Reintegro e mantenimento in temperatura delle vasche natatorie

Come ben noto ai gestori, una quota consistente del fabbisogno energetico complessivo di una piscina è legato alla necessità di mantenere “in temperatura” le masse d’acqua e d’aria presenti nell’impianto. Questa necessità produce un costo di gestione fisso, relativamente stabile nel tempo, che può essere quantificato e parzialmente abbattuto, a patto di conoscerne con buona approssimazione le dinamiche e l’entità complessiva.

Con particolare riguardo al fabbisogno energetico per il mantenimento della temperatura delle vasche, occorre considerare una molteplicità di elementi non immediatamente evidenti e spesso difficilmente quantificabili con precisione.

Con le dovute semplificazioni[1] potremmo dire che, dal punto di vista teorico, una massa d’acqua contenuta in una vasca tende a disperdere calore attraverso tre modalità differenti.

In sintesi potremmo dire che si hanno:

Dispersioni per convezione e conduzione: sono le perdite di energia che avvengono mediante il contatto tra acqua e aria sopra la superficie, tra acqua e pareti della vasca, attraverso i materiali che compongono le pareti stesse, e mediante il contatto tra le pareti ed il terreno o altri locali posti attorno alla vasca.

Dispersioni per irraggiamento: ossia tramite la propagazione di calore sotto forma di onde elettromagnetiche tra la superficie dell’acqua e i corpi freddi che la superficie dell’acqua “vede”: tipicamente il soffitto, le vetrate o i muri, oppure il cielo.

Dispersioni per evaporazione: una certa quantità d’acqua, dipendente da diverse condizioni ambientali, passa dallo stato liquido alla stato gassoso sottraendo energia alla massa di liquido contenuta nella vasca.

A queste forme di dispersione, che concorrono solitamente a far perdere temperatura al bacino anche in assenza di ricambi d’acqua, va aggiunta la perdita di temperatura dovuta alle immissioni di acqua nuova, reintegrata in quota variabile necessariamente ogni giorno.


[1]In realtà una componente di irraggiamento è presente nelle dispersioni attraverso parete, come una componente convettiva è presente al pelo libero tra acqua ed aria. Non va dimenticato che con gli stessi meccanismi con i quali avviene la dispersione possono, a certe condizioni, verificarsi degli apporti positivi al sistema.

:IT;mso-fareast-language: AR-SA;mso-bidi-language:AR-SA’>[1]In realtà una componente di irraggiamento è presente nelle dispersioni attraverso parete, come una componente convettiva è presente al pelo libero tra acqua ed aria. Non va dimenticato che con gli stessi meccanismi con i quali avviene la dispersione possono, a certe condizioni, verificarsi degli apporti positivi al sistema.

 

 


[1]In realtà una componente di irraggiamento è presente nelle dispersioni attraverso parete, come una componente convettiva è presente al pelo libero tra acqua ed aria. Non va dimenticato che con gli stessi meccanismi con i quali avviene la dispersione possono, a certe condizioni, verificarsi degli apporti positivi al sistema.

 

Per quanto riguarda la modalità di dispersione per conduzione occorre dire che questa è influenzata dalla geometria dello scafo (estensione delle superfici e forma), dal tipo di materiale impiegato per la costruzione di fondo e pareti, dal tipo di “contorno” esistente (tipo di terreno, presenza di eventuali cavedi o altri locali adiacenti allo scafo).

Per quanto riguarda i materiali[1] si può passare da una trasmittanza molto bassa come quella di 0,20-0,40 [W/(mq K)] che si ottiene con le pareti costruite con casseri in “polistirolo”, ad una trasmittanza di 0,60-1,0 [W/(mq K)] per le pareti in calcestruzzo, sino a circa [2-2,5 W/(mq K)] per le più semplici pareti in pannelli di lamiera rivestite da telo in pvc. In ogni caso una volta scelti i materiali e realizzata la piscina è assai difficile apportare modifiche alle strutture per abbattere eventualmente questo tipo di dispersioni. Va ricordato inoltre che le perdite di calore per conduzione dell’intero edificio piscina di solito incidono solo nella misura del 25-30% dell’intero fabbisogno[2] dello stabile, ancora meno se riferite al bilancio energetico della sola vasca.

