LA TECNICA DELL'ACCUMULO TERMICO

Dopo la prima crisi petrolifera degli anni ’70, e a seguire con i vari problemi climatici, si è avuta una presa di coscienza da parte dell’opinione pubblica sul risparmio energetico, ma ancor di più si è capito che la soluzione poteva solo venire dall’avere impianti molto più efficienti. Per ottenere un moderno e efficiente sistema energetico è necessario recuperare e stoccare le varie energie termiche pulite che si possono ricavare dal sole, dall'acqua e dalla terra, per questo è assolutamente necessario installare un accumulatore termico inerziale.Quest'ultimo funziona come una centrale di riscaldamento compatta, accumula energia da varie fonti o generatori nei momenti di sovrapproduzione e la eroga, saltuariamente o in continuità, a seconda delle esigenze del sistema di riscaldamento e/o di distribuzione dell'acqua sanitaria.

• Dal sole abbiamo la maggior produzione di energia termica durante il giorno, ma è necessario averne a disposizione anche durante la notte o nelle giornate nuvolose.
• Le pompe di calore producono energia con temperature non elevate ed hanno una maggior durata utile se funzionano per periodi prolungati
• Le caldaie alimentate a pellet, anche se richiedono accumulatori con volumi ridotti rispetto a quelle alimentate a legna, necesitano di avere un accumulare per ridurre al minimo le fasi di accensione/spegnimento al fine di evitare usure premature dei vari dispsitivi di supporto
• Le caldaie a legna per avere una combustione efficiente con basse emissioni inquinanti devono avere una combustione senza accensioni e spegnimenti frequenti, ma devono bruciare alla massima potenza e in continuo tutto il loro carico di combustibile e questo è possibile se si riesce a stoccare tutta la quantità di energia termica in eccesso che non viene assorbida dalle varie fonti di utilizzo.

• potenza della caldaia
• rendimento del generatore
• quantità di legna contenuta nel vano carico
• tipo di legna
• % di umidità contenuta
• carico termico dell’edificio

Il volume dell’accumulatore da considerare destinato al riscaldamento deve sempre essere netto, cioè senza conteggiare il volume occupato dall’eventuale produttore di acqua sanitaria e/o scambiatori a serpentino per il solare. Empiricamente può essere definito in funzione della potenza nominale della caldaia o al volume del vano di carico del combustibile; le formule hanno tra loro una certa rispondenza e possono essere applicate per un dimensionamento di massima.

Va volume accumulatore in litri = Vvc volume vano combustibile in litri  x 10 

Nel caso invece che il volume dell’accumulo sia in funzione della potenza della caldaia la formula da applicare è:

Va volume accumulatore in litri = P potenza termica nominale in kW  x Vc volume consigliato in litri 

 Per le caldaie a pellet invece la formula del calcolo empirico, in funzione della potenza termica nominale, che si deve applicare è:

PROCESSO DI COMBUSTIONE DELLA LEGNA

FASE 1 - ESSICCAZIONE

Per poter iniziare l’essiccazione della legna bisogna creare in camera di combustione le condizioni necessarie affinché possa iniziare il ciclo di asciugatura. Questo tipo di trasformazione termodinamica è di tipo adiabatica cioè caratterizzata dall’assenza di scambio di calore: Q=0.
Ciò significa che questa fase avviene senza che venga scambiato calore con l’ambiente esterno, che nel nostro caso è la caldaia, e dura fino a quando non è evaporata tutta, per questo è importante riservare alla stagionatura della legna la giusta rilevanza e cercare di avere a disposizione legna da ardere con umidità inferiore al 20%.
Con lo stazionamento a temperature inferiori ai 100°C inizia l’evaporazione dell’acqua contenuta nella legna e questa fase prosegue e termina al raggiungimento dei 200÷/220°C.
E noto che questo processo per evolversi ha bisogno di un apporto d’energia e questa viene autoalimentata dalla combustione della stessa legna in asciugatura. Una parte dell’energia sviluppata serve per far evaporare l’acqua ed una parte per far progredire la combustione che a sua volta permetterà l’asciugatura della legna stessa, e così via facendo.
Se ne deduce che la stagionatura della legna da ardere incide pesantemente su questa fase, più è stagionata, meno energia viene assorbita per l’asciugatura lasciandone molta di più a disposizione per velocizzare il processo e permettere il passaggio alla fase successiva, quella della pirolisi e/o gassificazione.
Da studi eseguiti sembra che il livello d’equilibrio tra umidità della legna e processo di combustione lo si possa fissare intorno al valore massimo del 60% di contenuto idrico, limite oltre il quale l’energia necessaria a far evaporare l’acqua contenuta nella legna non sia più sufficiente a sostenere la combustione, cioè non si riesca più a mantenere la temperatura minima necessaria affinché il processo possa continuare, in poche parole si giunge allo spegnimento.

