Vasca di espansione vs. vaso di accumulo vs. serbatoio di accumulo termico: Parte 1 – Comprensione delle vasche di espansione nei sistemi a pompa di calore

Introduzione: Tre componenti comuni, tre scopi diversi

Quando si progetta un sistema aria-acqua con pompa di calore, ingegneri e installatori incontrano frequentemente tre componenti:

• Vasi di espansione

• Vasi di accumulo

• Serbatoi di accumulo termico

Sebbene questi componenti siano comunemente utilizzati nei sistemi idronici di riscaldamento e raffreddamento, le loro funzioni sono spesso fraintese.

Alcuni installatori credono che tutti e tre siano necessari per ogni installazione di pompa di calore. Altri presumono che un vaso di accumulo possa sostituire una vasca di espansione o che un serbatoio d'acqua più grande migliori automaticamente l'efficienza del sistema.

Nessuna delle due supposizioni è necessariamente corretta.

La differenza fondamentale è semplice: una vasca di espansione gestisce la pressione, un vaso di accumulo gestisce la stabilità idraulica e termica, e un serbatoio di accumulo termico immagazzina energia per un uso futuro.

Comprendere queste differenze è essenziale per una corretta progettazione del sistema, la protezione delle apparecchiature e l'efficienza operativa a lungo termine.

In questo primo articolo della nostra serie tecnica, ci concentreremo sulla vasca di espansione, spiegando il suo principio di funzionamento, le applicazioni, le considerazioni dimensionali, i requisiti di installazione e gli errori ingegneristici comuni.

1. Cos'è una vasca di espansione in un sistema a pompa di calore?

Una vasca di espansione, nota anche come vaso di espansione, è un componente di controllo della pressione utilizzato nei sistemi idronici a circuito chiuso.

La sua funzione principale è quella di accogliere le variazioni di volume dell'acqua causate dalle fluttuazioni di temperatura.

L'acqua si espande quando viene riscaldata e si contrae quando viene raffreddata.

In un sistema di tubazioni completamente chiuso, anche un aumento relativamente piccolo del volume dell'acqua può causare un aumento significativo della pressione.

Senza un'adeguata capacità di espansione, una pressione eccessiva può portare a:

• Attivazione frequente delle valvole di sicurezza

• Perdite d'acqua da raccordi e connessioni

• Pressione di sistema instabile

• Aumento dello stress su pompe, valvole e scambiatori di calore

• Deterioramento prematuro dei componenti del sistema

Una vasca di espansione dimensionata correttamente aiuta a mantenere la pressione all'interno dell'intervallo operativo consentito del sistema.

Importante: Una vasca di espansione non genera calore, non aumenta la capacità di riscaldamento e non fornisce un accumulo di energia termica significativo. Il suo scopo principale è la stabilizzazione della pressione.

2. Come funziona una vasca di espansione a membrana?

I moderni sistemi idronici a pompa di calore utilizzano comunemente vasi di espansione di tipo a membrana o a vescica.

Questi vasi contengono tipicamente:

1. Un recipiente a pressione in acciaio sigillato

2. Una membrana o vescica flessibile

3. Una camera di gas compresso, comunemente caricata con azoto o aria

4. Una connessione dell'acqua al circuito di riscaldamento

5. Una valvola di carico del gas per la regolazione della pressione

La membrana separa l'acqua del sistema dal gas compresso.

Fase 1: Sistema a temperatura più bassa

Quando il sistema di riscaldamento è freddo, l'acqua occupa un volume minore.

Il vaso di espansione contiene un volume di gas relativamente grande, a seconda della pressione di riempimento del sistema e della pressione di precarica del vaso.

Il gas compresso agisce come un cuscino elastico.

Fase 2: La temperatura dell'acqua aumenta

Quando la pompa di calore inizia a riscaldare, l'acqua si espande.

Poiché il sistema di tubazioni è chiuso, il volume d'acqua aggiuntivo deve essere alloggiato da qualche parte.

