Applicazioni e soluzioni - Acqua calda

7.1 Scambiatori di calore

Gli scambiatori di calore sono utilizzati nei sistemi termici per trasmettere il calore da un fluido a un altro fluido più freddo. Allo stesso tempo, i termovettori interessati sono materialmente disaccoppiati l’uno dall’altro. Gli scambiatori di calore per la produzione di acqua calda soddisfano requisiti diversi in termini di trasmissione ottimale del calore, protezione dalla corrosione e accesso per la manutenzione in caso di formazione di calcare. Si utilizzano tipologie diverse a seconda del luogo d’installazione e del termovettore. Gli scambiatori di calore interni sono integrati nello scaldacqua ad accumulo. Gli scambiatori di calore esterni sono utilizzati in impianti più grandi e sono situati all’esterno dello scaldacqua ad accumulo. Dal punto di vista igienico sono da preferire gli scambiatori di calore esterni (direttiva SSIGA W3/C3). Questi creano inoltre una migliore stratificazione nello scaldacqua ad accumulo.

Gli scambiatori di calore a tubi lisci sono utilizzati per trasmettere il calore da gas o miscele di gas ai liquidi.

Gli scambiatori di calore a tubo alettato presentano superfici tubolari ottimizzate per i requisiti specifici di trasmissione del calore.

Gli scambiatori di calore a piastre sono costituiti da piastre con canali su entrambi i lati, assemblate in modo che ciascuna piastra sia attraversata, da un lato, dal termovettore e, dall’altro lato, dal medio più freddo in senso inverso (principio di scambio in controcorrente).

7.2 Elementi riscaldanti a resistenza

Gli elementi riscaldanti a resistenza si basano sull’effetto fisico per cui la corrente elettrica all’interno di un conduttore elettrico genera calore.

Gli elementi riscaldanti elettrici sono utilizzati per il post riscaldamento negli scaldacqua ad accumulo. I sistemi di riscaldamento a filo nudo sono utilizzati negli scaldacqua a flusso continuo. L’elemento riscaldante è costituito da un filo metallico collocato direttamente nell’acqua potabile senza isolamento. La dimensione ridotta dei fili metallici consente un riscaldamento rapido. La dilatazione longitudinale dei fili metallici durante il riscaldamento e il raffreddamento fa sì che il calcare difficilmente si depositi. Non è più consentito riscaldare in modo completamente elettrico gli scaldacqua ad accumulo dotati di elementi riscaldanti a resistenza.

7.3 Pompa di calore

Una pompa di calore utilizza il calore latente determinato dal cambiamento degli stati di aggregazione di un refrigerante con pressione del vapore ridotta. Ad esempio, il calore dell’aria ambiente viene convogliato al refrigerante attraverso l’evaporatore e fa evaporare il refrigerante liquido. Il refrigerante passa allo stato gassoso assorbendo il calore dall’aria ambiente. Il refrigerante viene ulteriormente riscaldato all’interno del compressore aumentando la pressione e confluisce nel condensatore dove il refrigerante cede il calore (latente) assorbito per riscaldare l’acqua calda. Il refrigerante torna allo stato liquido. Successivamente, la pressione del refrigerante viene ulteriormente abbassata per mezzo della valvola di espansione, per cui il refrigerante si raffredda alla temperatura originale ed entra nell’evaporatore. Il ciclo di evaporazione e condensazione riparte dall’inizio. Il compressore è azionato da un motore elettrico.

La pompa di calore produce una quantità di energia termica molto superiore rispetto all’energia elettrica assorbita. Il rapporto tra energia elettrica assorbita e calore erogato è espresso dal coefficiente di prestazione COP (Coefficient of Performance). Il coefficiente di prestazione COP è un valore istantaneo. Il coefficiente di rendimento annuo JAZ è più significativo in quanto indica il rapporto tra consumo energetico e resa termica nell’arco di un anno.

Le pompe di calore consentono di ridurre notevolmente le emissioni di CO₂ fino all’80 % rispetto a un impianto di riscaldamento a olio combustibile e fino al 70 % rispetto a un impianto di riscaldamento a gas (fonte: Geothermie Svizzera).