FASE 2 - PIROLISI

In questa seconda fase tra i 200÷270 °C il legno inizia a subire una degradazione termica che porta alla formazione di grandi quantità di sostanze aeriformi, e termina a circa 500°C. Alla fine il 75÷85% dell’intera massa si è trasformata in composti volatili altamente infiammabili. I primi componenti del legno che subiscono la trasformazione sono i polisaccaridi (emicellulose e cellulosa) e poi la lignina. E’ utile sapere che mediamente il legno è composto da:
15÷25% di lignina
23÷32% di emicellulose
38÷50% di cellulosa
A circa 400°C termina il processo di gassificazione delle emicellulose e della cellulosa e a 500°C anche la lignina ha terminato il passaggio dallo stato solido allo stato gassoso.

FASE 3 - GASSIFICAZIONE E COMBUSTIONE

La terza ed ultima fase è la combustione, l’ossidazione dei prodotti inizia tra i 500÷600°C e termina oltre i 1000°C con la liberazione di calore. Alla temperatura intermedia di 800÷900°C anche il carbone solido e il catrame bruciano entrando a far parte della combustione..

QUALITA' DELLA COMBUSTIONE

Per una ottimale combustione bisogna far sì che la combustione della legna sia completa e che le emissioni inquinanti siano ridotte al minimo, più semplicemente che venga soddisfatta la regola empirica delle Tre T, cioè: Tempo, Temperatura e Turbolenza.
Tempo di residenza: è importante avere un lungo tempo di permanenza a cavallo del vano di carico e la camera di combustione, per favorire la massima gassificazione, un lungo periodo di permanenza in camera di combustione per dare tempo di incendiare tutti i gas volatili liberatisi dalla pirolisi e un lungo percorso negli scambiatori al fine di avere il tempo di poter scambiare al massimo il calore con le pareti di scambio termico. Un buon indicatore di questa regola è il valore del rendimento certificato con metodo diretto (allo scarico dei fumi, non al focolare) e la temperatura dei fumi di scarico (più sono bassi maggiore è il calore che hanno ceduto agli scambiatori).
Temperatura
La temperatura massima che si deve raggiungere in combustione deve essere tale da poter incendiare tutti i composti aeriformi, completandone la loro ossidazione, e tutte le altre fasi dei componenti solidi.
Turbolenza
Al fine di avere una combustione ottimale è importante favorire la mescolanza dell’ossigeno con i gas generati dalla pirolisi e giungere alla più completa ossidazione dei composti volatili. La combustione completa dei combustibili solidi qual è la legna naturalmente esiste solo in teoria perché è difficile, se non impossibile, il raggiungimento del perfetto grado di mescolanza in un lasso di tempo relativamente breve qual è il ciclo di combustione.
Per questo è di basilare importanza che l’aria comburente primaria, secondaria, terziaria ed eventualmente quaternaria venga apportata in modo sufficiente nelle varie zone e nelle varie fasi della combustione, al limite in leggero eccesso piuttosto che in difetto.
L’apporto di poca aria comburente dà luogo a una combustione incompleta e con la produzione di incombusti che fanno aumentare il contenuto di CO e di polveri nei fumi di scarico.

E’ interessante notare che sopra ai 900°C quasi tutti i composti inquinanti vengono bruciati e da questo si capisce perché una buona combustione deve essere: continua senza fasi alterne, completa che bruci tutta la carica contenuta nella caldaia e alla massima potenza della caldaia senza “modulazione”, perché solo così è possibile avere ridotte emissione inquinati. Questo spiega ampiamente perché è assolutamente consigliato abbinare un accumulatore e di rispettare il rapporto potenza caldaia/volume accumulo indicato dal fabbricante, volume che varia notevolmente in base alla qualità della caldaia. A parità di volume del vano di carico più una caldaia ha un alto rendimento, maggiore deve essere il volume di stoccaggio.

