Un problema risolto
Bilanciamento idraulico: il trucco della limitazione della temperatura di ritorno
Ripetutamente richiesto, ma raramente eseguito in modo professionale: Sebbene il bilanciamento idraulico sia probabilmente la misura di efficienza energetica più efficace e a basso investimento, di solito viene eseguito solo a metà, soprattutto nella ristrutturazione di vecchi edifici, a causa delle varie incognite. Un metodo completamente nuovo, che colpisce per la sua semplicità ed efficacia, ha ora superato i test sul campo per il riscaldamento a pavimento. Tra gli altri, nella casa di un consulente energetico della chiesa nella Bassa Franconia.
Se l'imperativo cristiano di "preservare il creato" sia stato il fattore decisivo per il suo impegno a favore di una tecnologia edilizia efficiente dal punto di vista energetico è emerso durante la visita del pastore alla SHT. Christof Bärhausen nella città francone di Maibach. Circa 30 anni fa, il Consiglio ecumenico delle Chiese ha per così dire inserito l'imperativo nei programmi dei partiti politici, apostrofando l'etica come una potente pietra miliare per una politica ambientale sostenibile. Parlando con il teologo sud-tedesco, tuttavia, sembra che sia stata la fisica più che la metafisica a spingerlo non solo a predicare l'efficienza, ma anche a dimostrarla con competenza ai suoi fedeli: Ha semplicemente una forte inclinazione per la tecnologia. Un'inclinazione che non si accontenta del livello di un laico dotato. Christof Bärhausen ha approfondito l'argomento. Alla fine ha ricevuto l'alta consacrazione dalla Camera dell'Artigianato della Bassa Franconia, prima della quale ha superato "l'esame con tutti i crismi" (Bärhausen) per diventare consulente energetico (HWK). In quest'ottica, fisica e metafisica si intrecciano nel suo lavoro: oggi, l'ecclesiastico contribuisce concretamente alla salvaguardia del creato nella propria casa e attraverso il lavoro di "assistenza edilizia" nella comunità.
Fig. 1: Un totale di nove circuiti di riscaldamento alimentano la casa, cinque al piano terra e quattro ai piani superiori. Ogni circuito di riscaldamento ha il proprio limitatore di temperatura di ritorno (sulla barra del collettore di ritorno inferiore). I raccordi RTB sono installati anche nelle colonne montanti a sinistra verso i radiatori dell'ultimo piano. Inoltre, si prevede di collegare i radiatori, ora sovradimensionati a causa della ristrutturazione ad alta efficienza energetica dell'ultimo piano, direttamente alla mandata e al ritorno del circuito a pavimento come scambiatori di calore a bassa temperatura. Gli RTB a controllo dinamico equalizzano idraulicamente l'impianto. I tre servomotori sulla destra reagiscono agli impulsi dei termostati ambiente elettrici.
Guidati dalla sfiducia
Prima uno sguardo al passato: l'integrazione insoddisfacente dell'impianto solare tramite un tampone nel sistema di caldaie a gasolio del suo edificio residenziale lo mise per la prima volta di fronte alle leggi dell'idraulica e alla consapevolezza che l'idraulica doveva essere il primo punto di partenza per le misure di ottimizzazione. Come devono essere strutturati la stratificazione della temperatura, il carico e lo scarico per ridurre al minimo i guadagni solari?
Il consulente pastorale cattolico ha studiato i percorsi di flusso del mixer multivia "rendeMIX", che è stato introdotto sul mercato circa 15 anni fa ed è stato portato alla sua attenzione da un amico ingegnere. L'ha installato. Lo sviluppo di Baunach, con i suoi bypass interni, bilancia diversi volumi d'acqua, consentendo, ad esempio, di utilizzare il ritorno di un circuito ad alta temperatura (radiatore) come flusso per il riscaldamento a pavimento. Oppure preleva prima l'acqua non miscelata da una caldaia a due o più zone - conservando così la preziosa energia ad alta temperatura - prima di miscelare il caldo con il freddo. Cercando di stabilizzare la diffusione in un serbatoio di accumulo stratificato, aumenta anche la resa solare, perché il serbatoio stesso assorbe ancora il calore del collettore qualche grado sopra il freddo grazie alla sua zona fredda.
