Applicazioni e soluzioni - Acqua calda

14.1 Scaldacqua ad accumulo

Il calcolo illustrato di seguito per ricavare il volume del serbatoio di accumulo degli scaldacqua ad accumulo si basa sulla norma SIA 385/2.

Principio di calcolo: i valori iniziali del volume del serbatoio di accumulo sono determinati in base al fabbisogno giornaliero di acqua calda. I valori iniziali consentono di calcolare le perdite di calore nell’approvvigionamento di acqua calda. Infine, il volume effettivo del serbatoio di accumulo è dato dal volume destinato a coprire il fabbisogno di acqua calda e dal volume destinato a compensare le perdite di calore.

14.1.1 Fabbisogno di acqua calda

Il fabbisogno di acqua calda che lo scaldacqua ad accumulo deve coprire è calcolato come segue:

Densità di occupazione degli appartamenti (secondo Calcoli per impianti idrosanitari brevi e concisi)

14.1.2 Fabbisogno termico per acqua calda

Il fabbisogno termico per acqua calda viene calcolato nel modo seguente:

14.1.3 Valore iniziale del volume di acqua calda

Il valore iniziale del volume di acqua calda viene calcolato nel modo seguente:

Il fattore 1.5 tiene conto delle perdite di calore dell’acqua calda.

14.1.4 Valore iniziale del volume di copertura dei picchi

Il valore iniziale del volume di copertura dei picchi viene calcolato nel modo seguente:

14.1.5 Valore iniziale del volume di comando

Il valore iniziale del volume di comando varia in funzione del numero di cicli di carica.

Il numero di cicli di carica viene calcolato nel modo seguente:

Il valore iniziale del volume di comando viene calcolato nel modo seguente:

Il calcolo vale per le seguenti ipotesi:

• Interruzione del riscaldamento per 1 ora (3'600 secondi)

• La potenza del generatore di calore è utilizzata per la produzione di acqua calda

• Nessun tempo di interruzione, ad esempio nell’alimentazione elettrica delle pompe di calore

14.1.6 Valore iniziale del volume del serbatoio di accumulo

Il valore iniziale del volume del serbatoio di accumulo è dato dalla somma del volume di comando e del volume di copertura dei picchi – e serve come base per gli ulteriori calcoli. Le maggiorazioni di dimensione per le zone fredde e di miscelazione sono compensate con un fattore in base alla struttura del serbatoio di accumulo.

Il valore iniziale del volume del serbatoio di accumulo viene calcolato nel modo seguente:

14.1.7 Perdite di calore del serbatoio di accumulo

Le perdite di calore del serbatoio di accumulo fino a un volume di 2'000 litri sono riportate nella tabella seguente.

La perdita di calore dello scaldacqua ad accumulo è generalmente indicata nella scheda tecnica del produttore.

14.1.8 Perdita di calore delle condutture mantenute calde

La perdita di calore delle condutture mantenute calde viene calcolata nel modo seguente:

14.1.9 Perdite di calore delle condutture di erogazione

Le perdite di calore delle condutture di erogazione sono calcolate nel modo seguente:

14.1.10 Fabbisogno termico nell’approvvigionamento di acqua calda

Il fabbisogno termico nell’approvvigionamento di acqua calda risulta dal fabbisogno termico per l’acqua calda e dalla somma delle perdite di calore:

14.1.11 Valore finale del volume di acqua calda

Il valore finale del volume di acqua calda copre il fabbisogno di acqua calda e compensa le perdite di calore nell’approvvigionamento di acqua calda. Il calcolo viene effettuato come illustrato di seguito:

14.1.12 Valore finale del volume di copertura dei picchi

Il valore finale del volume di copertura dei picchi viene calcolato nel modo seguente:

14.1.13 Valore finale del volume di comando

Il valore finale del volume di comando varia in funzione del numero di cicli di carica allo stesso modo del valore iniziale.

Il numero di cicli di carica viene calcolato sulla base del valore finale del volume di acqua calda:

Il valore finale del volume di comando viene calcolato nel modo seguente:

14.1.14 Valore finale del volume del serbatoio di accumulo

Il valore finale del volume del serbatoio di accumulo consente di determinare il volume idoneo del serbatoio di accumulo reperibile in commercio.

