Applicazioni e soluzioni - Acqua calda

8.1 Scaldacqua ad accumulo

Lo scaldacqua ad accumulo riscalda l’acqua potabile in un serbatoio di accumulo e la mantiene alla temperatura necessaria fino al momento dell’uso. Gli scaldacqua ad accumulo consentono di alimentare più punti di presa con portate volumetriche elevate e temperature in uscita costanti. Il serbatoio di accumulo può essere riscaldato con una potenza ridotta purché la temperatura richiesta sia raggiunta a ogni prelievo. Le dimensioni del serbatoio di accumulo sono determinate sostanzialmente dal valore di picco del fabbisogno di acqua calda e dal tempo di messa a regime.

A causa del ristagno dell’acqua potabile nel serbatoio di accumulo, gli scaldacqua ad accumulo richiedono le seguenti misure per assicurare l’igiene dell’acqua potabile:

• Materiali di costruzione idonei

• Dimensionamento del volume del serbatoio di accumulo per il ricambio rapido dell’acqua

• Temperatura assicurata dell’acqua calda all’uscita del serbatoio di accumulo di almeno 60 °C

Il mantenimento della temperatura del serbatoio di accumulo comporta delle perdite – cosiddette «dispersioni in stand-by» – che possono essere evitate solo in parte attraverso l’isolamento termico del serbatoio di accumulo. Ulteriori perdite di calore sono dovute alle tubazioni del sistema di distribuzione di acqua calda.

8.1.1 Aspetti relativi alla progettazione in caso di utilizzo di scaldacqua ad accumulo

L’elenco seguente contiene aspetti importanti relativi alla progettazione in caso di utilizzo di scaldacqua ad accumulo:

• Per un esercizio efficiente a livello energetico è importante che i flussi sui raccordi dell’accumulatore non influenzino negativamente la stratificazione dell’accumulatore. Gli influssi negativi sulla stratificazione possono essere ridotti mediante l’impiego di diffusori (piastre spanditrici, tubi nebulizzatori) e con velocità di flusso di max. 0.1 m/s.

• Per garantire l’igiene dell’acqua potabile è inoltre necessaria una maggiorata sezione della conduttura sull’ingresso dell’acqua fredda dell’accumulatore, al fine di evitare il disturbo e il trasporto del sedimento (legionella). Il diametro dell’ingresso dell’acqua fredda deve pertanto essere sette volte maggiore rispetto al diametro nominale (DN) della conduttura dell’acqua fredda.

• Esternamente all’accumulatore deve essere realizzato un post-riscaldamento della circolazione. L’acqua circolante post-riscaldata può essere pompata nella zona superiore dell’accumulatore. In questo modo, nell’eventualità di un guasto nel post-riscaldamento della circolazione esterno, la temperatura nella circolazione dell’acqua calda viene mantenuta costante dall’accumulatore. L’esperienza mostra che la trasmissione di calore dai post-riscaldamenti della circolazione esterni è spesso soggetta a malfunzionamenti.

• Nel caso in cui il post-riscaldamento della circolazione avvenga esclusivamente attraverso l’accumulatore è possibile evitare disturbi alla stratificazione posizionando il raccordo dell’accumulatore nella circolazione di ritorno al di sotto del volume di copertura dei picchi. Inoltre è necessario adottare le misure sopra menzionate quali diffusori e velocità di flusso ridotte.

8.1.2 Scaldacqua ad accumulo a riscaldamento diretto

La trasformazione di energia in energia termica avviene all’interno del serbatoio di accumulo, ad esempio mediante un bruciatore a gas o un elemento riscaldante elettrico. La produzione diretta di calore nei serbatoi di accumulo con la sola energia elettrica non è consentita negli edifici abitati in modo continuo e nelle nuove costruzioni 👉 Modello di prescrizioni energetiche dei Cantoni (MoPEC).

8.1.3 Scaldacqua ad accumulo a riscaldamento indiretto con scambiatore di calore interno

La trasformazione di energia in energia termica avviene esternamente al serbatoio di accumulo. La trasmissione del calore all’acqua potabile avviene per mezzo di uno scambiatore di calore situato nella parte inferiore del serbatoio di accumulo. Ciò determina una stratificazione nel serbatoio di accumulo, con le temperature che aumentano, di grado in grado, dal basso verso l’alto (stratificazione a gradini). La temperatura di utilizzo dell’acqua calda è raggiunta quando il serbatoio di accumulo è completamente riscaldato.