Il problema attuale
Il successo del retrofit del miscelatore all'epoca era dimostrato dal contatore di calore dell'impianto di Bärhausen. Il funzionamento era più lento. Le esperienze positive confermarono al consulente energetico l'importanza di un impianto idraulico corretto e sensibile. Allo stesso tempo, però, lo rendeva sospettoso sugli effetti di risparmio di altre misure come la facciata sospesa in legno con 21 cm di isolamento tra il rivestimento e la pietra, il rifacimento del tetto, le vetrate isolanti e la riduzione dei ponti termici, che avrebbero dovuto portare la casa unifamiliare dall'epoca precedente alla prima Ordinanza sull'isolamento termico allo standard KfW 55. Come si regolano i flussi d'acqua in un vecchio edificio con un gran numero di circuiti per il soggiorno, la camera da letto, la camera dei bambini e lo studio, per la cucina e il bagno, per le stanze sotto il tetto con radiatori ormai sovradimensionati, per il riscaldamento a pavimento nella zona giorno per soddisfare la domanda ridotta?
Figura 2: Tipica architettura della Germania meridionale: riscaldamento a pavimento al piano inferiore, riscaldamento a radiatori ai piani superiori.
Fig. 3: Impostazione della temperatura di ritorno sugli RTB tra circa 17 e 22 °C, a seconda delle dimensioni del locale e dello scambiatore di calore, dell'utilizzo e della temperatura desiderata. La regolazione fine è di competenza dell'utente.
Con le vecchie valvole termostatiche senza la possibilità di preimpostare la portata? Ma anche quelle con preimpostazione reagirebbero in modo relativamente statico "aperto" e "chiuso" e non regolerebbero in modo efficiente e dinamico influenze e condizioni mutevoli in termini di volume d'acqua. Le norme di sovvenzione KfW prevedono il bilanciamento idraulico e, come descritto, per Christof Bärhausen era comunque un obbligo.
Dinamico anziché statico
Come talvolta accade, l'ingegnere di ferramenta e amministratore delegato Hans-Georg Baunach della HG Baunach GmbH & Co. KG di Hückelhoven, vicino ad Aquisgrana, stava pensando da tempo a qualcosa di simile. I test e i successi ottenuti con il "rendeMIX" gli hanno insegnato che il bilanciamento idronico manuale rimane un misto di tentativi ed errori, se mai viene tentato. Il metodo classico deve anche convivere con la debolezza che l'adeguamento del litro a una portata fissa fa perdere parte del potenziale di profitto. Tuttavia, il rubinetto multiplo "rendeMIX" di Baunach non è stato progettato per questo compito. È stato progettato per miscelare acqua a temperature diverse, non per regolare i flussi d'acqua. L'ingegnere ha quindi cercato una soluzione diversa al problema della regolazione. Doveva essere ottimale e semplice.
"Semplice" sotto due aspetti: il commercio deve accettarlo e il prezzo, mettiamola così, deve aumentare la sua accettazione. Il calcolo non deve basarsi sul tempo di lavoro risparmiato rispetto allo sforzo richiesto per la regolazione abituale. Quasi nessuna azienda farebbe un calcolo del genere. Potrebbe trattarsi solo di un prodotto Euro a coppia singola. L'idea della limitazione della temperatura di ritorno come sistema di bilanciamento termoidraulico è stata un successo. Da circa un anno sono in corso diversi progetti pilota, tra cui il sistema di Bärhausen. Non è altro che, come suggerisce il nome, un limitatore della temperatura di ritorno: una valvola RTB da installare nel ritorno di un circuito di riscaldamento a valle dello scambiatore di calore.
Figura 4: I potenziali ponti termici alle finestre e alle portefinestre sono ridotti al minimo con un riempimento isolante, in modo da non compromettere il KfW 55.
Figura 5: Lo spazio abitativo riscaldato ammonta a 160 m2di cui 120 m2 Riscaldamento a pavimento e radiatori in mansarda. Le valvole di ventilazione delle unità di ventilazione decentralizzate accanto alle finestre. Nella foto Christof Bärhausen.
La variabile di progetto è esclusivamente il diametro nominale del ritorno. La valvola funziona in modo termodinamico. In altre parole, regola costantemente la portata in base al valore nominale del sensore di temperatura di ritorno regolabile: se la temperatura aumenta, riduce la portata attraverso le serpentine di riscaldamento del pavimento; se diminuisce, assicura una maggiore portata di circolazione. In questo modo, si occupa del bilanciamento idraulico dei circuiti o della regolazione della portata attraverso il radiatore a bassa temperatura o le serpentine a pavimento in modo completamente indipendente e in funzione della temperatura ambiente. Orientato alla temperatura ambiente: Questa può ancora essere impostata con la valvola termostatica sul radiatore o con un sistema alternativo di controllo individuale dell'ambiente, ma ora il volume di mandata è armonizzato con il setpoint dell'aria ambiente attraverso la temperatura di ritorno. Senza alcun collegamento fisico, le due valvole corrispondono tra loro.
