TecaLibri: Greg Pahl: Riscaldamento naturale della casa

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Introduzione

L'embargo petrolifero del 1973 causò un fortissimo shock in tutti gli Stati Uniti e gonfiò drammaticamente i prezzi del petrolio in tutto il paese. Così, mentre milioni di americani facevano lunghe file ai distributori in attesa della loro razione di benzina, moltissimi altri si dedicarono alla ricerca di modi alternativi più economici per scaldare le case durante l'inverno. Molti finirono per tornare alla legna o al carbone, innescando la scintilla della rinascita delle stufe e dei generatori di aria calda alimentati a legna. La ricerca di fonti energetiche alternative costituì l'incentivo per lo sviluppo di altre tecnologie come l'eolico e il solare e, per un breve periodo, sembrò che il paese avesse intrapreso la strada dell'inevitabile passaggio dai combustibili fossili alle energie rinnovabili.

Tuttavia, quando l'embargo finì, i prezzi del petrolio crollarono e l'amministrazione Reagan tolse respiro al settore delle energie sostenibili, eliminando gli incentivi che erano serviti a favorire la sua crescita. La giovane industria delle energie alternative ebbe un tracollo. Molte persone continuarono a impiegare legna e carbone ma la crescente preoccupazione per l'inquinamento dell'aria dovuto alle stufe, e i disagi causati dal superlavoro e dalla sporcizia che queste apparecchiature portavano in casa, gradualmente affievolirono l'entusiasmo popolare per i combustibili alternativi. La maggior parte della gente trovò difficile non tornare all'utilizzo dell'economico gasolio.

Quindi, a partire dal 2000, la crisi californiana e l'aumento improvviso dei prezzi del gas naturale portarono nuovamente il problema energetico al centro della ribalta. Lo shock dell'inverno 2000-2001 era ancora vivo nella mente della maggior parte degli americani, quando apparvero sugli schermi televisivi i tragici eventi dell'11 settembre che lasciarono la nazione sconvolta e sgomenta. Mentre le Twin Towers del World Trade Center si schiantavano in nuvole di polvere e detriti, crollava anche l'idea sbagliata della maggior parte degli americani, che cioè la loro vita fosse in qualche modo separata da quella del resto del mondo. Gli attacchi e le successive campagne militari in Afghanistan e in Iraq servirono anche come monito per i pericoli della continua dipendenza dal petrolio, in particolare da quello mediorientale.

A dispetto della terribile tragedia, gli eventi dell'11 settembre, uniti alla crisi californiana, ebbero l'effetto di far rivolgere nuovamente l'attenzione della nazione sulla dipendenza eccessiva degli statunitensi dai combustibili fossili. Stava diventando chiaro a un numero sempre crescente di persone che l'espandersi dell'utilizzo del carbone, del gasolio e del gas naturale per il riscaldamento domestico, serviva soltanto a prolungare la dipendenza su risorse limitate e non rinnovabili. Come rompere tale dipendenza? L'ovvia risposta ancora una volta era: con l'energia rinnovabile.

Per di più dopo l'11 settembre, molte persone non consideravano più il passaggio alle fonti energetiche rinnovabili semplicemente come un problema ambientale. Oltre a costituire un investimento conveniente sul lungo termine, le fonti energetiche alternative erano state innalzate al rango di problema riguardante la sicurezza nazionale. Oggi è considerato patriottico appoggiare lo sviluppo e l'adozione su larga scala di un ampio spettro di iniziative sostenibili, in grado di assicurare una fornitura di energia costante e sicura per i tempi a venire.

