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Il sistema di riscaldamento dell’acqua a circolazione naturale in una casa privata o di campagna lontana dalla città è una soluzione molto richiesta nelle zone in cui la fornitura di elettricità è instabile. Inoltre, il sistema idraulico non richiede investimenti finanziari in apparecchiature elettriche, necessarie per il riscaldamento a radiatori con trasferimento di calore tramite pompa.

Il sistema di riscaldamento autonomo è disponibile per il calcolo e l’installazione.

FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA A GRAVITÀ

Lo schema di riscaldamento di un’abitazione privata con circolazione naturale presenta una serie di vantaggi:

• Non è necessario acquistare attrezzature costose;
• indipendenza energetica (viene selezionata l’unità di caldaia appropriata);
• facile da installare con le proprie mani;
• bassa manutenzione.

La circolazione in un sistema di questo tipo è garantita dal fatto che la densità del liquido diminuisce in seguito al riscaldamento (diventa più leggero) e durante il raffreddamento ritorna alla densità originale.

In una costruzione a flusso gravitazionale la pressione è praticamente nulla: i calcoli mostrano che per 10 metri di colonna d’acqua la pressione è di 1 atmosfera. Pertanto, la pressione idrostatica nell’impianto di riscaldamento di un edificio a un piano sarà di 0,5-0,7 atm, mentre nelle tubature di una casa a due piani non supererà 1 atm.

La circolazione per gravità avviene grazie all’espansione e alla riduzione della densità del fluido termico riscaldato: esso sale attraverso una sezione di accelerazione verticale e dal punto più alto scende attraverso le tubazioni, montate con una pendenza e passando attraverso gli apparecchi di riscaldamento collegati in serie, per tornare alla caldaia.

Un vaso di espansione – un serbatoio per il fluido termovettore “in eccesso”, che si forma a causa dell’espansione termica del fluido – è collegato alla tubazione a gravità. Il serbatoio tampone (a membrana o aperto) è montato nel punto più alto del circuito sulla tubazione di alimentazione.

Un impianto di riscaldamento a gravità è in grado di funzionare come un sistema completo:

• Con riscaldatore d’acqua indiretto. Se il riscaldatore è installato nella parte superiore dell’impianto, sotto il vaso di espansione, l’acqua calda sanitaria sarà riscaldata senza l’uso di apparecchiature elettriche. Se ciò non è possibile, la caldaia è dotata di una pompa e di una valvola di non ritorno per evitare il ricircolo del mezzo di riscaldamento.
• Con riscaldamento a pavimento. Sul circuito del pavimento è installata una pompa di circolazione. In caso di temporanea mancanza di corrente, l’ambiente continuerà a essere riscaldato dal radiatore a parete.

TIPI DI SISTEMI A GRAVITÀ

Progettando di montare il riscaldamento di una casa privata a circolazione naturale con le proprie mani si selezionano schemi in base alle prestazioni previste dell’impianto e alle caratteristiche dell’edificio.

I circuiti di riscaldamento con flusso a gravità si dividono in tipologie in base a diversi parametri:

• dalla caratteristica del vaso di espansione (aperto e chiuso);
• secondo il principio di collegamento dei radiatori di riscaldamento (a un tubo e a due tubi).

Per determinare l’opzione migliore, è necessario eseguire dei calcoli idraulici, tenendo conto della posizione e del diametro delle tubature, delle caratteristiche dell’unità della caldaia e della richiesta di calore dei locali. È meglio affidare il calcolo a professionisti, poiché anche piccole imprecisioni influiscono negativamente sull’efficienza del riscaldamento della casa.

TIPO CHIUSO

Il sistema chiuso di circolazione non pompata del refrigerante viene utilizzato con successo per il riscaldamento di case a uno o due piani. Funziona come segue:

• quando il fluido riscaldante si espande, il liquido in eccesso viene spinto fuori dal circuito di riscaldamento;
• Il liquido entra nel vaso di espansione a membrana, un contenitore chiuso con una membrana elastica che separa la parte destinata al fluido termovettore dalla sezione del vaso riempita di aria o azoto;
• il liquido riscaldato tende il diaframma, comprimendo il gas nella seconda sezione del serbatoio; quando il refrigerante si raffredda, il gas si espande e spinge il liquido di nuovo nel sistema, facendo sì che il circuito dell’acqua rimanga sempre pieno.

L’installazione di un serbatoio a membrana in un circuito di riscaldamento a gravità riduce il rischio di corrosione degli elementi metallici del sistema. In Russia, tuttavia, questa soluzione viene utilizzata relativamente di rado, poiché il costo di un serbatoio a membrana è di gran lunga superiore a quello dell’acquisto o dell’autoproduzione di un serbatoio di tipo aperto.