L'acqua in espansione entra nel vaso di espansione e comprime la camera del gas.

Man mano che il volume del gas diminuisce, la sua pressione aumenta.

Ciò consente al sistema di accogliere l'espansione termica senza un aumento eccessivo della pressione.

Fase 3: La temperatura dell'acqua diminuisce

Quando il sistema di riscaldamento si raffredda, l'acqua si contrae.

Il gas compresso si espande e spinge l'acqua dal vaso di espansione indietro nel circuito idronico.

Ciò aiuta a mantenere la pressione del sistema al variare della temperatura dell'acqua.

Il processo si ripete durante i normali cicli di riscaldamento e raffreddamento.

Una semplice analogia

Pensa alla vasca di espansione come a un cuscino di pressione.

Quando l'acqua si espande, il cuscino si comprime.

Quando l'acqua si contrae, il cuscino si espande.

Il vaso di espansione assorbe quindi le variazioni di volume dell'acqua anziché consentire a tali variazioni di creare fluttuazioni di pressione eccessive.

3. Perché i sistemi a pompa di calore necessitano di vasi di espansione?

Una pompa di calore aria-acqua trasferisce energia termica attraverso l'acqua circolante.

Durante il funzionamento, la temperatura dell'acqua può variare notevolmente a seconda dell'applicazione.

Ad esempio:

• Il riscaldamento a pavimento può funzionare con temperature dell'acqua di mandata intorno ai 30–40°C.

• I radiatori a bassa temperatura possono richiedere circa 40–55°C.

• Alcune applicazioni di riscaldamento ad alta temperatura operano a temperature più elevate, in base alle specifiche dell'apparecchiatura.

• I sistemi reversibili di riscaldamento e raffreddamento possono sperimentare un intervallo di temperatura più ampio durante l'anno.

Al variare della temperatura dell'acqua, cambia anche il suo volume.

Esempio: Espansione termica dell'acqua

Considera un sistema di riscaldamento chiuso contenente 500 litri d'acqua.

Se la temperatura dell'acqua aumenta da circa 10°C a 80°C, il suo volume aumenta di circa il 2,9%, corrispondente a circa 14,5 litri.

Questo volume aggiuntivo deve essere alloggiato dal sistema di espansione.

L'esempio illustra perché l'espansione termica non può essere ignorata, anche quando la variazione di volume appare relativamente piccola.

Il volume di espansione effettivo dipende dall'intervallo di temperatura, dalla composizione del fluido e dalle condizioni del sistema.

Perché anche i piccoli sistemi necessitano di protezione

Una comune errata convinzione è che i vasi di espansione siano necessari solo per le grandi installazioni commerciali.

In realtà, anche i piccoli sistemi residenziali possono subire pressioni eccessive se il volume di espansione è insufficiente.

Minore è la capacità di espansione disponibile del sistema, più sensibile può essere la sua pressione alle variazioni di temperatura dell'acqua.

Alcune pompe di calore includono un vaso di espansione installato in fabbrica. Tuttavia, la sua capacità deve comunque essere verificata rispetto al volume totale d'acqua del sistema e alle condizioni operative.

Potrebbe essere necessario un vaso esterno aggiuntivo.

4. Vasca di espansione vs. vaso di accumulo vs. serbatoio di accumulo termico

Sebbene questi tre componenti possano apparire insieme in un'installazione di pompa di calore, risolvono problemi ingegneristici diversi.

Vasca di espansione: Gestione della pressione

La vasca di espansione risponde alle variazioni di volume dell'acqua causate dalle fluttuazioni di temperatura.

Protegge il sistema da eccessive variazioni di pressione.

Vaso di accumulo: Stabilità operativa

Un vaso di accumulo aggiunge volume d'acqua al circuito idronico.