Il valore finale del volume del serbatoio di accumulo viene calcolato nel modo seguente:

14.1.15 Verifica igienica del volume del serbatoio di accumulo

Ai sensi della direttiva W3/C3 d (2020) della SSIGA, il volume disponibile di uno scaldacqua ad accumulo deve essere rinnovato almeno una volta al giorno. Il volume disponibile è costituito dal volume di copertura dei picchi e dal volume di comando. Pertanto, il fabbisogno di acqua calda (V_W,u) deve essere inferiore alla somma del volume di copertura dei picchi e del volume di comando.

14.2 Sistemi di circolazione

I sistemi di circolazione sono dimensionati in base alla norma DIN 1988, parte 300. Tale norma descrive la cosiddetta «procedura differenziata». Da quest’ultima deriva il metodo semplificato per il calcolo dei sistemi di circolazione.

Indipendentemente dal metodo scelto, il dimensionamento di un sistema di circolazione comprende il calcolo delle perdite di calore e di pressione nelle condutture dell’acqua calda. Con tale calcolo si determinano la portata e la pressione di convogliamento della pompa di circolazione. Si calcolano le seguenti grandezze:

• Perdita di calore delle condutture dell’acqua calda

• Portata della pompa di circolazione

• Portate volumetriche

• Diametro nominale delle condutture di circolazione

• Perdita di pressione dovuta all’attrito all’interno dei tubi e alle singole resistenze

• Pressione di convogliamento della pompa di circolazione

Al termine viene selezionata la pompa di circolazione.

Il metodo semplificato qui descritto utilizza la perdita di calore specifica per calcolare le perdite di calore. Le perdite di pressione delle singole resistenze e nelle tubazioni sono prese in considerazione attraverso un fattore basato su valori empirici.

14.2.1 Perdita di calore delle condutture dell’acqua calda

La perdita di calore delle condutture dell’acqua calda risulta dalla somma delle perdite di calore di tutti i segmenti del sistema di distribuzione di acqua calda. Il calcolo della perdita di calore viene effettuato attraverso la formula seguente:

Circolazione convenzionale:

Nella circolazione convenzionale, la lunghezza di un segmento è pari alla lunghezza della mandata di acqua calda sommata alla lunghezza del ritorno di acqua calda perché si tratta di tubazioni isolate.

Circolazione tubo su tubo:

Nel caso della circolazione tubo su tubo va considerata solo la lunghezza della mandata di acqua calda poiché la mandata e il ritorno di acqua calda si trovano nello stesso isolamento termico.

14.2.2 Portata della pompa di circolazione

La portata della pompa di circolazione è data dalla perdita di calore delle condutture dell’acqua calda che deve essere compensata e dall’abbassamento massimo consentito della temperatura dell’acqua calda. Il calcolo della portata viene effettuato attraverso la formula seguente:

Per motivi igienici è consentito un abbassamento della temperatura non superiore a 5 K (temperatura del serbatoio di accumulo 60 °C, temperatura nella conduttura di distribuzione 55 °C). Ai fini della regolazione è necessario impostare un abbassamento minore della temperatura. In questo modo si ha una portata volumetrica maggiore (minore è la differenza di temperatura, maggiore sarà la portata volumetrica). Nelle valvole di regolazione per la circolazione termica occorre verificare la temperatura impostata.

14.2.3 Portate volumetriche

Se la portata della pompa di circolazione è nota si possono calcolare le portate volumetriche nei segmenti del sistema di distribuzione di acqua calda. Nel caso di una deviazione, la portata volumetrica viene suddivisa in una portata di diramazione e in una portata continua.

La portata di diramazione viene calcolata attraverso la formula seguente:

La portata continua sarà pertanto:

La portata continua calcolata è suddivisa in ulteriori portate parziali alla deviazione successiva. Il calcolo viene effettuato in modo analogo. La procedura viene ripetuta finché non sono note le portate volumetriche in tutti i segmenti.