Le perdite di calore per convezione, risentono del moto relativo dei fluidi tra loro (aria e acqua) e tra questi e le pareti e dalla differenza delle temperature, oltre che dalla superficie di contatto.

Le perdite di calore per irraggiamento, che seguono la legge di Stefan-Boltzman, dipendono dalla differenza tra la quarta potenza delle temperature delle superfici, da fattori geometrici riguardanti la forma e la qualità superficiale dei corpi emittenti, e dagli angoli di “vista” tra questi. Questa modalità di dispersione risulta assai importante nelle piscine scoperte, specialmente nelle notti fredde con cielo sereno, nelle quali la superficie della vasca “vede” la fredda volta celeste.

La modalità di dispersione solitamente più importante (sicuramente la più importane negli impianti coperti) a livello quantitativo è quella dovuta all’evaporazione. Una parte d’acqua evapora dalla vasca e nel passare allo stato gassoso  “porta con sé” una quantità di energia molto consistente. Si pensi che per alzare la temperatura di un Kg di acqua di un grado è necessaria una quantità di energia pari a 1 kcal, mentre per fare evaporare un Kg di acqua  servono circa 580 kcal.

Per determinare la quantità di acqua che evapora -e quindi le dispersioni evaporative- si ricorre alla relazione empirica di Carrier[3] semplificata (valida se la velocità dell’aria è contenuta tra 0,05 e 0,15 m/s, come dovrebbe accadere, anche per questioni di comfort, nelle piscine coperte).

 


[1]Calcolati sulla base dei dati riportati da N. Rossi “Manuale del Termotecnico” , Hoepli (2009)

[2] F.Asdrubali “A scale model to evaluate water evaporation from indoor swimming pools” Energy and Buildings 41 (2009) , reperibile su www.elesvier.com

[3] L’equazione di Carrier nella forma estesa e semplificata è riportata nel “Manuale del Termotecnico”, cap  35.11

 

W= 4 ∙(10ˣ-5)∙A∙ (pw-pa) ∙Fa

W: portata acqua evapora [kg/s]

0,00004: costante empirica [s/m]

A: superficie vasca [m²]

pw: pressione di saturazione del vapore alla T della superficie dell’acqua. [kPa]

pa: pressione di saturazione del vapore alla T di rugiada dell’ aria ambiente. [kPa]

Fa: fattore di attività che varia da 0,5 a 1,5 a seconda dell tipo di uso della vasca. [Adim.]

 

(Si richiede l’uso delle tabelle delle proprietà termodinamiche dell’acqua e del diagramma psicrometrico per il calcolo della t di rugiada ambiente).

 

Alcuni esempi di calcolo delle portate di evaporazione e delle dispersioni termiche, stimate sulla base dell’equazione di Carrier, sono disponibili nelle tabelle successive; sono stati esaminati i casi di vasche con acqua a temperatura di 28, 30 e 32°C con temperature dell’aria comprese tra -2 e +1°C rispetto alla temperatura dell’acqua, e con tre livelli di umidità relativa (50,60 e 70%) per ogni caso esaminato. Per i coefficienti di attività, questi sono stati adattati considerando vasche con diverse tipologie e livelli di utilizzo. Le dispersioni e le portate di evaporazione si intendono riferite alla superficie unitaria di 1 m².

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Nota: le tabelle esposte determinano in via teorica le dispersioni evaporative delle vasche coperte, qualora la velocità dell’aria sia contenuta tra 0,05 e 0,15 m/s. I risultati dei calcoli esprimono  approssimativamente i carichi termici per il solo mantenimento in temperatura delle vasche e non sono utili al dimensionamento degli scambiatori (solitamente sovradimensionati sul carico di regime e  calcolati per soddisfare le esigenze di riscaldamento in 24/48h dell’intero volume della vasca fredda al riempimento stagionale)

p> [1]Calcolati sulla base dei dati riportati da N. Rossi “Manuale del Termotecnico” , Hoepli (2009)

 

[1] F.Asdrubali “A scale model to evaluate water evaporation from indoor swimming pools” Energy and Buildings 41 (2009) , reperibile su www.elesvier.com