A seconda del suo design e delle sue connessioni, può aiutare a:

• Ridurre il ciclo eccessivo del compressore

• Aumentare la massa termica disponibile

• Stabilizzare le temperature operative

• Supportare i requisiti energetici di sbrinamento

• Fornire separazione idraulica tra circuiti primari e secondari

Tuttavia, l'aggiunta di un vaso di accumulo non è automaticamente vantaggiosa.

Una disposizione a quattro tubi del vaso di accumulo progettata in modo errato può introdurre miscelazione indesiderata, ridurre le temperature di mandata utili e aumentare il consumo energetico.

Serbatoio di accumulo termico: Gestione dell'energia

Un serbatoio di accumulo termico è progettato per conservare energia termica o di raffreddamento utilizzabile.

Ad esempio, un sistema può produrre calore durante i periodi di prezzi dell'elettricità più bassi e utilizzare quell'energia immagazzinata in seguito.

L'accumulo termico può anche supportare sistemi che integrano energia solare termica, più fonti di calore o tariffe elettriche variabili.

In pratica, la terminologia si sovrappone.

Un vaso di accumulo sufficientemente grande può fornire un certo accumulo termico, e un serbatoio di accumulo termico può contribuire al buffering del sistema.

La distinzione dipende dalla funzione prevista, dall'intervallo di temperatura utilizzabile, dalla disposizione idraulica e dalla strategia di controllo.

Il principio ingegneristico chiave è selezionare ciascun componente in base al problema che deve risolvere, piuttosto che installare semplicemente ogni accessorio disponibile.

5. Come dimensionare una vasca di espansione per un sistema a pompa di calore

Il dimensionamento del vaso di espansione è una delle considerazioni di progettazione più importanti.

Un vaso sottodimensionato può causare aumenti di pressione eccessivi durante il riscaldamento.

Un vaso sovradimensionato fornisce generalmente una capacità di espansione aggiuntiva, ma aumenta i costi delle apparecchiature e i requisiti di spazio di installazione.

Il dimensionamento corretto richiede diversi parametri.

5.1 Volume totale d'acqua del sistema

Il calcolo deve considerare l'intero circuito chiuso collegato, tra cui:

• Scambiatore di calore della pompa di calore

• Tubazioni di distribuzione

• Circuiti di riscaldamento a pavimento

• Radiatori o ventilconvettori

• Vasi di accumulo

• Altri componenti contenenti acqua

Maggiore è il volume totale del sistema, maggiore è l'espansione termica assoluta.

5.2 Temperature minime e massime dell'acqua

L'espansione termica dipende dall'intervallo di temperatura previsto.

Per un sistema di solo riscaldamento, gli ingegneri considerano tipicamente la condizione di riempimento a freddo e la temperatura massima di progetto dell'acqua.

Per i sistemi reversibili di riscaldamento e raffreddamento, deve essere valutata anche la temperatura operativa più bassa.

Dove vengono utilizzate soluzioni antigelo, le loro caratteristiche di espansione termica devono essere incluse.

5.3 Pressione di riempimento del sistema

La pressione di riempimento a freddo deve essere sufficiente a mantenere una pressione positiva nel punto più alto del sistema.

Devono essere considerati l'altezza statica, la pressione operativa minima e i requisiti delle apparecchiature.

5.4 Pressione massima ammissibile

Il vaso di espansione deve impedire che la pressione del sistema superi il limite di progetto applicabile.

Ciò include la considerazione di:

• Impostazione della valvola di sicurezza

• Pressione massima ammissibile dei componenti del sistema

• Aumento della pressione durante il funzionamento

• Margini di sicurezza appropriati

5.5 Pressione di precarica del vaso di espansione

La pressione di precarica del gas deve essere adattata alla pressione statica del sistema e alle condizioni di riempimento.

Una precarica errata può ridurre significativamente il volume di accettazione utilizzabile del vaso.

