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La regolazione delle stazioni di trasferimento del teleriscaldamento

Tempo di lettura: 10 Min

Linee di trasporto fuori terra di una rete di teleriscaldamento. [1]

Le reti di teleriscaldamento distribuiscono l’energia per il riscaldamento, prodotta in impianti di cogenerazione o in centrali termiche, a diverse unità abitative e commerciali attraverso reti di tubature e stazioni di distribuzione. Esse consentono di utilizzare per il riscaldamento un’ampia gamma di fonti di calore neutre dal punto di vista climatico, che potrebbero essere utilizzate in modo meno efficiente o non utilizzate affatto su base decentrata.

Quest’ultimo aspetto riguarda, ad esempio, l’uso diretto del calore proveniente dalla geotermia profonda e l’integrazione del calore di scarto dei centri dati o dell’industria. Diverse fonti e tecnologie di calore rinnovabili, come l’energia solare termica, la biomassa, il calore delle acque reflue e le pompe di calore di grandi dimensioni, possono essere combinate nelle reti di riscaldamento per sostituire gli impianti di cogenerazione alimentati a combustibili fossili.

Una rete di teleriscaldamento è costituita da un impianto di riscaldamento centrale, da una rete di distribuzione e da stazioni di trasferimento domestico negli edifici collegati. L’impianto genera calore, che viene convogliato agli edifici collegati attraverso tubi sotterranei isolati. I grandi serbatoi di accumulo, con una capacità da diverse migliaia a milioni di litri, svolgono un ruolo centrale nelle reti di teleriscaldamento. Come accumulatori a lungo termine, possono garantire la fornitura di calore per diversi giorni, settimane e mesi.

Il mezzo utilizzato per trasportare il calore è solitamente l’acqua calda, che viene addolcita e spesso desalinizzata e trasportata su lunghe distanze a temperature comprese tra 80° e 130°C e a una pressione di circa 13 bar. Il teleriscaldamento è un circuito di riscaldamento chiuso con mandata e ritorno, in cui l’acqua raffreddata viene riutilizzata dopo lo scambio di calore.

Perché il teleriscaldamento può svolgere un ruolo chiave nella transizione verso il riscaldamento

Il teleriscaldamento è uno dei più importanti tasselli della transizione del riscaldamento, in quanto consente una fornitura di calore ecologica e a basso consumo di risorse e può quindi contribuire in modo significativo al raggiungimento degli obiettivi climatici.

L’importanza del teleriscaldamento in questo contesto risiede nella sua efficienza, nel rispetto dell’ambiente e nel suo ruolo di importante fonte di calore per le aree urbane e le conurbazioni. Ecco alcuni punti che illustrano l’importanza del teleriscaldamento per la transizione termica:

Rispetto dell’ambiente: Il teleriscaldamento è spesso basato su fonti energetiche rinnovabili o a bassa emissione di CO2 come la biomassa, l’energia geotermica, il calore di scarto dei processi industriali o gli impianti di incenerimento dei rifiuti. Utilizzando queste fonti energetiche sostenibili, il teleriscaldamento contribuisce a ridurre le emissioni di gas serra e quindi a contrastare il cambiamento climatico.

Efficienza: La generazione di calore in sistemi più grandi, come gli impianti di cogenerazione, consente un elevato livello di efficienza. In questo modo non si genera solo calore, ma anche elettricità, aumentando l’utilizzo complessivo dell’energia utilizzata.

Fornitura di calore decentralizzata: espandendo il teleriscaldamento, è possibile utilizzare in modo più efficace anche le fonti energetiche decentralizzate, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili.

Conservazione dello spazio e delle risorse: rispetto ai sistemi di riscaldamento individuali, i sistemi di teleriscaldamento non richiedono generatori di calore in ogni edificio. Ciò consente di risparmiare spazio e di ridurre il consumo di materiali.

Sicurezza dell’approvvigionamento: i sistemi di teleriscaldamento offrono un approvvigionamento di calore affidabile e stabile, poiché sono solitamente collegati a una rete ben sviluppata. Questo elimina la dipendenza da singoli fornitori o dalle vie di trasporto.