Questo tipo di scaldacqua può essere utilizzato anche per l’acqua potabile calcarea e presenta una tecnica e una regolazione relativamente semplici. La stratificazione all’interno del serbatoio di accumulo ha, in genere, una grande zona fredda e di miscelazione.

8.1.4 Scaldacqua ad accumulo a riscaldamento indiretto con scambiatore di calore esterno

Gli scaldacqua ad accumulo con scambiatore di calore esterno sono dotati di una pompa di ricarica che convoglia l’acqua fredda dalla parte inferiore del serbatoio di accumulo attraverso lo scambiatore di calore e immagazzina l’acqua riscaldata nella parte superiore del serbatoio di accumulo. Si ottiene così una stratificazione del carico. I sensori di temperatura che rilevano le zone di temperatura all’interno del serbatoio di accumulo possono essere spostati in verticale. In questo modo è possibile adeguare l’altezza dello strato di acqua calda – ossia la riserva di acqua calda nel serbatoio di accumulo – al fabbisogno di acqua calda. I vantaggi di tali scaldacqua sono:

• La temperatura di utilizzo viene raggiunta dopo un breve lasso di tempo.

• Il tempo di messa a regime del serbatoio di accumulo viene ridotto.

• L’acqua potabile nel serbatoio di accumulo ha un ricambio frequente.

• Le dispersioni in stand-by sono inferiori.

• Le zone fredde e di miscelazione sono ridotte al minimo.

• Gli scaldacqua vantano un manutenzione semplice.

Gli svantaggi sono rappresentati dal grande ingombro e dalle protezioni supplementari contro la formazione di calcare.

Lo schema mostra un impianto di riscaldamento dell’acqua con scambiatore di calore esterno, scaldacqua ad accumulo con carico stratificato e circuito di ricarica con valvola a tre vie e pompa di ricarica non autoregolante. Ulteriori varianti per la ricarica del serbatoio di accumulo:

• Regolazione della miscelazione tramite miscelatore termico

• Pompa autoregolante (regolazione della portata volumetrica)

• Valvola regolatrice di flusso

8.1.4.1 Ricarica a fase unica e multifase

In fase di costruzione e collegamento di scaldacqua ad accumulo con scambiatore di calore esterno si distingue fra ricarica a fase unica e ricarica multifase.

Ricarica a fase unica

Nella ricarica a fase unica, l’acqua calda raggiunge la temperatura impostata di 60 °C in un unico ciclo attraverso lo scambiatore di calore e può quindi essere pompata nel volume di copertura dei picchi dell’accumulatore. La ricarica a fase unica è adatta per sistemi ad alta temperatura come teleriscaldamento, olio, gas o legna.

Ricarica multifase

Nella ricarica multifase, l’acqua calda viene pompata più volte attraverso lo scambiatore di calore. A ogni ciclo, la temperatura dell’acqua calda aumenta di 5-10 °C fino a raggiungere la temperatura impostata di 60 °C. In ragione della densità più bassa sale nella zona del volume di copertura dei picchi. Il tempo di ricarica dell’accumulatore rimane invariato rispetto al tempo della ricarica a fase unica poiché la pompa lavora con una portata volumetrica maggiore.

La ricarica multifase è adatta per sistemi a bassa temperatura come le pompe di calore. Perciò, la ricarica multifase sta acquisendo un’importanza crescente.

8.1.4.2 Esempi di collegamento

Ricarica a fase unica

Lo schema seguente mostra un impianto di riscaldamento dell’acqua con scambiatore di calore esterno e ricarica a fase unica. Il post-riscaldamento della circolazione avviene esternamente all’accumulatore.

Ricarica multifase

Lo schema seguente mostra un impianto di riscaldamento dell’acqua con scambiatore di calore esterno e ricarica multifase. Il post-riscaldamento della circolazione avviene attraverso l’accumulatore.