[1]  L’equazione di Carrier nella forma estesa e semplificata è riportata nel “Manuale del Termotecnico”, cap  35.11

 

 

Consultando le tabelle ci si può attendere, per una piscina dalla superficie di 400 m², con acqua a 28°C, temperatura dell’aria a 27°C e umidità relativa 60%, una portata di evaporazione a piscina ferma pari a 47,5 l/h e una dispersione evaporativa di circa 32 kW;

Nella stessa situazione termoigrometrica ma con piscina frequentata si avrà una evaporazione stimata di 95 l/h e una dispersione per via evaporativa che produce un carico termico di ca. 65 kW.

Passando dalla teoria alla pratica, dovendo gestire un impianto già costruito, potremmo valutare in modo semplice l’entità delle dispersioni complessive, senza perdere troppo tempo in calcoli spesso complessi e talvolta dibattuti nelle metodologie anche a livello accademico[1].

Per farlo considereremo per praticità le dispersioni di energia in due grandi classi:

Le perdite di temperatura dovute alle immissioni di acqua nuova (per reintegro) e le dispersioni per conduzione –convezione – irraggiamento ed evaporazione (quelle attribuibili al solo mantenimento in temperatura della vasca).

 

[1] Si pensi alle molte equazioni proposte in alternativa alla formula di Carrier per la stima del carico evaporativo. Per una rassegna critica delle equazioni proposte si veda:

F.AsdrubaliA scale model to evaluate water evaporation from indoor swimming pools

Energy and Buildings Vol. 41 (2009) , reperibile su www.elsevier.com.

C.C. Smith, G. Löf, R. JonesMeasurement and analysis of evaporation from an inactive outdoor swimmingpool

Solar Energy Vol 53, (1994), reperibile su www.elsevier.com.

Ernani Sartori “A CRITICAL REVIEW ON EQUATIONS EMPLOYED FOR THECALCULATION OF THE EVAPORATION RATE FROM  FREE WATER SURFACES” Solar Energy Vol. 68, (2000), reperibile su www.elsevier.com

 

Perdite per immissione di reintegro.

 

Quanta energia e quanto combustibile per il riscaldamento perdiamo ad ogni reintegro, ad esempio dopo i consueti lavaggi dei filtri?

Nella normalità dei casi l’acqua di reintegro proveniente da pozzo o da acquedotto può avere una temperatura compresa tra 12 e 15 °C, sensibilmente più bassa di quella che si deve mantenere in vasca. Per compensare l’abbassamento di temperatura il sistema regolatore-scambiatore-caldaia dovrà fornire energia all’acqua, con conseguente funzionamento del generatore di calore e consumo di combustibile. La tabella che segue illustra a titolo esemplificativo la quantità di combustibile impiegato per portare in temperatura un metro cubo d’acqua (si sono ipotizzati vari differenziali di temperatura reintegro-vasca). La tabella costituisce solamente una linea guida, una analisi puntuale dovrebbe essere eseguita per ogni impianto, considerando i rendimenti specifici e altre condizioni.

 

ΔT [°C]

15

16

17

18

19

20

E [kJ/m³]

Fabbisogno energetico per il riscaldamento, al variare del ΔT

62790

66976

71162

75348

79534

83720

Volume di  Metano consumato
per m³ d’acqua reintegrato [Smc]

2,169

2,314

2,459

2,603

2,748

2,893

Costo metano
per riscaldamento
acqua reintegro
[€ metano per ogni

m³ acqua cambata ]

1,30

1,39

1,48

1,56

1,65

1,74

 

Tab. consumi combustibile e costi per reintegro acqua vasche.

Combustibile: metano;  P.C.I.: 34050 kJ/Smc;  C: 4,186 kJ/kg°C; η (impianto e generatore): 0,85; costo metano: 0,6 €/Smc

la costituisce solamente una linea guida, una analisi puntuale dovrebbe essere eseguita per ogni impianto, considerando i rendimenti specifici e altre condizioni.

