Impianti di riscaldamento con termosifoni: cosa bisogna sapere

Per quanto sia sempre più frequente l’utilizzo di altre soluzioni, gli impianti di riscaldamento con termosifoni rimangono i più pratici e semplici con costi di installazione limitati. Scopriamo come funzionano, lo schema impianto riscaldamento a termosifoni a collettori e monotubo, come fare il dimensionamento termosifoni in modo semplificato e regolare la temperatura dell’acqua nei termosifoni in alluminio, acciaio e ghisa.

Come funzionano gli impianti di riscaldamento con termosifoni

Un impianto di riscaldamento è costituito da tre componenti principali:

• generatore di calore
• distribuzione del calore
• terminale di trasferimento del calore

Il generatore di calore può essere ad esempio una caldaia a condensazione a gas oppure una pompa di calore.

Nelle soluzioni più diffuse il calore viene generato attraverso la produzione di acqua calda, per quanto si stia affermando anche l’utilizzo dell’aria per edifici con basso fabbisogno termico.

L’acqua riscaldata viene distribuita dal generatore di calore verso le stanze da riscaldare attraverso una serie di tubazioni.

Il sistema di distribuzione è quindi costituito da due tubazioni:

• tubo di mandata che alimenta mediante l’acqua calda il terminale come ad esempio il termosifone o un sistema radiante (pavimento, parete o soffitto)
• tubo di ritorno che riceve l’acqua raffreddata, dopo la cessione del calore nelle stanze, per ripetere nuovamente il processo di generazione e distribuzione del calore.

Guarda questo video.

Le tipologie di terminale ad acqua utilizzate per trasferire il calore nell’ambiente sono:

• termosifoni o radiatori
• ventilconvettori o fancoil
• sistema radiante (pavimento, parete o soffitto)

Negli impianti di riscaldamento a termosifoni, i radiatori scambiano calore con l’ambiente principalmente per convezione mentre nei sistemi radianti (pavimento, parete o soffitto) principalmente per irraggiamento.

Un impianto di riscaldamento a termosifoni è progettato per consentire all’aria di circolare intorno ai radiatori in modo semplice:

• l’aria si riscalda e sale verso il soffitto
• raffreddandosi, scende sul pavimento creando un circolo che assicura il comfort

Schema impianto riscaldamento a termosifoni

Lo schema di un impianto di riscaldamento a termosifoni prevede due possibili topologie di distribuzione del calore dal generatore ai terminali:

• schema impianto riscaldamento a termosifoni a collettori o a ragno
• schema impianto riscaldamento a termosifoni monotubo o ad anello

Schema impianto riscaldamento a termosifoni a collettori

Nello schema impianto riscaldamento a termosifoni a collettori l’acqua calda fluisce direttamente dal generatore al radiatore tramite un collettore:

Il vantaggio dello schema impianto riscaldamento a termosifoni con collettore, leggermente più complesso, è che tutti i radiatori ricevono il calore in modo uniforme.

Guarda il video: https://www.youtube.com/watch?v=54vVPpCtr3Y

Schema impianto riscaldamento a termosifoni monotubo o ad anello

Nello schema di impianto riscaldamento a termosifoni monotubo o ad anello invece, un unico tubo parte dal generatore e passa attraverso ciascun radiatore in modo sequenziale.

Per quanto leggermente più semplice, nello schema impianto riscaldamento a termosifoni monotubo o ad anello c’è l’evidente svantaggio di temperature diverse tra i radiatori: quelli in fondo all’anello devono essere relativamente più grandi rispetto ai termosifoni più vicini al generatore di calore.

Impianti di riscaldamento a termosifoni: tipologie di radiatori

I radiatori utilizzati negli impianti di riscaldamento con termosifoni si differenziano in base al materiale con cui sono costruiti:

• termosifoni in allumino: si scaldano e raffreddano velocemente grazie alla bassa inerzia termica
• termosifoni in acciaio: anch’essi caratterizzata da bassa inerzia termica, possono avere una durata limitata a causa di fenomeni di corrosione
• radiatori in ghisa: con elevata inerzia termica si riscaldano e raffreddano lentamente; hanno una durata quasi eterna

Per quanto siano comunque terminali con funzionamento ad alta temperatura dell’acqua, abbiamo una differenziazione importante nel comportamento degli impianti di riscaldamento a termosifoni in ghisa, acciaio ed alluminio:

• i radiatori in ghisa funzionano con temperatura dell’acqua più alta di circa 70÷75 °C
• i termosifoni in acciaio o in alluminio operano ad una temperatura dell’acqua inferiore di circa 65 °C

Questo è un primo fattore importate da prendere in considerazione quando dovessimo valutare l’utilizzo di una pompa di calore in impianti di riscaldamento con termosifoni: la presenza di radiatori in ghisa richiederebbe temperature così elevate che ne sconsiglierebbero l’utilizzo.

