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1. PREMESSA

Sono trascorsi sei anni da quando venne presentato alla stampa italiana (31.01.96) ed alla letteratura tecnica (ottobre 96) l'Ottimizzatore Catalitico di Combustione: si tratta di un elemento ceramico, di forma cilindrica, che si installa all'interno della camera di combustione in asse col bruciatore.

FIGURA 1: L'Ottimizzatore Catalitico di Combustione installato in una caldaia pressurizzata

  Nel frattempo sono state acquisite notevoli esperienze ed informazioni, sul suo modus operandi, che vogliamo qui descrivere.
  Il primo aspetto funzionale esaminato dallo scrivente (pubblicato su CDA e su La Termotecnica 10/96) consentì (ricorrendo alla Teoria del Corpo Nero di Stephan e Boltzmann ed alle osservazioni di Kirchhoff) una descrizione dell'interazione elettromagnetica tra superficie ceramica dell'Ottimizzatore e superficie metallica della camera di combustione.
  In tale descrizione si evidenziava come un accoppiamento elettromagnetico (inteso come la possibilità di scambio di energia radiante) tra due superfici metalliche affacciate, potesse subire un incremento del 64% (a parità di temperatura delle due superfici) qualora una delle due fosse stata sostituita da una superficie ceramica.
  Un primo tentativo teorico di descrivere l'andamento dei flussi energetici in caldaia in presenza dell'Ottimizzatore venne fatto dallo scrivente al 52° Congresso Nazionale dell'Associazione Termotecnica Italiana (1997 - V. Atti del Convegno pagg. 566 e segg.).
  Dopo questi anni di sperimentazioni e riflessioni, avendo raccolto molto materiale durante applicazioni in campo e prove di laboratorio, siamo in grado di capire meglio il meccanismo che consente all'Ottimizzatore l'ottenimento di risparmi energetici anche molto consistenti.

2. RENDIMENTO E RISPARMIO

  Le normative che si occupano di rendimento negli impianti termici per il riscaldamento di edifici sono molteplici, mentre non esiste una metodologia codificata per le misure di risparmio energetico.
  Su "L'Installatore Europeo" N° 2/99 abbiamo lanciato alcune idee sull'argomento col titolo di Misure di risparmio energetico con metodi non intrusivi; questi metodi permettono di apprezzare con buona approssimazione i risparmi comparando "in campo" i consumi energetici prima e dopo l'intervento di risparmio.
  L'opportunità di stabilire norme di questo tipo nasce dal fatto, solo in apparenza banale, che ha significato parlare di risparmio solo quando si è in presenza di uno spreco!
  Infatti, come vedremo tra poco, per realizzare risparmio è necessario scoprire quali sono le condizioni di funzionamento in cui c'è spreco: in quelle condizioni ci sarà spazio per un'azione di risparmio; altrimenti, dato un certo potere calorifico del combustibile, c'è il rischio di sentire proposte disinvolte ed "alla leggera" richiedenti rendimenti maggiori dell'unità per essere realizzate!
  Secondo le osservazioni sperimentali da noi fin qui effettuate le possibili azioni di risparmio (almeno per quanto riguarda l'Ottimizzatore Ceramico) sono significative solo su impianti funzionanti con frequenti regimi transitori di funzionamento (come avviene nella gran parte degli impianti a servizio climatico con bruciatori on/off, capaci di effettuare anche 30 o 40 mila partenze a stagione) e non in regimi stazionari.
  Per spiegare questo asserto scriviamo su di una tabella la sequenza dei rendimenti termici, riconoscibili nel sistema edificio/impianto, seguendo passo passo le norme UNI:

Simbolo	Rendimento	Tab. UNI	Valore Attendibile	Significato
	di combustione	10389; 6	0,92	Complemento all'unità delle perdite al camino
	utile	7936 10379	0,90	Tiene conto delle perdite termiche al camino ed al mantello
	di emissione	10348; 3.1.5	0,99	Tiene conto della bontà del sistema terminale
	di regolazione	10348; 3.1.6	0,98	Tiene conto delle perdite termiche dovute alla regolazione reale in confronto a quella "ideale"
	di distribuzione	10348; 3.1.7	0,96	Tiene conto delle perdite termiche nelle reti