Potenziale di connessione: In particolare nelle aree urbane, dove c’è un’alta densità di edifici, molte famiglie e imprese possono essere collegate a una rete di teleriscaldamento. Ciò consente di convertire gran parte della fornitura di calore in energie rinnovabili.

Come entra il calore in casa?

Per l’allacciamento alla rete di teleriscaldamento è necessario praticare due fori nell’involucro dell’edificio, cioè nella parete esterna della casa, per l’alimentazione e il ritorno del mezzo di trasferimento del calore. Deve inoltre essere possibile creare un collegamento con la tubazione del teleriscaldamento più vicina. Di solito si trovano nel sottosuolo, ma in rari casi è possibile anche un percorso fuori terra.

Una volta arrivato a destinazione, il calore deve essere distribuito nell’edificio in modo che ogni utente riceva la giusta quantità di calore. Inoltre, il calore trasferito viene misurato e la pressione e la portata dell’acqua di teleriscaldamento vengono regolate nella stazione di trasferimento del teleriscaldamento. Viene regolata anche la temperatura di ritorno dell’acqua di riscaldamento, che controlla indirettamente la potenza termica del sistema di riscaldamento. Deve anche essere possibile interrompere il flusso dell’acqua in caso di emergenza.

Stazione di trasferimento domestica preassemblata e pronta all'allacciamento per impianti di riscaldamento locali. — Stazione di trasferimento dell’abitazione pronta per l’allacciamento per sistemi di teleriscaldamento. Con uno scambiatore di calore a piastre saldate in rame, trasferisce il calore dalla rete di alimentazione al bollitore tampone della rete di teleriscaldamento. [2]

Le funzioni di una stazione di trasferimento del teleriscaldamento in sintesi:

Fornisce al circuito di consumo acqua calda pronta per l’uso.

Misura la quantità di calore assorbita dall’utenza grazie al contatore di calore integrato nel circuito primario.

Controlla la pressione differenziale sul lato primario.

Limita la portata dell’acqua di teleriscaldamento alla potenza contrattuale.

Separa idraulicamente la rete di teleriscaldamento e l’impianto domestico con il suo scambiatore di calore.

Limita la temperatura del ritorno secondario mediante un sensore di temperatura situato nel circuito secondario (circuito di consumo). In questo modo si riduce automaticamente la potenza di riscaldamento o si imposta una temperatura di mandata del cliente superiore alla temperatura di mandata in funzione della temperatura esterna.

Limita la temperatura di mandata nelle reti di acqua calda con l’ausilio di un termoregolatore di sicurezza.

Centralina di trasferimento del teleriscaldamento

Una centralina di trasferimento del teleriscaldamento regola il trasferimento di energia termica da un fornitore di calore ai consumatori finali nelle reti di teleriscaldamento. Dal punto di vista del gestore della rete, l’attenzione principale sul lato primario dello scambiatore di calore è rivolta alla registrazione precisa della quantità di calore e al controllo del flusso. In questo caso è importante il rispetto della temperatura massima di ritorno o della potenza contrattuale.

Per il cliente del riscaldamento sul lato secondario, l’attenzione si concentra sul controllo con compensazione delle condizioni atmosferiche di uno o più circuiti di riscaldamento misti, nonché sul controllo efficiente del riscaldamento dell’acqua calda sanitaria, che può essere realizzato in vari modi sulla base della portata, dell’accumulo o come sistema di caricamento dell’accumulo.

Schema di una rete di teleriscaldamento [3]

In sintesi, i requisiti possono essere suddivisi nei seguenti sette punti chiave:

1. Misurazione della quantità di calore

La misurazione precisa dell’energia termica e il conteggio della quantità di calore nelle stazioni di trasferimento vengono effettuati principalmente con contatori di calore esterni e calibrati. Questi misurano e analizzano continuamente le temperature primarie di mandata e di ritorno e la portata.