In caso di ristrutturazione di abitazioni con impianti di riscaldamento a termosifoni con l’applicazione di cappotto termico, potrebbe comunque essere perseguibile l’accoppiata pompa di calore con radiatori in ghisa:

• la riduzione del fabbisogno termico dell’involucro consentirebbe agli impianti di riscaldamento con termosifoni di funzionare a temperature di mandata inferiori
• le temperature di funzionamento ridotte consentirebbe alla pompa di calore di funzionare comunque con un rendimento accettabile

Tralasciando quelli in ghisa, proviamo a mettere a confronto le caratteristiche termiche di termosifoni in alluminio e radiatori in acciaio con diversa temperatura dell’acqua.

Seguendo la normativa, la potenza termica resa dal singolo elemento di un termosifone viene calcolata in base al salto termico tra la temperatura media dell’acqua nel radiatore e la temperatura ambiente (convenzionalmente 20 °C).

Poiché un radiatore è progettato per funzionare con un salto termico tra temperatura di mandata e temperatura di ritorno compreso tra 5 °C e 10 °C possiamo ricavare anche le corrispondente gamma di temperatura di mandata del termosifone.

Mettiamo tutto in una tabella di agevole lettura con i due salti di riferimento previsti dalla normativa (ΔT=30 e ΔT=50):

	Alluminio o acciaio	Ghisa
ΔT	30 °C	50 °C
Tmedia	50 °C	70 °C
Tmandata	53÷55 °C	73÷75 °C
Tritorno	45÷47 °C	65÷67 °C

Ho preso quindi in considerazione un radiatore in alluminio Fondital Exclusivo, prodotta da una delle aziende leader nel settore in Italia.

Nelle sue caratteristiche tecniche troviamo la disponibilità di altezze diverse e corrispondente potenza termica resa da un singolo elemento (con sezione di 8×10 cm):

Come potete vedere la potenza termica resa dai termosifoni in alluminio varia notevolmente in funzione della temperatura di mandata dell’acqua di funzionamento: è analogo per quelli in acciaio e ghisa.

Prendiamo come secondo esempio un termosifone in acciaio Ercos Comby, che ha i dati di potenza termica resa dal singolo elemento in base al numero di tubi che lo costituiscono ed alla sua altezza oltre ovviamente alla temperatura dell’acqua.

Purtroppo gli ingombri del singolo elemento di questo radiatore sono differenti dal termosifone precedente: scelgo la versione con 3 colonne (sezione di 5×11 cm) con altezze simili:

Chiudo il confronto pratico prendendo l’esempio del termosifone in ghisa Tema, scegliendo degli elementi con ingombro simile ai precedenti (profondità 9,4 cm):

Come si vede la potenza termica resa dai termosifoni in alluminio, a parità di dimensioni e temperatura di mandata dell’acqua, è quella maggiore rispetto a ghisa ed acciaio.

Detto in altre parole negli impianti di riscaldamento a termosifoni in alluminio è possibile erogare la medesima potenza termica con:

• un minor numero di elementi, ovvero ingombro inferiore, a parità di temperatura di mandata
• minore temperatura di mandata a parità di numero di elementi / ingombri

Utilizzando dei termosifoni in alluminio sovradimensionati è possibile scendere parecchio con la temperatura acqua di funzionamento migliorando quindi il rendimento di generatori come caldaia a condensazione o pompa di calore.

Come già detto in precedenza il miglioramento dell’isolamento dell’involucro in caso di ristrutturazione porta automaticamente ad avere termosifoni sovradimensionati – che siano in acciaio, alluminio o ghisa – e quindi a permettere di lavorare con temperatura di mandata dell’acqua inferiore rispetto a quella di prima dell’intervento di efficientamento energetico.