14.2.4 Diametri nominali delle condutture di circolazione

I diametri nominali delle condutture di circolazione vengono determinati attraverso i metodi di calcolo della Direttiva per gli impianti di acqua potabile W3 della SSIGA. La velocità di flusso da scegliere dipende dal materiale per tubi e non deve superare 0.5 m/s. Nei sistemi di circolazione di piccole dimensioni, spesso è sufficiente il diametro nominale minimo per le portate volumetriche ridotte. Nelle condutture di circolazione di grandi dimensioni occorre tener conto della perdita di pressione all’interno della tubazione scegliendo un diametro nominale maggiore.

14.2.5 Perdite di pressione dovute all’attrito all’interno dei tubi e alle singole resistenze

Per calcolare la pressione di convogliamento della pompa di circolazione occorre individuare il tratto con la massima perdita di pressione dovuta all’attrito all’interno dei tubi e alle singole resistenze. Nella maggior parte dei casi è il tratto più lungo nella circolazione. La perdita di pressione del segmento di un tratto viene calcolata con la seguente formula, dove la percentuale delle perdite di pressione dovute a singole resistenze viene raggruppata in un fattore:

Simbolo	Unità	Descrizione
ΔpL	[hPa]	Perdita di pressione dovuta ad attrito all’interno dei tubi e a singole resistenze
R	[hPa]	Valore R Perdita di pressione specifica dovuta ad attrito all’interno dei tubi
l	[m]	Lunghezza del segmento più lungo nella circolazione
a	[—]	Percentuale delle perdite di pressione dovute a singole resistenze

Il valore R viene determinato sulla base della tabella di perdita di pressione del tipo di tubo impiegato utilizzando la portata volumetrica calcolata e la velocità di flusso. Esempi di tabelle, 👉 Tabella di perdita di pressione tubi Optipress, 👉 Tabella di perdita di pressione tubi Optiflex.

14.2.6 Selezione della pompa di circolazione

Quando volume di convogliamento e pressione di convogliamento sono noti si può passare alla selezione della pompa di circolazione. La selezione viene effettuata sulla scorta delle curve caratteristiche riprodotte nella documentazione tecnica dei produttori delle pompe di circolazione.

Probabilmente non esiste una pompa di circolazione che corrisponde esattamente al punto di funzionamento calcolato. Nella prassi si sceglie una pompa di circolazione con un campo di pressione adeguato che viene impostata con il punto di funzionamento durante la messa a punto. Durante il bilanciamento idraulico, le valvole di regolazione per la circolazione aumentano le perdite di pressione nei rispettivi tratti di circolazione. In questo modo si imposta la curva caratteristica reale del sistema di approvvigionamento di acqua calda.

14.2.7 Esempio di dimensionamento

L’esempio di dimensionamento mostra il calcolo semplificato di un sistema di circolazione all’interno di un sistema centralizzato di approvvigionamento di acqua calda per un’abitazione plurifamiliare con 8 appartamenti e 4 tratti montanti.

Per il calcolo si ipotizzano le specifiche seguenti:

• Sistema di circolazione tubo su tubo

• Temperatura di mandata di acqua calda all’uscita del serbatoio di accumulo: 60 °C

• Temperatura di ritorno di acqua calda all’ingresso del serbatoio di accumulo: 56 °C

• Materiale per tubi di mandata di acqua calda: acciaio inossidabile (acciaio cromato)

• Materiale per tubi delle condutture di circolazione: materiale sintetico PE-X

14.2.7.1 Calcolo della perdita di calore delle condutture dell’acqua calda

Le perdite di calore nei segmenti del sistema di distribuzione dell’acqua calda sono calcolate attraverso la seguente formula:

I valori possono essere riportati in una tabella:

Sommando i valori si calcolano le perdite di calore nei segmenti a valle dei pezzi a Ti e la perdita di calore totale. I valori possono essere riportati in una tabella:

14.2.7.2 Calcolo della portata della pompa di circolazione

La portata della pompa di circolazione viene calcolata sulla base della perdita di calore totale e della differenza di temperatura tra mandata e ritorno di acqua calda:

14.2.7.3 Calcolo delle portate volumetriche nei segmenti

In base alla portata della pompa di circolazione e alle perdite di calore si calcolano le ripartizioni della portata volumetrica nei segmenti a valle dei pezzi a Ti.