Calcolo ingegneristico semplificato

Il volume di espansione termica può essere stimato utilizzando:

Ve = Vs × e

Dove:

• Ve= volume di espansione termica (litri)

• Vs= volume totale del fluido del sistema (litri)

• e= frazione di espansione volumetrica sull'intervallo di temperatura di progetto

Ad esempio, se un sistema da 500 litri ha una frazione di espansione del 2,9%:

Ve = 500 × 0,029 = 14,5 litri

Tuttavia, ciò non significa che un vaso di espansione da 14,5 litri sia sufficiente.

Solo una parte del volume nominale del vaso è disponibile per accettare l'acqua espansa.

Il volume di accettazione utilizzabile dipende dalla pressione di precarica, dalla pressione di riempimento e dalla pressione operativa massima.

Per un'approssimazione del gas ideale, utilizzando pressioni assolute e assumendo che la pressione di riempimento a freddo sia almeno uguale alla pressione di precarica:

Vv ≥ Ve / [P0/Pf − P0/Pmax]

Dove:

• Vv= volume nominale richiesto del vaso

• P0= pressione di precarica del gas del vaso, assoluta

• Pf= pressione di riempimento a freddo, assoluta

• Pmax= pressione operativa massima consentita, assoluta

Questa espressione semplificata esclude il volume di riserva e altre tolleranze di progettazione.

La selezione effettiva del vaso deve seguire le specifiche del produttore, gli standard applicabili e le condizioni operative complete del sistema.

6. Dove dovrebbe essere installata la vasca di espansione?

La posizione della vasca di espansione influisce sulla stabilità idraulica e sulla distribuzione della pressione.

Per molti sistemi idronici a circuito chiuso, la disposizione preferita è collegare il vaso di espansione vicino al lato di aspirazione della pompa di circolazione, nel punto di nessuna variazione di pressione.

Questo è il punto in cui il vaso di espansione stabilisce la pressione di riferimento per il circuito.

Perché la posizione della pompa è importante

Una pompa di circolazione crea una differenza di pressione tra l'ingresso e l'uscita.

Quando il vaso di espansione è collegato vicino all'aspirazione della pompa, la pompa può aumentare la pressione attraverso il circuito di distribuzione mantenendo una pressione di riferimento stabile.

Questa disposizione può aiutare a ridurre il rischio di:

• Pressione insufficiente nei punti alti

• Aria che entra attraverso connessioni vulnerabili

• Cavità della pompa

• Distribuzione instabile della pressione

Tuttavia, la disposizione effettiva dipende dal progetto idraulico.

I sistemi con vasi di accumulo, separatori idraulici, pompe multiple o più circuiti di riscaldamento richiedono un'analisi aggiuntiva.

Raccomandazioni per l'installazione

• Collegare il vaso di espansione al circuito idraulico chiuso appropriato.

• Evitare di posizionare una valvola di intercettazione normalmente chiusa tra il vaso e il sistema protetto.

• Fornire un'adeguata connessione di servizio dove consentito dalle normative locali.

• Assicurarsi che il vaso sia accessibile per l'ispezione e la manutenzione.

• Verificare la pressione di precarica prima della messa in servizio.

• Confermare la compatibilità con il fluido operativo e l'intervallo di temperatura.

Il vaso di espansione non deve mai essere isolato dal sistema operativo involontariamente.

7. Errori comuni nell'installazione della vasca di espansione

Errore 1: Presumere che il vaso di espansione integrato sia sempre sufficiente

Alcune pompe di calore aria-acqua includono una vasca di espansione integrata.

Tuttavia, la sua capacità potrebbe essere adatta solo per sistemi con un volume d'acqua limitato.

Quando vengono installati radiatori aggiuntivi, lunghi tratti di tubazione o grandi vasi di accumulo, il volume totale d'acqua aumenta.

Il vaso originale potrebbe non fornire più una capacità di espansione adeguata.

Raccomandazione: Calcolare il volume totale del sistema prima di decidere se è necessario un vaso di espansione aggiuntivo.

