Impianto Idraulico Caldaia: Funzionamento, Componenti e Caratteristiche

Se devi progettare un impianto idraulico e cerchi qualche schema utile per capirne le logiche e il funzionamento, leggi questo articolo. Troverai tante informazioni utili e immagini che potrai utilizzare come esempio per realizzare il progetto del tuo impianto.

Gli schemi e le immagini del modello 3D dell’impianto sono state realizzate con un software BIM per impianti MEP, che ti consente di integrare il modello 3D degli impianti direttamente nel tuo progetto architettonico. In questo modo risulta più immediato verificare eventuali interferenze ed agevolare la collaborazione tra le varie discipline che entrano in gioco in un qualsiasi progetto.

Funzionamento impianto idraulico: le basi

In linea generale, l’impianto idraulico ad uso civile si suddivide in due principali tipologie:

adduzione e distribuzione dell’acqua (fredda e calda), proveniente da acquedotto o serbatoio;
scarico delle acque nere, nella rete fognaria comunale, o, in assenza, in fossa settica.

Le acque condotte nello scarico possono essere suddivise in acque bianche (quelle provenienti da lavatrici, lavabi, docce, ecc.) ed acque nere (provenienti dagli scarichi nel wc).

La parte dell’impianto che si occupa di condurre l’acqua ai diversi accessori, è appunto detto impianto di distribuzione. Lo schema che segue rappresenta l’impianto idraulico di distribuzione di un bagno con doppio lavabo, wc, bidet e doccia. Sono riportate in rosso le tubature che conducono l’acqua calda sanitaria e in blu quelle dell’acqua fredda.

Schema 3D impianto idraulico di distribuzione

Impianto di adduzione e distribuzione

L’impiego efficace dell’acqua all’interno di un edificio richiede un impianto di adduzione e distribuzione ben progettato e funzionale. Questo sistema è responsabile del trasporto dell’acqua potabile dalle fonti di approvvigionamento (serbatoi o reti pubbliche) verso i punti di utilizzo all’interno della struttura.

In genere, l’impianto inizia con un contatore, un dispositivo di chiusura (saracinesca, rubinetto di arresto) e un filtro per garantire la qualità dell’acqua in ingresso, seguito da una pompa o da un sistema di pressurizzazione che assicura il flusso costante e adeguato. Il percorso dell’acqua comprende tubazioni principali e diramazioni che portano ai vari punti di prelievo, come rubinetti, docce e apparecchi sanitari.

È essenziale che queste tubazioni siano dimensionate correttamente per evitare perdite di pressione e garantire un flusso sufficiente in ogni punto della rete. Per servire i vari punti di erogazione dell’acqua in un edificio, occorrono colonne verticali di maggiore sezione e reti di distribuzioni orizzontali ai vari piani. Le tubazioni di distribuzione possono essere in rame, rivestito in materiale plastico, o in PVC. Le colonne montanti devono, invece, avere una sezione via via decrescente verso l’alto e possono essere in acciaio zincato, polietilene ad alta densità (PEAD), in rame o in PVC.

Per l’impianto di distribuzione dell’acqua è preferibile la cosiddetta distribuzione a collettore, in cui ogni punto di erogazione è servito singolarmente da un unico tubo, senza giunzioni, che parte da un collettore centrale di distribuzione ed arriva alle singole utenze. In questo modo la chiusura di una singola utenza non pregiudica il funzionamento delle altre e si evitano giunture che sono spesso causa di perdite. I collettori devono essere posizionati in una cassetta incassata dedicata, posta in un punto facilmente accessibile per eventuali operazioni di manutenzione. La stessa cassetta ospita un collettore per l’acqua calda ed uno per l’acqua fredda.

Per dimensionare l’impianto di distribuzione e di carico occorre tener in conto le unità di carico (UC) dei singoli dispositivi che compongono l’impianto. Per avere tutte le informazioni sul dimensionamento dell’impianto di adduzione, distribuzione e scarico, leggi “Come progettare l’impianto idrico sanitario“.