Deviazione TS1:

Deviazione TS2:

Deviazione TS3:

I valori possono essere riportati in una tabella:

14.2.7.4 Calcolo delle perdite di pressione

Per il calcolo delle perdite di pressione nell’impianto di distribuzione di acqua calda si ipotizzano i seguenti materiali e diametri nominali delle condutture di circolazione:

• Segmento TS1: acciaio cromato da 15 mm

• Segmenti da TS2 a TS7: materiale sintetico PE-X da 16 mm

• Percentuale delle perdite di pressione dovute a singole resistenze: 1.2 (20 %)

I valori R vengono determinati con l’ausilio delle tabelle di perdita di pressione. Individuando il valore R nella tabella di perdita di pressione si seleziona la portata volumetrica più vicina alla portata volumetrica calcolata tenendo conto delle velocità massime di flusso di 0.5 m/s.

Con i valori R si calcolano le perdite di pressione nei segmenti utilizzando la seguente formula:

I valori possono essere riportati in una tabella:

Sommando i valori si ottengono le perdite di pressione nei tratti. I valori sono utilizzati per impostare i punti di funzionamento delle valvole di regolazione per la circolazione e per selezionare la pompa di circolazione.

I valori possono essere riportati in una tabella:

14.2.7.5 Calcolo della pressione di convogliamento della pompa di circolazione

La pressione di convogliamento della pompa di circolazione è calcolata sommando le perdite di pressione nel tratto più lungo del sistema di circolazione. Nell’esempio riportato si tratta del tratto 1. Questo tratto presenta la perdita di pressione massima dovuta ad attrito all’interno dei tubi e a singole resistenze. Per le perdite di pressione della valvola di ritegno e della valvola di regolazione per la circolazione si assumono valori tipici:

• Perdita di pressione Δp_L tratto 1: 33.5 hPa

• Perdita di pressione Δp_RV valvola di ritegno: 80 hPa

• Perdita di pressione Δp_ZRV valvola di regolazione per la circolazione completamente aperta: 3 hPa

Nell’esempio non sono presenti le perdite di pressione dovute agli apparecchi: Δp_Ap = 0, pertanto la pressione di convogliamento della pompa di circolazione è uguale a

Ulteriori informazioni:

• 👉 Esempio di lettura del diagramma di prestazione della valvola di ritegno

• 👉 Esempio di lettura del diagramma di prestazione della valvola di regolazione per la circolazione

14.2.7.6 Selezione della pompa di circolazione

In base ai valori calcolati per la portata e la pressione di convogliamento si seleziona una pompa di circolazione con i seguenti dati:

• Portata volumetrica della pompa: 306 l/h

• Differenza di pressione della pompa: 19.96 kPa

Ulteriori informazioni: 👉 Esempio di dimensionamento della pompa di circolazione

14.3 Tempi di erogazione

14.3.1 Calcolo del tempo di erogazione

Il tempo di erogazione è il lasso di tempo che intercorre fino al raggiungimento della temperatura dell’acqua calda (40 °C) nel punto di presa. Tempi di erogazione ridotti soddisfano l’esigenza di comfort dell’utenza e favoriscono un consumo parsimonioso di energia. I seguenti parametri influenzano il tempo di erogazione:

• Tecnica di posa del sistema di distribuzione di acqua calda

• Disposizione degli apparecchi idrosanitari

• Dimensione dei tubi e lunghezza delle condutture

• Temperatura dell’acqua calda

• Portata volumetrica

I tempi di erogazione massimi consentiti in un sistema di approvvigionamento di acqua calda sono definiti dalle norme nel modo seguente:

Il tempo di erogazione t_em viene calcolato attraverso la formula seguente (SIA 385/2):

La formula presuppone le seguenti condizioni nel sistema di approvvigionamento di acqua calda:

a) Portate volumetriche del rubinetto di presa secondo la prescrizione SIA 385/2

b) La temperatura dell’acqua calda all’ingresso nella conduttura di erogazione ammonta a 55 °C. Se la temperatura di ingresso si discosta da tale valore, nella formula al posto di 2.00 si utilizza un fattore indicato nella tabella seguente:

Il fattore tiene conto della fase fredda e di riscaldamento del tempo di erogazione.