 

A titolo esemplificativo, dai dati in tabella si ha che un ipotetico  impianto natatorio con una vasca a

temperatura di esercizio 28°C, con acqua di reintegro alla temperatura di 13°C, (ΔT=15°C),

con un reintegro giornaliero di 20 mc d’acqua,

avrà un fabbisogno energetico dovuto al reintegro pari a

62790 x 20 = 1255800 kJ,

fabbisogno soddisfatto dalla combustione di (2,169 x 20=) 43,4 Smc di metano,

con un costo medio giornaliero di( 1,30 x 20=)  26 €

 

Per valutare invece le dispersioni e i costi imputabili al mantenimento in temperatura (dispersioni evaporative e altre dispersioni) sono necessarie alcune semplici operazioni (da eseguire con cognizione di causa, in modo da non danneggiare impianti e componenti).

Per poter fare questa stima è necessario interrompere per un periodo sufficientemente lungo di tempo l’apporto di energia da parte del sistema di riscaldamento. Tipicamente si può isolare lo scambiatore di calore (lo si può fare in diversi modi: agendo sulle valvole di by-pass, programmando il regolatore su una temperatura molto bassa, oppure spegnendo il circolatore dal lato primario del circuito di riscaldamento[1]).

Il momento migliore per fare queste operazioni può essere il giorno precedente allo svuotamento periodico della vasca.

 

[1] N.b. Verificare con il proprio tecnico impiantista quale sia la misura più adatta da adottare. Queste manovre, se eseguite in modo non corretto possono causare danni agli impianti!

Operazione

Note

Misura T iniziale

Media di almeno 4 misure in punti diversi della vasca

con termometro (accuratezza minima 0,1 °C)

Nota: attendere tempo congruo con la costante di tempo dello strumento prima di accettare la misura.

 

Sospensione

dell’apporto termico

(isolamento circuito scambiatore almeno 24h)

Mantenere invariate le altre funzionalità: ricircolo dell’acqua e  ricircolo dell’aria di vasca.

Nota: attenersi alle istruzioni del tecnico abilitato per effettuare le manovre sulle valvole dello scambiatore o sui regolatori.

 

Misura T finale

Media di almeno 4 misure

in punti diversi della vasca

con termometro (accuratezza minima 0,1 °C)

Nota: effettuare le misure di temperatura come  per le misure iniziali.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Una volta disponibili i dati di temperatura prima e dopo la sospensione dell’apporto di calore da parte dello scambiatore, si potrà calcolare un valore di stima delle dispersioni energetiche della vasca. (Eventuali unità di trattamento aria a recupero termico che trasferiscano all’acqua di vasca parte dell’entalpia sottratta all’aria in espulsione non dovrebbero essere escluse durante la prova perché di fatto costituiscono un apporto normalmente presente nel normale funzionamento dell’impianto, ove questo sia dotato del sistema menzionato).

Di seguito una tabella per la valutazione delle dispersione sulla base del ΔT.

 

 

T
iniziale

T
finale

ΔT

Massa
Acqua

Calore
spec.

Energia
dispersoni

Tempo

Potenza
disp.

 

[°C]

[°C]

[°C]

[kg]

[kJ/kg°C]

[kJ]

[s]

[kW]

 

Misura

1

Misura 2

Misura 1 –
Misura 2

Volume vasca
* 1000

4,186

ΔT*massa acqua*Cal. Sp.

Tempo

tra le misure
in secondi

Energia disp. /
Tempo

V 1

28,8

28,1

0,7

700000

4,186

2051140

86400

23,7400463

V 2

32,6

30,8

1,8

135000

4,186

1017198

86400

11,773125

 

[1] N.b. Verificare con il proprio tecnico impiantista quale sia la misura più adatta da adottare. Queste manovre, se eseguite in modo non corretto possono causare danni agli impianti!

 

erano T ambente 27°C e U.R. 50%; le condizioni termo igrometriche della vasca 2 (135 mc, 120 mq) erano T ambiente 30 °C e U.R. 60%.

Si può notare come, confrontando il dato empirico con le stime fatte sulla base della equazione di Carrier, emergano conclusioni piuttosto diverse:

Secondo il dato empirico la vasca 1 ha dato luogo a una dispersione dell’entità di circa 23 kW, mentre il dato stimato con la formula di Carrier per le condizioni ambientali in esame portano considerare approssimativamente 0,0983 kW/m² cioè circa 40 kW complessivi.