Impianto di scarico

Questo sistema è progettato per convogliare le acque reflue provenienti da lavandini, docce, wc e altri apparecchi sanitari verso la rete fognaria o il sistema di trattamento delle acque reflue. Le tubazioni di scarico devono essere dimensionate correttamente per evitare intasamenti e garantire un flusso adeguato.

Spesso, le tubazioni di scarico sono realizzate in PVC o polipropilene, materiali che offrono resistenza alla corrosione e alla formazione di incrostazioni. È essenziale che l’angolazione delle tubazioni sia accuratamente calcolata per consentire il corretto deflusso delle acque reflue gravitazionalmente. Inoltre, l’installazione di dispositivi come sifoni e ventose previene l’ingresso di odori sgradevoli negli ambienti interni e contribuisce a mantenere il sistema igienico e funzionale nel tempo.

Impianto idraulico di distribuzione e di scarico schema

Gli impianti di scarico possono essere di due tipi:

a doppio tubo, cioè realizzati con due tubi distinti per lo scarico, per smaltire separate le acque nere e quelle bianche;
tubo singolo nel quale confluiscono indistintamente le acque nere e quelle bianche.

Qualora fosse possibile, è sempre consigliabile avere un impianto di scarico a doppio tubo perché offre il vantaggio di una maggiore igienicità. Optando per questa soluzione, infatti, si evita che il riflusso e il cattivo odore delle acque nere, risalgano attraverso gli scarichi di lavandini, docce, vasche, ecc.

Ad ogni modo, per evitare il fenomeno del riflusso, esistono dei componenti di collegamento tra le singole apparecchiature igieniche e le condutture di scarico, costituite da un tubo ricurvo (in metallo, plastica o PVC) detto sifone. Il sifone può avere una forma ricurva a “pera”, a“ U”, oppure a “S”, che ospita sempre una piccola quantità d’acqua in grado di impedire il ritorno e l’uscita degli odori sgradevoli. Proprio a causa della sua forma ricurva, il sifone tuttavia rallenta il deflusso delle acque di scarico, favorendo talvolta il deposito delle sostanze in sospensione con conseguente ostruzione della condotta. Per questo, i sifoni devono essere sempre ispezionabili e pulibili, in modo da poter asportare le sostanze che causano l’intasamento.

L’impianto di scarico è costituito da:

tubazioni orizzontali con leggera pendenza (superiore all’ 1%) che collegano i singoli apparecchi di servizio ad una cassetta di ispezione;
tubazione orizzontale, con pendenza superiore all’1%, che collega la cassetta di ispezione alla braga situata sotto al WC;
colonna di scarico (o fecale) che si sviluppa verticalmente, destinata a ricevere le acque nere e a convogliarle nell’impianto fognario pubblico, previa il passaggio in un pozzetto d’ispezione;
sfiato di ventilazione, collocato generalmente sulla copertura del fabbricato.

Apparecchiature igieniche dell’impianto idraulico

Le apparecchiature che compongono l’impianto idraulico solitamente includono:

lavello cucina - montato su staffe di acciaio o inserito in un mobile predisposto, il lavello deve essere posizionato in modo che il bordo superiore si trovi tra gli 80 e gli 85 cm dal pavimento. Le tubazioni per l’acqua calda e fredda devono avere un diametro di almeno 1/2 pollice e devono essere collegate a un gruppo miscelatore che permetta la regolazione della temperatura dell’acqua. Il tubo di scarico, con diametro di 40 mm, deve essere dotato di un sifone ispezionabile e deve seguire una pendenza superiore all’1% per convogliare l’acqua in un pozzetto ispezionabile;
lavatrice e lavastoviglie - per la presa d’acqua destinata alla lavatrice o alla lavastoviglie, è necessario solitamente predisporre una presa d’acqua fredda, con rare eccezioni per alcuni modelli di lavatrici che richiedono anche una presa d’acqua calda. Il rubinetto di alimentazione deve essere del tipo ad innesto a vite e posizionato a un’altezza compresa tra i 60 e i 70 cm dal pavimento. Anche per lo scarico, che deve essere situato a circa 80 cm dal pavimento, è essenziale prevedere un pozzetto ispezionabile e una pendenza del tubo non inferiore all’1%;
lavabo bagno - anche il lavabo del bagno può essere montato su staffe di acciaio, appoggiato su una colonna in porcellana, appoggiato o incassato ad un mobile bagno. In tutti i casi, è importante posizionarlo ad un’altezza di circa 80 cm dal pavimento. Il rubinetto, solitamente monocomando (in cui la miscelazione dell’acqua avviene sollevando e ruotando verso destra o sinistra la leva del rubinetto), deve essere dotato di rubinetti di arresto per consentire l’isolamento in caso di rotture. Anche il tubo di scarico, con diametro di 40 mm, deve essere corredato di sifone ispezionabile e seguire una pendenza superiore all’1%;
vasca e doccia - la vasca, solitamente in ghisa o in acciaio smaltato, può essere scelta, nei prodotti di più recente fattura, in acrilico (o metacrilato), resina, vetroresina o corian. Richiede un erogatore d’acqua con attacchi da 1/2 pollice e uno scarico con tubo da 40 mm, con pendenza superiore all’1% e dotato di pozzetto ispezionabile. Analogamente, per la doccia è necessario prevedere un piatto per la raccolta dell’acqua, un braccio a snodo con rubinetto e uno scarico con le stesse specifiche di pendenza e dimensioni del tubo. Anche i piatti doccia possono essere in resina o in materiale acrilico, composti da un impasto che li rende resistenti, leggeri ma anche personalizzabili per colore, forma e dimensione;
bidet - può essere appoggiato direttamente sul pavimento, filo muro oppure sospeso su staffe. È provvisto di miscelatore monocomando per l’erogazione dell’acqua calda e fredda. Lo scarico, da 40 mm., è provvisto di sifone e deve preferibilmente confluire in un pozzetto ispezionabile;
vaso - il vaso può essere con scarico a pavimento o attacco a parete, sospeso o filo muro. È già fornito coni sifone integrato. Lo scarico deve essere eseguito con bocchettone da 70/80 mm, con pendenza superiore all’1%, fino alla colonna di scarico verticale, che è di almeno 100 mm di diametro. La cassetta per la raccolta dell’acqua (sciacquone) può essere esterna oppure ad incasso nella parete. Ha una capacità da 10 litri ed è alimentata da un tubo da 3/8 di pollice con rubinetto di arresto.

Schema impianto idraulico

Analizzate tutte le componenti di un comune impianto idraulico, è possibile realizzare lo schema dell’impianto, necessario sia in fase di cantierizzazione dell’opera per comunicare all’impresa esecutrice tutti i dettagli necessari alla sua realizzazione, che in fase di approvazione del progetto.

Per progettare un impianto idraulico può essere molto d’aiuto utilizzare un software BIM impianti MEP con cui puoi modellare l’impianto in 3D.

Impianto di scarico (in arancione) e impianto di distribuzione (in giallo) lavabi bagno

Partendo dal modello del progetto architettonico, è possibile modellare le tubature (adduzione scarico, distribuzione, acqua calda, fredda, ecc.) ed inserire le apparecchiature direttamente da una ricca libreria di oggetti BIM. In questo modo la progettazione è realistica e dettagliata e si evitano problemi e imprevisti in fase di realizzazione dell’impianto.

Nell’immagine sopra è riportata una schermata del software che ti mostra l’integrazione tra modello BIM e modello MEP. Lo schema mostra come le tubazioni dell’acqua fredda e dell’acqua calda partono dal collettore posizionato all’interno del bagno per raggiungere le singole apparecchiature. Nel collettore, ogni tubatura ha la sua chiave d’arresto per essere esclusa singolarmente dall’impianto. