Il ruolo del separatore idraulico nel processo di bilanciamento delle portate

Nella scelta del sistema di climatizzazione il criterio fondamentale dovrebbe sempre essere il comfort delle utenze servite. 

Tuttavia, anche quando il dimensionamento delle potenze e la scelta dei terminali sono stati svolti con la massima competenza e "a prova di errore", è possibile che per effetto di interferenze tra i circuiti di impianto si crei una condizione di funzionamento non prevista tale da alterare il setpoint rispetto a quanto previsto dai sistemi di regolazione, con conseguente diminuzione anche grave del comfort per le utenze e con possibili danni anche per le componenti di impianto (pompe in primis).

Cos’è il separatore idraulico e a cosa serve

Un separatore idraulico è un componente degli impianti di riscaldamento che ha il ruolo di mantenere separati i circuiti idraulici primari e secondari. 

Serve, in sostanza, a bilanciare le portate d'acqua tra i diversi circuiti, migliorando l'efficienza del sistema e garantendo un funzionamento ottimale di caldaie e pompe. Inoltre, aiuta a prevenire le fluttuazioni di pressione, riducendo l'usura degli impianti.

Allo scopo di rendere indipendenti i circuiti degli impianti termofrigoriferi sempre più spesso viene introdotto il separatore idraulico, componente idraulico atto ad evitare interferenze e disturbi tra i circuiti idraulici a cui esso è collegato.

Separatore idraulico: schema di funzionamento

In questa figura vediamo lo schema di principio di funzionamento di questo componente.

Ma in che termini si possono manifestare problemi di interferenze sui circuiti, e quali ne possono essere le conseguenze?

Se facciamo riferimento a un impianto di climatizzazione spento, in linea di principio la pressione del collettore di mandata e quella del collettore di ritorno saranno equalizzate, quindi la differenza di pressione tra i due collettori sarà nulla.

All'attivazione di una pompa di spillamento si creerà una differenza di pressione tra i due collettori, pari alla pressione che la pompa deve fornire al fluido per attraversare il generatore di calore.

Se non avessimo installato delle valvole di non ritorno (in presenza di più spillamenti) ci potrebbe essere anche una circolazione parassita in senso contrario sui circolatori spenti, cosa ovviamente da evitare.

L'attivazione delle pompe successive porta a un aumento della portata che attraversa il generatore, e quindi delle perdite di carico da vincere, e quindi del salto di pressione tra i due collettori di mandata e ritorno. Questo potrebbe portare le pompe attivate successivamente a trovarsi a fronteggiare perdite di carico così elevate da non essere più in grado di far circolare una sufficiente quantità d'acqua.

Usualmente valori accettabili di Δ p tra i collettori arrivano al massimo di 0,5 m c.a.; superando questo valore si possono verificare una serie di problemi, quali ad esempio pompe (specialmente se piccole rispetto a quelle utilizzate sugli altri circuiti serviti) che non riescono ad elaborare la portata prevista a causa di eccessive perdite di carico, oppure pompe che si bruciano perchè costrette a lavorare fuori dal campo operativo.

In linea generale questi impianti non bilanciati non potranno mai lavorare alle condizioni di progetto e quindi garantire le condizioni ottimali di efficienza e comfort alle utenze.

Separatore idraulico: perché va utilizzato

Lo scopo del separatore idraulico è proprio quello di consentire all'impianto di lavorare costantemente con Δ p=0 tra i collettori, cioè nella condizione ottimale per evitare qualunque fenomeno di interferenza tra le pompe. Questo schema esemplifica questa tipologia di installazione.

Se con l'installazione del separatore idraulico si risolvessero tutti i problemi sarebbe (forse) obbligatorio per legge installarlo, almeno sui nuovi impianti.

Tuttavia, risolto il problema dell'interferenza tra i circuiti per quanto attiene le differenze di pressione, va valutata attentamente la possibile insorgenza di fenomeni di miscelazione delle portate all'interno del separatore stesso.

Questo fenomeno, altrettanto pericoloso per il comfort delle utenze di quelli descritti sopra (anche se "innocuo" per le pompe di impianto), si presenta quando tra la portata elaborata sul primario e quella sul secondario si manifesta una differenza superiore al 10%.