TIPO APERTO

Il principio di funzionamento è lo stesso della versione chiusa. In questo caso, però, il refrigerante in eccesso viene spostato in un serbatoio di tipo aperto, montato sotto il soffitto della stanza o in soffitta.

Un serbatoio aperto è un serbatoio con un coperchio che perde, dotato di un troppopieno di emergenza – un tubo che viene condotto all’esterno del sottotetto fino alla strada o collegato alla rete fognaria.

Gli svantaggi di un sistema aperto includono il costante afflusso di ossigeno nel refrigerante, che accelera la corrosione del metallo di cui sono fatti gli elementi del circuito. Per evitare questo inconveniente, i radiatori vengono fissati con una leggera inclinazione e nella parte superiore vengono installate delle valvole automatiche di sfiato, le cosiddette valvole Maevsky.

Inoltre, il liquido del serbatoio aperto evapora e deve essere rabboccato regolarmente affinché il sistema aperto funzioni correttamente. Il serbatoio può essere riempito manualmente da un secchio o utilizzando un tubo dell’acqua con una valvola.

I vantaggi dei serbatoi di tipo aperto sono il costo accessibile e la possibilità di realizzare con le proprie mani un serbatoio delle dimensioni richieste.

CIRCUITO MONOTUBO

Un sistema di riscaldamento monotubo a circolazione naturale non è un sistema efficiente. Non è adatto a riscaldare gli ambienti di una casa a due piani e viene utilizzato in edifici a un piano di superficie ridotta.

Il fluido termovettore scorre verticalmente verso l’alto attraverso la sezione di accelerazione della tubazione, quindi entra in un tubo che conduce a una tubazione orizzontale che collega i radiatori in serie. Dal radiatore più esterno, il refrigerante raffreddato ritorna direttamente alla caldaia.

Con questo schema di collegamento, la temperatura dei radiatori diminuisce man mano che si allontanano dalla colonna di alimentazione: questo è un grave svantaggio del sistema. Per aumentare l’efficienza, si utilizzano i bypass, che collegano il tubo di alimentazione con ponticelli nei punti in cui sono collegati i radiatori. Ciò contribuisce a un riscaldamento più uniforme degli ambienti.

I vantaggi di un sistema monotubo sono la semplicità di costruzione e i costi minimi di installazione. Inoltre, non è necessario installare i tubi sotto il soffitto, peggiorando l’interno della stanza.

Anche con calcoli accurati, uno schema orizzontale a tubo singolo si giustifica raramente, a meno che non si tratti di riscaldare due o tre piccole stanze in una casa a un piano. In altri casi, viene modernizzato con l’aggiunta di una pompa di circolazione.

CIRCUITO A DUE TUBI

Caratteristiche di progettazione di un circuito a gravità a due tubi:

• Per l’alimentazione e il ritorno vengono installati tubi separati;
• Il tubo di alimentazione è collegato a ciascun apparecchio di riscaldamento tramite un’uscita di ingresso separata;
• Il tubo di ritorno è collegato a ciascun apparecchio di riscaldamento separatamente.

L’impianto di riscaldamento a due tubi a gravità di una casa privata si differenzia da quello a un tubo per il fatto che tutti i radiatori sono alimentati con liquido refrigerante, grazie al quale:

• il calore in casa è distribuito in modo uniforme;
• Non è necessario aumentare il numero di sezioni del radiatore per migliorare il riscaldamento;
• più facile regolare la temperatura nel sistema;
• l’installazione delle tubazioni richiede diametri più piccoli rispetto a un circuito monotubo;
• Non ci sono requisiti rigorosi per il rispetto della pendenza durante l’installazione degli elementi del sistema: alcune deviazioni dai valori di progetto non sono critiche.

Un sistema di riscaldamento a due tubi con tubature superiori e inferiori è facile da installare ed efficiente e può essere utilizzato per riscaldare una casa a due piani.

PECULIARITÀ DI CALCOLO

Il calcolo dell’impianto di riscaldamento a circolazione naturale è molto più complicato rispetto alla preparazione del progetto dell’impianto di riscaldamento con alimentazione forzata del refrigerante. Poiché nel circuito non c’è pressione, le prestazioni del sistema sono direttamente influenzate dal numero di curve dei tubi, dall’angolo di pendenza di ogni sezione. Calcoli errati o errori di installazione influiscono sulla funzionalità del circuito.

Nel calcolo di un circuito non pompato, si tiene conto di quanto segue:

• angolo di pendenza minimo ammissibile;
• materiale del tubo e diametro del tubo;
• principio di alimentazione del mezzo di trasferimento del calore;
• tipo di mezzo di trasferimento del calore.

PENDENZA DEL TUBO CONSIGLIATA

I calcoli devono basarsi sulle norme edilizie per gli impianti di riscaldamento con circolazione a gravità (SNiP 41-01-2003 per gli impianti a gravità). Il movimento del vettore di calore nella tubazione è influenzato negativamente dalla resistenza idraulica in punti difficili – curve, angoli, ecc.

Secondo SNiP, i tubi dovrebbero essere installati con una pendenza di almeno 10 mm per 1 metro di lunghezza. In caso contrario, l’impianto rischia di scoppiare e di riscaldare male i radiatori distanti.

SELEZIONE DEI TUBI

La resistenza idraulica del circuito, la sua resistenza alla corrosione e ai parametri termici e la tecnologia di installazione dipendono dal materiale di fabbricazione della condotta. L’elenco dei materiali richiesti comprende:

• Tubi in acciaio. Economici, resistenti alle sollecitazioni meccaniche. Svantaggi: montaggio con saldatura o con un gran numero di raccordi, tendenza dei tubi alla corrosione e alla crescita eccessiva.
• Tubi in metallo-plastica. La superficie interna è perfettamente liscia, il che impedisce la formazione di depositi, la resistenza alla corrosione, il peso ridotto, la resistenza all’espansione termica. Svantaggi: costo elevato, durata limitata (circa 15 anni), necessità di utilizzare raccordi saldati o di serrare regolarmente i raccordi filettati.
• Tubi in polipropilene. Liscio all’interno, durevole (durata di vita a partire da 25 anni), resistente alle alte temperature. Svantaggi: costo elevato, installazione con strumenti speciali.
• Tubi in rame. Massima resa termica e durata (oltre 100 anni), aspetto elegante. Svantaggi: costo elevato, necessità di saldare durante l’installazione.

DIAMETRO DEL TUBO

È necessario calcolare il diametro dei tubi:

1. Eseguire un calcolo termico delle stanze e aggiungere circa il 20% al risultato.
2. Calcolare la sezione del tubo in base al rapporto tra la potenza termica e la sezione interna del tubo (vedere le tabelle SNiP per i valori).
3. Selezionare il diametro del tubo in base ai calcoli termici effettuati e tenendo conto del materiale del tubo. Per i tubi in acciaio, la dimensione minima della sezione interna è di 50 mm.

Per rendere più intenso il flusso a gravità, si applica il seguente principio: il diametro del tubo di alimentazione dopo ogni diramazione deve essere inferiore di 1 dimensione rispetto al precedente. Il tubo di ritorno deve essere montato con una prolunga.

In questo modo, il calcolo consente di determinare il diametro minimo del tubo di mandata e di ritorno e, in relazione a questo valore, di determinare i parametri dei tubi nelle diverse parti dell’impianto secondo lo schema preparato per una casa a uno o due piani.

TIPO DI RIEMPIMENTO

La circolazione naturale dell’acqua nell’impianto di riscaldamento dipende dal principio di alimentazione del mezzo di riscaldamento dalla caldaia agli apparecchi di riscaldamento. Si distingue tra circuiti a riempimento inferiore e superiore.

L’uscita dal basso consente di rinunciare all’installazione di tubi verticali alti – le comunicazioni vengono posate a livello del pavimento. Questa opzione è adatta solo ai circuiti monotubo ed è inefficiente senza una pompa di circolazione.

L’uscita dall’alto è l’opzione migliore in quanto il tubo di distribuzione di un sistema a due tubi si trova sotto il soffitto e fornisce un’alimentazione attiva di refrigerante riscaldato a ciascun radiatore, da cui l’acqua raffreddata fluisce verso il tubo di ritorno situato lungo il pavimento. Anche per un sistema a tubo singolo è preferibile un’uscita di tipo superiore.

SELEZIONE DEL MEZZO DI TRASFERIMENTO DEL CALORE

Il mezzo di trasferimento del calore può essere acqua o antigelo. Per un sistema a flusso gravitazionale, è preferibile l’acqua, poiché l’antigelo ha una densità più elevata e un trasferimento di calore inferiore, e richiede una maggiore energia termica per riscaldarlo, ovvero un maggiore consumo di carburante. Se nel sistema è installato un serbatoio tampone a membrana, il suo volume deve essere maggiore di quello del serbatoio dell’acqua, poiché l’antigelo si espande più fortemente.

L’uso di “non freeze” ha senso se la casa viene riscaldata in modo irregolare durante il periodo invernale con lunghe interruzioni. In questo caso, l’acqua dovrebbe essere scaricata costantemente per evitare che i tubi si rompano con il gelo.

CONCLUSIONE

L’installazione di un sistema di riscaldamento senza pompa consente di rendere la casa riscaldata indipendente dal punto di vista energetico in caso di interruzioni di corrente. Questo sistema è collegato a una caldaia per il riscaldamento senza apparecchiature elettriche per la regolazione della potenza o a una cucina convenzionale a combustibile solido con uno scambiatore di calore ad acqua nella camera del forno.