Errore 2: Pressione di precarica errata

Una precarica del gas regolata in modo errato riduce l'intervallo operativo effettivo del vaso di espansione.

Se la precarica è troppo alta rispetto alla pressione di riempimento a freddo, il vaso potrebbe inizialmente accettare poca o nessuna acqua.

Se la precarica è troppo bassa, il vaso potrebbe contenere acqua eccessiva a freddo, lasciando una capacità insufficiente per un'ulteriore espansione.

Raccomandazione: Verificare la precarica con il lato acqua depressurizzato, seguendo le istruzioni del produttore.

Errore 3: Installazione del vaso in un circuito isolato

Se una valvola si chiude tra il vaso di espansione e il sistema che protegge, l'espansione termica può creare una pressione eccessiva.

Ciò è particolarmente importante nei sistemi contenenti più zone o circuiti idraulicamente separati.

Raccomandazione: Assicurarsi che ogni circuito chiuso abbia un'adeguata protezione di espansione in tutte le condizioni operative.

Errore 4: Confondere le vasche di espansione con i vasi di accumulo

Un vaso di accumulo non può sostituire automaticamente una vasca di espansione.

Un vaso di accumulo convenzionale è normalmente riempito d'acqua e non fornisce il volume di gas comprimibile controllato richiesto per la compensazione dell'espansione.

Raccomandazione: Trattare la gestione della pressione e il buffering termico come requisiti di progettazione separati.

Errore 5: Ignorare le proprietà dell'antigelo

I sistemi a pompa di calore nei climi freddi possono contenere soluzioni antigelo a base di glicole.

Questi fluidi hanno caratteristiche di espansione diverse dall'acqua pura.

Raccomandazione: Utilizzare la concentrazione effettiva del fluido e i dati sulle proprietà del produttore quando si dimensiona il vaso di espansione.

8. Come identificare i problemi della vasca di espansione

Diversi sintomi operativi possono indicare un problema al vaso di espansione.

Sintomo 1: La pressione aumenta rapidamente durante il riscaldamento

Se la pressione aumenta bruscamente al riscaldarsi dell'acqua, la vasca di espansione potrebbe essere sottodimensionata, caricata in modo errato, isolata o difettosa.

Sintomo 2: Scarico frequente della valvola di sicurezza

Lo scarico ripetuto della valvola di sicurezza può indicare una capacità di espansione insufficiente.

Devono essere investigate anche altre cause, come una pressione di riempimento errata o una valvola difettosa.

Sintomo 3: La pressione del sistema scende dopo il raffreddamento

Se la pressione scende eccessivamente quando il sistema si raffredda, la vasca di espansione potrebbe non funzionare correttamente.

Una perdita persistente di pressione può anche indicare perdite altrove nel circuito.

Sintomo 4: L'acqua appare alla valvola di carico del gas

In un vaso di tipo a membrana, l'acqua scaricata dalla valvola di carico del gas può indicare un guasto della membrana.

Il vaso deve essere ispezionato e sostituito se necessario.

Sintomo 5: Necessità frequente di rabboccare il sistema

Il rabbocco ripetuto non deve essere considerato un'operazione normale.

Può indicare perdite, scarico della valvola di sicurezza o problemi al vaso di espansione.

L'introduzione frequente di acqua fresca può anche aumentare l'ingresso di ossigeno, il rischio di corrosione e la formazione di depositi.

9. Raccomandazioni per la manutenzione e l'ispezione

I vasi di espansione richiedono un'ispezione periodica anche se contengono relativamente pochi componenti in movimento.

Un programma di manutenzione pratico dovrebbe includere:

Monitoraggio della pressione: Registrare la pressione del sistema a freddo e durante il normale funzionamento di riscaldamento.

Ispezione della precarica: Verificare la pressione del gas del vaso secondo le istruzioni di manutenzione del produttore.