Abbiamo omesso il Rendimento di Produzione (UNI 10348; 3.1.9) perché virtualmente compreso nei rendimenti sopra riportati.
In base a ciò per ottenere un valore attendibile delle perdite termiche di un impianto moltiplichiamo i rendimenti termici in cascata ottenendo quello che chiameremo Rendimento Termico Stagionale (RTS) del sistema edificio/impianto:

  A questo punto la UNI 10200 ci suggerisce un'osservazione che nell'economia del nostro discorso è fondamentale per giungere ad individuare la possibilità di risparmiare energia: infatti introduce il concetto di Rendimento Medio Stagionale (RMS) la cui definizione operativa si trova al punto 7.1.1: "Il RMS (con funzionamento al carico reale) dell'impianto di produzione del calore (per esempio caldaia) nel periodo di calcolo considerato è dato da:

  Q rappresenta la quantità di calore determinata tramite letture successive (iniziale e finale del periodo considerato) all'uscita dall'impianto di produzione del calore, G_C rappresenta la quantità di combustibile consumata nel medesimo periodo e P_C rappresenta, ovviamente, il potere calorifico inferiore del combustibile.
  In accordo con i valori convenzionali (piuttosto generosi, per la verità) del RMS riportati al punto 7.1.1.2 della 10200 la differenza tra RMS (che nella lista dei rendimenti è quello che, alla fine, determina a quale prezzo l'utente deve pagare l'energia per riscaldamento) ed il Rendimento Termico Stagionale dell'impianto di cui alla (1) è notevolissimo.
  Infatti le nostre numerose esperienze (come quelle di tanti termotecnici, quelli "veri", che passano ore nelle centrali termiche) gli RMS riscontrabili praticamente, sul campo, raramente giungono a valori del 60% e lo superano decisamente solo con caldaie modulanti premiscelate e/o a condensazione!
  E' proprio questa differenza (60% di RMS contro l'84% di RTS) che ci indica l'esistenza di uno spreco che, per le ragioni fin qui dette, non può essere attribuito ad una perdita termica, ma ad una perdita che, secondo le nostre osservazioni sperimentali, dipende da una combustione non ottimizzata soprattutto, come vedremo, nei regimi transitori di accensione!
  Bisogna osservare che, a fiamma spenta, va considerata anche la perdita termica di preventilazione (si possono considerare altre perdite come la perdita al camino, di cui si occupa la UNI 10348, e che potrebbe essere equiparata alla perdita per eccesso di aria a bruciatore acceso: si tratta di perdite termiche il cui ammontare si aggira intorno all'1%): con queste ipotesi la nicchia energetica di perdite "non termiche" su cui lavorare si può considerare praticamente (mediamente e salvo condizioni eccezionali) del 25%.

3. IL BRUCIATORE ON/OFF

  Quando un bruciatore è chiamato ad accendersi per 30./.40 mila volte in una stagione è soggetto, per altrettante volte, a dei transitori d'accensione in condizioni dinamiche completamente diverse da quelle con cui si determinano il Rendimento di Combustione ed il Rendimento Utile che sono rigidamente stazionarie (pena l'invalidità della prova).
  Infatti ad ogni partenza (pensiamo ad una caldaia pressurizzata con bruciatore on/off e regolazione termoclimatica compensata, come normalmente avviene negli impianti di riscaldamento degli ambienti) si verificano le seguenti condizioni:

- La temperatura dell'acqua è la più bassa di tutto il ciclo.
- La portata dell'acqua in caldaia è la più alta (la valvola miscelatrice a tre vie spilla dalla caldaia più acqua man mano che la
  temperatura media di caldaia diminuisce).
- Al risalire della temperatura dell'acqua si avrà una diminuzione dello spillamento d'acqua di caldaia ed una conseguente
  diminuzione di portata nella medesima.

