Come dimensionare i vasi di espansione negli impianti idronici

15/01/2024 - Tra gli aspetti tecnici che più frequentemente il progettista termotecnico si trova a dover affrontare, vi è sicuramente il dimensionamento dei vasi di espansione. Come è noto, infatti, il volume di un qualunque liquido varia in funzione della temperatura. Di conseguenza, negli impianti idronici, utilizzanti acqua o altri liquidi come fluido termo-vettore, è sempre opportuno gestire tali variazioni di volume per evitare danni all’impianto. Ciò viene fatto installando vasi di espansione correttamente dimensionati.
 
Essenzialmente, esistono due grandi famiglie di vasi di espansione: quelli aperti e quelli chiusi. Tuttavia, per gli impianti termotecnici, sono generalmente utilizzati solo vasi chiusi, per cui in questo articolo ci concentreremo su di essi.
 
Un vaso di espansione chiuso non è nient’altro che un recipiente metallico chiuso suddiviso, al suo interno, in due parti (due “camere”), una parte contenente aria (o altro gas) e l’altra parte contenente acqua (o il liquido utilizzato nell’impianto). Queste due camere sono separate tra loro da una membrana elastica che ha la funzione di far variare il volume di una camera a favore o sfavore dell’altra camera. Il funzionamento è quindi molto semplice. Quando l’impianto sarà spento, il fluido termovettore si raffredderà fino ad una temperatura minima di esercizio (antigelo).
 
Raffreddandosi, il fluido termovettore si ridurrà di volume e la membrana del vaso di espansione farà in modo di controbilanciare la pressione dell’aria e dell’acqua, espandendo la parte di camera contenente l’aria. Al contrario, quando l’impianto entrerà in esercizio, il fluido termovettore sarà riscaldato e aumenterà di volume, per cui il vaso di espansione accoglierà tale volume di liquido in più.
 
Sostanzialmente, il problema del progettista è quello di determinare il volume del vaso di espansione, oltre che le pressioni di precarica, minima e massima dell’impianto. Tutto ciò in funzione del volume di liquido dell’impianto, del tipo di liquido, delle temperature minime e massime di esercizio.
 
Ma andiamo con ordine e vediamo nel dettaglio tutti i passaggi. Il volume nominale del vaso deve essere almeno pari a:
 
V_n = ∆V × P_max / (P_max - P_pc)
 
Dove:
V_n            è volume nominale minimo del vaso;
∆V       è la massima differenza di volume del fluido termovettore;
P_max       è la pressione massima di esercizio;
P_pc          è la pressione di precarica, cioè la pressione ad impianto scarico (vuoto).
 
Si noti che le pressioni, nell’espressione sopra, sono espresse in termini assoluti. La medesima formula, la possiamo scrivere anche esprimendo le pressioni in termini relativi, di modo che sia più utile ai fini pratici:
 
V_n = ∆V × (p_max + 1) / (p_max - p_pc)
 
Il primo elemento da calcolare, quindi, è l’aumento di volume del fluido (∆V). Tale variazione è data da:
 
∆V = V_max - V_a
 
Dove:
V_max       è il volume del fluido in condizioni di massima espansione;
V_a        è il volume di fluido normalmente contenuto nell’impianto.
 
Il volume del fluido nell’impianto (V_a), diciamo “a freddo”, è dato dalla sommatoria dei volumi di fluido contenibili nei diversi componenti (essenzialmente terminali di emissione, collettori e tubazioni, accumuli e generatori). Per i vari componenti di cui si ha una scheda tecnica (generatori, accumuli e collettori), generalmente questo dato (espresso in litri) è dichiarato dal produttore. Per le tubazioni di distribuzione o anche per i pannelli radianti, il volume va necessariamente calcolato in funzione delle lunghezze e dei diametri. Molto utili, se non indispensabili, sono quindi gli schemi impiantistici e il layout.
 
Per calcolare il volume massimo (V_max) è necessario sapere il tipo di fluido (acqua o miscele con glicole). Questo perché a seconda del fluido varia il coefficiente di dilatazione termica volumica (β). Tale coefficiente, in pratica, esprime quanto varia il volume di un fluido per ogni grado di variazione della temperatura. Ora, i più precisi si ricorderanno che in realtà, dal punto di vista fisico, è improprio parlare di un unico coefficiente, in quanto la relazione tra variazione di volume e variazione di temperatura non è perfettamente lineare (ma dipende dall’intervallo di temperature). Quindi ciò significa che non esiste un solo coefficiente, bensì una funzione.
 