Ispezione delle perdite: Esaminare connessioni, raccordi e il recipiente a pressione per perdite visibili o corrosione.

Ispezione della valvola di sicurezza: Indagare sullo scarico ripetuto anziché aggiungere semplicemente acqua.

Qualità dell'acqua del sistema: Mantenere il trattamento dell'acqua e la protezione dalla corrosione appropriati ai materiali utilizzati.

Registri di messa in servizio: Registrare il modello del vaso di espansione, la capacità, la pressione di precarica, la pressione di riempimento del sistema e la pressione operativa massima.

Questi registri rendono la risoluzione dei problemi futuri molto più semplice.

10. Domande frequenti

Ogni pompa di calore aria-acqua necessita di una vasca di espansione?

I sistemi idronici a pompa di calore a circuito chiuso richiedono generalmente un'adeguata compensazione dell'espansione. Alcune pompe di calore includono una vasca di espansione integrata, quindi un vaso esterno aggiuntivo non è sempre necessario.

Un vaso di accumulo può sostituire una vasca di espansione?

No. Un vaso di accumulo convenzionale fornisce volume d'acqua e può aiutare nella separazione idraulica, ma non svolge la stessa funzione di controllo della pressione di un vaso di espansione progettato correttamente.

Una vasca di espansione più grande migliora l'efficienza della pompa di calore?

Non direttamente. Un vaso dimensionato correttamente supporta un funzionamento sicuro e stabile, ma aumentarne la capacità oltre quanto richiesto dal sistema non migliora intrinsecamente il COP della pompa di calore.

Una vasca di espansione può ridurre il ciclo breve del compressore?

Non direttamente. Il ciclo breve del compressore è principalmente correlato alla capacità minima di riscaldamento, alla massa termica del sistema, alle condizioni di flusso, alla domanda di calore e alla strategia di controllo. I vasi di accumulo possono aiutare in condizioni adeguate.

Qual è la differenza tra una vasca di espansione e un serbatoio di accumulo termico?

Una vasca di espansione accoglie le variazioni di volume dell'acqua e stabilizza la pressione. Un serbatoio di accumulo termico immagazzina energia termica o di raffreddamento utilizzabile per un consumo successivo.

Una vasca di espansione può servire più circuiti di riscaldamento?

Potenzialmente, sì, se i circuiti rimangono idraulicamente collegati e il vaso è dimensionato correttamente per il loro volume combinato. I circuiti idraulicamente isolati potrebbero richiedere una protezione di espansione separata.

11. Prospettiva ingegneristica finale: Progettare in base alla funzione

Le vasche di espansione, i vasi di accumulo e i serbatoi di accumulo termico possono apparire simili nei diagrammi di sistema, ma non sono intercambiabili.

Un vaso di espansione è fondamentalmente un dispositivo di gestione della pressione.

Un vaso di accumulo affronta il volume d'acqua del sistema e, in alcune configurazioni, la stabilità idraulica.

Un serbatoio di accumulo termico è destinato all'immagazzinamento di energia utilizzabile.

In un'installazione di pompa di calore correttamente ingegnerizzata, ogni componente dovrebbe avere uno scopo chiaramente definito.

L'installazione di serbatoi non necessari aumenta i costi, la complessità dell'installazione e le potenziali perdite di calore.

Omettere una vasca di espansione richiesta, tuttavia, può compromettere la sicurezza e l'affidabilità del sistema.

Una buona ingegneria delle pompe di calore non consiste nell'aggiungere più componenti. Si tratta di selezionare i componenti giusti, dimensionarli correttamente e integrarli in un sistema idraulico affidabile.

Prossimamente in questa serie

Parte 2: Vasi di accumulo nei sistemi a pompa di calore — Quando sono necessari e quando possono ridurre l'efficienza?

Esamineremo il dimensionamento dei vasi di accumulo, le configurazioni a due e quattro tubi, la separazione idraulica, il ciclo breve del compressore e gli errori di installazione comuni.

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