SISTEMI DI REGOLAZIONE DEL RISCALDAMENTO

Negli anni passati era abitudine in impianti di riscaldamento alimentati a legna di inviare direttamente l’acqua di mandata all’impianto di riscaldamento, senza regolarne la temperatura. Con questo sistema di distribuzione l’acqua inviata ai radiatori poteva avere nelle prime fasi temperature sui 40-50°C, in quelle intermedie sui 70-80°C e in quella finale anche superiori.
Nel primo caso con l’acqua che circolava a bassa temperatura si formavano abbondanti depositi sia sulle pareti interne della caldaia che su quelle della canna fumaria, con il conseguente intasamento dei condotti e il rischio d’incendio della camino. Con tutta l’acqua dell’impianto che circolava in caldaia il tempo impiegato per raggiungere la temperatura dei 55-60°C era molto lungo e il più delle volte questa era la temperatura massima che si riusciva a raggiungere.
Oggi sappiamo che la temperatura in caldaia non deve mai scendere sotto al punto di rugiada, circa 55/60°C e quella che circola in caldaia deve essere limitata a quella contenuta in caldaia, solo così si riesce a rialzare la temperatura velocemente e a limitare il fenomeno della condensa.
Ora se un impianto a legna è stato studiato e realizzato a regola d’arte non presenta sicuramente questo tipo di problema, ma al contrario genera una tale quantità di calore che diventa imperativo poterla gestire e regolarne la distribuzione.
Con la tecnica dell’accumulo il problema è stato risolto in quanto il calore in eccesso viene immagazzinato per poi essere rilasciato quando necessario, ma per rendere ottimale il funzionamento del sistema si deve gestire il rilascio del calore in modo che se ne abbia a disposizione per un tempo il più lungo possibile e distribuito nel migliore dei modi.
Per regolare la temperatura di mandata ai corpi scaldanti vengono normalmente utilizzati due sistemi, uno a punto fisso e l’altro a punto variabile.

TEMPERATURA A PUNTO FISSO

Negli impianti più semplici e meno performanti viene utilizzato un cronotermostato funzionante in modalità ON/OFF, cioè attiva o spegne l’impianto di riscaldamento, agendo sul circolatore, a seconda della temperatura impostata nell’ambiente domestico. Per la temperatura di mandata dell’acqua il valore viene impostato manualmente agendo su una valvola miscelatrice termostatizzata.
Uno dei limiti del sistema è quello per cui si deve agire manualmente sulla regolazione della temperatura di mandata dell’acqua, in base alle temperature esterne, ma dato che ciò non viene quasi mai fatto si preferisce impostare il valore in base alla temperatura di progetto, cioè la temperatura di mandata massima dei giorni più freddi, ad esempio per: Torino -8°C, Cuneo -10°C, ecc …
Nel caso di un'unica abitazione servita da questo tipo di termoregolazione, il termostato ambiente viene collegato all’alimentazione della pompa e quando la temperatura impostata sul termostato viene raggiunta, si interrompe il suo funzionamento. Nel caso di un sistema a pavimento radiante dove l’inerzia termica è molto elevata il fluido e il massetto, raggiungono una temperatura maggiore rispetto a quella necessaria. In questo caso il calore in eccesso del massetto viene rilasciato all’ambiente per diverso tempo tanto che la temperatura continuerà a salire anche dopo l’intervento del termostato. Per giungere ad una condizione d’equilibrio possono trascorrere anche diverse ore prima che il massetto si raffreddi sufficientemente per ridurre la temperatura in ambiente. In seguito quando la temperatura in ambiente scenderà sotto a quella richiesta, il termostato comanderà il riavvio del sistema fino a raggiungere la temperatura impostata.
Con questo sistema si capisce quanto sia ridotto il confort abitativo e quanto la temperatura è soggetta alle oscillazioni che possono essere anche maggiori di 1°C.

TEMPERATURA A PUNTO VARIABILE

Per il mantenimento delle migliori condizioni di confort ambientale bisogna tenere in considerazione le dispersioni termiche del fabbricato e la temperatura esterna. Questo tipo di regolazione è la più efficiente e quella che consente il maggior risparmio energetico ed economico, perché con l’abbassamento della temperatura esterna sale la temperatura di mandata e nel caso che la temperatura esterna si innalzi quella di mandata diminuisce.
Questa regolazione dinamica è di tipo climatico e viene impostata in base ad un diagramma su cui sono riportate delle curve che permettono di selezionare quella più consona alla temperatura di progetto e nel caso ce ne fosse bisogno di compensarla in base alle dispersioni del fabbricato.
Fissata la curva climatica, la temperatura di mandata all’impianto viene regolata in modo automatico in funzione della temperatura esterna, adeguando l’apporto di calore al fabbisogno termico dell’edificio, per garantire sempre le migliori prestazioni in termini di comfort.
Per la gestione viene utilizzata una centralina elettronica, a cui sono collegate due sonde una che rileva in tempo reale sia la temperatura di mandata ai corpi scaldanti che quella esterna e in base a questi dati elabora un segnale che determina il valore ideale della temperatura di mandata e va ad agire su una valvola miscelatrice.
Nel caso che l’impianto di riscaldamento sia a radiatori per ottimizzare più compiutamente la termoregolazione sarebbe opportuno montare sulle valvole miscelatrici delle teste termostatiche che regolino la temperatura dell’ambiente.
Mano a mano che il locale si riscalda, la testa termostatica rileva il variare della temperatura e chiude la valvola miscelatrice parzializzando l’afflusso dell’acqua calda. In questo modo nel radiatore entrerà solo la quantità necessaria di acqua calda atta a mantenere costante la temperatura del locale. Nel radiatore il ricircolo sarà più lento e il rendimento più elevato e non vi sarà più acqua calda in eccesso che attraverso le tubazioni ritornerà in caldaia.
Nel caso invece che l’impianto di riscaldamento sia a pavimento radiante l’ideale è utilizzare una centralina che gestisca le teste elettrotermiche le quali regolino le varie valvole miscelatrici dei circuiti.

IMPOSTAZIONE CURVA CLIMATICA

La regolazione climatica viene determinata dalla curva che si sceglie, la quale definisce la temperatura massima di mandata in base alle condizioni climatiche esterne di riferimento. Analizzando il diagramma riportato in figura si osserva che in relazione alla curva scelta, per ogni valore di temperatura esterna corrisponde un valore della temperatura di mandata. La scelta della curva dipende dalla zona climatica in cui ci si trova, in riferimento proprio alle condizioni climatiche di temperatura esterna minima raggiungibile nel periodo invernale.
Le condizioni della temperatura esterna influenzano l’andamento delle dispersioni termiche dell’edificio, che richiederà una temperatura di mandata inversamente proporzionale alla temperatura esterna, cioè minore sarà la temperatura esterna e maggiore sarà la temperatura di mandata e viceversa.

ESEMPIO:
Comune di riferimento: Torino
Temperatura minima zona climatica Torino: -8°C
Temperatura di progetto del pavimento radiante: 40°C max

IL CREOSOTO

Il creosoto, volgarmente chiamato catrame, si deposita sia sulle superfici della caldaia che sulla superfice interna del tubo da fumo e della canna fumaria, di conseguenza si rende necessario pulire sia la caldaia che la canna fumaria per avere un funzionamento ottimale e sicuro. Un camino intasato di catrame può portare danni alla struttura della caldaia, essere molto pericoloso per il rischio incendio e aumentare considerevolmente i consumi di combustibile.

Cos’è il creosoto: è un miscuglio di sostanze di natura fenolica provenienti dal catrame di legno e che mescolati alla fuliggine formano delle incrostazioni molto adesive e resistenti sulle superfici su cui condensano. I creosoti tendono a formarsi quando la temperatura dei fumi all’interno della canna fumaria è bassa, mentre i fumi caldi ne producono molto meno. Avere uno strato di creosoto/catrame sulla superficie interna della caldaia con uno spessore inferiore ai 2mm è normale, non averla è quasi impossibile.

PRINCIPALI MOTIVI PERCHE' SI FORMA

Le ragioni per cui si forma il creosoto possono essere molteplici, principalmente le cause sono:

• Carburante scadente: principalmente la colpa può essere della legna troppo umida, quando si bruciano pezzi di legno non sufficientemente essiccati, viene rilasciato vapore acqueo che favorisce la formazione del catrame. Normalmente i produttori consigliano/richiedono legna con una umidità del 15÷20%. Per non sbagliarsi si consiglia di utilizzare legna con due anni di stagionatura (per il castagno meglio 3 anni) conservata al riparo dalle intemperie.

