La caldaia: componenti e metodi di funzionamento

Con i termini caldaia o generatore di calore s’intendono quelle apparecchiature nelle quali avviene il trasferimento di energia termica dai prodotti della combustione al fluido termovettore; essenzialmente, esse sono costituite da:
 

• il focolare o bruciatore: organi di ingresso dell'energia termica. Sul focolare, o grazie al bruciatore, si costituisce una miscela non stechiometrica tra il carbonio (o altro elemento ossidato) contenuto nel combustibile e l'ossigeno presente nell'aria, in modo da realizzare una fiamma tale da trasmettere il calore sia per conduzione termica tramite i fumi caldi di combustione, sia per irraggiamento;
• l'ambiente: contenente il focolare (o il bruciatore) è detto camera di combustione; nel caso di focolari a combustibile solido è prevista una camera, detta cinerario, solitamente sottostante la griglia del focolare, in cui si accumulano le ceneri di combustione prima di essere estratte; la camera di combustione è solitamente in leggera depressione nel caso di combustibile solido, in presenza di un bruciatore, invece, la camera è a pressione superiore rispetto a quella atmosferica;
• il fascio tubiero. Insieme di tubi che collegano il focolare al camino nelle caldaie a tubi di fumo e i corpi cilindrici in quelle a tubi d'acqua; ha la funzione di aumentare il più possibile la superficie di scambio tra fumi e acqua;
• il camino: condotto esterno di dispersione dei prodotti di combustione esausti.

 
I generatori di calore sono solitamente installati in locali dedicati, detti centrali termiche, nelle quali vi sono tutte le apparecchiature preposte alla produzione, circolazione e regolazione del fluido termovettore destinato agli impianti di riscaldamento e ai prelievi di acqua calda sanitaria. In ambito residenziale il generatore di calore può essere installato in un locale adibito principalmente ad altro scopo (ad esempio: balcone, bagno, cucina, ripostiglio, lavanderia), mentre in caso di impianti più grandi, come gli impianti condominiali centralizzati, vi è un vero e proprio spazio dedicato. Le odierne tecnologie, spesso completate con puffer, boiler etc. e integrate con sistemi alimentati da fonti rinnovabili come sopra descritti, costituiscono degli impianti complessi e richiedono comunque, specialmente nei casi di nuova costruzione, una cospicua superficie, pertanto è buona norma prevedere un locale adibito a centrale termica anche in edifici residenziali monofamiliari.
 
I generatori di calore possono essere distinti in base a differenti caratteristiche, quali:
 

• tipo di combustibile utilizzato (gassoso, liquido o solido);
• modalità di installazione (murale o a basamento);
• volume d’acqua contenuto (elevato, medio, basso);
• tipo di bruciatore (atmosferico, ad aria soffiata);
• modalità di evacuazione dei prodotti della combustione (a tiraggio naturale, a tiraggio forzato).

 
Le caldaie a basamento possono coprire richieste termiche comprese tra 80 e 14 000 kW, quindi l’intervallo di potenze termiche disponibili è assai vasto; sono generatori nei quali una consistente massa di acqua rimane all’interno della caldaia, in contatto con le superfici riscaldate dall’effetto della combustione. I componenti costitutivi di questo tipo di caldaia sono:
 

• bruciatore;
• camera di combustione;
• tubi di fumo;
• raccordo gas combusti;
• collegamento di mandata del circuito idraulico;
• collegamento di ritorno del circuito idraulico;
• bollitore integrato;
• regolatore elettronico;
• isolamento termico;
• involucro esterno.