Immagine 6: La casa è riscaldata da un'unità di cogenerazione a olio vegetale (più vecchia), che originariamente doveva essere alimentata da una rete di riscaldamento locale, ma non è stata realizzata. Il bollitore combinato non pressurizzato (1.000 l) è collegato anche a una stufa a legna con una sacca d'acqua, che potrebbe riscaldare tutte le stanze. La sovrapressione nel cilindro non deve superare 0,1 bar. Per questo motivo, è disaccoppiato idraulicamente dal sistema di riscaldamento tramite uno scambiatore di calore (all'estrema sinistra). Il "rendeMIX" inferiore è responsabile del caricamento a due zone del bollitore combinato con scambiatori di calore integrati. La stratificazione garantisce una quantità sufficiente di acqua calda per la cucina e il bagno. Il miscelatore multiplo superiore è stato utilizzato per integrare in modo efficiente il sistema solare termico in combinazione con la caldaia di picco dell'epoca.
Ideale, perché senza alcun calcolo
Come funziona? I valori empirici relativi al locale devono essere utilizzati anche per l'impostazione di base dell'RTB, come di consueto per le valvole termostatiche. Un esempio: La camera da letto dovrebbe avere una temperatura di 18 °C. Si presume che la valvola termostatica sia impostata sul livello 3. Il livello 5 o 23 °C sulla scala dell'RTB può essere sufficiente per questi 18 °C sul lato mandata. Come ho detto, l'impostazione dipende dalle proprietà termiche dell'edificio. Verso sera, le temperature esterne e dell'ambiente si abbassano. La valvola del radiatore si apre. Senza l'RTB, l'intera portata nominale passerebbe quasi spontaneamente attraverso la superficie di riscaldamento, influenzando così altri circuiti. L'RTB, invece, aspetta.
Dati tecnici valvole
Attualmente sono in commercio i limitatori di temperatura di ritorno per i circuiti di riscaldamento a pavimento (RTB-Fbh) e una versione per il bilanciamento termoidraulico degli scambiatori di calore su accumulatori di acqua calda sanitaria, riscaldatori d'aria, scambiatori di calore per piscine e sistemi di ventilazione (set di bilanciamento RTB). Sono attualmente in fase di test i raccordi destinati esclusivamente agli impianti di riscaldamento a radiatori. La variante per il riscaldamento a pavimento, come nella proprietà di Bärhausen, è costituita da una base in ottone e dalla testa termostatica con sensore di temperatura integrato. Come di consueto per le valvole termostatiche, il setpoint di ritorno, sincronizzato con la temperatura dell'aria ambiente, viene impostato utilizzando il cappuccio girevole sulla parte superiore. L'RTB supporta e accelera l'effetto di autoregolazione del riscaldamento a pavimento. La sua temperatura di ritorno aumenta quando la temperatura ambiente aumenta, cioè la temperatura in eccesso della superficie riscaldante rispetto alla temperatura ambiente diminuisce. Il normale regolatore ambiente individuale a due punti, che può solo accendere e spegnere il circuito, in questo caso blocca il flusso. Se il regolatore si apre, incanala l'intero volume d'acqua attraverso il circuito, cioè non interferisce con il flusso volumetrico. Per questo motivo, tutti i circuiti di riscaldamento a pavimento devono essere calcolati in modo complicato e i volumi d'acqua calcolati devono essere regolati con un attuatore. Si tratta di un metodo che richiede molto tempo. E, naturalmente, tutte le impostazioni si influenzano a vicenda: una volta accesi gli ultimi tre circuiti, la corrente che dovrebbe scorrere nel primo circuito è sicuramente cambiata. Il processo assomiglia a un'equazione con molte incognite. Il punto ottimale è una questione di fortuna.