Le pompe di calore hanno una struttura differente a seconda della fonte di calore. Si distinguono tre tipi, denominati in base alla fonte di calore utilizzata.

Tipo	Immagine	Descrizione
Pompa di calore aria/acqua		Una pompa di calore aria/acqua utilizza come fonte di calore il calore presente nell’aria ambiente che viene convogliato al circuito del refrigerante della pompa di calore per mezzo di un ventilatore. La pompa di calore aria/acqua può essere installata sia all’interno sia all’esterno degli edifici.
Pompa di calore salamoia/acqua		Una pompa di calore salamoia/acqua utilizza come fonte di calore il calore presente nel terreno (geotermia). Il calore viene convogliato al circuito del refrigerante della pompa di calore tramite una sonda geotermica installata fino a 400 metri di profondità.
Pompa di calore acqua/acqua	—	Una pompa di calore acqua/acqua utilizza come fonte di calore il calore presente nelle acque superficiali o nell’acqua di falda. Il calore viene convogliato al circuito del refrigerante della pompa di calore tramite un sistema di tubazioni.

Tipi di pompe di calore

7.4 Impianto solare termico

Gli impianti solari termici sono sistemi che convertono l’energia del soleggiamento in calore. Poiché utilizzano esclusivamente energia rinnovabile, questi impianti sono particolarmente sostenibili. Gli impianti solari sono costituiti da singoli collettori solari e possono essere installati su tetti, facciate o in spazi aperti. Gli impianti solari termici possono essere dotati di diversi tipi di collettori solari:

• Collettori termici piatti

• Collettori tubolari sottovuoto

Il principio degli impianti solari termici è lo stesso per tutti i tipi di collettori solari.

I collettori assorbono gran parte dell’energia solare riscaldandosi di conseguenza. Il calore assorbito viene trasferito a un liquido termovettore nel circuito solare e trasportato con una pompa solare in uno scaldacqua. Questo calore viene utilizzato come energia ausiliaria per la produzione di acqua calda e il riscaldamento. In questo modo è possibile risparmiare sui costi di riscaldamento e ridurre l’utilizzo di energia non rinnovabile.

Lo schema illustra un impianto solare per il preriscaldamento dell’acqua calda costituito da un serbatoio per l’acqua per l’esercizio con scambiatore di calore interno e da un impianto per la produzione di acqua calda con scambiatore di calore esterno per il preriscaldamento dell’acqua potabile. Uno scambiatore di calore esterno aggiuntivo serve per il post riscaldamento, ad esempio per mezzo di una pompa di calore. La pompa di ricarica è autoregolante.

Protezione contro le ustioni: Una valvola di miscelazione termostatica evita le ustioni in quanto abbassa la temperatura dell’acqua calda alla temperatura massima impostata mescolandola con acqua fredda o acqua potabile proveniente dalla circolazione dell’acqua calda.

7.5 Impianto fotovoltaico (power-to-heat)

Gli impianti fotovoltaici sono sistemi che convertono l’energia prodotta dal soleggiamento in elettricità. Per la produzione di acqua calda, gli impianti fotovoltaici possono essere abbinati a pompe di calore o a elementi riscaldanti a resistenza per aumentare l’autoconsumo (power-to-heat).

7.5.1 Utilizzo power-to-heat con elemento riscaldante a resistenza

Nel caso di impianti fotovoltaici più piccoli o in caso di funzionamento occasionale nella modalità power-to-heat si può utilizzare un elemento riscaldante elettrico.

All’occorrenza, un comando (simbolo arancione) attiva l’elemento riscaldante (simbolo blu) per il post riscaldamento dell’acqua potabile.

7.5.2 Utilizzo power-to-heat con pompa di calore

In caso di utilizzo regolare dell’impianto fotovoltaico nella modalità power-to-heat è possibile utilizzare una pompa di calore con uno scambiatore di calore situato all’interno dello scaldacqua ad accumulo.

All’occorrenza, un comando (simbolo arancione) attiva la pompa di calore (simbolo blu) per il riscaldamento dell’acqua potabile.