Tuttavia, nella progettazione degli impianti termici civili, tale variazione è trascurabile e si può utilizzare un unico coefficiente. Per le miscele glicolate il coefficiente è solitamente dichiarato dal produttore. Per l’acqua possiamo prendere come riferimento la Raccolta R/2009 in funzione della temperatura massima. In ogni caso, per avere un ordine di grandezza, ricordiamoci che la dilatazione dell’acqua è di nell’ordine di un 4-5% per 100 K di variazione di temperatura.
 
Riguardo la temperatura minima (T₀) e la temperatura massima (T₁) a cui può arrivare il fluido, si noti che la temperatura massima dovrà tener conto non soltanto delle temperature di normale funzionamento dell’impianto, ma anche delle temperature raggiungibili solo in particolari situazioni, come il momento degli shock termici o quelli di intervento delle resistenze elettriche. Analogamente anche per la temperatura minima si dovrà pensare ad un prolungato stop dell’impianto in regime invernale (e all’eventuale temperatura antigelo).
 
Così facendo abbiamo ricavato tutti gli elementi che ci servono per calcolare l’aumento di volume del fluido termovettore. Per completare il calcolo del volume nominale del vaso di espansione, dobbiamo tuttavia ancora calcolare la pressione massima e la pressione di precarica.
 
La pressione massima (p_max) è ricavabile a partire dalla pressione a cui è tarata la valvola di sicurezza. La relazione è la seguente:
 
P_max = P_vs + ∆p_H - ∆p_vs
 
Dove:
P_vs           è la pressione di taratura della valvola di sicurezza;
∆p_H        è una pressione aggiuntiva che tiene conto della differenza di quota tra la valvola e il vaso (è quindi positiva se il vaso è più in basso della valvola e negativa nella situazione contraria);
∆p_vs        è una pressione da sottrarre per consentire l’intervento dell’eventuale pressostato.
 
La pressione di precarica (p_pc), invece, è la pressione ad impianto scarico (vuoto). Si noti che tale pressione non è la pressione minima, in quanto l’impianto caricato a freddo avrà una pressione superiore per via di un minimo volume di acqua di riserva che è opportuno prevedere per il buon funzionamento dell’impianto. La pressione di precarica è scelta partendo dalla pressione idrostatica sul vaso e aggiungendo un margine di sicurezza di 0,3 bar:
 
p_pc = p_I + 0,3 = ρ × g × (H_max - H_vaso) + 0,3
 
Dove:
ρ          è la densità volumica del fluido [kg/m³];
g          è l’accelerazione gravitazionale pari a 9,81 [m/s²];
H_max -   H_vaso    è la colonna d’acqua sovrastante il vaso che è funzione della quota massima dell’impianto e dell’altezza del vaso.
 
Questo che abbiamo illustrato è quindi il procedimento, con tutte le formule, da seguire per il dimensionamento di un vaso di espansione. Tale procedimento è sostanzialmente il medesimo sia nel caso sia per gli impianti di riscaldamento, sia che si tratti di impianti di acqua calda sanitaria o raffrescamento. Ovviamente le temperature in gioco e altre grandezze possono variare, ma le formule sono le stesse.
 
Più in particolare, nel caso dell’acqua calda sanitaria, ricordiamoci che siamo in presenza di un impianto “aperto” (l’acqua viene via via integrata dalla rete idrica quando vi sono prelievi dai punti di erogazione). Nel caso di raffrescamento, invece, siamo sempre in presenza di un circuito chiuso, ma questa volta il funzionamento dell’impianto fa diminuire la temperatura e quindi il volume di acqua.
 
L’unico caso a cui occorre prestare maggiore attenzione è quello di un impianto solare termico, per via di alcuni fenomeni che si possono verificare durante il funzionamento. In particolare, la cosiddetta “stagnazione” durante periodi di forte irraggiamento e assenza di prelievi. In tale situazione, infatti, occorre considerare un ulteriore volume aggiuntivo per via del fatto che una parte del liquido cambia fase (evapora da liquido a vapore).
 
In conclusione, si ricorda che in Italia il principale riferimento normativo per questo tipo di dimensionamenti negli impianti è la Raccolta R del 2009, che contiene, tra l’altro, anche ulteriori disposizioni per il corretto collegamento del vaso all’impianto.