Caldaie a condensazione

Cosa sono?

Le caldaie a condensazione sono tra le più moderne ed ecologiche ad oggi esistenti, riescono ad ottenere rendimenti molto elevati e riduzioni delle emissioni di ossidi di azoto (NOx) e monossido di carbonio (CO) fino al 70% rispetto agli impianti tradizionali.

La caldaia a condensazione infatti, a differenza della caldaia tradizionale, può recuperare gran parte del calore contenuto nei fumi espulsi attraverso il camino.

La particolare tecnologia della condensazione consente infatti di raffreddare i fumi che si trasformano tornando allo stato di liquido, con un recupero di calore utilizzato per preriscaldare l’acqua di ritorno dall’impianto.

In questo modo la temperatura dei fumi di uscita mantiene sempre lo stesso valore della temperatura di mandata dell’acqua, ben inferiore quindi ai 140-160°C dei generatori ad alto rendimento ed ai 200-250°C dei generatori di tipo tradizionale.

Le caldaie a condensazione utilizzano tubi di scarico in acciaio inox o addirittura in plastica e necessitano anche di un tubo per lo scarico dell’acqua di condensa che si forma toccando le pareti fredde del camino.

Quali sono i Vantaggi di una Caldaia a Condensazione?

I vantaggi di una caldaia a condensazione rispetto ad una tradizionale sono:

  • Rendimento a carico nominale (cioè in determinate condizioni previste dalla normativa) più elevato grazie alla riduzione delle perdite di calore nei fumi, delle perdite per dispersione e al recupero di parte del calore latente del vapore acqueo.
  • Migliori rendimenti anche a carico parziale cioè quando è necessaria meno energia per riscaldare l’edificio, come ad esempio con aria esterna a temperature superiori 0°C.
  • Esprimono il massimo delle prestazioni (risparmi del 40% e oltre) quando vengono utilizzate con impianti che funzionano a bassa temperatura (30-50°C), come ad esempio con impianti radianti (pannelli a soffitto, serpentino a pavimento o serpentino a parete).
  • Possibilità di integrare un impianto che sfrutta una caldaia a condensazione con un impianto solare termico  aumentando così il risparmio energetico.

Cos’è la Condensazione?

Si definisce “condensazione” il fenomeno fisico che individua il passaggio di un fluido dallo stato gassoso o di vapore, allo stato liquido.

È un fenomeno che possiamo osservare quotidianamente, ad esempio le goccioline d’acqua sulla superficie interna di un coperchio quando lo poniamo sopra una pentola contenente acqua in ebollizione.

Nell’ambito del riscaldamento il fenomeno ci interessa in quanto lo possiamo applicare ai fumi di combustione in uscita dal camino. Questi fumi, che hanno parzialmente ceduto calore al fluido termovettore in caldaia, vengono evacuati dal sistema, nell’ambito delle tecnologie di tipo tradizionale, solitamente ad alta temperatura, quindi, con ancora un elevato contenuto energetico.

Pertanto risulta interessante, nonché conveniente da un punto di vista economico, poter recuperare l’energia racchiusa nei prodotti di scarico della combustione; è possibile fare ciò condensandoli, facendoli, pertanto, passare dallo stato gassoso/vapore allo stato liquido.

Infatti la combustione è una reazione chimica di ossidazione tra un combustibile e un comburente, caratterizzata dalla formazione di energia termica.

Per esempio il gas naturale è un idrocarburo composto essenzialmente da carbonio e idrogeno. La composizione può variare ma l’elemento preponderante è il metano CH4. Altri gas inerti sono presenti (azoto N2 e biossido di carbonio CO2), ma in piccola proporzione e possono quindi essere considerati irrilevanti ai fini della combustione.

Nella reazione stechiometrica del metano, bilanciando l’equazione, si calcola che per bruciare una molecola di metano (CH4) sono necessarie 2 molecole di ossigeno (O2). L’ossigeno nell’aria non è puro, ma è presente per il 20,9%, mentre il restante 79,1% è costituito di azoto (N2).

Il rapporto tra i due è pari a 3,78; pertanto utilizzando nella combustione 2 molecole di ossigeno si coinvolgono anche 7,56 (= 2 x 3,78) molecole di azoto.

Queste molecole di azoto, nell’ipotesi di considerare questo componente come un inerte, si ritrovano nella stessa quantità tra i prodotti di combustione.

Quindi la combustione di una molecola di metano porta alla formazione di una molecola di biossido di carbonio, o anidride carbonica (CO2) e di due molecole di acqua (H2O), sotto forma di vapore.

I prodotti della combustione vengono quindi evacuati attraverso i fumi di scarico che contengono energia sotto due forme diverse:

  • Calore sensibile = quantità di calore che provoca la variazione di temperatura di un corpo
  • Calore latente = quantità di calore che provoca la variazione dello stato di un corpo senza modificare la temperatura.

In presenza d’aria umida i corpi freddi si “appannano”, cioè innescano la formazione di condensa.

Se invece di sola aria si tratta di gas di combustione le cose non cambiano molto; le variabili in gioco sono sempre le stesse: umidità e temperatura.

Pertanto si parla di “temperatura di rugiada” per indicare quella temperatura al di sotto della quale si comincia a manifestare il fenomeno della condensazione del vapore d’acqua contenuto nella miscela di gas, che dallo stato gassoso si porta allo stato liquido (cambiamento di stato).

Per portare alla condensazione il vapore acqueo contenuto nei fumi di combustione, è necessario raffreddarli al di sotto della temperatura di rugiada. L’importante è disporre di gas di combustione ad elevata umidità relativa e di una superficie a temperatura ragionevolmente bassa.

Nelle caldaie classiche, il vapore di acqua contenuto nei fumi non è condensato; ciò significa che, abbassando la temperatura dei fumi fino a raggiungere un livello lievemente superiore alla temperatura di condensazione, viene recuperato esclusivamente calore sensibile.

Mai i fumi contengono ancora una quantità considerevole di energia che è stata accumulata sotto forma di calore latente.

Pertanto le  caldaie a condensazione non fanno altro che recuperare in parte questo calore, cedendolo al nostro impianto di riscaldamento, beneficiando così dell’energia che, tutto sommato, ci appartiene e che, ora, ci permettiamo di disperdere inutilizzata in canna fumaria o in atmosfera contribuendo ulteriormente ad inquinare l’ambiente in cui viviamo.

Quindi per poter ottenere i migliori rendimenti di una caldaia a condensazione dovremmo portare alla condensazione il vapore acque contenuto nei fumi di combustione raffreddandoli al di sotto della temperatura di rugiada.

Si parla di “temperatura di rugiada” per indicare quella temperatura al di sotto della quale si comincia a manifestare il fenomeno della condensazione del vapore d’acqua contenuto nella miscela di gas, che dallo stato gassoso si porta allo stato liquido.

Nel caso della combustione del metano di tipo teorico avviene con temperatura di rugiada del metano di 56°C; pertanto quando i fumi si trovano a 56°C il contenuto di vapore d’acqua è tale per cui abbassandosi leggermente la temperatura si comincia ad avere il fenomeno della condensazione.

Appare chiaro che è meglio ma non è indispensabile operare con fluidi a temperatura inferiore al punto di rugiada (vedi sistemi radianti) per ottenere i migliori rendimenti di una caldaia a condensazione.

Ciò non toglie che l’utilizzo può essere impiegato anche con impianti tradizionali, a temperatura scorrevole (applicazione di termoregolazioni), ottenendo ottimi risultati di rendimento.

In conclusione possiamo dire che:

  • I generatori a condensazione sono sempre ad altissimo rendimento anche quando condensano poco;
  • Senza modificare le temperature di esercizio dell’impianto esistente e sostituendo il solo generatore, sono realizzabili marcate economie nei consumi;
  • Se la sostituzione avviene nei confronti di un apparecchio datato (7 – 8 anni di vita) e/o di bassa tecnologia, il maggior costo di un generatore a condensazione si recupera in 2-3 anni di funzionamento;
  • Un generatore a condensazione comporta sempre una minore emissione di inquinanti, talvolta di un ordine di grandezza;
  • Recuperare energia normalmente dispersa in atmosfera è una dimostrazione di maturità consapevole, di profondo convincimento sociale e anche di un razionale senso economico.

Pertanto si può dire che una caldaia a condensazione è generalmente più costosa di una tipo tradizionale; ma il maggior rendimento consente di recuperare l’investimento, mediante il risparmio di combustibile.