 
La camera di combustione, come i tubi di fumo e il condotto di espulsione dei fumi, devono essere a tenuta stagna, per non permettere che l’acqua possa infiltrarsi pericolosamente nel circuito, e devono garantire il miglior scambio termico possibile, sia per irraggiamento diretto sia per moto convettivo dei fumi prodotti dalla combustione.
Il bollitore è l’involucro a tenuta stagna contenente il fluido termovettore (acqua tecnica) che viene attraversato dai tubi di fumo e dentro il quale si sviluppa l’intera camera di combustione. Esso è sostanzialmente un serbatoio in cui l’acqua viene riscaldata e stoccata; è necessario garantire la resistenza alla corrosione, la tenuta stagna e la solidità strutturale. L’isolamento termico ha particolare importanza in questo genere di caldaie in quanto si ha una consistente massa di acqua immagazzinata al loro interno e, di conseguenza, un’elevata superficie disperdente.
 
Le caldaie murali sono apparecchi compatti che spesso abbinano la funzione di riscaldamento a quella di produzione dell’acqua calda sanitaria. La gamma di potenze oggi disponibile va da 10 kW a 115 kW; quelle di potenza sino a 35 kW sono solitamente utilizzate per gli impianti autonomi residenziali. Il cuore della caldaia è costituito dalla camera di combustione, nella quale il combustibile viene fatto bruciare in modo da cedere il calore allo scambiatore fumi-acqua, che in queste unità risulta molto compatto e a basso contenuto di acqua.

A volte viene installato e collegato alla caldaia un serbatoio di accumulo laddove siano richieste portate importanti di acqua calda sanitaria; in caso contrario la produzione di acqua calda avviene in modo istantaneo e contemporaneo alla richiesta e la caldaia resta a basso contenuto di acqua. La potenza delle caldaie installate nelle abitazioni è generalmente dimensionata per la produzione di acqua calda sanitaria istantanea: le moderne caldaie murali assicurano portate di acqua calda sanitaria fino a 18/20 l/min ad una temperatura di 45 °C; se si desidera una temperatura maggiore dell’acqua o si prevedono portate, nei picchi di richiesta, maggiori, è bene installare un bollitore esterno, nel quale un certo volume di ACS viene stoccato e mantenuto in temperatura: in questo modo la caldaia funziona con meno cicli on/off e la fornitura di acqua calda sanitaria non è soggetta a riduzioni di portata o a ritardi nel giungere in temperatura alle utenze. Alcuni produttori offrono modelli con mini-accumulo integrato in modo da evitare i tempi di attesa nel momento della richiesta di acqua calda sanitaria presso un’utenza.
 
Un importante distinzione nell’ambito dei generatori di calore viene fatta in base al tipo di camera di combustione ed al metodo di evacuazione dei fumi che permette di classificarli tra:
 

• generatori a camera aperta, in cui l’aria necessaria alla combustione proviene direttamente dall’ambiente in cui l’apparecchio è installato e i fumi sono evacuati tramite canna fumaria verso l’esterno, tipicamente a tiraggio naturale;

• generatori a camera stagna, nei quali tutto il circuito di combustione risulta ermetico rispetto all’ambiente ove è installato e nei quali l’aria comburente viene prelevata dall’esterno e opportunamente canalizzata impedendo così qualunque contaminazione dell’ambiente abitato; in questo caso la caldaia è dotata necessariamente di un ventilatore che assicuri l’aspirazione dell’aria e l’espulsione dei fumi (tiraggio forzato).

 
Un’ulteriore classificazione trova le seguenti sottocategorie:
 

• caldaie di tipo A: apparecchi a camera aperta, senza alcun condotto o dispositivo per l’evacuazione dei prodotti della combustione, da collocarsi esclusivamente all’esterno, ma ormai non più a norma;
• caldaie di tipo B: apparecchi a camera aperta collegati ad un condotto di espulsione dei fumi di combustione verso l’esterno a tiraggio naturale, da collocarsi in locali areati con assoluto divieto di collocazione in locali abitabili;

caldaie di tipo C: apparecchi con circuito di combustione (camera di combustione, presa dell’aria, scarico dei gas) stagno rispetto al locale di installazione, a tiraggio forzato con prelievo di aria comburente dall’esterno.