Il rinnovato interesse per la problematica delle fonti energetiche sostenibili ha generato anche l'interesse per la loro applicazione al riscaldamento domestico. Si tratta di un fatto positivo perché, secondo le stime, un quarto di tutta l'energia utilizzata negli Stati Uniti è consumata per scaldare le abitazioni. Sfortunatamente, la maggior parte di questa energia proviene ancora da risorse non rinnovabili come carbone, petrolio e gas naturale, nonostante i prezzi dei combustibili stiano diventando sempre più instabili. Cosa ancora peggiore, è universalmente riconosciuto che i combustibili fossili sono tra i principali responsabili del riscaldamento globale e di numerose malattie. Negli Stati Uniti gli impianti di riscaldamento emettono un miliardo di tonnellate di anidride carbonica e circa il 12 per cento della nidride solforosa e degli ossidi di azoto prodotti a livello nazionale. Nonostante sia ancora difficile per molti americani capire o accettare questo fatto, la fine dell'economia basata sui combustibili fossili non è molto lontana. Per quanto riguarda il riscaldamento domestico si tratta di una questione vitale, basti pensare alle regioni più settentrionali degli Stati Uniti, dove avere o non avere il riscaldamento a casa in inverno può diventare una questione di vita o di morte. Nelle zone più fredde del paese il riscaldamento è la maggiore voce di spesa delle famiglie.

Cosa si può fare per ridurre o eliminare l'impiego dei combustibili fossili nel riscaldamento domestico? Una risposta facile e univoca a questa domanda non c'è, ma per fortuna esistono molte alternative interessanti e valide. Come quelle di cui si occupa il libro, una guida completa per gli utenti interessati agli impianti di riscaldamento domestico che dipendono da fonti energetiche rinnovabili.

Coloro che stanno pensando di costruirsi una nuova casa hanno a disposizione diverse soluzioni basate sulle energie rinnovabili, in grado di assicurare comfort e intimità nelle lunghe notti invernali. Quanti vivono in una casa con un'esposizione e una struttura inadatte all'energia solare, possono trovare informazioni utili sui migliori interventi di ristrutturazione. Se la caldaia sta per andare in pensione, Riscaldamento naturale della casa mostra come sostituirla con il miglior impianto a combustibili rinnovabili. Il libro, inoltre, suggerisce eccellenti idee per soddisfare sia le esigenze di riscaldamento sia quelle di condizionamento nei climi temperati.

Nella prima parte inizierò questa esplorazione con le informazioni basilari riguardanti cosa rende confortevole una casa, considerando il trasporto del calore, la temperatura, l'umidità, il movimento dell'aria. Quindi introdurrò i componenti principali degli impianti non meccanici e meccanici, spiegando quali aspetti considerare quando si deve scegliere un impianto. Comparerò tra loro le potenziali fonti di calore di un impianto domestico come stufe a legna, caldaie, stufe in maiolica, pompe di calore e così via, oltre a prendere in esame i combustibili che queste apparecchiature possono utilizzare e i loro relativi vantaggi e svantaggi. Potreste restare sorpresi dalle innumerevoli alternative.

Nella seconda parte esaminerò la principale fonte energetica rinnovabile: il sole, considerando gli aspetti fondamentali degli impianti solari, inclusi orientamento, pozzi di calore, distribuzione e controllo. Inoltre, descriverò i componenti di base di un sistema solare attivo e il modo in cui possono essere combinati in una varietà di impianti di riscaldamento, riferendomi alle strategie più appropriate per le nuove costruzioni e a quelle più adatte alle ristrutturazioni.

Come scaldare la propria casa con il legno sarà l'argomento della parte terza, in cui verrà spiegato tutto ciò che si deve sapere per procurarsi, immagazzinare, trasportare e bruciare legna da ardere. Si parlerà anche di stufe, impianti di riscaldamento ad aria ed acqua calda e di stufe in ceramica alimentati a legna, con particolare attenzione ai costi e ai relativi vantaggi e svantaggi. Nella parte quarta verrà presa in considerazione la possibilità di utilizzare la legna in modi alternativi, con particolare riferimento ai pellet.