Dimensionamento impianti di riscaldamento con termosifoni

Premesso che si tratta di un lavoro di progettazione da svolgere da parte di un tecnico specializzato, possiamo comunque fare qualche ragionamento di massima sul corretto dimensionamento dei radiatori necessari negli impianti di riscaldamento a termosifoni.

Il dimensionamento termosifoni, come per qualsiasi altro terminale di trasferimento del calore, richiede di determinare il fabbisogno di calore di ciascun ambiente dell’abitazione.

A sua volta il fabbisogno di calore di una stanza dipende dal fabbisogno termico dell’abitazione nella sua totalità.

Per questo, nel caso non lo abbiate ancora fatto, vi consiglio la lettura della mia guida al dimensionamento pompa di calore.

I parametri fondamentali che determinano il fabbisogno termico per riscaldamento di un’abitazione sono:

• caratteristiche climatiche del luogo, che sono rappresentati da zona climatica e temperatura esterna di progetto
• caratteristiche termiche involucro: tanto miglior è l’isolamento di pareti ed infissi tanto minore sarà la quantità di calore necessaria per il riscaldamento

Ritornando al dimensionamento termosifoni, occorre tenere conto delle caratteristiche specifiche del singolo ambiente dell’abitazione:

• volume da riscaldare rispetto a quello totale
• temperatura ambiente (in bagno gradiamo temperature maggiori)
• esposizione a sud e presenza di vetrate (la radiazione solare potrebbe portare a fenomeni di surriscaldamento)

Molto importante è anche la collocazione dei termosifoni: vengono normalmente installati in una nicchia nella parete o sotto una mensola in modo che la turbolenza dell’aria amplifichi lo scambio termico.

Siamo pronti per vedere un semplicissimo metodo per il dimensionamento termosifoni, ovvero il calcolo della potenza termica necessaria e conseguentemente il numero di elementi di radiatore necessari.

Determinata la potenza termica del generatore di calore (leggi anche pompa di calore per appartamento 100 mq calcolo potenza kW) ed assumendo un’altezza media dei soffitti identica per tutte le stanze, il dimensionamento termosifoni di ciascun ambiente non è altro che una semplice proporzione rispetto alla superficie. Vediamolo con un esempio pratico.

Consideriamo un appartamento esistente con le seguenti caratteristiche:

• superficie totale 100 m²
• bolletta gas annua 1.200 m³
• zona climatica E (2.326 gradi giorno e temperatura di progetto -5 °C)
• ore giornaliere di riscaldamento 14

In queste condizioni è necessaria una potenza termica di circa 6,3 kW per il generatore di calore da erogarsi alla temperatura esterna di progetto per le ore giornaliere di riscaldamento per mantenere la temperatura ambiente costante.

Consideriamo ora le seguenti stanze per le quali effettuiamo il dimensionamento termosifoni di ciascuna stanza tramite il calcolo della potenza per ambiente in proporzione alla sua superficie rispetto a quella totale dell’abitazione:

Stanza	Superficie	Calcolo Potenza Termosifoni	Dimensionamento termosifoni
Camera matrimoniale	20 m2	6.300 x 20 / 100 Watt	1.260 Watt
Cameretta A	15 m2	6.300 x 15 / 100 Watt	945 Watt
Cameretta B	15 m2	6.300 x 15 / 100 Watt	945 Watt
Bagno	12 m2	6.300 x 12 / 100 Watt	756 Watt
Soggiorno e cucina	28 m2	6.300 x 28 / 100 Watt	1.764 Watt
Corridoio e disimpegno	10 m2	6.300 x 10 / 100 Watt	630 Watt

A questo punto possiamo determinare il numero di elementi di ciascun termosifone, conoscendo la potenza termica resa dal modello prescelto.

Entrano quindi in campo due ulteriori variabili per completare il dimensionamento termosifoni:

• temperatura di mandata ottimale per il radiatore ed il generatore di calore
• spazi disponibili ed ingombri

Una caldaia a condensazione lavora in modo ottimale con una temperatura di mandata di 50÷55 °C; anche una pompa di calore ad alta temperatura può operare senza problemi con la medesima temperatura, per quanto con rendimento non ottimale.

