heating technology

In un impianto di riscaldamento, la caldaia è l'apparecchiatura che trasforma l'energia di combustibili in calore e lo rende disponibile in un circuito contenente acqua o aria che ha la funzione di distribuire il calore negli ambienti ed eventualmente nell'acqua dell'impianto sanitario.

L'evoluzione delle caldaie va di pari passo con quella dei combustibili. Dal legno poi carbone del XVIII secolo che ha padroneggiato come combustibile fino XX secolo, dove i combustibili liquidi hanno iniziato a sostituirlo, fino ad oggi che sfruttiamo principalmente i gas. Ovviamente i sistemi di combustione sono rimasti i soliti ma la conformazione delle caldaia sono cambiate nel passaggio da combustibile solido a liquido e conseguentemente da liquido a gassoso.

Il focolare, il bruciatore, lo scambiatore ed il camino fanno parte integrante della caldaia che sono suddivise in nette categorie che sono poi scelte per diversi utilizzi. Le caldaie hanno un “rendimento”, calcolato in base ala calore teorico di una unità di combustibile ed il calore che le caldaie stesso possono trasferire.

In termodinamica, è definito come il trasferimento di energia termica tra un sistema e il suo ambiente in base alla differenza di temperatura o di un cambiamento di fase, il primo è definito “calore sensibile”, il secondo, “calore latente”.

In termotecnica, un punto fondamentale è quello che indica il calore come energia in transito che fluisce dei punti più caldi a quelli più freddi, e mai viceversa, fino al raggiungimento dell'equilibrio.

La temperatura si misura in Gradi centigradi o celsius “°C” mentre il calore si misura in kW.

Il trasferimento (o scambio o propagazione) del calore tra sistemi può avvenire per condizione, convezione ed irraggiamento (vedi paragrafi specifici).

La casa energetica sfrutta tecnologie atte a risparmiare energia.

Sono state costruite case che hanno consumi energetici, utilizzando energia prodotta di combustibili fossile, uguale a zero.

Per il riscaldamento, il raffrescamento, la ventilazione e l'illuminazione serve energia, la casa energetica riduce al minimo tali valori, aumentando l'isolamento termico, dando forme architettoniche ben precise, orientandole opportunamente.

Gli elettrodomestici e gli impianti sono importantissimi.

Il RISPARMIO ENERGETICO è generato per il 50/ 70% dall'isolamento della struttura. Realizzare impianti tecnologicamente estremamente avanzati in una abitazione mal isolata, è come cercare di riempire d'acqua un colapasta.

E' un impianto industriale studiato per produrre energia elettrica.

Oggi usiamo l'energia elettrica senza la quale non potremmo vivere, per questo le centrali elettriche hanno un'importanza tecnologica e strategica fondamentale.

Ci sono varie tipologie: le idroelettriche che sfruttano l'altezza idrostatica dell'acqua e sono le centrali ecologiche da sempre; poi vi sono le termoelettriche che funzionano a combustibile, gasolio, olio pesante, gas metano, carbone e legna o lignite (queste sono le più vecchie ma ancora in uso in tutto il mondo).
Vi sono le nucleari, quelle che sfruttano l'energia radioattiva, che hanno vantaggi perché le barre di combustibile durano decenni e lo spazio che occupano rispetto a quel che producono è minimo, non vi sono gas inquinanti espulsi in continuazione, ma essendo altamente pericoloso, hanno costi esorbitanti necessari per la sicurezza, e le scorie radioattive non hanno un luogo sicuro su tutto il pianeta per essere depositate. Vi sono altre tipologie di centrali, di minore importanza e potenza come le eoliche, le solari e di altro genere.

Trasmissione di calore che avviene in un mezzo solido, liquido o gassoso per contatto diretto, sempre dalla regione più calda alla più fredda e mai viceversa.

Un esempio può esser quello di una forchetta tenuta per una estremità e messa su un fornello sull'altra; dopo poco la parte impugnata, brucerà, cosa che non succederà con altri materiali non conduttori di temperatura come vetro, plastiche, legno etc.

E' un tipo di trasporto causato dalla differenza di pressione, caratterizzato da moti di circolazione interni al fluido; i solidi non sono investiti da questo effetto.

Come esempio possiamo vedere un radiatore che riscalda l'aria per conduzione, la rende più leggere, e salendo verso l'alto spinge quella fredda e più pesante a scendere. Inizia cosi una circolazione che si definisce come “moto convettivo naturale”.

E' la disciplina che studia l'ecosistema. Questa apparentemente semplice parola, dà significato a molto della nostra vita quotidiana ed a molte parole derivate, che ovviamente non identificheremo ne tanto meno spiegheremo in questa sede.

E' la differenza di densità dell'aria a causato dalla variazione di temperatura e crea una differenza di pressione tra la parte alta, espulsione, e quella bassa, aspirazione, che risulta essere in depressione.

L'esempio più classico è quello del camino di una caldaia o di un caminetto, ma anche quello che si crea all'interno delle alette di un radiatore o tre la parte posteriore ed il muro è ugualmente questo effetto.

L'effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico che si realizza quando un elettrone normalmente contenuto in un semiconduttore, assorbendo l'energia di un fotone, inizia a produrre energia.

L'energia è la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro e la sua misura è l'energia. In termodinamica l'energia è definita come ciò che può essere trasformato in calore a bassa temperatura.

Questo argomento, come è immaginabile , è talmente ampio che non descriveremo altro, se non la definizione sopra menzionata.

Il termine “energia rinnovabile” indica tutti i tipi di energia prodotte da fonti rinnovabili come il sole, il vento, l'acqua (idroelettrico) che sono le più utilizzate ed altre, come l'energia geotermica, le maree etc. L'energia cosi prodotta è inesauribile e non inquina, non emette sostanze nocive ed è anche ecosostenibile, il che vuol dire che anche i nostri figli ne potranno beneficiare, sempre senza inquinare.

Questo settore è uno tra i più studiati ai nostri tempi per ridurre o quantomeno rallentare il processo di invecchiamento del nostro pianeta.

L'energia solare è la fonte primaria di energia che rende possibile la vita sulla Terra. Si tratta di un'energia alternativa ai classici combustibili fossili, pulita e rinnovabile. E' sfruttata attraverso varie tecnologie e a diversi fini anche se soffre di variabilità e intermittenza di produzione ovvero non piena programmabilità dovuta ai cicli giornalieri ed alla stagionalità.

Un impianto di riscaldamento è costituito da un sistema in grado di produrre e distribuire calore, frequentemente usato per riscaldare ambienti.

Un po' di storia

I primi impianti risalgono agli antichi Greci “ipocausto”, impianti che sfruttavano l'aria calda prodotta da una fornace negli spazi sotto il pavimento.

Camini, stufe e sistemi simili hanno caratterizzato per molti anni il riscaldamento più utilizzato, in special modo dai più poveri.

In Russia, verso il 1700, l'acqua è stata usata per trasportare il calore nei vari ambienti e quindi a realizzare veri e propri impianti di riscaldamento, e da li si è poi diffusa in Europa e poi altrove.

E' un impianto costituito da più pannelli fotovoltaici per la produzione dell'energia elettrica.

I vantaggi sono innumerevoli in quanto è una delle energie eco-sostenibili alle quali si può accedere anche come privato cittadino.

Vi sono diverse tipologie impiantistiche, per esigenze diverse e diverse dimensioni che cambiano sostanzialmente il sistema, che comunemente è costituito da pannelli fotovoltaici ed inverter, in alcuni casi anche accumulatori. Per i piccoli impianti vi sono leggi e vantaggi pe ri quali possiamo “vendere” l'energia prodotta alla società elettrica ed una serie di normative, ad oggi ben gestite.

Non entriamo in merito nelle leggi e regolamenti specifici.

Tutti gli agenti fisici, chimici e biologici che modificano le caratteristiche naturali dell'atmosfera sono i fattori che identificano questo fenomeno.

L'inquinamento, non solo quello atmosferico, è questione di molte politiche mondiali, politiche volte a diminuire l'utilizzo di idrocarburi, quindi petrolio e derivati, e limitare gli inquinanti per l'utilizzo degli stessi.

Trasferimento di energia (calore) tra due corpi a mezzo di onde elettromagnetiche.

Di fronte ad una sorgente termica o termica/ luminosa si avverte calore dovuta dall'irraggiamento e dalla convezione.

L'irraggiamento è l'unico modo in cui si propaga calore senza contatto diretto, ovverosia, anche in assenza di aria, per il fatto che il trasferimento di energia viene effettuato da onde elettromagnetiche.

Un corpo per irraggiamento emette calore alla quarta potenza della sua temperatura perciò più che aumenta, più che l'irraggiamento si fa sentire.

Le onde elettromagnetiche emesse dall'irraggiamento, emettono fotoni di frequenza proporzionale alla loro temperatura. L'emissione e l'assorbimento variano in base alle caratteristiche intrinseche del corpo emettitore o assorbitore.

L'energia raggiante incidente su una superficie è misurata dalla grandezza nota come irraggiamento.

La temperatura (media) della superficie solare è di circa 5780 K. Questo è direttamente proporzionale all'energia emessa sotto varie forme calcolabile con la legge dell'irradiazione sferica. L'irraggiamento dell'atmosfera terrestre è di 1367 W/m² e distribuita secondo lo spettro solare. L'irraggiamento solare medio in Europa è di circa 200 W/m². Se la terra fosse un unico pannello solare, la potenza irradiata sarebbe pari a 50 milioni di GW

1. una grande centrale elettrica può produrre 1 GW
2. l'energia disponibile è 10.000 volte il consumo globale)

Rispetto al altri sistemi di produzione, quella solare è molto più costosa, quindi è di fatto affidato alla tecnologia che col passare degli anni si suppone riesca ad aumentare i rendimenti ed a ridurne drasticamente i costi.

L'energia solare può essere utilizzata per diversi utilizzi

• per scaldare un liquido, col pannello solare termico
• per produrre energia elettrica con i pannelli fotovoltaici
• per produrre energia elettrica con la centrale solare a concentrazione.

Il metano ha una formula chimica CH4, è un idrocarburo che si trova in natura sotto forma di gas.

Ad oggi è il combustibile più usato nel nostro paese. Vi sono descrizioni da fare su questo gas, ma essendo estremamente tecniche e soprattutto chimiche, non saranno prese in considerazione in questo glossario.

I pannelli radianti sono frequentemente identificati anche come riscaldamento a pavimento o riscaldamento sotto pavimenti, anche se in realtà possono esser realizzati a parete e a soffitto.

Di fatto sono costituiti da tubazioni, se ad acqua, cavi o nastri se elettrici, inseriti sotto la superficie. Il principio di funzionamento consiste nel portare la superficie ad una temperatura inferiore a quella corporea, circa 30°C e diffondere poco calore ma su tutta la superficie, sfruttando la massa della malta con la quali sono ricoperti. L'irraggiamento è il mezzo col quale i pannelli radianti trasmettono il calore agli ambienti.

Questo sistema di riscaldamento, anche se molto invasivo, garantisce la maggiore temperatura agli arti inferiori, una temperatura più “fresca” a livello delle vie respiratorie alte, e bassa temperatura a soffitto, e per questo, oltre ad essere il sistema che garantisce maggior benessere garantisce anche minor consumi e quindi minor costi di gestione. L'invasività ed il costo elevato sono le due pecche più rilevanti di tale sistema.

Converte l'energia solare in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico, quindi un sistema paragonabile ad un generatore di corrente ad energia solare.

Sono costruiti in misure facilmente trasportabili affinché si possano adattare a molte conformazioni e a molti utilizzi.

E' un dispositivo che converte la radiazione solare in energia termica che normalmente è usato per il riscaldamento per l'acqua sanitaria, nel nostro paese, da 4 a 9/10 mesi all'anno a seconda della dislocazione geografica.

I pannelli solari termici producono acqua calda, da non confondere coi fotovoltaici che producono energia elettrica.

Sono normalmente composti da tubazioni poste su un piano di colore nero, spesso con alette di assorbimento, tutto di colore nero-fumo, il colore che riflette meno i raggi del sole; Sotto hanno uno strato isolante affinché non si disperda il calore, e sopra un vetro che fa si che si formi l'effetto serra ed aumenti drasticamente il calore all'interno e quindi l'acqua riscaldata. Vi sono pannelli solari termici con accumulo incorporato, con accumulo esterno, con pompe di circolazione con doppio vetro sotto vuoto, ed ognuno per applicazioni diverse e per diverse dislocazioni geografiche.

Il pannello solate termico, molto meno di moda di quello fotovoltaico ma molto meno costoso e con tempi di ammortamento veramente brevi.

Il legno in pellet è composto da segatura compressa in piccoli cilindretti e usato come combustibile a basso contenuto di umidità e senza l'uso di additivi.

Il potere calorifico del pellet a parità di volume è il doppio di quello della legna e produce pochissima cenere.

Il petrolio è un liquido infiammabile, denso, di colore che può andare dal nero al marrone scuro, con varie sfumature, che si trova in alcuni giacimenti e composto da una miscela di idrocarburi, prodotto da materiale organico “maturato” in assenza di ossigeno ed esporto a elevate pressioni e temperature, questa una definizione sintetica semplice.

Il petrolio viene estratto da giacimenti ed inviato a raffinerie mediante oleodotti, tubazioni enormi che si sviluppano per decine di migliaia di chilometri in tutto il pianeta.

I prodotti della raffinazione sono molti, come il GPL, benzina, cherosene, gasolio, oli lubrificanti, bitumi, cere e paraffine e molti prodotti del genere.

Il petrolio ed i suoi derivati sono preferiti ai “vecchi” legno e carbone perché facilmente trasportabili ed utilizzabili.

Il petrolio ed i suoi derivati possono essere definiti “il motore della tecnologia “ e purtroppo anche la causa dell'inquinamento atmosferico e non solo.

La pompa di calore è una macchina che sfruttando il ciclo frigorifero, il ciclo di “carnot”, è in grado di trasferire energia termica da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta.

Le nuove Pompe di Calore di ultima generazione riescono a trasformare 1 kW di energia elettrica assorbita in 3 kW di energia prodotta.

I componenti del ciclo frigorifero che permettono di realizzare questa macchina termica sono:

1. condensatore,

2. valvola di espansione,

3. evaporatore,

4. compressore.

Vi sono Pompe di calore che funzionano anche da condizionatori, queste, di diverso, hanno una valvola di inversione di ciclo.

Di fatto la Pompa di calore si può definire una macchina in grado di traferire l'energia, normalmente dall'aria, meno spesso dall'acqua e ultimamente dal terreno, come di seguito descritto.

Vi sono applicazioni particolari ed entrate a far parte del nostro quotidiano solo ultimamente, e sono le pompe di calore geotermiche, che anziché utilizzare l'aria per il trasferimento termico, sfruttano il gradiente termico del terreno.

Un esempio eclatante sono gli infrarossi che emette il sole e con le quali permette la vita sulla terra.

Le frequenze sulle quali spaziano gli infrarossi hanno diversi scopi, per esempio quelle più importanti che arrivano sulla terra dal sole sono quelle che producono la luce visibile e quelle che producono il riscaldamento.

L'utilizzo di alcune frequenze specifiche produce calore con diverse caratteristiche, e questo in base alla lunghezza d'onda scelta.

Nella fascia bassa dello spettro infrarosso, le cosiddette “onde lunghe” è possibile produrre riscaldamento di qualità, in quanto non produce temperature levate e la diffusione è molto rapida e indubbiamente migliore rispetto a riscaldamento a frequenze più alte.

Utilizzando questa tecnologia di possono produrre sistemi che possono riscaldare molti ambienti con caratteristiche nettamente diverse.

Nei link di seguito vi sono alcuni esempi e raffronti che illustrano tutti i vantaggi rispetto a sistemi tradizionali, sia in fatto di costi di gestione che, soprattutto, di benessere e rispetto dell'ambiente.

E' un generatore di calore che lavora riscaldando il suo corpo o parte di esso. Produce riscaldamento ad irraggiamento ad alta temperatura, oltre che alla convezione, ma in parte minore.

Alcune stufe sono in realtà generatori di acqua calda, quindi sostituibili alle caldaie, ed altre, quelle elettriche, funzionano tramite una resistenza e sono normalmente ventilate, riscaldando gli ambienti ove sono inserite per convezione forzata.

Ultimamente sono molto di moda le stufe a pellet.

Costituito da uno scambiatore di calore, di solito in rame ed alette in alluminio, contenuto in carte di acciaio che amplificano l'effetto camino. La circolazione è naturale e sostituiscono, talvolta, i radiatori. Sono usati molto meno che in passato.

L'effetto termosifone è un fenomeno fisico che instaura una circolazione naturale dell'acqua in un circuito. Termosifone viene usato di fatto per definire i radiatori o caloriferi che sono in realtà i corpi scaldanti.

Il “termosifone” è in acciaio, ghisa o alluminio ed è costruito tecnicamente per far circolare acqua calda all'interno, ed esternamente per riscaldare la maggior quantità di aria nel minor spazio possibile e per aumentare al massimo l'effetto delle convezione. E' un articolo che tutti conosciamo e non amplieremo per questo questa spiegazione.

La termotecnica è la scienza che si occupa di studiare la fisica e la meccanica dei sistemi utilizzati per garantire la temperatura, l'umidità e il ricambio dell'aria che ottimizzano il benessere delle persone all'interno di ambienti.

Sulla termotecnica è ovviamente possibile scrivere testi immensi, ma per chiari motivi, non verrà approfondita oltre in questa sede.

Effetto causato dal trasferimento di energia termica per differenza di temperatura, sempre da un corpo più caldo verso uno più freddo e mai viceversa.

In termodinamica i tre modi in cui viene trasmesso il calore sono:

• convezione
• conduzione
• irraggiamento

Sinteticamente possiamo dire che la convezione è quando, riscaldando un fluido, aria, acqua etc, le molecole si dilatano, diminuiscono di volume e salgono verso l'alto, attirando verso il basso quelle fredde ed innescando il moto convettivo.
La conduzione, invece è quel fenomeno che si ha quando, per esempio, tenendo un forchettone in mano e mettendolo sul fuoco, proprio perché il metallo è un conduttore termico, sentiremo caldo alle mani.

Infine troviamo l'irraggiamento, trasmissione del calore attraverso gli spazi, vuoti e non, visto che l'aria è trasparente allo stesso (l'irraggiamento è il modo in cui il sole scalda la terra).

Costituito da uno scambiatore di calore, di solito in rame ed alette in alluminio, contenuto in carte di acciaio che amplificano l'effetto camino, ma con un ventilatore aggiuntivo che velocizza la produzione di calore. Utilizzato spesso anche per il condizionamento, ed in questo caso è provvisto di vaschette per il contenimento dell'acqua d condensa.