8.1.5 Scaldacqua ad accumulo con termoaccumulatore (serbatoio di accumulo combinato)

Nel caso del serbatoio di accumulo combinato, lo scaldacqua ad accumulo è incorporato nel termoaccumulatore. Il calore viene trasferito dall’acqua di riscaldamento presente nel termoaccumulatore attraverso la parete del serbatoio dello scaldacqua ad accumulo. Per riscaldare l’acqua di riscaldamento si possono utilizzare tutti i tipi di energia comuni.

Lo schema mostra un impianto solare con un serbatoio di accumulo combinato e due scambiatori di calore interni che garantiscono una stratificazione favorevole all’interno del serbatoio di accumulo. Uno scambiatore di calore interno aggiuntivo serve per il post riscaldamento con un’ulteriore fonte energetica.

Gli impianti solari possono produrre temperature massime elevate nel termoaccumulatore che richiedono una 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.

8.1.6 Collegamento in serie di scaldacqua ad accumulo

Per aumentare la potenza dell’acqua calda, gli scaldacqua ad accumulo comunemente reperibili in commercio possono essere collegati in serie. I collegamenti in serie degli scaldacqua ad accumulo presentano le seguenti caratteristiche:

• Posa semplice delle condutture

• Tutti i serbatoi di accumulo hanno le stesse temperature dell’acqua calda dopo il riscaldamento

• Temperatura di uscita costante dell’acqua calda

Il collegamento in serie è tuttavia idoneo in misura limitata in edifici con un’elevata sicurezza di approvvigionamento poiché durante le operazioni di manutenzione si fermano sempre tutti i serbatoi di accumulo. Le soluzioni che prevedono deviazioni e valvole sono sconsigliate in quanto possono compromettere l’igiene dell’acqua potabile.

Il collegamento in parallelo di scaldacqua ad accumulo è generalmente sconsigliato. Tali installazioni possono portare a comportamenti operativi diversi dei singoli serbatoi di accumulo, ad esempio lo scarico dei serbatoi di accumulo in orari diversi. Tuttavia, negli edifici con un grande fabbisogno di acqua calda e un’elevata sicurezza di approvvigionamento (ad esempio ospedali), il collegamento in parallelo può costituire una valida soluzione grazie alla ridondanza di approvvigionamento. La progettazione di tali impianti di riscaldamento dell’acqua richiede tuttavia conoscenze tecniche approfondite.

8.1.7 Stratificazione

Il contenuto degli scaldacqua ad accumulo presenta una stratificazione più o meno marcata delle zone di temperatura, la cui formazione è dovuta alle caratteristiche fisiche dell’acqua:

• Diminuzione della densità durante il riscaldamento: l’acqua riscaldata sale all’interno del serbatoio di accumulo.

• Conducibilità termica ridotta: scambio di calore scarso tra le zone di temperatura.

La stratificazione è determinata essenzialmente dal tipo di trasmissione del calore, ossia dal fatto che si utilizzi uno scambiatore di calore interno o esterno, con la formazione di zone di miscelazione minime quando il rapporto tra il diametro e l’altezza d’ingombro del serbatoio di accumulo è di circa 1:3. La stratificazione influisce sull’approvvigionamento dei punti di presa e sull’efficienza energetica. Una stratificazione poco marcata comporta lunghi tempi di messa a regime, un livello di rendimento inferiore dello scambiatore di calore e, nel peggiore dei casi, temperature in uscita troppo basse nei punti di presa.

Il volume di copertura dei picchi si trova al di sopra del sensore ON. Negli edifici abitativi, il volume di copertura dei picchi corrisponde a un picco orario. A seconda dell’immobile (ad esempio costruzioni industriali), il volume di copertura dei picchi deve essere definito per un intervallo di tempo diverso da un’ora.

Il volume di comando è compreso tra il sensore ON e il sensore OFF. In questo intervallo avviene il post riscaldamento.

Il volume disponibile è la somma del volume di copertura dei picchi e del volume di comando.

8.1.8 Protezione contro la corrosione

8.1.8.1 Anodo protettivo

Gli anodi protettivi sono utilizzati per la protezione catodica contro la corrosione di strutture metalliche che si trovano in acqua o nel terreno.