Consideriamo quindi una temperatura di mandata nei termosifoni di 50÷55 °C e quindi ΔT=30.

Scegliamo dei termosifoni da circa 90 cm di altezza non avendo particolari problemi di ingombri; il risultato finale per il dimensionamento termosifoni è il seguente:

Stanza	Dimensionamento termosifoni	# Elementi Fondital Exclusvio	# Elementi Ercos Comby
Camera matrimoniale	1.260 Watt	15 (120 cm)	27 (122 cm)
Cameretta A	945 Watt	11 (88 cm)	21 (95 cm)
Cameretta B	945 Watt	11 (88 cm)	21 (95 cm)
Bagno	756 Watt	9 (72 cm)	16 (72 cm)
Soggiorno e cucina	1.764 Watt	20 (2 x 80 cm)	38 (2 x 86 cm)
Corridoio e disimpegno	630 Watt	7 (56 cm)	14 (63 cm)

Giocando su numero di tubi per elemento, altezza e numero di elementi possiamo aggiustare gli ingombri in modo ottimale a parità di dimensionamento termosifoni.

Possiamo nuovamente interpretare la tabella precedenza in chiave utilizzo con pompa di calore: sovradimensionando i termosifoni – alluminio, ghisa o acciaio – è possibile scendere parecchio con la temperatura di mandata dell’acqua migliorando quindi il rendimento complessivo.

Come regolare la temperatura ambiente negli impianti di riscaldamento con termosifoni

Anche con i termosifoni, come per tutti gli impianti di riscaldamento, c’è la necessità di poter regolare la temperatura in modo da avere un comfort ottimale in tutte le stagioni e ridurre i consumi complessivi.

Gli strumenti che abbiamo a disposizione per regolare la temperatura ambiente negli impianti di riscaldamento con termosifoni, complementari tra di loro, sono i seguenti:

• termostato possibilmente intelligente
• regolazione della temperatura di mandata mediante curva climatica
• valvole termostatiche per ciascun termosifone, magari intelligente

Impianti di riscaldamento a termosifoni e termostato

La soluzione più semplice e consolidata per per ottenere la temperatura ambiente desiderata regolando il funzionamento degli impianti di riscaldamento a termosifoni è un termostato.

Un termostato non fa altro che accendere e spegnere la caldaia o la pompa di calore in funzione del valore di temperatura impostato, magari programmato in maniera differenziata tra giorno e notte oppure tra giorni lavorativi e fine settimana.

Con questo tipo di regolazione la potenza termica prodotta dal generatore e la temperatura di mandata verso i termosifoni sono costanti, ciò che varia sono gli intervalli di accensione del riscaldamento.

Questo significa che nel corso della stagione invernale la quantità di calore negli impianti a termosifoni viene regolata automaticamente solo mediante l’accensione e spegnimento del riscaldamento da parte del termostato per garantire la temperatura ambiente impostata.

I limiti di un termostato tradizionale nel raggiungere comfort e risparmio massimi negli impianti di riscaldamento a termosifoni sono i seguenti:

• impossibilità di gestire da remoto variazioni non pianificate, in particolare ritardi o anticipi nel ritorno a casa
• assenza di gestione automatica delle variazioni climatiche esterne repentine come una brusca discesa di temperatura che richiederebbe un anticipo dell’avvio del riscaldamento
• mancanza di rilevazione delle finestre aperte per ridurre o spegnere automaticamente il riscaldamento
• rilevazione irraggiamento solare per ridurre o spegnere automaticamente il riscaldamento

Questi limiti vengono superati dai cosiddetti termostati intelligenti – BTicino Smarther 2, Netatmo, tado o Nest per citare qualcuno dei marchi più popolari – che grazie alla connessione permanente ad internet ed all’uso di una applicazione su smartphone consentono di gestire il nostro impianto di riscaldamento a termosifoni in modo intelligente ovunque ci troviamo in qualunque momento ed addirittura di comandarlo con la voce tramite Alexa e Google Home.

Curva climatica ed impianto di riscaldamento a termosifoni

I generatori di calore più recenti ed efficiente come caldaie a condensazione e pompe di calore ad inverter hanno la possibilità di poter modulare, entro certi limiti, il livello di potenza termica emessa al fine di mantenere l’efficienza più elevata possibile nel loro funzionamento.