I dati ottenuti vengono memorizzati in una memoria dati sicura a lungo termine e possono essere letti in loco tramite un’interfaccia ottica. In alternativa, possono essere trasmessi tramite M-Bus, un sistema standardizzato per la lettura dei contatori di energia e di consumo, in combinazione con un gateway per la lettura a distanza. I sensori di flusso meccanici, come i sensori a vortice VFS e VVX o i sensori a turbina VTY, sono stati ampiamente utilizzati e collaudati fino ad oggi. Un’alternativa particolarmente durevole e resistente allo sporco è rappresentata da una nuova generazione di sensori di flusso a ultrasuoni che, con una temperatura del fluido di trasferimento del calore fino a 130 °C, sono particolarmente adatti per le applicazioni di teleriscaldamento.

2. Fatturazione e prezzi

I regolatori di trasferimento del teleriscaldamento di solito non dispongono dell’intera gamma di funzioni e analisi dei contatori di calore esterni, ma sono anche dotati di interfacce M-Bus o Modbus RTU per la comunicazione con i dispositivi. Sono quindi in grado di leggere e visualizzare i dati dei contatori di calore tramite M-Bus e di comunicare con un sistema di gestione degli edifici o con un gestore di reti di teleriscaldamento tramite un’interfaccia Ethernet aggiuntiva che utilizza, ad esempio, Modbus TCP.

3. Riduzione della temperatura di ritorno sul lato della rete di teleriscaldamento

Raffreddare il più possibile il mezzo di riscaldamento nei punti in cui è richiesto il calore, come i circuiti di riscaldamento o i sistemi di riscaldamento dell’acqua calda sanitaria, consente alle moderne fonti di calore di funzionare efficacemente. Questo vale anche per la distribuzione del calore. Più l’acqua viene raffreddata dai punti di richiesta di calore, meno acqua di circolazione è necessaria per trasferire una determinata potenza. Inoltre, una bassa differenza di temperatura riduce significativamente le perdite di distribuzione. L’efficienza delle reti di teleriscaldamento può quindi essere aumentata enormemente abbassando la temperatura di ritorno dell’acqua di riscaldamento.

Per le ragioni sopra descritte, i fornitori di teleriscaldamento stabiliscono nelle condizioni tecniche di allacciamento una temperatura di ritorno massima consentita che, se superata, può comportare costi aggiuntivi.

Edificio esistente costruito prima di luglio 2015

Edificio esistente costruito a partire da luglio 2015

Nuovi edifici costruiti a partire da aprile 2022

Consumatori

Temperatura di ritorno del sistema θRNmax lato primario

Temperatura esterna θa

Sistemi di teleriscaldamento a funzionamento diretto

50 °C

40 °C

non è più consentito

-10 °C

Sistemi di teleriscaldamento a funzionamento indiretto

50 °C

40 °C

30 °C

-10 °C

Sistemi di ventilazione e condizionamento

45 °C

35 °C

30 °C

-10 °C

Tabella: Condizioni tecniche di connessione per le reti di teleriscaldamento ad acqua calda e calda sull’esempio di Stadtwerke Kiel, Germania

Per evitare il superamento delle temperature di ritorno massime consentite nel circuito primario, il regolatore di trasferimento del teleriscaldamento strozza il flusso volumetrico in caso di superamento del valore limite impostato mediante una valvola di regolazione a 2 vie V1 con azionamento motorizzato (0 – 10 V) fino a quando non viene nuovamente mantenuta la temperatura di ritorno consentita.

L’unico problema è che a volte non è possibile rispettare i requisiti di igiene dell’acqua potabile e il funzionamento degli scaldacqua alle temperature di ritorno massime prescritte. Ad esempio, le specifiche tecnichea di un gestore di reti di teleriscaldamento recitano: “Deve essere possibile mantenere una temperatura ≥ 60 °C all’uscita dell’acqua calda del riscaldatore di acqua potabile quando viene utilizzato come previsto. Il sistema di circolazione deve essere progettato, costruito e gestito in modo tale che la temperatura dell’acqua nell’intero sistema non possa scendere al di sotto dei 55 °C, garantendo così una sicura eliminazione dei germi.”