Tabelle utili per determinare i tempi di erogazione sono riportate nel documento Nussbaum «Dimensionamento di sistemi di condutture», 👉 Tematiche 299.1.069.

14.3.2 Andamento della temperatura in un punto di presa di acqua calda

Il diagramma che segue mostra l’andamento della temperatura dell’acqua calda all’uscita di un punto di presa di acqua calda.

tc	=	Fase fredda: la temperatura dell’acqua nel punto di presa è prossima alla temperatura ambiente
thu	=	Fase di riscaldamento: la temperatura dell’acqua nel punto di presa sale fino a 40 °C
	=	Andamento della temperatura: temperatura misurata nel punto di presa per tubi Optiflex
	=	Prelievo di acqua effettivo: dopo il tempo di erogazione, ossia dopo aver raggiunto una temperatura di 40 °C nel punto di presa

14.3.3 Misurazione del tempo di erogazione

La misurazione dei tempi di erogazione nei punti di presa costituisce una verifica del funzionamento del sistema di approvvigionamento di acqua calda. Oltre al tempo di erogazione occorre misurare la portata volumetrica del rubinetto di presa e il valore indicativo relativo alla temperatura di ingresso.

Requisiti per la misurazione:

• L’approvvigionamento di acqua calda è in funzione da almeno 2 giorni.

• Nessun prelievo di acqua calda nelle 6 ore precedenti le misurazioni.

Sono necessari i seguenti mezzi ausiliari:

• Strumento di misurazione della temperatura dotato di sensore e con le caratteristiche seguenti:

  • Campo di misurazione: 0-80 °C

  • Tempo di attivazione: < 0.3 s

• Recipiente graduato (ca. 10 l)

• Cronometro

14.3.3.1 Misurazione del tempo di erogazione

Il tempo di erogazione è il lasso di tempo che intercorre tra l’apertura del rubinetto di presa e il raggiungimento della temperatura di 40 °C. La misurazione della temperatura prosegue fino a sette volte il tempo di erogazione misurato.

1. Fissare il sensore di misurazione della temperatura al rubinetto di presa sotto il regolatore del getto.
2. Aprire completamente il rubinetto di presa lato acqua calda e avviare il cronometraggio.

Il valore di misurazione è un indicatore della temperatura dell’acqua calda all’ingresso della conduttura di erogazione.

14.3.3.2 Misurazione della portata volumetrica

1. Posizionare il recipiente graduato sotto il rubinetto di presa.
2. Aprire completamente il rubinetto di presa lato acqua calda e arrestare il tempo al raggiungimento di un volume selezionato liberamente.
3. Calcolare la portata volumetrica sulla base della durata della misurazione e del volume.

Se la portata volumetrica misurata non è conforme ai valori prescritti dalla norma SIA 385/2 per i rubinetti di presa occorre verificare il dimensionamento della conduttura di erogazione.

La verifica del calcolo si effettua convertendo il tempo di erogazione misurato con la seguente formula:

Se il tempo di erogazione convertito t_em,2 non supera il valore prescritto dalla norma, ossia 10 secondi per le condutture dell’acqua calda mantenute calde o 15 secondi per le condutture non mantenute calde, l’approvvigionamento di acqua calda corrisponde al dimensionamento. Sono quindi possibili le seguenti misure per ridurre il tempo di erogazione:

• Installare rubinetti di presa con una portata maggiore

• Aumentare la temperatura dell’acqua calda

• Aumentare la pressione

La conversione tiene conto delle possibili perdite di pressione tra il punto di allacciamento e il punto di uscita del rubinetto di presa causate, ad esempio, da un limitatore di flusso. Per motivi pratici, queste perdite di pressione non vengono spesso considerate in fase di dimensionamento del sistema di approvvigionamento di acqua calda.