Uno scambiatore a serpentino è un tubo a spirale (in acciaio liscio, smaltato o in acciaio inox corrugato) immerso in un accumulo per trasferire calore tra due circuiti idraulici senza mescolarli. Nella pratica solare il serpentino si dimensiona su circa 0,2–0,3 m² di superficie di scambio per m² di collettore; i bollitori per pompe di calore richiedono una superficie di serpentino circa tre volte superiore a quella di un bollitore per caldaia equivalente.
Che cosa fa uno scambiatore a serpentino in un accumulo?
Uno scambiatore a serpentino separa due circuiti idraulici consentendo però il passaggio del calore tra di essi. Il circuito primario (fluido solare, acqua di riscaldamento della pompa di calore o acqua della caldaia) viene fatto circolare nel serpentino; l'acqua accumulata intorno ad esso si riscalda per convezione naturale attraverso la parete del serpentino. I circuiti non si mescolano mai, il che è essenziale quando il lato primario contiene antigelo a base di glicole propilenico oppure acqua di riscaldamento non potabile mentre l'accumulo contiene acqua potabile.
I serpentini indiretti sono il metodo standard di scambio termico nei bollitori europei. La EN 12897, la norma per gli scaldacqua ad accumulo a riscaldamento indiretto pressurizzati, definisce come questi bollitori e i loro scambiatori vengono specificati e provati, mentre la EN 12977-3 verifica quanto bene gli accumuli solari si caricano e si scaricano attraverso di essi.
Quali tipi di serpentino si usano nei bollitori?
- Serpentino in acciaio a tubo liscio: il classico serpentino solare o da caldaia, smaltato insieme al bollitore nei bollitori vetrificati.
- Serpentino in acciaio inox corrugato: la corrugazione concentra più superficie in ogni metro di tubo; usato come serpentino istantaneo per l'acqua potabile in un accumulo igienico.
- Serpentino di sicurezza a doppia parete: due pareti del tubo con un'intercapedine per il rilevamento delle perdite, richiesto da alcune normative idrauliche dove il fluido solare e l'acqua potabile si incontrano.
- Configurazioni a doppio serpentino: un serpentino solare nella parte bassa del bollitore più un serpentino per caldaia o pompa di calore più in alto, la configurazione standard dei bollitori solari combinati.
Quanta superficie di serpentino serve a un accumulo?
| Applicazione | Regola pratica di dimensionamento | Esempio |
|---|---|---|
| Serpentino solare per ACS | 0,2–0,3 m² per m² di collettore | 5 m² di collettori → serpentino da 1,0–1,5 m² |
| Serpentino di integrazione da caldaia | ~0,5–1,0 m² per un bollitore familiare | Bollitore da 200–300 L |
| Serpentino per ACS da pompa di calore | ~0,25–0,3 m² per kW di potenza resa | Pompa di calore da 8 kW → serpentino da 2,5–3 m² |
| Serpentino igienico per ACS | Dimensionato sulla portata di punta | Inox corrugato, a tutta altezza dell'accumulo |
Il sottodimensionamento è il classico errore in campo: un serpentino troppo piccolo non riesce a trasferire tutta la potenza della sorgente, quindi la carica rallenta e la sorgente lavora a una temperatura più alta del necessario.
Perché le pompe di calore richiedono serpentini più grandi?
Lo scambio termico attraverso un serpentino è determinato dalla differenza di temperatura tra l'acqua primaria e l'acqua accumulata. Una caldaia a 80 °C che carica un bollitore a 60 °C ha una forza motrice di 20 K; una pompa di calore che produce acqua a 55 °C ne ha forse 5–10 K. Per trasferire la stessa potenza con un quarto della differenza di temperatura, il serpentino ha bisogno di una superficie diverse volte maggiore. Un serpentino sottodimensionato costringe la pompa di calore ad alzare la temperatura di mandata, e ogni 1 °C in più di temperatura di condensazione costa circa il 2–3% di COP (linee guida di progetto EHPA). Per questo i bollitori dedicati alle pompe di calore montano serpentini da 2,5–4 m², mentre i bollitori per caldaia si accontentano di circa 1 m².
Dove si trovano i serpentini nell'accumulo e perché è importante?
La posizione segue la stratificazione termica. Il serpentino solare si trova sul fondo, dove l'accumulo è più freddo, perché il rendimento del collettore aumenta nettamente quando il collettore riceve acqua fredda. Il serpentino della caldaia o della pompa di calore si trova nella zona medio-alta, in modo che il calore di integrazione riscaldi solo il volume di riserva anziché distruggere la zona fredda di cui ha bisogno il circuito solare. Il serpentino per l'acqua potabile di un accumulo igienico percorre quasi tutta l'altezza, sfruttando la scala delle temperature dall'ingresso freddo all'uscita calda. Nei bollitori smaltati per acqua potabile il serpentino viene smaltato insieme al recipiente ed è protetto dallo stesso anodo di magnesio. Solimpeks produce nel proprio stabilimento di Konya bollitori a singolo e doppio serpentino e accumuli igienici, adattando la superficie del serpentino al campo collettori o alla potenza della pompa di calore.
Domande frequenti
Qual è la differenza tra un bollitore a singolo serpentino e uno a doppio serpentino?
Un bollitore a singolo serpentino ha uno scambiatore per una sola fonte di calore, di solito una caldaia o una pompa di calore. Un bollitore a doppio serpentino aggiunge un secondo serpentino, più in basso, per i collettori solari, consentendo al solare di preriscaldare l'intero volume mentre il serpentino superiore completa il riscaldamento. Il doppio serpentino è la scelta standard per gli impianti solari per ACS.
Serpentino nell'accumulo o scambiatore a piastre esterno: quale è meglio?
I serpentini interni sono più semplici: nessuna pompa aggiuntiva, nessuna regolazione, nessun interstizio stretto soggetto a sporcamento. Gli scambiatori a piastre esterni trasferiscono molta più potenza a parità di ingombro e sono adatti ai grandi campi collettori e alle stazioni di produzione istantanea di acqua sanitaria. Per gli impianti residenziali, la risposta giusta è di solito il serpentino interno.
Un serpentino interno guasto può essere sostituito?
No: i serpentini sono saldati nel recipiente e non sono parti riparabili. I guasti sono rari perché il serpentino si trova nello stesso ambiente protetto del bollitore; se un serpentino si guasta, la soluzione pratica è uno scambiatore a piastre esterno o la sostituzione dell'accumulo.
Il serpentino distrugge la stratificazione quando è in funzione?
Un serpentino posizionato correttamente favorisce la stratificazione: il calore ceduto a un certo livello sale dolcemente fino allo strato corrispondente alla sua densità. I danni da rimescolamento derivano da ingressi diretti ad alta velocità, non dalle superfici dei serpentini.