Per soddisfare entrambi i requisiti, le temperature di ritorno massime richieste non vengono mantenute durante la fase di riscaldamento e riscaldo dell’impianto di acqua potabile a causa dei requisiti igienici. Le cosiddette moduli satellite vengono quindi utilizzate sempre più spesso, in particolare nei condomini alimentati dal teleriscaldamento. Queste garantiscono un volume di 3 litri nelle tubature di alimentazione dell’acqua calda dei singoli appartamenti e permettono quindi di evitare il ricircolo. Il miglioramento dell’igiene dell’acqua potabile e il raggiungimento di temperature di ritorno più basse sono le conseguenze desiderate.

4. Regolazione dell’alimentazione termica (limitazione della potenza)

In base alla quantità di calore misurata, la centralina di trasferimento del teleriscaldamento regola la fornitura di teleriscaldamento al sistema di riscaldamento dell’utente finale. Ciò avviene aprendo o chiudendo le valvole di regolazione a 2 vie per mantenere la temperatura ambiente desiderata.

5. Regolazione dei circuiti di riscaldamento e dell’acqua calda sanitaria

DHC (District Heat Controller) — Schema idraulico di base di un controllore per le stazioni di trasferimento del teleriscaldamento

I regolatori di trasferimento del teleriscaldamento hanno solitamente un numero definito di schemi idraulici predefiniti, con l’aiuto dei quali il cliente del teleriscaldamento può effettuare il miglior adattamento possibile al proprio impianto di riscaldamento e acqua calda. Questi si differenziano, ad esempio, per il tipo e il numero di circuiti di riscaldamento controllati dalle condizioni atmosferiche (misti e diretti) o per il principio di riscaldamento dell’acqua calda sanitaria (principio dello scaldacqua istantaneo, flusso di carico del bollitore tampone con pompa di circolazione del mezzo di riscaldamento a velocità controllata, due valvole lato primario, ecc.)

I produttori di stazioni di trasferimento per il teleriscaldamento devono trovare l’hardware del controllore adatto a questo scopo, che fornisca ingressi per sensori di temperatura e di flusso in base all’applicazione e disponga di sufficienti uscite a potenziale vincolato e analogiche 0-10V/PWM.

6. Funzioni di sicurezza

Un regolatore di trasferimento del teleriscaldamento può integrare funzioni di sicurezza per prevenire e/o segnalare problemi come il surriscaldamento. Se la temperatura o la pressione non rientrano nei parametri normali, il controllore può attivare allarmi o interrompere lo scambio di calore.

Oggi i dispositivi di sicurezza termomeccanici svolgono un ruolo importante nella tecnologia del teleriscaldamento, ma con la crescente integrazione di sensori elettronici e software intelligenti, ci sono segnali di una spinta all’innovazione per funzioni di sicurezza ancora più flessibili ed efficienti.

7. Integrazione nel sistema di gestione degli edifici (BMS)

I moderni regolatori di trasferimento del teleriscaldamento possono essere integrati in un sistema BMS per controllare e regolare in modo più efficiente il consumo energetico di un edificio o di un sistema. Le interfacce comuni sono le interfacce RS-485 isolate galvanicamente per la comunicazione Modbus RTU/device bus e le interfacce Ethernet per la comunicazione Modbus TCP/IP.

Alcune opzioni di controllori personalizzati per le stazioni di teleriscaldamento OEM per il lato primario e fino a due circuiti di riscaldamento misto a compensazione climatica e un modulo per l’ACS istantane sul lato cliente possono essere trovate qui

Informazioni sull’autore

Come ingegnere elettrico, Andreas Hölscher vanta molti anni di esperienza nello sviluppo di software e hardware e nella realizzazione di complessi sistemi di automazione. In SOREL è la persona di riferimento per i nostri clienti nel campo dell’automazione dei sistemi HVAC.