Separatore idraulico dimensionamento

Il separatore idraulico va dimensionato opportunamente, onde evitare eccessivi Δp (caso di separatore troppo stretto) oppure mancato trasferimento delle portate di fluido tra primario e secondario (caso di separatore troppo largo).

La cosa migliore è utilizzare modelli già progettati e collaudati da apposite ditte specializzate, dimensionati in base alla portata da elaborare e provvisti, nel caso, di appositi dispositivi atti ad evitare la miscelazione dei flussi (ad es. setti antimiscela).

La funzione del separatore idraulico e quella dell’accumulo inerziale possono essere unificate in un unico dispositivo dalle caratteristiche adeguate, contenendo i costi di realizzazione dell’impianto.

Potenziali problemi con separatore idraulico

Ma cosa può succedere in concreto all'interno del separatore idraulico, e che conseguenze questo comporta per il funzionamento dell'impianto?
Il caso migliore prevede che le portate di primario e secondario siano perfettamente bilanciate.

Questo comporta che la temperatura di mandata dal generatore di calore sia identica a quella in ingresso all'impianto secondario.

Ovvero l'impianto sta funzionando nelle condizioni di progetto e quindi sta lavorando alla migliore efficienza possibile in quelle condizioni con il minimo consumo di energia. Per le pompe di calore ad assorbimento questo nello specifico comporta che il sistema di regolazione Robur sta gestendo le unità  nel modo migliore per rispettare il setpoint richiesto, che è esattamente lo stesso che viene puntualmente consegnato alle utenze, senza alterazioni di sorta.

Mandata e ritorno termosifoni

Qualora invece la portata del primario sia inferiore a quella del secondario quello che si verifica è un parziale ricircolo della portata di ritorno (quindi a bassa temperatura) sul collettore di mandata, con la conseguenza che la temperatura del fluido in ingresso al secondario risulta più bassa della temperatura di produzione del generatore di calore.

È il caso tipico di quegli impianti in cui il secondario lavora a salto termico inferiore al primario (e deve quindi elaborare una portata maggiore per trasmettere agli ambienti la potenza generata). Questo comporta per le pompe di calore ad assorbimento uno “spreco” di efficienza dovuto al fatto che la potenza viene prodotta a una temperatura più elevata (quindi con efficienza inferiore) per compensare la perdita di temperatura dovuta allo sbilanciamento delle portate.

Tra l’altro il sistema di controllo delle unità non ha possibilità di conoscere l’esistenza di questa miscelazione e quindi non è in grado di adattarsi alle modifiche della portata sul secondario, allo scopo di abbassare la temperatura di mandata a valori tali da garantire un’efficienza maggiore.

Come ulteriore conseguenza le utenze ricevono acqua a temperatura più bassa rispetto a quella di progetto (che dovrebbe coincidere con la temperatura di mandata del primario) e potrebbero quindi diminuire lo scambio termico con conseguenze anche pesanti in termini di comfort per l’utenza.

Alle estreme conseguenze in questo scenario le pompe di calore lavorano alla massima temperatura ma le utenze sentono comunque freddo a causa di un inefficiente scambio termico dovuto all’abbassamento di temperatura. Lo scambio termico ridotto potrebbe facilmente portare anche a una riduzione del salto termico sul secondario, quindi a un innalzamento della temperatura sul ritorno e, in ultima istanza, all’arresto delle unità per termostatazione limite.

Nel caso opposto, in cui la portata del secondario è inferiore a quella del primario quello che si verifica è un parziale ricircolo della portata di mandata (quindi ad alta temperatura) sul collettore di ritorno primario, con la conseguenza che la temperatura di ritorno ai generatori si alza considerevolmente rispetto al ritorno dell’impianto.

È il caso tipico di quegli impianti in cui il secondario lavora a salto termico superiore al primario (e deve quindi elaborare una portata inferiore per trasmettere agli ambienti la potenza generata). Questo comporta il rischio di raggiungere molto rapidamente la condizione di temperatura limite sul ritorno e quindi portare allo spegnimento delle unità, nonostante il lato utenze abbia comunque necessità del servizio, fornendo quindi un pessimo servizio.

Dimensionamento portate - conclusioni

Come dimensionare quindi le portate in funzione delle unità effettivamente installate?

