La stratificazione è la naturale disposizione a strati dell'acqua calda sopra quella fredda all'interno di un accumulo: l'acqua a 60 °C è circa l'1,5% meno densa di quella a 20 °C, quindi galleggia. Un accumulo ben stratificato eroga dall'alto acqua alla temperatura piena e alimenta collettori solari o pompe di calore con l'acqua più fredda possibile dal basso; gli studi di simulazione riportano fino al 20% in più di resa solare con accumuli stratificati.
Che cos'è la stratificazione in un accumulo di acqua calda?
La stratificazione è la disposizione a strati di temperatura determinata dalla densità: l'acqua a 60 °C è circa l'1,5% più leggera di quella a 20 °C, quindi l'acqua calda galleggia stabilmente su quella fredda con una netta zona di transizione, il termoclino, tra le due. Se non viene disturbato, un accumulo alto si organizza da solo con una parte alta calda, una parte bassa fredda e un termoclino spesso pochi centimetri. La stratificazione è la fisica che lavora gratis: ogni scelta progettuale intorno a un accumulo la protegge oppure la distrugge.
Perché la stratificazione aumenta l'acqua calda utilizzabile?
Poiché i rubinetti prelevano dall'alto, un accumulo stratificato eroga acqua pronta per la doccia anche quando metà del suo volume è già fredda. Se si mescola completamente la stessa energia nell'accumulo, tutto diventa tiepido: un accumulo da 200 L con 100 L a 60 °C sopra 100 L a 10 °C serve subito le docce, mentre l'equivalente miscelato si trova uniformemente a 35 °C: stesso contenuto di energia, ma neppure una doccia utilizzabile fino al riscaldamento successivo. La stratificazione è quindi la variabile nascosta dietro quanta acqua calda utilizzabile fornisce davvero un bollitore e dietro il «ripristino» apparentemente rapido: un accumulo stratificato ricostituisce uno strato caldo utilizzabile in alto molto prima che l'intero volume sia riscaldato.
| Caratteristica | Accumulo stratificato | Accumulo completamente miscelato |
|---|---|---|
| Temperatura in uscita | Temperatura piena di accumulo finché il termoclino non sale | Temperatura media, in calo continuo |
| Acqua utilizzabile prima del riscaldamento | Elevata: lo strato caldo resta integro | Scarsa: tutto tiepido |
| Ritorno al collettore / alla pompa di calore | L'acqua più fredda dell'accumulo | Temperatura media |
| Rendimento del collettore solare | Più alto: l'ingresso freddo riduce le perdite | Più basso |
| COP della pompa di calore nella carica ACS | Più alto all'inizio della carica | Più basso per tutta la carica |
Perché gli impianti solari e a pompa di calore ne dipendono?
Entrambe le tecnologie sono sensibili, in termini di rendimento, alla temperatura dell'acqua che torna loro. Un collettore solare alimentato con acqua a 20 °C dal fondo di un accumulo stratificato lavora con un rendimento molto maggiore di uno alimentato con acqua miscelata a 45 °C, perché le perdite del collettore crescono con la differenza tra la temperatura dell'assorbitore e quella ambiente; i lavori dell'IEA Solar Heating and Cooling Programme sugli accumuli combinati hanno rilevato che accumuli ben stratificati possono aumentare la resa annua dell'impianto fino a circa il 20% rispetto agli accumuli miscelati, e la stessa logica fa salire la frazione solare raggiungibile. Anche una pompa di calore ne trae vantaggio: caricare contro lo strato freddo inferiore mantiene bassa la temperatura di condensazione, e il rendimento della pompa di calore cala di circa il 2–3% per ogni grado in più di temperatura di mandata. In un accumulo inerziale la stratificazione mantiene inoltre calda in alto l'acqua di mandata mentre il serpentino o gli attacchi di ritorno lavorano nella zona fredda: ecco perché la posizione del serpentino, spiegata in quale serpentino riscalda quale parte di un bollitore a doppio serpentino, è così importante.
Che cosa distrugge la stratificazione?
La velocità e un impianto idraulico sbagliato. Una carica o uno scarico ad alta portata lanciano l'acqua nell'accumulo e rimescolano gli strati: contano più le velocità d'ingresso dei volumi. Attacchi posizionati male immettono acqua calda in basso o acqua fredda in alto, scaricandola nello strato sbagliato. Un anello di ricircolo dell'acqua calda che rientra a metà accumulo cede continuamente acqua calda alla zona fredda, uno dei motivi per cui il controllo del ricircolo richiede cura. I nemici più lenti sono la conduzione verticale attraverso la parete d'acciaio, la circolazione naturale interna attraverso tubi di collegamento non isolati e qualsiasi pompa lasciata in funzione dopo che il differenziale di temperatura è venuto meno.
Quali caratteristiche progettuali proteggono la stratificazione?
I costruttori di accumuli difendono gli strati con geometria e componenti: un rapporto d'aspetto alto e snello (altezza almeno doppia del diametro) rende più profonda la stratificazione; diffusori d'ingresso e piastre deflettrici distribuiscono con dolcezza l'acqua in arrivo al livello di temperatura corrispondente; le lance di stratificazione fanno scivolare l'acqua di carica nel suo strato di densità; e più attacchi a quote diverse permettono a solare, pompa di calore e caldaia di lavorare ciascuno nella propria zona. Dal punto di vista operativo, si mantengano moderate le portate di carica e scarico, si isolino i tubi di collegamento e si colleghino i ritorni alla quota corrispondente alla loro temperatura; norme di prova come la EN 12977-3 esistono proprio per valutare quanto bene un accumulo conservi i propri strati.
Domande frequenti
Un accumulo alto e snello è meglio di uno basso e largo?
Per la stratificazione, sì. Un rapporto altezza/diametro di circa 2:1 o superiore dà al termoclino lo spazio per formarsi e riduce il rimescolamento, ed è per questo che i bollitori e gli accumuli inerziali di qualità sono alti e snelli anziché tozzi.
La stratificazione fa risparmiare energia?
Sì. Aumenta la quota utilizzabile del calore accumulato e consente a collettori solari e pompe di calore di lavorare con acqua di ritorno più fredda, dove sono più efficienti: gli studi sugli accumuli combinati solari riportano guadagni a livello di sistema fino a circa il 20% rispetto all'accumulo miscelato.
Un anello di ricircolo rovina la stratificazione?
Può farlo. Il ricircolo cede continuamente all'accumulo acqua raffreddata ma ancora tiepida; se rientra alla quota sbagliata o funziona giorno e notte, erode il termoclino e aumenta le dispersioni. Un controllo a tempo o in base alla richiesta ne limita i danni.
Come faccio a sapere se il mio accumulo si stratifica correttamente?
Tocchi la superficie dell'accumulo o controlli le letture delle sonde in alto e in basso durante un prelievo: un accumulo sano mostra una grande differenza di temperatura, con la parte alta che resta calda mentre quella bassa si raffredda. Un accumulo uniformemente tiepido dall'alto al basso si sta rimescolando.