Dimensionamento vaso di espansione: come effettuarlo correttamente per evitare danni all'impianto

Come si fa a dimensionare correttamente un vaso di espansione?

Uno degli utilizzi più comuni del vaso di espansione avviene in impianti a circuito aperto per acqua calda sanitaria, quindi prenderemo come primo esempio il dimensionamento di un vaso di espansione con membrana intercambiabile a uso sanitario.

Innanzitutto è necessario conoscere i seguenti dati:

C = capacità complessiva d'acqua (in litri) del bollitore o scaldacqua;
e = coefficiente di espansione, corrispondente alla massima differenza tra la temperatura di ingresso dell'acqua nell'impianto e la temperatura massima di regime dell'acqua contenuta nel serbatoio;
Pi = Pressione assoluta a cui è precaricato il cuscino di aria del vaso di espansione.
Questa pressione è di estrema importanza poiché, grazie all'inerzia dell'aria e della membrana, si attutiscono e dissipano tutti i colpi d'ariete che si verificano nell'impianto;
Pf = Pressione massima assoluta di esercizio a cui è tarata la valvola di sicurezza.

Il dimensionamento del vaso di espansione quindi si ricaverà dalla seguente formula:

Più semplicemente, CIMM ha progettato un software di calcolo per il dimensionamento dei vasi di espansione molto facile da utilizzare e a disposizione degli utenti gratuitamente nel sito CIMM che, dopo l'inserimento dei dati necessari, fornirà una soluzione coerente in termini di capacità d'acqua, ma contenente varie alternative in termini di peso e dimensioni del vaso, in quanto non tutti i vani impianto presentano le stesse dimensioni.

Come si sceglie e dimensiona il vaso di espansione per un impianto di riscaldamento e/o refrigerazione con pompa di calore?

Le moderne pompe di calore consentono il riscaldamento, il raffrescamento e sono progettate e ottimizzate per produrre acqua calda fino a circa 65°C, temperatura che si adatta a operare con un impianto di riscaldamento anche a termosifoni.

Sulla base di un bilancio termico, si può scegliere la modalità di funzionamento di una pompa di calore: monovalente (la pompa di calore è l'unico generatore di calore) o bivalente (un generatore a supporto è presente nell'impianto).

Una pompa di calore in genere richiede degli spazi di installazione superiori rispetto ai tradizionali sistemi di riscaldamento, poiché necessita di un accumulo per la produzione di acqua calda sanitaria e a volte, in base alla tipologia di impianto, anche di un accumulo inerziale per garantire il buon funzionamento della stessa.

Solitamente in un impianto con pompa di calore sono presenti uno o più vasi d'espansione, posizionati internamente o esternamente, con la funzione di contenere la dilatazione e l'aumento e/o riduzione di volume del fluido causato dall'azione di riscaldamento e raffrescamento.

I vasi di espansione CIMM più adatti al funzionamento di una generica pompa di calore sono molti e dipendono da molteplici fattori come:

• Tipo di impianto;
• Spazio disponibile nell'impianto;
• Pressione massima e minima del circuito;
• Volume del fluido presente nel circuito e nell'impianto;
• Temperatura del fluido.

In genere, i vasi piatti della linea CP ed RP prodotti da CIMM con membrana fissa, si prestano al miglior funzionamento del circuito primario o circuito chiuso con acqua tecnica; mentre i vasi ACS o STYLE sono ottimali per il circuito dell'acqua calda sanitaria, in quanto costruiti con un'apposita membrana a palla che non permette la fuoriuscita dell'acqua e il contatto con le parti metalliche del vaso.

Per chiarire quanto sopra esposto riporteremo di seguito degli esempi di carattere generico, a seconda del tipo di circuito, di dimensionamento corretto del vaso d'espansione. In ogni caso, durante la messa in opera o manutenzione di un qualsiasi impianto o sua componente, si consiglia sempre di seguire le indicazioni riportate nei manuali d'uso ed istruzioni della casa costruttrice.

Circuito primario (di riscaldamento e raffrescamento)

Molte varianti di pompe di calore prevedono un vaso di espansione per il circuito di riscaldamento, generalmente di volume pari a 8 o 10 o 12 litri, contenuto nel cosiddetto modulo idronico. La pressione massima del circuito idronico è generalmente intorno ai 3,0 bar.
Il volume del vaso dipenderà dunque dal volume di fluido presente nell'impianto di riscaldamento.

Ad esempio, nei sistemi "pipe in tank", con il bollitore di accumulo – cioè il serbatoio di accumulo di acqua tecnica per riscaldamento - con un volume generalmente di 200/300 litri o anche più, è necessario un vaso di espansione di 24 litri o più, con una precarica da 1,5 bar poiché la temperatura può raggiungere valori anche elevati (circa 80°C nel caso vi sia una resistenza che incrementa la temperatura).