Analogamente la vasca 2 secondo la constatazione empirica ha una dispersione di circa 12 kW, mentre secondo Carrier: 0,1063 kW/m², cioè circa 14 kW, dato più in linea del precedente ma che probabilmente sovrastima la dispersione reale[1].

 

Negli esempi portati, disponendo del dato relativo alla quantità di energia dispersa, si può procedere analogamente ad una stima del relativo consumo di combustibile necessario per il mantenimento della temperatura. Analogamente a quanto considerato per il fabbisogno per reintegro si ha:

 

[1] Questa circostanza da noi riscontrata, pur non costituendo una analisi qualitativamente attendibile, sarebbe in linea con le considerazioni del Prof. Asdrubali che, nel citato articolo, propone delle correzioni alla formula di Carrier basate anche sul l’analisi svolta su un modello in scala. Secondo numeros autori la formula di Carrier porterebbe a sovrastimare le dispersioni per evaporazione.

t>Energy and Buildings Vol. 41 (2009) , reperibile su www.elsevier.com.

 

C.C. Smith, G. Löf, R. JonesMeasurement and analysis of evaporation from an inactive outdoor swimmingpool

Solar Energy Vol 53, (1994), reperibile su www.elsevier.com.

Ernani Sartori “A CRITICAL REVIEW ON EQUATIONS EMPLOYED FOR THECALCULATION OF THE EVAPORATION RATE FROM  FREE WATER SURFACES” Solar Energy Vol. 68, (2000), reperibile su www.elsevier.com

 

 

 

Energia
Dispersioni

Equivalente
Consumo Metano

Costo
per Metano

V1

2051140

70,87

42,5

V2

1017198

35,15

21,1

 

Tab. consumi combustibile per mantenimento temperatura vasche.

Combustibile: metano;  P.C.I.: 34050 kJ/Smc;  C: 4,186 kJ/kg°C; η (impianto e generatore): 0,85; costo metano: 0,6 €/Smc

 

Considerando che le stesse vasche hanno un consumo per reintegro pari a 20 mc/giorno (V1) e 5 mc/giorno (V2), con una T di reintegro di 13 gradi si ha, secondo quanto già descritto:

 

 

Consumi (mc metano)

Costi (€)

 

Mantenimento

Reintegro

Mantenimento

Reintegro

Tot

V1

70,9

43,4

42,54

26,04

68,58

V2

35,2

13,7

21,12

8,25

29,37

Tot/die =

97,95

Si considerano le assunzioni fatte per le stime precedenti.

 

Dalle tabelle esposte negli esempi trattati, deriva una esemplificativa ripartizione dei costi di gestione, come evidenziato nei grafici seguenti:

 

 

[1] Questa circostanza da noi riscontrata, pur non costituendo una analisi qualitativamente attendibile, sarebbe in linea con le considerazioni del Prof. Asdrubali che, nel citato articolo, propone delle correzioni alla formula di Carrier basate anche sul l’analisi svolta su un modello in scala. Secondo numeros autori la formula di Carrier porterebbe a sovrastimare le dispersioni per evaporazione.

 

 

 

Conclusioni

Da quanto sopra esaminato, pur con le necessarie semplificazioni e con le imprecisioni concesse ad una ricerca condotta “in proprio”, emerge chiaramente l’importanza delle voci di spesa legate al mantenimento in temperatura e al reintegro dell’acqua nelle vasche natatorie. Questa riflessione vorrebbe contribuire a muovere gestori, progettisti ed enti pubblici alla ricerca di soluzioni che rendano più sostenibile, dal punto di vista economico ed ambientale, la conduzione degli impianti natatori, sempre più difficile in un quadro di incremento dei costi energetici. Molte sono le soluzioni tecnologiche che possono concorrere alla riduzione dei costi in esame.