Infine nella parte quinta, parlerò degli impianti di riscaldamento e condizionamento a energia geotermica trattando gli aspetti fondamentali dell'energia geotermica e delle pompe di calore. Spiegherò come scegliere la giusta pompa di calore in base alla posizione geografica, come dimensionarla e collocarla nel modo corretto, nonché tutti i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo di queste apparecchiature.

Nonostante non sia un manuale tecnico, Riscaldamento naturale della casa fornisce le informazioni basilari per prendere decisioni consapevoli e intelligenti riguardanti il riscaldamento domestico alimentato da combustibili rinnovabili. Strada facendo darò anche indicazioni sull'installazione, il funzionamento, la manutenzione e la sicurezza delle apparecchiature che potranno servire a evitare gli errori più comuni.

Spero che dopo aver finito di leggere questo libro comprenderete che passare alle fonti energetiche rinnovabili consente di mantenere il livello di comfort desiderato e contemporaneamente di risparmiare soldi e proteggere l'ambiente. Vivere mostrando sensibilità nei confronti delle problematiche ambientali non implica rinunciare agli agi. Scaldare la casa con le energie rinnovabili può essere un'avventura affascinante e godibile, come lo è stata per me. Questo cambiamento comporta acquisire una maggiore consapevolezza delle proprie scelte e la capacità di prendere decisioni informate basate sulla conoscenza dei fatti. La conoscenza è potere – e una sua parte può servire a riscaldarvi in inverno. Perciò, fatevi un caffè bollente, sedetevi sul divano con un buon libro (preferibilmente questo) e preparatevi a una lunga serata invernale. E se vi sentite un po' infreddoliti, aggiungete un ceppo di legna alla stufa o alzate il termostato della caldaia a pellet. Avrete la soddisfazione di sapere che state facendo la vostra parte per garantire a tutti un futuro migliore.

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Riscaldamento: concetti base

Tutto iniziò con il fuoco. È possibile che già 1,4 milioni di anni fa i nostri lontani antenati africani impiegassero il fuoco per cuocere la carne, indurire le punte delle lance e proteggersi dai predatori affamati. Tuttavia l'affinamento delle tecniche di utilizzo del fuoco ha richiesto molto tempo: prima che Homo erectus iniziasse a usarlo per scaldarsi trascorse quasi un milione di anni. A quel tempo il riscaldamento domestico consisteva in un fuoco di legna acceso sul pavimento della caverna.

Quindi gli esseri umani lasciarono le caverne per vivere in case primitive scaldate da un fuoco posto al centro del pavimento con il fumo che usciva da un foro del tetto. Non era molto meglio delle caverne, ma almeno c'erano meno pipistrelli!

All'epoca dei romani le fonti di calore nell'Europa centrale e settentrionale erano costituite da stufe in terracotta. Per quanto rappresentassero senza dubbio una miglioria rispetto ai fuochi aperti, tali stufe tendevano a dipendere dalla tecnica del foro nel tetto per l'allontanamento del fumo.

I cinesi inventarono la prima stufa di ghisa intorno al 200 d.C. ma in Europa tale tecnologia non prese piede fino al XV secolo. A partire dal 1700 le stufe avevano un design piuttosto avanzato che si traduceva in un'ampia varietà di modelli perfezionati sia di stufe in ghisa che in ceramica.

Nel 1800, proprio quando aveva raggiunto il massimo della diffusione, l'utilizzo della legna fu surclassato dal passaggio al carbone. A quel tempo l'impiego di questo combustibile fossile appena scoperto era considerato una grande innovazione tecnologica in grado anche di risolvere il problema della diminuzione della disponibilità di legna in molte regioni europee. Sebbene in alcune parti del mondo – come le zone rurali degli Stati Uniti — si continuasse a usare la legna, il carbone conquistò popolarità e consentì di portare avanti il graduale passaggio al riscaldamento centrale, in particolare dopo lo sviluppo del riscaldamento a vapore intorno al 1850. Le tecnologie del riscaldamento centrale basate sul carbone divennero sempre più sofisticate ed efficaci. Quindi arrivarono il petrolio, il gas e l'elettricità. A partire dagli anni Cinquanta del Novecento, la maggior parte delle nazioni sviluppate (in particolare gli Stati Uniti) dipendeva quasi completamente dai combustibili fossili "moderni" per il riscaldamento, i trasporti e l'elettricità. Con il senno di poi, tale dipendenza non sembra un fatto così positivo.

