo elettronico della temperatura il cui principio di funzionamento è riconducibile a quello delle caldaie modulanti anch’esse dotate di un controllo elettronico della temperatura. Non sono stati inseriti nell’indagine, inoltre, i vecchi scaldabagni non modulanti che funzionavano cioè a punto fisso di temperatura dell’acqua; tali prodotti sono quasi del tutto scomparsi soprattutto dopo l’avvento dei modelli più tecnologici offerti dalle varie aziende produttrici.

Non sono stati inseriti nel monitoraggio gli apparecchi ad accumulo sia esse caldaie sia scaldacqua. Si desidera precisare, a questo riguardo, che tali tipologie di apparecchi a gas, di per sé, non offrono nessun problema impiantistico al collegamento con pannelli solari: il collegamento in serie a valle dell’impianto solare è semplice e non necessita di accessori di controllo o di sicurezza particolari. Ancora una volta, però, si fa notare quanto ampiamente prima discusso circa le dispersioni termiche dell’involucro e le accensioni del bruciatore anche “fuori” prelievo che un apparecchio ad accumulo deve necessariamente compiere per il mantenimento dell’acqua a temperatura dentro il boiler. Le poche installazioni di apparecchi ad accumulo presenti all’interno delle abitazioni condominiali nella città di Palermo, inoltre, ha orientato la ricerca verso soluzioni impiantistiche o prodotti per l’integrazione agli impianti solari con apparecchi a gas in grado di produrre in modo istantaneo l’acqua calda per usi sanitari.

Integrazione con apparecchi specifici per impianti solari

Dalla ricerca di mercato sono emersi due scaldabagni specificamente progettati per essere inseriti in serie.

Un modello funziona a variazione automatica di potenza per il riscaldamento di acqua preriscaldata (installazioni solari). Una sonda termostatica, all’interno dello scambiatore, legge la temperatura dell’acqua in arrivo e regola la potenza necessaria in modo proporzionale alla temperatura di prelievo richiesta.

Il campione della prova ha dato ottimi risultati d’integrazione a fronte di qualsiasi richiesta e di qualsiasi temperatura dell’acqua in ingresso all’apparecchio. Quest’apparecchio ha l’inconveniente, però, di avere come input d’accensione la fiamma pilota che certamente pregiudica il risparmio energetico: il consumo di gas metano di una fiammella pilota è di circa 0,20 m³il giorno.

Integrazione con apparecchi dotati di controllo della temperatura acqua

Gli apparecchi modulanti con controllo elettronico della temperatura, normalmente effettuato tramite sensore NTC immerso nell’acqua calda sulla via d’uscita, pur con certe limitazioni, si prestano bene ad un semplice collegamento in serie a valle dell’impianto solare.

Gli installatori di impianti solari, quando propongono o trovano già presente come integrazione una caldaia o scaldabagno istantaneo modulante a controllo elettronico della temperatura, adottano generalmente un collegamento con valvola deviatrice manuale o automatica con regolazione estate-inverno. Così operando, si escludono, quindi, tutte quelle condizioni invernali in grado di offrire una temperatura dell’acqua solare, certamente non a livello soddisfacente per l’utente, ma ancora utile per apportare un rilevante risparmio energetico.

Il risparmio energetico è regolamentato dal D.P.R. n° 412/93 che rende obbligatorio l’impiego di un miscelatore sugli impianti di distribuzione dell’acqua per usi igienico sanitari con accumulo, non diversamente regolati, per limitare a 48°C con tolleranza +5°C la temperatura dell’acqua all’immissione nella rete di distribuzione. Scopo della limitazione della temperatura è di ridurre al massimo le dispersioni passive attraverso la rete di distribuzione, oltre che di evitare l’erogazione di acqua a temperatura superiore al necessario.

Con l’inserimento, quindi, di un miscelatore termostatico che mitiga l’acqua solare eccessivamente “calda” alla temperatura massima consentita, in corrispondenza dell’ingresso “freddo” dell’apparecchio, si offre una soluzione tecnica semplice che sfrutta completamente l’energia accumulata dal pannello anche nei mesi a scarso grado di copertura solare. Il costo contenuto del miscelatore si ripaga in breve tempo attraverso il risparmio di gas in bolletta ed eventuali guasti del miscelatore che farebbero affluire acqua calda oltre la temperatura consentita in ingresso freddo caldaia, non provocherebbero danni irreparabili poiché tutti gli apparecchi sono già dotati di adeguati blocchi di sicurezza nel caso di alte temperature.

Il comfort al prelievo.

Il vantaggio di avere l’apparecchio modulante in serie a valle dell’impianto solare, si traduce anche in comfort al punto di prelievo. Tutti gli apparecchi modulanti, infatti, hanno una logica di accensione basata sulla lettura di una differenza di pressione, ovvero sono dotati di un flussostato che dà il consenso di accensione al bruciatore solo quando avviene il prelievo. Ciò avverrà, quindi, anche con temperatura dell’acqua solare uguale o superiore al valore richiesto dall’utenza, poiché quasi tutti gli apparecchi modulanti sono dotati di sensore di temperatura solo sulla tubazione d’uscita.