  Si verifica, dunque, che la formazione della fiamma avviene nelle peggiori condizioni di un ciclo caratterizzato da un brevissimo periodo ed in un contesto di variabili continue che sono le responsabili di quella perdita per mancata combustione del 25%, ovvero dell' energia mancante all'appello.
  Che il periodo medio di accensione sia brevissimo lo dicono i numeri: considerando 35.000 partenze all'anno in una zona climatica da 180 giorni a stagione, per 14 ore al giorno, il periodo medio di accensione, prelavaggio compreso, è di circa 2 minuti primi (un ciclo comprende un periodo di accensione ed un periodo di spegnimento che, in prima approssimazione, riterremo uguali).
  Per fissare le idee osserviamo che un bruciatore monostadio da 100 m³/h di gas, compreso il tempo di prelavaggio, in due minuti brucia circa 3 m³ e supponiamo che tra l'apertura della valvola del combustibile, l'inizio della combustione e la stabilizzazione della fiamma trascorrano trenta secondi: possiamo ritenere incombusti 0,5 m³, ovvero circa il 20% del combustibile immesso.
  E' ovvio che questa perdita tende a zero se si adotta un bruciatore modulante ideale, in grado di limitare ad una quantità trascurabile il numero di accensioni stagionali.
  Sul come migliorare la combustione, soprattutto in regime transitorio, abbiamo notato (confortati anche da quanto fanno costruttori di caldaie e bruciatori), che se si delimita il volume in cui si produce la fiamma istituendo una vera e propria precamera di combustione, si raggiungono le condizioni di regime di buona combustione in tempi molto più brevi (e quindi si riducono in proporzione gli incombusti di cui stiamo parlando) grazie alla elevata densità media di energia radiante esistente all'interno della precamera stessa.

4. L'IRRAGGIAMENTO IN CAMERA DI COMBUSTIONE

  Nei primi studi sull'argomento (1996), avevamo notato che l'energia prodotta dalla fiamma assume due forme: radiazione (in parte assorbita direttamente dalla camera di combustione) e convezione (che i fumi trasmettono, come ci insegna la Fisica Tecnica, alle superfici di scambio).
  Sulla consistenza relativa delle quote i pareri sono discordi, ma noi siamo ancora del parere di attribuire alla forma radiante almeno il 30% ed alla forma convettiva il rimanente dell'energia prodotta dalla fiamma.
  Con l'aiuto della Fig. 2 vediamo come la radiazione agisca in una camera di combustione in lamiera di ferro: un raggio r, emesso dalla fiamma, incide sulla parete interna della camera di combustione; è soggetto ad una estinzione, per interazione con i gas che incontra, secondo una legge esponenziale

coefficiente di estinzione di un mezzo che si può definire semitrasparente, ed x la dimensione spaziale.
  In un primo tempo eravamo propensi a trascurare l'energia catturata e reirraggiata dai gas in combustione (scattering) ma, considerando l'opacità dei fumi all'avviamento (implicante un elevato coefficiente di estinzione, specialmente nei combustibili liquidi) e l'elevato valor medio della densità di energia elettromagnetica (J/m³) prodotta dalla fiamma (in una camera di combustione può essere di oltre due ordini di grandezza superiore alla densità di energia elettromagnetica del sole presente nella bassa atmosfera con cielo terso) ci sembra opportuno rivedere tale posizione in favore di un significativo effetto dello scattering nel favorire la riduzione del transitorio di accensione.
  Inoltre se guardiamo all'Ottimizzatore come ad una precamera, di forma opportuna (anche in grado di migliorare i giri di fumo), la densità media di energia elettromagnetica nel volume racchiudente la fiamma, fonte della radiazione, è ancor più elevata essendo inversamente proporzionale al volume stesso.
  Poiché l'Ottimizzatore è costituito da un cilindro di dimensioni lineari approssimativamente 1:5 rispetto alla camera di combustione, la densità di energia elettromagnetica è mediamente 5³ = 125 volte più intensa!

Figura 2: Interazione radiante tra fiamma e camera di combustione

   Induzione Magnetica nascono nella lamiera Correnti di Foucault che, per Effetto Joule, si tramutano in calore: la lamiera funge da resistenza elettrica.
  A causa dell'elevatissima frequenza delle correnti indotte esse sono soggette ad un Effetto Pelle (Skin Effect) che limita le correnti elettriche alla superficie interna della camera di combustione: da lì, per conduzione, il calore raggiunge il lato bagnato della camera.
  La radiazione riflessa, che contribuisce a costituire ciò che a suo tempo chiamammo radiazione parassita, riempie l'intero volume della camera di combustione interagendo con il suo contenuto come visto poc'anzi.
  Corollario importante di queste osservazioni è che la precamera non impedisca all'energia radiante emessa dalla fiamma di giungere alla camera di combustione: dobbiamo, a questo proposito, riprendere la teoria iniziale che comparava lo scambio di energia radiante tra metallo e metallo e quello tra ceramica e metallo (CDA 10/96, La Termotecnica 10/96).
  In tale studio si evidenziava che il caso ceramica/metallo consente un vantaggio, nella trasmissione dell'energia radiante, del 64%.
  Questo si otteneva applicando il Coefficiente di Mutuo Irraggiamento che abbiamo usato nella seguente forma:

Carburo di Silicio).

