Cosa sono?

I fluidi termovettori sono il “mezzo di trasporto” dell’energia termica o frigorifera all’interno di un impianto di processo o di climatizzazione. Il concetto stesso di impianto termotecnico implica l’esistenza di un fluido termovettore poiché l’impianto è un sistema di collegamento articolato tra generatore ed utenza (es. impianto di riscaldamento) oppure tra l’utenza e un apparato di trattamento (rete di ripresa aria): una definizione che dà l’idea di una lontananza tra punto di partenza e punto di arrivo, e quindi della necessità di un qualcosa che “porti in giro le informazioni”.

Negli impianti idrico-sanitari e antincendio, seppur rientranti nella categoria dei sistemi termotecnici, il concetto di “termovettore” viene sostituito da quello di “alimentazione”, poiché in questi casi il fluido non è solo il mezzo ma anche il fine per l’utenza finale che ne fa uso.

Si vuole delineare una breve panoramica dei fluidi termovettori attualmente utilizzati nella termotecnica per capire la convenienza di impiego di ciascuno.

Quali sono?

I fluidi più utilizzati sono l’aria e l’acqua. A sua volta l’acqua può essere adoperata sia in forma liquida che aeriforme. Esistono poi i fluidi “refrigeranti” che si trovano a bordo dei sistemi a compressione di vapore (refrigeratori e pompe di calore), le miscele di acqua e glicole (negli impianti in cui sussiste il pericolo di congelamento dell’acqua) e l’olio diatermico che ad oggi è raramente usato, soprattutto nel settore civile.

Un elenco non esaustivo dei fluidi termovettori è quindi il seguente:

• aria;
• acqua liquida (calda o refrigerata);
• acqua surriscaldata;
• vapore (saturo e surriscaldato);
• acqua glicolata;
• fluidi refrigeranti (esclusa l’acqua);
• olio diatermico.

Caratteristiche e convenienza

ARIA: l’aria è una risorsa molto conveniente perché è gratuita e pulita. Proprio per il suo costo zero può essere utilizzata in grosse quantità e pertanto viene adoperata soprattutto per il riscaldamento e la climatizzazione di grandi ambienti quali chiese, centri commerciali, palestre, sale conferenze, cinematografi e teatri, aerostazioni. L’aria è caratterizzata da un basso peso specifico (circa 12 N/mc a temperatura ambiente) e quindi non sono richiesti grossi consumi per gli organi addetti alla movimentazione (ventilatori).

Per contro la capacità termica specifica (nota anche come calore specifico) è inferiore rispetto ad altri fluidi (circa 1005 J/kg°C) e questo comporta, a parità di energia da trasportare, portate più grosse e quindi reti di distribuzione più ingombranti. Inoltre gli impianti ad aria necessitano di una corretta progettazione acustica per impedire o limitare la propagazione dei rumori.

ACQUA LIQUIDA: anche l’acqua si può definire una fonte pulita, ed è una delle migliori da un punto di vista prestazionale. Possiede un calore specifico elevato (4186 J/kg°C) e, se comparata all’aria, è necessaria meno portata per trasportare una medesima quota energetica: di conseguenza le reti sono molto più piccole e sorgono meno problematiche per quanto riguarda i passaggi e l’installazione. L’acqua liquida non necessita di grossi trattamenti fisici e chimici per l’utilizzo, soprattutto se le temperature operative non sono elevate.

Una delle problematiche legate all’acqua liquida è il pericolo di congelamento nei punti in cui le tubazioni sono esposte all’ambiente esterno (nel periodo invernale). Inoltre ci sono casi in cui non è conveniente l’uso di sistemi idronici perché un’eventuale fuoriuscita del liquido potrebbe danneggiare apparecchiature o processi (è il caso delle sale server o laboratori dove si manipolano sostanze che reagiscono violentemente con l’acqua).