Con la limitazione della temperatura di ritorno sotto forma di valvola RTB proporzionale, invece, attraverso le aree parziali circola sempre esattamente la potenza che l'area parziale deve erogare. La temperatura di ritorno come variabile di controllo regola dinamicamente la portata. Per un'applicazione pratica, Baunach consiglia di installare le RTB direttamente sul collettore di ritorno del collettore. Dimensione nominale della valvola DN 15, perdita di pressione 100 mbar per una portata di 0,40 m3/h, valore Kvs 1,3 m3/h, campo di regolazione del setpoint di ritorno da 0 a 40 °C, sovrapressione di esercizio ammessa 10 bar. Il secondo modello, il set di bilanciamento RTB per il bilanciamento termoidraulico automatico delle portate degli scambiatori di calore in serbatoi di acqua potabile, riscaldatori d'aria, scambiatori di calore per piscine e sistemi di ventilazione, è disponibile in tre dimensioni: DN 20, 25, 32, Kvs 2,5, 5,7 e 6,7, potenza a 20 K Delta T 18, 42 e 49 kW. Temperatura di ritorno compresa tra 20 e 70 °C.
A differenza dell'RTB-Fbh, un sensore remoto con tubo capillare è collegato alla testa termostatica, consentendo di posizionare il sensore in qualsiasi punto del flusso di ritorno di uno scambiatore di calore. Entrambe le varianti, quella per il riscaldamento a pavimento e quella per vari scambiatori di calore e riscaldatori d'aria, funzionano esclusivamente in modo termoidraulico senza energia esterna. Non si chiudono completamente. È garantita una portata minima di 1 % del valore nominale, in modo che il sensore sia sempre immerso nell'acqua di ritorno.
Si apre leggermente se la temperatura di ritorno tende a diminuire a causa dell'abbassamento della temperatura esterna e riduce la portata se il termostato ambiente si è aperto completamente, ovvero se il valore misurato sulla sonda RTB vuole salire oltre il setpoint. Ciò significa che non viene sottratta acqua di riscaldamento agli altri circuiti di riscaldamento. Anche i loro RTB reagiscono naturalmente aprendo le sezioni trasversali. L'intero sistema si stabilizza automaticamente. Il principio di controllo della potenza delle pompe di circolazione altamente efficienti e autoregolanti rimane invariato. Esse regolano automaticamente la loro potenza in base alla pressione differenziale. Christof Bärhausen è entusiasta: "Prima non riuscivamo a gestirlo. Nelle stanze superiori, i termostati si alternavano tra la massima apertura e la massima chiusura e le grandi superfici riscaldanti risucchiavano l'acqua dalle altre o le sovraccaricavano. Non riuscivamo mai a riscaldare tutte le stanze in modo uniforme, nonostante i tentativi di bilanciamento idraulico.
Con l'RTB, la quantità d'acqua rimane limitata. Abbiamo effettuato noi stessi la regolazione fine. La parte superiore della valvola deve essere regolata solo leggermente e solo una volta per ottenere la temperatura ambiente desiderata. È certamente necessario modificarla. Ma questo va fatto con ogni valvola termostatica".
Un successo udibile
Per gli altri interventi di ristrutturazione previsti in casa e all'interno dell'abitazione, il consulente energetico rinuncia quindi alle valvole dei radiatori preimpostate, "perché lasciano passare solo una quantità costante. Non funzionano in modo dinamico. Dovrei effettuare un calcolo del carico di riscaldamento per ogni stanza per la preimpostazione. Con l'RTB non devo farlo. I classici termostati per radiatori sono ora sufficienti". Il proprietario della casa è certo che il solo bilanciamento termoidraulico ridurrà sensibilmente la bolletta dell'olio vegetale per la sua unità di cogenerazione. Inizialmente l'impianto era destinato a rifornire alcuni vicini della rete di riscaldamento locale. Tuttavia, in seguito hanno annullato il progetto, ma per alcuni motivi la caldaia a olio è stata sostituita con l'unità di cogenerazione. Già durante la prima fase del programma di riforestazione energetica, nei sei mesi in cui erano state installate solo le RTB, il funzionamento era notevolmente diminuito. "Almeno qualcosa era cambiato a livello acustico.
Figura 7: Test di limitazione della temperatura di ritorno in uno stabilimento chimico di Limburg, in Belgio, con un RTB a valle di ciascuno dei 30 ventilatori alimentati con acqua calda. La termocoppia impedisce che la temperatura di ritorno superi i 45 °C a causa della scarsa estrazione di calore dallo scambiatore di calore, poiché l'aumento della pressione differenziale regola la portata della pompa di circolazione. In questo modo l'acqua di ritorno è adatta alla condensazione.
Non riesco a trovare una correzione in gradi giorno, ma la situazione è la seguente: secondo l'esperienza generale, una migliore distribuzione del calore consente di risparmiare da 10 a 15 % di energia per il riscaldamento su una media statistica. Questo sarà vero anche per noi, dato che la cogenerazione si è attivata molto meno frequentemente subito dopo la regolazione degli RTB. Per inciso, abbiamo notato questo effetto una seconda volta. Lo abbiamo notato anche in occasione della caldaia a gasolio, dopo l'installazione del raccordo "rendeMIX" nel circuito solare. Il volume del bollitore combinato veniva sfruttato meglio, emetteva calore molto più a lungo e la caldaia si ricaricava meno frequentemente".
