Il riscaldamento degli edifici mediante caldaie a condensazione e pompe di calore

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Introduzione 
In quest’ultimo decennio il settore energetico si trova in una fase di transizione. La consapevolezza 
dello squilibrio fra le risorse ambientali e la crescente richiesta energetica ha portato all’adozione 
di nuove politiche che promuovessero la riduzione del consumo di risorse non rinnovabili. Inoltre il 
riscaldamento e l’illuminazione degli edifici assorbono la maggior parte del consumo di energia 
(42%, di cui il 70% per il riscaldamento) e producono il 35% delle emissioni complessive di gas 
serra. 
In questo lavoro si analizzeranno due tra le più innovative tecniche di riscaldamento: 
la caldaia a condensazione e la pompa di calore. Vengono analizzati gli sviluppi tecnologici 
relativi ai generatori di calore sia ai fini del miglioramento dell’efficienza istantanea che di quella 
stagionale. In particolare si considera l’evoluzione subita dai bruciatori sia verso la modulazione 
continua della capacità che nella premiscelazione che nella combustione a tappeto di fiamma. Oltre 
a dare tangibili benefici in termini di efficienza stagionale, queste tecniche consentono anche 
importanti riduzione delle emissioni inquinanti: in particolare nella combustione del gas naturale 
l’inquinante tipico sono gli ossidi di azoto che con le nuove tecniche si possono ridurre a livelli di 
un ordine di grandezza più basso che con i generatori tradizionali. 
Infine si considera la caldaia a condensazione come stadio terminale di un’evoluzione che ha 
condotto a valori di resa stagionale assai prossimi al massimo teorico.  
In Italia le pompe di calore vengono utilizzate con successo da molti anni, almeno in impianti a 
servizio del terziario, dell'industria e del settore alberghiero. L'interesse per il risparmio energetico 
sta ampliando il loro impiego al settore residenziale, anche in appartamenti dove non è 
contemplata climatizzazione estiva, come alternativa alla caldaia tradizionale. Ciò richiede 
un’attenzione particolare da parte di progettisti e costruttori. Anzitutto la pompa di calore deve 
essere in grado di produrre anche acqua calda sanitaria a livello termico sufficientemente elevato 
per soddisfare le necessità domestiche. Poi l'affidabilità deve essere molto elevata in ogni 
condizione di funzionamento, al pari di quella di una caldaia, generatore molto più semplice dal 
punto di vista meccanico. Oltre alla diffusione del residenziale, un altro fenomeno sta cambiando il 
mercato del pompe di calore. L'aria non è più la sola sorgente termica utilizzata: sempre di più si 
sta diffondendo l'uso della geotermia, con uso diretto di falda acquifera, di acque superficiali 
(mare, laguna, lago o fiume), oppure con sfruttamento del terreno mediante sonde orizzontali o 
verticali.
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Capitolo 1 : I moderni generatori di calore 
 
1.1 -  introduzione  
 
Negli ultimi 30 anni la caldaia di riscaldamento ha subìto un'autentica rivoluzione. Dalla netta 
prevalenza dei generatori di calore di media o elevata capacità a basamento al servizio di un intero 
caseggiato si è passati agli apparecchi murali al servizio del singolo appartamento o addirittura ai 
radiatori individuali al servizio del singolo locale. Questa rivoluzione è stata favorita dalla crescente 
diffusione del gas naturale nel riscaldamento abitativo al posto del tradizionale gasolio, che ancora 
negli anni '60 e per parte dei '70 era il combustibile prevalente. Il cambiamento è stato innescato, 
però, soprattutto da un acceso spirito individualistico, dal momento che con il gas naturale potevano 
funzionare benissimo anche apparecchi di grande potenzialità. L'aspirazione al controllo di 
temperatura e tempi del riscaldamento prima della diffusione di affidabili (e non troppo costosi) 
sistemi per la contabilizzazione del calore ha indotto i costruttori edili a proporre in maniera 
generalizzata a partire dagli anni '80 impianti autonomi di riscaldamento. Essi costituivano 
elemento di pregio dell'abitazione, sempre evidenziato nelle inserzioni pubblicitarie 
(..termoautonomo..). Questa scelta apparentemente dissennata sul piano tecnico ed energetico 
(moltiplicazione dei punti di fiamma, aumento dei costi di manutenzione e sostituzione, più bassi 
rendimenti) va valutata secondo diverse chiavi di lettura. 
In prima battuta il risparmio energetico è stato consentito solo dalla riduzione dei tempi del 
riscaldamento e delle temperature interne, accettati solo in quanto l'utilizzatore usufruiva in toto del 
risparmio corrispondente. Infatti la classica caldaietta a camera aperta, a fiamma pilota e 
regolazione ON-OFF, anche quando presentava un rendimento a regime dell'ordine dell'85%, in 
termini di resa stagionale andava poco sopra il 60% con l'andamento delle varie voci di perdita 
rappresentato in fig. 1. E' ben vero che le pesanti caldaie a basamento dell'epoca non si 
comportavano molto meglio, ma con costi proporzionalmente più limitati sui sistemi di regolazione 
e di accensione potevano raggiungere facilmente risultati di gran lunga migliori.
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Fig. 1 - Rendimento e perdite stagionali di un generatore di calore degli anni ’80 
 