ACQUA SURRISCALDATA: come per l’acqua liquida anche in questo caso il vantaggio principale è il calore specifico elevato. L’acqua surriscaldata è un liquido in pressione a temperature superiori a quella di ebollizione: questo significa superare i 100°C e ottenere un fluido che può arrivare anche a 160°C. Ed è questo aumento di temperatura che conferisce maggiore capacità termica rispetto all’acqua liquida.

L’acqua surriscaldata viene utilizzata nelle reti di teleriscaldamento e nei grossi impianti, in particolare quelli industriali; ha costi d’esercizio medio-alti, oltre ad una componente di pericolosità che aumenta tanto quanto il valore della temperatura di produzione e dell’energia accumulata.

VAPORE: il vapore saturo o surriscaldato è un eccellente mezzo di trasporto dell’energia termica; il calore convogliato per unità di massa è da 10 a 50 volte superiore rispetto all’acqua liquida e surriscaldata e trova largo impiego in quelle applicazioni in cui è richiesto un controllo severo della qualità dell’aria (ad esempio per umidificare nelle reti aerauliche a servizio degli ospedali) e nei processi produttivi.

Per quanto riguarda il settore termotecnico è il vapore saturo ad essere utilizzato, mentre il vapore surriscaldato si adopera soprattutto nelle turbomacchine per la produzione di energia elettrica.

Il vapore ha costi di installazione molto elevati, un sistema di trattamento dell’acqua in ingresso sofisticato, ed una progettazione degli impianti altamente accurata. Come per l’acqua surriscaldata, anche in questo caso non è da trascurare la pericolosità del fluido che può creare danni sia alle persone che ai componenti.

ACQUA GLICOLATA: è una miscela di acqua liquida e un fluido detto “anticongelante”. Solitamente questo è il glicole etilenico, ma non è insolito anche l’uso di glicole propilenico. L’acqua glicolata ha il vantaggio di poter essere sfruttata anche alle basse temperature esterne poiché si abbassa notevolmente il punto di congelamento dell’acqua.

Nonostante ciò bisogna considerare che il glicole etilenico è una sostanza tossica (il glicole propilenico in misura minore) e corrosiva, pertanto occorre confinarne eventuali perdite. Inoltre ha un calore specifico più basso dell’acqua e di conseguenza anche la miscela accumula meno calore rispetto al caso di acqua pura. Altro inconveniente è l’alta densità dell’anticongelante che fa aumentare le perdite di carico e quindi la prevalenza del circolatore.

REFRIGERANTI: si tratta di fluidi a cambiamento di fase (liquido-aeriforme) di origine sia naturale che artificiale, utilizzati nei circuiti dei sistemi ad espansione di vapore (come i sistemi ad espansione diretta split o VRF). Sono caratterizzati da elevata stabilità chimica (in particolare quelli artificiali) ed elevata capacità termica (reti a basso ingombro). Vengono adoperati in impianti medio piccoli, in cui spesso non ci sono spazi sufficienti per poter installare sistemi idronici o in ambienti dove la presenza di acqua potrebbe danneggiare le apparecchiature o i processi (sala server, sale CED, ecc.).

Gli impianti con fluido refrigerante sono caratterizzati da uno sviluppo limitato delle tubazioni e se ne sconsiglia l’utilizzo negli edifici di grosse dimensioni; inoltre i costi di gestione sono elevati a causa del compressore che necessita di parecchia energia elettrica rispetto ai ventilatori e ai circolatori (a parità di calore da trasferire).

OLIO DIATERMICO: consente il raggiungimento di elevate temperature (anche superiori ai 200°C) pur trovandosi sempre allo stato liquido e a pressioni ambiente (bassa pericolosità rispetto all’acqua surriscaldata e al vapore).

Come accennato è un fluido poco impiegato nel settore civile. Si tratta di un derivato del petrolio e pertanto, oltre a non essere bio-compatibile, i costi di approvvigionamento sono superiori rispetto all’acqua e all’aria. Anche in questo caso la progettazione e la realizzazione deve essere molto accurata per garantire l’integrità della rete di distribuzione.