Esempio – vasi di espansione per circuiti di riscaldamento:

• Pompa di calore con accumulo da 300 litri;
• Pressione minima d'esercizio (o pressione di precarica del vaso): 1,5 bar;
• Pressione massima d'esercizio del circuito: 3,0 bar;
• Temperatura massima del fluido/acqua: 80 °C;
• Volume del vaso di espansione necessario: 24 litri

Circuito sanitario

Gli impianti con pompa di calore prevedono solitamente anche l'installazione di un vaso di espansione per il circuito sanitario (dell'acqua potabile), che spesso viene installato esternamente, ma in altri casi si può trovare già inserito o predisposto all'interno del modulo PdC.

Quando si va a dimensionare un vaso di espansione per il circuito sanitario bisogna tenere sempre conto di:

• Tipo di impianto;
• Capacità massima dell'accumulo d'acqua;
• Pressione massima e minima del circuito;
• Pressione di precarica del vaso;
• Volume del fluido presente in tutto l'impianto;
• Temperatura massima dell'acqua.

Di seguito riportiamo alcuni esempi.

Esempio – vasi di espansione per circuito sanitario con bollitore ACS da 170 litri

Data una pompa di calore con le seguenti caratteristiche:

• Accumulo/bollitore per acqua sanitaria da 170 litri;
• Pressione massima d'esercizio 8 bar (taratura valvola di sicurezza);
• Pressione minima d'esercizio o di precarica del vaso 3,5 bar;
• Temperatura massima dell'acqua: 60 °C;

applicando la formula precedentemente illustrata, dal calcolo risulterebbe necessario un vaso di espansione sanitario da 5 litri. Considerando, però, anche il volume delle tubazioni di collegamento, risulta più funzionale installare un vaso da 8 litri.

Lo stesso risultato calcolato mediante formula emerge anche dal calcolatore CIMM, che tiene conto di tutto ciò e presenta le soluzioni migliori (vedi immagine).

La seconda soluzione è un'alternativa presentata dal calcolatore: vaso di espansione STYLE con lo stesso litraggio ma diverse dimensioni.

Esempio – vasi di espansione per circuito sanitario con bollitore ACS da 300 litri

Se aumentassimo la capacità del bollitore per acqua sanitaria di una data pompa di calore a:

• Accumulo/bollitore da 300 litri;
• Pressione massima d'esercizio di 8 bar (taratura valvola di sicurezza);
• Pressione minima d'esercizio o di precarica del vaso di 2,5 bar;

dal calcolo risulterebbe necessario un vaso ACS da 10 litri. Si deve però considerare anche il volume delle tubazioni di collegamento, per cui il volume corretto del vaso di espansione sarà superiore. In questo esempio potrebbe essere necessario un vaso ACS da 12 litri precaricato a 2,5 bar, o se dovesse esserci poco spazio un vaso cilindrico STYLE da 12 litri a 2,5 bar.

Esempio – vasi di espansione per pompe di calore con serbatoio di acqua tecnica da 200 litri e serpentina inox per ACS

Presentiamo un terzo caso in cui la pompa di calore sia provvista di un serbatoio di acqua tecnica per riscaldamento da 200 litri di volume, ma contenga anche al suo interno una serpentina in acciaio inox dove circola l'acqua sanitaria (con volume di circa 10 litri) che viene riscaldata dall'acqua tecnica dell'accumulo.

Se la pressione massima di esercizio del circuito è di 3 bar, la pressione minima di 1,5 bar e la temperatura massima dell'acqua di 80°C (ci può essere una resistenza che incrementa la temperatura), in questo specifico caso, ai 200 litri del serbatoio di accumulo bisogna sommare il liquido del resto dell'impianto, che ipotizziamo sia di 50 litri. Ciò comporta l'impiego di un vaso di espansione piatto RP o CP da almeno 24 litri.

In quest'ultimo caso potrebbe non essere utilizzato il vaso di espansione sanitario perché il volume dell'acqua sanitaria contenuto nella serpentina è piccolo (circa 10 litri), la temperatura massima può arrivare a 55/60°C e dunque le piccole variazioni di volume vengono assorbite direttamente dalla serpentina corrugata. Inoltre, la pressione della valvola di sicurezza è tarata a 6/7 bar.

In alcuni modelli di pompe di calore si aumenta la pressione di taratura della valvola di sicurezza del circuito primario fino a 6 bar. In questi casi le dimensioni del vaso di espansione, che deve essere ovviamente idoneo a resistere fino a 6 bar, saranno ridotte e quindi si può valutare l'impiego di un vaso modello ACS da 2 litri oppure uno STYLE da 2 o da 4 litri, a seconda degli spazi.

Esempio di schema d'impianto con pompa di calore