  Infatti dalla (2) si ottiene che

significa che l'Ottimizzatore Ceramico, oltre a fungere da precamera, non ostacola ed è praticamente trasparente alla radiazione che dalla fiamma incide sulla camera di combustione!

FIGURA 3: Inserzione di Ottimizzatore Ceramico in camera di combustione

  Nella Fig. 3 si vuole evidenziare le caratteristiche del sistema fiamma/Ottimizzatore/caldaia: va sottolineato che la trasformazione della radiazione di combustione (che è limitata alle frequenze che caratterizzano la formazione di CO₂ e di H₂O) in radiazione di Corpo Nero rappresenta certamente un fatto in grado di incrementare le Correnti di Foucault poiché, a parità di temperatura di emissione, la radiazione di Corpo Nero ha il contenuto energetico massimo (notiamo che l'Ottimizzatore trasforma in energia radiante anche quella parte di calore che acquisisce per adduzione dai fumi a regime).
  La trasparenza elettromagnetica e l'effetto di Corpo Nero spiegano la maggiore efficacia delle precamere ceramiche rispetto a quelle metalliche.
  Esistono bruciatori che lavorano per sola radiazione, adottano opportune testate ceramiche e realizzano degli RMS elevatissimi: l'irraggiamento ha efficacia istantanea (la formazione delle Correnti di Foucault non è soggetta ad inerzie di sorta) e contribuisce a mantenere libere le superfici da pericoli di condensa anche a basse temperature dell'acqua.
  Nella Fig. 4 rappresentiamo in modo riassuntivo i flussi energetici, come sopra descritti, in una sistema edificio/impianto caratterizzato da un RMS del 60% senza Ottimizzatore.

FIGURA 4:  Flussi energetici senza Ottimizzatore

  Rispetto agli analoghi diagrammi di flusso energetico pubblicati negli Atti del Convegno Nazionale ATI (di cui a paragrafo 1 e ripresi da "L'Installatore Europeo", paragrafo 2) qui si hanno interessanti novità concettuali: ad esempio si introduce il Rendimento Medio Stagionale, al posto del Rendimento Termodinamico del gruppo termico, ottenendo una più convincente teorizzazione dei fenomeni associabili all'Ottimizzatore Catalitico di Combustione.
  Nella Fig. 5 si mostra l'effetto dell'Ottimizzatore nel caso venga installato senza riduzione della portata di combustibile: si sono evidenziati i guadagni nella fascia delle perdite per incombusti; inoltre, d'accordo con quanto appena osservato e come l'esperienza consente di inferire, si sono considerati anche dei benefici (per quanto modesti) sui rendimenti termici di produzione se non altro in considerazione del parziale ricircolo dei fumi e dell'effetto catalitico del Carburo di Silicio.

FIGURA 5: Flussi energetici con Ottimizzatore e senza riduzione di combustibile

Nel caso l'installazione dell'Ottimizzatore sia accompagnata da una riduzione di portata del combustibile (caso specificamente previsto dalle regole di buona installazione) si ha un maggior effetto sul rendimento termico di produzione se non altro per la diminuzione che si ottiene nella temperatura dei fumi: di questo rende conto la Fig. 6.