Questo libro si occupa della transizione dai combustibili fossili a quelli rinnovabili. Per capire i relativi vantaggi e svantaggi degli impianti di riscaldamento che utilizzano combustibili rinnovabili e per scegliere quello adatto alla vostra casa prima bisogna capire come funzionano.

È tutta una questione di comfort

Lo scopo di avere un impianto di riscaldamento è il comfort personale, anche se, per la verità, la maggior parte delle prime tecnologie di riscaldamento non erano molto efficienti da questo punto di vista. Si trattasse di una caverna o di una casa primitiva, un fuoco aperto non forniva le condizioni ideali per regolare la temperatura corporea, fattore chiave quando si parla di comfort. Il nostro corpo è come una stufa portatile: brucia (digerisce) cibo per ottenere l'energia che ci tiene in vita. La digestione e altri processi metabolici producono calore, il quale deve essere dissipato nell'ambiente affinché possiamo star bene. Per quanto possa sembrare strano, a determinare quanto sentiamo caldo o freddo è la perdita regolata di calore corporeo e non il contrario.

Il livello di comfort tende a variare da persona a persona. Le variabili che lo influenzano dipendono dall'esercizio fisico, dal modo in cui si è vestiti, dall'umidità, dai movimenti dell'aria, dalla sua temperatura e dalla temperatura delle superfici che ci circondano. I bambini molto piccoli e gli anziani tendono a essere meno tolleranti degli estremi di temperatura. I teenager, che hanno elevati tassi metabolici (per non parlare degli ormoni), possono sentirsi a proprio agio anche alle temperature più basse.

Il cambiamento in una qualsiasi variabile che influenza il nostro livello di comfort cambia anche i rapporti delle altre. Questo è il motivo per cui non sempre stiamo bene in una stanza la cui temperatura è mantenuta a un determinato valore. Quando si comprendono i fattori che hanno effetto sui livelli di comfort è più facile apprezzare le qualità dei diversi sistemi di riscaldamento.

Trasporto di calore

Quando si pensa al calore, l'immagine del fuoco è la prima a venire in mente. In una forma o nell'altra, il fuoco è fondamentale per la maggior parte delle strategie di riscaldamento. Al fine di comprendere in che modo il calore prodotto dal fuoco riscalda una casa bisogna aver chiaro il concetto di trasporto del calore. Normalmente il calore passa da una zona (o sostanza) a temperatura maggiore a un'altra a temperatura minore. Tale trasferimento tende ad abbassare la temperatura della zona/sostanza più calda e a innalzare quella della zona/sostanza più fredda. Il flusso del calore può andare verso l'alto, verso il basso o in senso laterale, ma la direzione del flusso è sempre dal corpo più caldo a quello più freddo.

Per comprendere meglio il concetto di trasporto del calore consideriamo i tre modi in cui esso avviene: conduzione, convezione e irraggiamento.

Conduzione

È il flusso di calore attraverso solidi, liquidi o gas. Quando due oggetti si toccano il calore si sposta da quello più caldo a quello più freddo. Per esempio, se si mette sul fuoco un attizzatoio di metallo il calore passerà lungo l'attizzatoio e alla fine raggiungerà la mano. La capacità dell'oggetto metallico di condurre il calore è chiamata conducibilità. Alcune sostanze come i metalli e l'acqua sono buoni conduttori altre, come il legno e l'aria, non lo sono. La conduzione non svolge un ruolo importante nei sistemi di riscaldamento domestico.

Convezione

È il movimento di calore da zone più calde a zone più fredde dovuto al movimento nei liquidi (come l'acqua) e nei gas (come l'aria). Quando sono riscaldate, le molecole di un liquido o di un gas si espandono. La porzione più calda del liquido o del gas è più leggera di quella non scaldata e perciò sale verso l'alto. Le molecole più fredde riempiono lo spazio che era occupato da quelle a temperatura maggiore. Il liquido o il gas più caldi possono spostarsi naturalmente o essere obbligati a spostarsi da pompe o ventole. Le correnti di convezione svolgono un ruolo importante nel riscaldamento domestico in particolare negli elementi del riscaldamento a battiscopa e nelle canne fumarie dei camini.

Irraggiamento

Si tratta del trasferimento di calore con le onde elettromagnetiche. L'irraggiamento è diverso dalla conduzione e dalla convezione in quanto le sostanze tra le quali avviene lo scambio di calore non devono essere in contatto tra di loro. Il trasporto di calore per irraggiamento può aver luogo nell'aria, nel vuoto (come lo spazio cosmico) o anche attraverso materiale solido come il vetro. Purché due oggetti a temperature diverse possano "vedersi", tenderanno verso la stessa temperatura per irraggiamento. In questo modo non viene riscaldata l'aria attraverso cui passa la radiazione, ma gli oggetti che ne vengono colpiti come il proprio corpo, i muri, i pavimenti, e i mobili della casa. Si percepisce il calore radiante dalla luce diretta del sole, da un fuoco aperto, o dagli impianti di riscaldamento a pavimenti, muri o soffitti radianti. L'irraggiamento svolge un ruolo importante in una varietà di sistemi di riscaldamento domestico.

Temperatura

In base a una semplice definizione la temperatura è una misura dell'intensità del calore. Nella maggior parte delle case la temperatura in ogni stanza non è uniforme. Tra la temperatura dell'aria a livello del pavimento e quella a livello del soffitto c'è sempre una differenza significativa, nota come temperatura di stratificazione. La temperatura dell'aria a cui ci si sente a proprio agio dipende da diversi fattori tra i quali il modo in cui si è vestiti, l'attività fisica, l'età e la quantità di irraggiamento verso o dalle varie superfici delle stanze. Durante l'inverno si può stare bene in una stanza la cui temperatura dell'aria sia di 21°C, ma se la stanza contiene grandi finestre di vetro si può sentire la necessità di temperature superiori perché il vetro lascia passare calore per irraggiamento: il corpo irradia calore verso l'esterno attraverso i vetri dando una sensazione di raffreddamento.

Una misura di temperatura correlata, detta temperatura media radiante, è uno degli elementi più importanti che influenzano il comfort. È la temperatura media delle superfici da cui siamo circondati in casa come muri, soffitto, finestre (che di solito sono le superfici più fredde di una stanza). È anche una misura dello scambio di calore per irraggiamento tra noi e le superfici che ci circondano e può variare da un punto della stanza a un altro.

Umidità

È riferita al contenuto di umidità dell'atmosfera. L'umidità relativa è il rapporto percentuale tra la quantità di vapore acqueo presente nell'aria e la quantità massima di vapore acqueo che l'aria può contenere alla saturazione completa. Tale quantità massima dipende dalla temperatura: più è elevata la temperatura, maggiore è la quantità di umidità che l'aria può contenere. Per gli esseri umani l'intervallo ottimale di umidità relativa si colloca tra il 30 e il 60 per cento; valori superiori al 60 per cento possono causare disagio in particolare durante le estati molto calde.

I livelli di umidità svolgono un ruolo chiave nel determinare i livelli di comfort del riscaldamento domestico (e anche nel condizionamento). In inverno elevati livelli di umidità in casa possono creare l'ambiente favorevole allo sviluppo di muffe e acari che rappresentano un rischio per la salute. D'altra parte una bassa umidità relativa può causare disidratazione delle mucose e della pelle. Quando i livelli di umidità in casa sono troppo bassi, per compensare sono necessarie temperature dell'aria più elevate. In queste circostanze è una buona idea aggiungere umidità con un umidificatore o altre fonti di umidità.

Movimento dell'aria

Il movimento dell'aria genera perdita di calore e produce sulla pelle una sensazione di fresco, causata dall'evaporazione dell'umidità dalla pelle verso l'aria. La velocità di questa evaporazione le perdita di calore) è correlata alla velocità di movimento dell'aria e all'umidità relativa. Il movimento di aria fresca lungo il collo e intorno alle caviglie svolge un ruolo cruciale nella sensazione di comfort provata in casa durante l'inverno perché queste parti del corpo sono molto sensibili agli spifferi. Durante l'inverno un eccessivo movimento dell'aria può causare disagio. E può essere un problema con gli impianti di riscaldamento ad aria calda forzata progettati in modo inadeguato.

Unità di misura dell'energia

L'unità termica britannica (British thermal unit, Btu) è l'unità di misura fondamentale dell'energia secondo il sistema imperiale britannico. Un Btu è la quantità di energia richiesta per aumentare la temperatura di una libbra di acqua di 1 grado Fahrenheit. Negli Stati Uniti la maggior parte dei dispositivi di riscaldamento sono valutati in Btu/per hour (Btu/hr), la quantità massima di energia che l'unità produce in un'ora.

Nel sistema metrico utilizzato in Europa l'unità di misura fondamentale dell'energia è il Joule. Rispetto al Btu il Joule è un'unità molto piccola equivalente a 0,00095 Btu. Mille Joule (un kiloJoule) equivalgono a 1 Btu meno il 5 per cento.

L'unità di misura fondamentale dell'elettricità è il Kilowattora (kWh). Un Kilowattora è un kilowatt di potenza elettrica fornita per un'ora, o, detto in altro modo, dieci lampadine da 100 kilowatt accese per un'ora consumano mille watt l'ora o un kWh. Un kWh equivale a 3.413 Btu o 3.600 Kilojoule.

Perdita di calore

Prima di iniziare a trattare le specifiche dei sistemi di riscaldamento bisogna determinare la quantità di calore perduta dalla nostra casa. In mancanza di tali perdite l'impianto di riscaldamento potrebbe non essere necessario (perlomeno non uno tanto grande), pertanto la perdita di calore è un fattore chiave. Non mi stancherò mai di enfatizzare l'importanza di fare di tutto per avere una casa ben progettata e ben isolata adatta al clima e all'ambiente in cui si trova. Una casa di questo tipo perde assai poco calore. Purtroppo la maggior parte di noi non vive in case progettate e costruite secondo criteri di ottimizzazione perciò dobbiamo avere a che fare con le perdite di calore, che talvolta sono numerose. Tali perdite si verificano attraverso i vari elementi dell'involucro della casa o attraverso le fuoriuscite o le infiltrazioni di aria.

In inverno il calore contenuto all'interno della casa cerca costantemente di uscire e deve essere rimpiazzato dall'impianto di riscaldamento. Quanto dovrebbe essere grande tale impianto? E come si fa a sapere quanto calore perde la casa?

Uno degli errori più comuni (e gravi) con il riscaldamento domestico è l'installazione di sistemi sovradimensionati che spesso sono una conseguenza dell'applicazione di errate regole empiriche di valutazione.

Un buon modo per determinare la perdita di calore è applicare la formula del calcolo della perdita di calore:

    HL = (A/R) x dT

    HL = heatloss, perdita di calore (espressa in Btu)
    A = area del componente
    R = resistenza termica
    dT = differenza di temperatura

A essere sincero mi si appanna la vista quando ho a che fare con le formule matematiche perciò cercherò di spiegarmi nel modo più chiaro possibile.

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