• Combustione del carburante insufficiente: la combustione incompleta avviene principalmente a causa della mancanza d'aria. L’aria all’interno del locale termico deve essere ricca di ossigeno, quindi andrebbe presa possibilmente dall’esterno e in quantità abbondante. Sarà poi la centralina della caldaia, per mezzo della sonda lambda, a regolare l’apertura o la chiusura delle prese dell’aria primaria e secondaria e a tarare la combustione in modo ottimale. Anche la pulizia dei condotti d’adduzione dell’aria comburente alla camera di combustione è di basilare importanza, con dei canali sporchi o intasati, che non permettono l’afflusso di aria/ossigeno, la combustione tende a fermarsi e di conseguenza la fiamma a spegnersi.

• La caldaia non funziona a piena potenza/funzionamento a bassa temperatura: quando si impiega una caldaia a legna l’ideale è farla funzionare alla massima potenza per tutta la durata della carica di legna e ottenere così una temperatura dei fumi più elevata. Quando la temperatura della caldaia diminuisce, i gas della combustione iniziano a trasformarsi in catrame e a depositarsi sulle parti, invece a temperature più elevate lo strato di catrame potrebbe bruciarsi fino a scomparire quasi del tutto.

• Canna fumaria con tiraggio insufficiente: una condizione basilare per avere un buon funzionamento del sistema caldaia/canna fumaria, e una formazione minima di creosoto, è quella di rispettare il valore richiesto dal fabbricante rigurdo la depressione in canna fumaria e se possibile cercare di mantenerla costante durante tutto il ciclo di combustione.

  PULIZIA DEL CREOSOTO

  La pulizia del creosoto depositatosi nel tempo è una cosa non proprio agevole, sarebbe opportuno cercare di non lasciarlo formare o per lo meno di ridurlo al minimo. La stratificazione nel tempo lo consolida e lo rende più spesso e più difficile da asportare, tanto che in alcuni casi si ricorre ad asportazione meccanica o manuale con martello e scalpellino.

  La formazione di uno strato inferiore ai 2 millimetri non crea alcun problema, è normale averlo. Se l’impianto è stato eseguito con l’impiego della valvola anticondensa tarata sui 55/65°C, quando la caldaia si spegne e si raffredda lo strato di catrame, che alla fine del ciclo di combustione è lucido quasi a sembrare una superficie vitrea, si “asciuga” diventando “sabbioso” e friabile, ed il giorno dopo prima dell’accensione è più facile da sportare, basta un semplice raschietto.

	Superficie nuova del vano di carico		Superficie normalmente ricoperta di creosoto		Confronto tra superficie ricoperta e raschiata

COME ASPORTARE IL CREOSOTO

Per asportare il catrame accumulatosi sulle pareti del generatore a legna o della canna fumaria ci sono principalmente tre possibilità: il metodo chimico, quello meccanico e quello della combustione:

• Rimozione del catrame mediante prodotti chimici: in commercio ci sono prodotti specifici che si possono accendere nella caldaia e che bruciando la puliscono dalle incrostazioni, il loro utilizzo richiede l'esecuzione attenta delle istruzioni del produttore

• Rimozione con metodo meccanico: l’operazione avviene per asportazione a mezzo di molatura o fresatura, è un lavoro impegnativo che richiede un certo impegno e non è di facile esecuzione

• Bruciare il catrame con il calore: è risaputo che il creosoto è costituito principalmente da carbonio ed è simile alla polvere di carbone e quindi infiammabile. In commercio si trovano dei tronchetti appositamente realizzati da usare regolarmente e da accendere all’interno del generatore di calore, utilizzando questo tipo di prodotto bisogna attenersi rigorosamente alle istruzioni del produttore.

CONSIGLIO: per la pulizia dal creosoto è sconsigliato il fai da te, sarebbe opportuno rivolgersi ad un tecnico professionista che avrà maturato una certa esperienza ed avrà a disposizione l’attrezzatura necessaria ad eseguire un lavoro a regola d’arte.