Le tecnologie legate al risparmio energetico hanno trasformato i serbatoi di accumulo di acqua calda e fredda in punti di convergenza di diverse soluzioni. Sfruttare la stratificazione significa riuscire a tenere l’acqua in temperatura più a lungo
La stratificazione termica nei serbatoi contenenti acqua calda o acqua gelida, dove la temperatura deve restare il più possibile costante, è stata ed è tuttora oggetto di approfonditi studi. La stratificazione termica è un fenomeno fisico noto da tempo e particolarmente evidente nei bacini naturali (pozze e stagni) e nei serbatoi statici.Quando l’acqua si raffredda il suo volume diminuisce, quando si riscalda il suo volume aumenta con conseguenti variazioni della densità; i serbatoi di accumulo a stratificazione sfruttano queste differenze. L’acqua calda e l’acqua fredda si comportano come liquidi distinti e, pur essendo nel medesimo contenitore, si separano: l’acqua calda si concentra nella parte alta del serbatoio, quella fredda si sposta verso il basso.
È pertanto possibile avere a disposizione acqua molto calda o molto fredda prelevata da un serbatoio sistematicamente rabboccato con acqua a temperatura diversa (tiepida). Il sistema si comporta come se il serbatoio contenesse solo acqua a temperatura omogenea. In assenza di stratificazione si preleverebbe invece acqua a temperatura diversa da quanto previsto (superiore al valore definito nel caso dell’acqua gelida o inferiore nel caso dell’acqua calda). Con il diffondersi delle fonti energetiche alternative la stratificazione nei serbatoi di accumulo ha un altro considerevole vantaggio: immagazzinare in un solo serbatoio i contributi di differenti generatori di calore. È per esempio il caso di un boiler collegato a una caldaia a gas e a un sistema di pannelli solari.
L’accumulo di acqua calda
In un serbatoio verticale, l’acqua calda “galleggia” su quella fredda e si stratifica in funzione della temperatura; gli strati, a temperature differenti, non si mescolano spontaneamente e, se il serbatoio è coibentato, restano separati a lungo. Quando un serbatoio di acqua calda non coibentato è statico (non ci sono immissioni dall’esterno) la stratificazione termica si deve solo al progressivo raffreddamento dell’acqua, influenzato dalla temperatura dell’ambiente dove è posizionato il serbatoio. La temperatura iniziale è omogenea, ma lo scambio termico tra serbatoio ed ambiente la raffredda. L’acqua che man mano si raffredda si dispone sul fondo del serbatoio, mentre l’acqua che mantiene la temperatura originaria sale. Un fenomeno così interpretato: prima di cedere calore all’ambiente, le pareti del serbatoio raffreddano il sottile strato di acqua a loro diretto contatto. Una parte del calore di questi strati di acqua è ceduta all’ambiente, la restante parte diffonde verso lo strato più interno del serbatoio.
L’acqua più fredda (quella a contatto con le pareti del serbatoio) è più densa e si sposta verso la base del serbatoio determinando la stratificazione. I serbatoi di stoccaggio a stratificazione termica sono pertanto utilizzabili come accumulatori termici, ossia come componenti d’impianti capaci di immagazzinare l’energia termica prodotta da un qualsiasi generatore e di restituirla quando è necessario. Sono quindi una valida opzione la disponibilità di energia non è costante (pannelli solari) o quando ci sia un significativo divario di tempo tra produzione ed utilizzo di acqua calda. Questa soluzione è spesso utilizzata anche negli impianti di raffreddamento e per il condizionamento dell’aria, perché è semplice e relativamente economica.
L’efficienza energetica di questi sistemi migliora, quando migliorano le performance termiche del serbatoio di stoccaggio, a loro volta dipendenti dal grado di stratificazione termica. Si è indagato a lungo sui fattori che influenzano quest’ultima: fra gli altri si sono individuati il rabbocco del serbatoio, ossia la miscelazione dell’acqua presente nel serbatoio con acqua introdotta dall’esterno alla stessa temperatura o a temperatura differente; il flusso dell’acqua durante lo svuotamento del serbatoio; lo scambio termico con l’ambiente (più rapido in caso di serbatoi non coibentati); la forma/ struttura del serbatoio stesso. Diversi studi hanno dimostrato che la massima efficienza si ottiene quando il rapporto altezza/diametro del serbatoio è compreso tra 3 e 4.
Diverse ricerche hanno approfondito questo aspetto. Nel caso di serbatoi non coibentati, contenenti acqua a 85°C inseriti in un ambiente a 30°C, quando il rapporto altezza /diametro è pari ad 0,50, la metà superiore dell’acqua è soggetta a stratificazione termica, mentre la temperatura della metà inferiore resta pressoché invariata. S’instaura inoltre una differenza stabile di circa 5°C tra strato superiore e strato inferiore. Quando il rapporto altezza/ diametro sale a 1, nella parte più alta del serbatoio non si ha stratificazione, mentre in tutta la restante parte la stratificazione è considerevole, anche se diminuisce con il tempo. Si sono registrate differenze di temperatura fino a 20 °C, poi ridotte a 5°C quando serbatoio e ambiente raggiungono la temperatura di equilibrio.
Nei serbatoi dove il rapporto altezza/diametro è pari a 2 la stratificazione è molto evidente e decresce meno rapidamente rispetto al caso precedente. Questo fa pensare che maggiore è il rapporto altezza/diametro più la stratificazione possa persistere fino a raggiungere il valore ottimale intorno al 4.