Ci vorrà tutta la prima metà degli anni '80 con interventi sul piano normativo per passare alla 
caldaia ad alto rendimento, in cui l'accensione piezoelettrica od elettronica, il tiraggio sempre più 
spesso forzato, un migliore isolamento elevavano il rendimento al fatidico 90%. Il rendimento 
stagionale si elevava anch'esso, ma, soprattutto a causa della scarsa efficienza ai carichi parziali, si 
restava al di sotto dell'80% (fig. 2). Alla fine degli anni '80 venivano messi a punto i generatori di 
calore dell'ultima generazione caratterizzati non tanto da un elevatissimo rendimento nominale, 
quanto da un rendimento stagionale assai vicino a questo, soprattutto per merito della modulazione 
continua aria-gas (fig. 3), di fondamentale importanza proprio per gli apparecchi ad impiego 
autonomo, quasi sempre di potenza esuberante rispetto alle necessità dell'appartamento per poter 
produrre istantaneamente l'acqua sanitaria.
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Fig. 2 - Rendimento e perdite stagionali tipici di una caldaia ad alto rendimento 
Negli stessi anni trovava sviluppo compiuto la caldaia a condensazione, ostacolata, oltre che da 
costi iniziali elevati, da una grande confusione sul piano normativo (in particolare per la 
disposizione delle condense acide). La condensazione consentiva sul piano dei rendimenti il grande 
salto di qualità, non solo riducendo le perdite sui fumi, ma sfruttando il calore latente in essi 
presente, che per il gas naturale rappresenta una quota di circa il 10% del potere calorifico. 
 
 
Fig. 3 - Rendimenti e perdite stagionali per un moderno generatore di calore
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Una buona caldaia a condensazione, ben installata su di un impianto correttamente regolato, 
consente rendimenti stagionali fino al 100% (sul PCI) che sono passibili di ulteriori modesti 
miglioramenti a questo punto solo con interventi sull'impianto (sistemi di riscaldamento a bassa 
temperatura). Se questa è stata la vicenda che sul piano energetico ha neutralizzato la negatività 
iniziale della scelta dei sistemi autonomi, c'è da fare i conti ancora sul versante sicurezza. Come se 
non bastasse, in maniera prepotente negli anni '90 si è posta anche la tematica dell'inquinamento 
ambientale. 
Dal punto di vista della sicurezza un contributo decisivo è stato dato dall'elettronica con sensori di 
fiamma sempre più sofisticati (il sensore di fiamma a ionizzazione) e con tempi di intervento di 
chiusura del gas molto rapidi. In ogni caso la moltiplicazione dei punti di fiamma e l'installazione 
della caldaia murale nei locali abitati comporta una speciale attenzione sia a livello manutentivo sia 
dal punto di vista dell'evacuazione dei fumi. Sotto questo aspetto solo i sistemi di tipo C a camera 
stagna danno adeguate garanzie nei confronti di problemi di tiraggio che provocano ogni inverno 
centinaia di incidenti, derivanti spesso più che da difettosità dell'apparecchio da incuria manutentiva 
e sottovalutazione del rischio (chiusura delle aperture di aerazione). 
Le problematiche dell'inquinamento ambientale hanno spinto alcune comunità locali in Europa 
(Zurigo, Amburgo) a regolamentazioni restrittive sulle prestazioni degli apparecchi che con qualche 
modifica sono state fatte proprie spesso da normative o da marchi di qualità nazionali (ad esempio il 
marchio Angelo Azzurro, der blaue Engel, in Germania). Queste normative hanno prodotto una 
potente spinta sui costruttori per un perfezionamento tecnologico che è riuscito in pochi anni a 
ridurre di un ordine di grandezza le emissioni inquinanti negli apparecchi più evoluti. Con 
riferimento al gas naturale le emissioni inquinanti tipiche sono l'ossido di carbonio (CO) e gli ossidi 
di azoto (NO
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). Nel novero delle emissioni inquinanti non viene considerata l'anidride carbonica 
(CO
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), che è il principale gas serra, la cui emissione si può ridurre (dal punto di vista della caldaia) 
incrementando il rendimento e che non è quindi passibile di riduzione a bassi livelli con interventi 
di altro tipo sull'apparecchio. Nonostante iniziali obiezioni sull'eccessiva severità dei limiti di 
inquinamento imposti dai primi regolamenti locali, in pochi anni i costruttori sono andati ben al di 
là di tali limiti ed in maniera particolarmente efficace proprio negli apparecchi murali di piccola 
taglia.