Messa a punto da parte dei residenti
Il francese elettorale si è rimboccato le maniche. Ha del lavoro da fare. I tubi del locale caldaia devono essere isolati. "Quello che vedete qui non è un sistema di riscaldamento moderno nel senso della parola. Tutto è stato assemblato e manipolato, eppure funziona perfettamente". Spiega le impostazioni del distributore al primo piano: "Ora possiamo vedere le quattro stanze qui: la stanza grande, la stanza sud e il bagno, la stanza nord. Quest'ultima non ha mai raggiunto la temperatura ambiente che volevamo.
Gli attuatori elettrici qui nell'armadio del collettore sono collegati ai termostati ambiente delle tre stanze. Il bagno dovrebbe essere sempre un po' più caldo, quindi è completamente aperto dal flusso. Grazie alle opzioni di impostazione degli RTB, possiamo finalmente regolare le temperature delle stanze al grado esatto. Poiché la stanza grande veniva usata come camera da letto, i tubi del riscaldamento nel pavimento sono relativamente distanti tra loro. Per questo motivo ho regolato il ritorno a 20 gradi. Per le altre due stanze, 15 o 16 gradi sono sufficienti e ho impostato la temperatura di ritorno nel bagno a 22-23 gradi. La temperatura di mandata per tutte le stanze è di 30 °C. Aumentando la temperatura media tra mandata e ritorno nel bagno a 26 °C, la mantengo intorno ai 24 °C. Una considerazione simile sulla temperatura media vale anche per la "stanza grande".
Solo un po' di pazienza
Signor Bärhausen, in base alla sua esperienza, cosa si deve dire a un progettista o a un costruttore di impianti sulla limitazione della temperatura di ritorno? "In realtà nulla. Come ho detto, il sistema è autolivellante. Non c'è alcuna preimpostazione in questa forma. Bisogna affrontare la questione con una certa sensibilità e considerare il locale, il suo utilizzo, la sua posizione nord/sud, gli scambiatori di calore/radiatori e pre-regolarli su un valore.
Figura 8: In ogni stanza sono installati due sistemi di ventilazione decentralizzati a camera singola con unità di recupero del calore in ceramica. Essi agiscono alternativamente come unità per l'aria di mandata e per l'aria di scarico, passando dalla modalità di scarico a quella di mandata ogni 70 secondi. Per il tipo Vento-Expert, il produttore Blauberg indica una portata fino a 50 m3/h e un'efficienza di recupero del calore di 97 %. www.blaubergventilatoren.de
Ogni utente o proprietario di casa può quindi regolare la temperatura autonomamente. Un po' più di cautela con il riscaldamento a pavimento. Si tratta di un sistema lento, che richiede un po' più di tempo. Se si regola l'RTB di due gradi, si deve avere pazienza per un giorno o due e solo allora si può osservare l'effetto. Ma non è necessario un calcolo. Per quanto ne so, è l'unico sistema che funziona in questo modo. Con tutti gli altri metodi di bilanciamento idronico, devo tenere conto delle dimensioni del radiatore e di altri fattori e farli interagire per regolare di conseguenza le valvole pre-regolabili o le valvole di zona. E poi sono quasi a posto. Il funzionamento non è garantito. In questo caso, l'operatore esegue la regolazione, ma la imposta su un setpoint di temperatura, non su una sezione e quindi su un setpoint di portata. L'RTB lo cerca da solo".
Conferma del campione per KfW
KfW ha concordato una procedura per il bilanciamento idraulico con la VDZ, l'organizzazione ombrello per l'ingegneria dei servizi edilizi, che deve essere documentata in un modulo corrispondente. Tuttavia, KfW non si oppone alle innovazioni. Afferma che è possibile deviare dalla procedura specificata se l'alternativa può essere assegnata al punto 5.25 "Clausola di apertura per le tecnologie innovative" dell'opuscolo responsabile per le misure di efficienza del riscaldamento (pubblicazione KfW 600 000 3140). Baunach ha preparato un campione corrispondente per i termotecnici i cui clienti desiderano richiedere un finanziamento KfW/Bafa e che richiedono la conferma del bilanciamento idronico.
Bernd Genath
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