Gli scaldacqua ad accumulo sono spesso costituiti da un serbatoio in acciaio con un rivestimento interno smaltato come strato protettivo. Lo strato protettivo non può tuttavia essere prodotto completamente privo di crepe. In presenza di minuscole crepe nel rivestimento smaltato si formano elementi galvanici e, di conseguenza, correnti di corrosione, con l’acqua calda nel serbatoio di accumulo che funge da elettrolita. L’anodo protettivo in magnesio comune si dissolve al posto dell’acciaio (di qui anche la denominazione «anodo sacrificale»). Gli ioni di magnesio disciolti si depositano nelle cricche dell’acciaio inossidabile del serbatoio (catodo) e formano uno strato protettivo. Gli ioni di magnesio disciolti nell’acqua calda sono innocui in termini di igiene dell’acqua.

8.1.8.2 Anodo a corrente esterna

L’anodo a corrente esterna protegge dalla corrosione elettrochimica i serbatoi di accumulo in acciaio con rivestimento smaltato. In presenza di minuscole crepe nel rivestimento smaltato, l’anodo a corrente esterna fornisce la corrente di protezione da una fonte di energia elettrica esterna (protezione a corrente esterna). A differenza degli anodi sacrificali, l’anodo a corrente esterna non richiede alcuna manutenzione.

8.1.8.3 Protezione da correnti esterne

Le correnti elettriche esterne possono causare la corrosione in scaldacqua ad accumulo. Esistono diverse soluzioni per proteggere gli scaldacqua ad accumulo dalle correnti esterne.

Informazioni dettagliate al riguardo sono reperibili nel documento della Nussbaum «Tematiche relative alla corrosione», 👉 Tematiche 261.0.053.

8.2 Scaldacqua a flusso continuo

Uno scaldacqua a flusso continuo riscalda l’acqua potabile solo durante il prelievo dalla rubinetteria. In questo lasso di tempo, uno scambiatore di calore trasferisce l’energia termica necessaria all’acqua. Per gli scaldacqua elettrici a flusso continuo viene utilizzato, come scambiatore di calore, un sistema a filo nudo.

L’energia termica da fornire dipende dalla portata volumetrica, ossia dalla quantità di acqua calda prelevata dalla rubinetteria. Gli scaldacqua a flusso continuo a regolazione elettronica regolano la portata volumetrica in modo da ottenere una temperatura in uscita costante. L’immagine seguente mostra la curva caratteristica tipica di uno scaldacqua a flusso continuo. Le portate volumetriche maggiori vengono riscaldate in misura inferiore rispetto alle portate volumetriche minori.

In presenza di portate volumetriche troppo esigue sussiste il rischio che lo scaldacqua a flusso continuo si surriscaldi o provochi delle ustioni sulle persone. Per questo motivo, uno scaldacqua a flusso continuo attiva l’elemento riscaldante solo quando la portata volumetrica raggiunge un valore minimo (punto di attivazione). Negli scaldacqua a flusso continuo a controllo idraulico, ossia regolati in base alla portata volumetrica, non si può utilizzare acqua preriscaldata a causa del possibile surriscaldamento.

Gli scaldacqua a flusso continuo possono essere progettati per installazioni senza pressione e resistenti alla pressione. Caratteristiche principali degli scaldacqua a flusso continuo:

• Dimensioni ridotte

• Pericolo molto basso di contaminazione da legionelle

• Perdite ridotte di calore (apparecchio e conduttura dell’acqua potabile)

Uno svantaggio degli scaldacqua a flusso continuo – anche quelli a regolazione elettronica – è rappresentato dalle oscillazioni della temperatura in uscita o della portata volumetrica nonché dal consumo relativamente elevato di energia elettrica.

8.3 Stazione di acqua depurata

Una stazione di acqua depurata permette di fornire acqua calda a tutti i punti di presa di un edificio con l’energia termica accumulata nel termoaccumulatore dell’impianto di riscaldamento centrale, senza immagazzinare acqua calda. Uno scambiatore di calore centralizzato o decentralizzato, installato al piano, trasferisce l’energia termica del termoaccumulatore all’acqua potabile durante il prelievo di acqua calda (principio del flusso continuo).

Lo schema mostra una stazione di acqua depurata senza condutture dell’acqua calda mantenute calde.