Questo è solo un apparente problema in quanto, come evidenziato dalle prove con queste tipologie di apparecchi, l’accensione “indesiderata” del bruciatore, si traduce in vantaggio per l’utente dato che anticipa l’arrivo dell’acqua calda al punto di prelievo in attesa di quella solare.

La tubazione che collega l’accumulo solare (posto sul tetto per gli impianti a circolazione naturale) al punto di integrazione (posto generalmente all’interno dell’appartamento) è lunga generalmente dai 5 ai 10 metri e, anche se ben coibentata, soprattutto il tratto esterno, favorisce le dispersioni di calore dell’acqua calda in essa contenuta. La conseguenza di ciò è che, soprattutto dopo un lungo periodo di inattività, i primi 5-7 litri di acqua arrivano al punto di prelievo non a temperatura idonea e l’utente attende per circa un minuto l’arrivo dell’acqua solare, sprecando una risorsa diventata oramai sempre più preziosa.

Il contributo delle ditte.

Tra le aziende che hanno risposto, solo una adotta un termostato all’ingresso dell’acqua fredda che inibisce l’accensione dell’apparecchio d’integrazione, quando la temperatura dell’acqua che l’attraversa è superiore ad un valore prefissato.

Certo basterebbe che le case costruttrici dotassero alcuni modelli modulanti di sensore di temperatura anche all’ingresso dell’acqua “fredda”, di tubazione di by-pass e di una logica di funzionamento che tenesse conto anche della presenza di un impianto solare come fonte primaria per la produzione di acqua calda.

Il coinvolgimento delle ditte costruttrici di caldaie è stato importante per comprendere il limite massimo di temperatura dell’acqua “di rete”, consentita nei differenti modelli. Dalle risposte ricevute è emerso che ben nove apparecchi accettano acqua alla temperatura massima di 70°C, otto a 60 °C, due a 55°C e uno scaldabagno con gruppo acqua in poliammide a 40°C.

L’incrostazione da calcare.

Uno dei problemi che affligge i costruttori e installatori di apparecchi per la produzione di acqua calda sanitaria, istantanei o anche ad accumulo, è l’incrostazione causata dal calcare presente nell’acqua.

Il carbonato di Calcio e quello di Magnesio sono i componenti principali di quelle incrostazioni che vengono comunemente definite calcare, sono sali che si trovano normalmente disciolti nell'acqua e che determinano la durezza. Quando cristallizzano, per riscaldamento o per altre ragioni, formano dei depositi duri e compatti praticamente "saldati" sui tubi, nei rubinetti, sulle resistenze elettriche, su sanitari, sul fondo dei bollitori, sulle bocchette della vasche idromassaggio, nelle pareti metalliche di lavastoviglie etc. Il risultato è quello noto: rubinetterie intasate e rovinate, impianti che perdono efficienza e longevità, reti idriche completamente ostruite, costi energici crescenti.

Nelle zone dove l’acqua presenta una durezza eccessiva, caso della città di Palermo (34 °F), è sicuramente utile installare un sistema di trattamento acqua antincrostante a protezione di tutto l’impianto, gli accessori e gli elettrodomestici che utilizzano acqua calda sanitaria. Il vantaggio che ne deriva è un rendimento costante ed elevato degli scambiatori di calore, per la mancanza di depositi che riducono i coefficienti di scambio termico.

Il calcare che senza un impianto di trattamento acqua, nelle normali condizioni di uso di un apparecchio a produzione istantanea di acqua calda, si deposita all’interno dello scambiatore, con un impianto solare installato in serie, prima dell’integrazione, si depositerebbe in larga parte all’interno del serbatoio solare, se questo fosse del tipo ad accumulo integrato, o nella parete esterna dello scambiatore, se del tipo a circuito chiuso e accumulo separato.

L’acqua solare premiscelata alla temperatura massima di 60°C, già impoverita di calcare, inoltre, attraversando lo scambiatore dell’apparecchio istantaneo per l’eventuale integrazione termica, depositerebbe in misura sensibilmente minore il carbonato di calcio residuo sulle pareti, con efficienza e durata maggiore dell’apparecchio.

Si consiglia di inserire, in ogni modo, all’ingresso dell’impianto almeno un dosatore proporzionale antincrostante, per limitare al minimo i danni da calcare.

Per i motivi anzidetti sono auspicabili, per il futuro, interventi normativi o legislativi che favoriscano o incentivino l’installazione di sistemi di trattamento antincrostante, in modo da prevenire inutili sprechi energetici.

Integrazione con apparecchi senza controllo della temperatura acqua

Questa categoria di apparecchi a gas istantanei, a differenza di quelli dotati di controllo della temperatura, non consentono una regolazione diretta della temperatura dell’acqua in uscita; la modulazione della potenza dell’apparecchio è, infatti, ottenuta mediante una valvola acqua/gas meccanica che "ragiona" non in funzione della temperatura di uscita dell'acqua sanitaria, ma della portata d’acqua che l’attraversa, generando, quindi, solo un certo salto di temperatura (di solito impostabile sul quadro comandi).

L’esperienza ha dimostrato che è estremamente difficoltoso, con un apparecchio di questo tipo, governare la temperatura di uscita dell'acqua sanitaria; si rischierebbe, anzi, con un semplice collegamento in serie a valle dell’impianto solare, di raggiungere temperature estremamente elevate al prelievo.