La prima strategia -e sicuramente la più diffusa- consiste nella applicazione di teli di copertura sulla superficie delle vasche nelle ore di non utilizzo. I teli di copertura, più o meno  dotati di capacità isolanti e più o meno trattati per risultare igienicamente idonei, a seconda dei modelli, forniscono una buona limitazione alle dispersioni evaporative e (se isolanti) anche alle dispersioni di natura radiante e conduttiva. Sicuramente il loro uso risulta economicamente vantaggioso, tuttavia bisogna ricordare che l’applicazione della copertura può incidere negativamente sulla “chimica della vasca”. In effetti la frapposizione del telo tra superficie dell’acqua e aria limita (oltre che l’evaporazione) anche il naturale strippaggio delle clorammine (specialmente la di- e tri- clorammina), che tenderanno ad accumularsi nell’acqua nelle ore in cui  questa è coperta, per poi liberarsi repentinamente in fase aerea nel momento in cui si toglie la copertura.

Un altro sistema per il risparmio energetico  diffuso ed efficace è costituito dall’impiego di unità di trattamento aria, in grado di recuperare l’energia che l’aria ha sottratto all’acqua, per restituirla all’aria in ingresso o all’acqua stessa. Sostanzialmente questi sistemi riescono a recuperare grossa parte dell’entalpia presente nell’aria di vasca al momento della sua espulsione. Il sistema riesce a trasferire l’energia presente nell’aria, mediante recuperatori statici e batterie servite da gruppi frigoriferi, cedendola all’aria nuova immessa nell’impianto o all’acqua delle vasche. Se il sistema è ben dimensionato riesce a condensare buona parte del vapore acqueo presente nell’aria espulsa e in questo modo riesce a rendere all’ambiente interno il calore latente di vaporizzazione che è stato perso dalla vasca per evaporazione. Questi sistemi sono sicuramente vantaggiosi ma prevedono un investimento iniziale consistente, specie per le macchine meglio realizzate e dalle performance più elevate. Il costo iniziale spesso scoraggia il gestore o il committente, nonostante gli indubbi benefici gestionali ottenibili con l’impiego di queste moderne u.t.a.

Altri sistemi che prevedono la limitazione dei consumi energetici delle vasche, agiscono tendendo a ridurre l’energia dispersa con il ricambio d’acqua. Sostanzialmente si tratta di sistemi che temi che prevedono la limitazione dei consumi energetici delle vasche, agiscono tendendo a ridurre l’energia dispersa con il ricambio d’acqua. Sostanzialmente si tratta di sistemi che prevedono un recupero del calore dell’acqua giornalmente eliminata dalla vasca, calore che viene ceduto all’acqua di reintegro. Questi sistemi possono essere realizzati con semplici  scambiatori di calore o con pompe di calore acqua-acqua e quasi sempre prevedono la realizzazione di un vaschino di accumulo. Solitamente questi sistemi prevedono che una  portata costante d’acqua venga spillata dalla vasca, vada a riscaldare -tramite scambiatore o pompa di calore- una eguale portata d’acqua che reintegra quella tolta dalla vasca, e venga successivamente stoccata per successivi usi tecnici (come il contro lavaggio dei filtri). Il sistema è efficace, tuttavia deve essere realizzato con opportuni accorgimenti, che evitino avarie (incontrollate perdite d’acqua, mancato scambio di calore) e che garantiscano una buona igiene (l’acqua recuperata e impiegata per i lavaggi deve essere stoccata adeguatamente, in modo da non dare problemi di ordine chimico o batteriologico).

Naturalmente accanto a questi sistemi “di recupero” dell’energia dispersa, si può agire anche individuando i sistemi migliori per produrre energia ad alta efficienza (caldaie a condensazione, pompe di calore, generatori con pompe di calore ad assorbimento integrate, collettori solari…).

Non sprecare e produrre ciò che serve a basso costo è la strategia essenziale per sopravvivere -energeticamente parlando- ai giorni nostri!

Una buona politica per lo sviluppo delle infrastrutture sportive dovrebbe obbligare costruttori e gestori a percorrere queste vie di sostenibilità e nello stesso tempo dovrebbe intervenire per agevolare  e rendere possibile finanziariamente la realizzazione di progetti volti ad ottenere benefici energetici ed ambientali con ricadute positive per tutta la collettività.

S.R.   [email protected]