FIGURA 6: Flussi energetici con Ottimizzatore e con riduzione di combustibile

5. CONCLUSIONE

  Il concetto di risparmio energetico è strettamente associato a quello di spreco: non può esistere il primo se non esiste il secondo.
  Le prove su gruppi termici strumentati dimostrano che in regime stazionario, con Rendimenti Utili eccellenti, non c'è nulla da risparmiare, mentre quando il regime di prova è quello di un gruppo termico, in funzionamento reale, il risparmio è possibile e può essere consistente: lo spreco su cui lavorare è la differenza tra RTS ed RMS (15./.30%). Quanto di questo spreco sia recuperabile dipende, come visto, dall'interazione Ottimizzatore/caldaia/impianto/edificio.
  Il modo di applicazione più consigliabile per gli Ottimizzatori Catalitici di Combustione è senz'altro quello che contempla anche la riduzione della portata di combustibile: se l'operazione è accompagnata da una rigorosa messa a punto del gruppo termico si possono avere i benefici aggiunti più volte auspicati nelle precedenti pubblicazioni sul tema e che il lettore può facilmente immaginare (un pensiero: quanto sono sovradimensionati i gruppi termici che normalmente si trovano nelle installazioni per riscaldamento ambienti?!).
  Da ultimo, last but not least, si pensi all'incidenza cha ha sulla qualità dell'ambiente il miglioramento della qualità e della quantità delle emissioni.
  Si noti che è opportuno tendere, oltre alla diminuzione degli incombusti, anche a temperature di fiamma il più basse possibili al fine di minimizzare l'ossidazione dell'Azoto: a questo scopo è necessario incrementare la quota di energia radiante emessa dalla fiamma rispetto a quella posseduta dai fumi; quando si ottiene questo si può notare uno spostamento del colore della fiamma stessa verso il violetto ("fiamma blu": indica che si favorisce l'emissione di quanti di energia radiante a maggior contenuto energetico).
  Le caldaie a basso NO_x di alcuni costruttori sono, d'accordo con quanto fin qui osservato, dotate in fabbrica di precamera (anche se di acciaio inox, e non ceramica, per evidenti ragioni di economia costruttiva, fissaggio e trasportabilità).
  Il problema fondamentale (che, purtroppo, molti venditori di prodotti spesso presentati con parole miracolistiche, senza adeguati supporti scientifici, non capiscono) è la misura del risparmio energetico che, in sintesi, si può ridurre alla determinazione della differenza di Consumo Specifico dell'edificio tra prima e dopo l'intervento mirante al risparmio energetico: ad esempio tale misura può essere espressa in m³/kJ (oppure m³/gradogiorno) per i combustibili gassosi o kg/kJ (oppure kg/gradogiorno) per i combustibili liquidi.
  Sulle misure di risparmio energetico rimandiamo, chi fosse interessato, a quanto da noi già pubblicato su "L'Installatore Europeo" 2/99, già citato (si può farne un download al sito tecnolineitalia.it), tenendo in particolare considerazione le osservazioni ivi riportate circa l'uso (e l'abuso) del Wattorometro.

Riassunto

  L'eterno problema del risparmio energetico, con particolare riferimento al riscaldamento di ambienti, vede impegnato l'A. da molti anni.
  Gli avvenimenti vissuti nel frattempo, sullo sfondo di un incredibile disinteresse reale per il problema (a dispetto dei fiumi di parole che tecnici e laici profondono sull'argomento), consentirebbero, a qualche arguto romanziere, la descrizione di personaggi e situazioni insospettabili per la loro tragicomicità.
  Si va dalla disponibilità di persone aperte alle novità alla petulanza dei tuttologhi che rifiutano le idee nuove, a volte ardite, che sono la premessa essenziale per il progresso nella conoscenza.
  In questo articolo si insiste su di un concetto ovvio, ma sostanzialmente ignorato: il concetto di risparmio va associato indissolubilmente a quello di spreco.
  Si sviluppa, quindi, una ricerca (per la verità molto elementare) che mira ad individuare "dove" sono gli sprechi per capire in quali condizioni si può pensare con serietà di ottenere risparmi.
  Poiché è la teoria che deve seguire il fenomeno (e non viceversa come qualcuno rimasto all'armamentario de "Il piccolo Fisico" ancora crede) l'A. ritiene di avere compiuto almeno un passo avanti per eliminare le ambiguità (ed anche le assurdità) che vengono regolarmente propinate nella presentazione di prodotti miracolistici, ponendo dei limiti teorici (associati a condizioni al contorno da verificare in ogni caso pratico) alle reali possibilità di risparmio energetico.
  Infatti lo studio dell'Ottimizzatore Catalitico di Combustione consente di trarre conclusioni di principio valide per la totalità dei sistemi che si propongono il medesimo obiettivo.
  Un invito ai giovani: sappiate ascoltare le cose nuove, anche se apparentemente inspiegabili, ricordando la sostanza dell'insegnamento del Maestro del pensiero scientifico moderno, Galileo, che si può così condensare: "L'Esperienza è la regina di ogni Scienza".