E’ possibile sfruttare questa caratteristica regolando automaticamente la potenza termica prodotta a quanto effettivamente necessario in funzione della temperatura esterna che varia molto nel corso della stagione invernale: questa gestione automatica agisce sulla temperatura di mandata dell’acqua calda.

In pratica accade questo negli impianti di riscaldamento a termosifoni con regolazione mediante curva climatica:

• con temperature esterne più rigide la temperatura di mandata si innalza aumentando la potenza termica
• quando il clima è più mite la temperatura di mandata si abbassa riducendo la potenza termica immessa

Per comprendere meglio il vantaggio della regolazione mediante curva climatica, osservate ad esempio come il rendimento di una caldaia a condensazione è tanto maggiore quanto minore è la temperatura di ritorno:

Per una pompa di calore è ancora più importante operare alla minore temperatura di mandata possibile per avere il rendimento massimo che dipende fortemente dalla differenza con la temperatura esterna dell’aria (dove viene prelevato il calore):

Nell’esempio precedente, con una temperatura esterna di 5°C, a parità di potenza termica prodotta dalla pompa di calore riducendo la temperatura di mandata dell’acqua calda negli impianti a termosifoni da 55 °C a 45 °C si ottiene un risparmio immediato sulla bolletta elettrica di quasi il 20 %.

Quindi grazie alla regolazione mediante curva climatica potremo avere sempre la temperatura dell’acqua nei termosifoni minima necessaria per le condizioni climatiche correnti ed ottenere il rendimento massimo sia per una caldaia a condensazione che una pompa di calore.

La curva climatica, funzionalità normalmente disponibile nelle caldaie a modulazione e pompe di calore ad alta temperatura per termosifoni, può anche operare congiuntamente al termostato negli impianti di riscaldamento a termosifoni.

Impianti di riscaldamento a termosifoni e valvole termostatiche

Ci potrebbero essere dei casi di impianti di riscaldamento a termosifoni in cui termostato e/o curva climatica non siano applicabili o sufficienti per regolare la temperatura ambiente:

• riscaldamento centralizzato, in cui non abbiamo la possibilità di comandare accensione e spegnimento del generatore di calore
• comfort non omogeneo nelle varie stanze a causa del diverso calore fornito dal singolo termosifone

In questi casi è possibile utilizzare le valvole termostatiche per termosifoni, il cui scopo è proprio di regolare la temperatura dell’ambiente grazie al controllo del flusso di acqua calda che entra nel singolo radiatore.

Poiché una valvola termostatica agisce a livello del singolo radiatore, potrete così anche controllare la temperatura a livello di singola stanza della casa, adattando il comfort all’utilizzo del singolo ambiente negli impianti di riscaldamento a termosifoni quando non fosse stato previsto:

• riscaldamento centralizzato creando delle zone di riscaldamento differenti
• suddivisione in zone mediante collettori e valvole non soddisfacente

Anche la legislazione, tenendo conto degli innegabili vantaggi, obbliga all’installazione delle valvole termostatiche in impianti di riscaldamento a termosifoni centralizzati.

Una valvola termostatica è costituita da due componenti principali:

• testina termostatica
• corpo valvola

Quando la temperatura dell’ambiente varia, il sensore di temperatura presente all’interno della testina termostatica si espande (o contrae) spingendo automaticamente l’otturatore presente nel corpo valvola e provocando l’apertura o la chiusura della valvola termostatica stessa.

Per regolare la temperatura ambiente in impianti di riscaldamento a termosifoni ad un valore sostanzialmente costante, basterà impostare la temperatura desiderata sulla testina termostatica: le valvole termostatiche regoleranno il flusso di acqua calda aprendosi e chiudendosi per raggiungere e mantenere il calore necessario, garantendo il comfort ed evitando sprechi di calore.

Per impostare la temperatura desiderata tramite le valvole termostatiche esistono diversi metodi:

• manualmente sulla singola testina termostatica
• mediante una centralina di controllo con collegamento wireless
• in modo intelligente con una soluzione domotica basata su valvole termostatiche smart WiFi o Zigbee

Le valvole termostatiche possono funzionare congiuntamente ad un termostato: scopri come funzionano le valvole termostatiche BTicino Netatmo.