Va ricordato che le pompe di calore ad assorbimento a gas presentano una portata d’acqua per il riscaldamento pressoché identica a quella per il condizionamento, poiché operano con salto termico 10°C per il servizio riscaldamento e 5°C per il servizio condizionamento, ma la potenza per il condizionamento è circa la metà di quella per il riscaldamento.

Sulle tabelle con i dati tecnici delle unità sono sempre riportate le portate d’acqua nominali per ognuno dei servizi disponibili (condizionamento/riscaldamento/ACS) e la relativa potenza disponibile. La cosa migliore è quindi dimensionare le utenze per lavorare con lo stesso salto termico previsto sui generatori, eventualmente allestendo circolatori d’impianto distinti per la stagione invernale e per quella estiva qualora le portate d’acqua nelle due stagioni fossero sensibilmente diverse.

Questo, a fronte di un quantificabile (ma spesso modesto) aumento dei costi di installazione, porta numerosi e altrettanto quantificabili (e spesso decisamente consistenti) vantaggi sui costi di esercizio, dovuti al perfetto bilanciamento delle portate in ogni condizione di esercizio, e quindi alla possibilità per le unità di generazione di lavorare nelle condizioni migliori e garantire quindi la massima efficienza e il massimo comfort alle utenze servite.

NOTE:
- Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.
- Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.
- Tutte le parole che figurano sottolineate sono collegamenti ad altri contenuti, che non saranno quindi disponibili qualora il documento venga stampato.
- I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.

APPROFONDIMENTI

Abbassamento secondario

Per calcolare l'entità dell'abbassamento della temperatura di mandata al secondario è sufficiente determinare il salto termico sul secondario, sulla base della portata dello stesso e della potenza generata sul primario, secondo la nota relazione
dove Q è la potenza espressa in [kW], m è la portata d'acqua espressa in [kg/s], c_p è il calore specifico dell'acqua in [kJ/kg°C] e Δt è il salto termico in [°C].

Questo salto termico va sommato alla temperatura di ritorno del secondario stesso (che coincide con la temperatura di ritorno al generatore).

Termostatazione limite

La temperatura massima raggiungibile dalle unità destinate alla produzione di acqua calda è evidenziata nella tabella sottostante:

La temperatura minima in ingresso alle unità  destinate alla produzione di acqua calda, in condizioni di transitorio sono ammesse temperature inferiori. Considerando il salto termico standard pari a 10 °C si espongono anche i valori della temperatura minima di mandata.

Il setpoint richiesto può essere impostato o sulla temperatura di mandata o su quella di ritorno, e di queste è quella di ritorno che determina la condizione di termostatazione limite sulla macchina, e quindi l’impossibilità di proseguire il servizio di riscaldamento o di produzione dell’acqua calda sanitaria fino a quando la temperatura non scenda nuovamente sotto tale massimo.
È quindi particolarmente importante che l’impianto garantisca per quanto possibile che la temperatura di ritorno non superi il valore previsto, e che quindi sia in grado di garantire un sufficiente scambio termico rispetto al salto termico di 10°C con cui operano le unità.

NOTA BENE:
I sistemi previsti per le soluzioni E3 (unità E3-A, E3-GS e E3-WS nelle varie versioni disponibili), pur utilizzando le medesime unità rispetto alle soluzioni PRO (GAHP-A, GAHP-GS e GAHP-WS nelle varie versioni disponibili), sono in grado di raggiungere temperature massime fino a 70°C sia per le versioni HT che per quelle LT per la sola funzione di produzione acqua calda sanitaria e solo nel caso in cui vengano gestite dal sistema di controllo Comfort Control Panel fornito a corredo della soluzione.

Aumento primario

Per calcolare l'entità dell'aumento di temperatura sul primario è sufficiente determinare il salto termico sul primario stesso, sulla base della portata dello stesso e della potenza generata, secondo la nota relazione
dove Q è la potenza espressa in [kW], m è la portata d'acqua espressa in [kg/s], c_p è il calore specifico dell'acqua in [kJ/kg°C] e Δt è il salto termico in [°C].

Questo salto termico va sottratto alla temperatura di mandata (che corrisponde al setpoint) del primario stesso per ottenere la temperatura attesa per il ritorno al generatore.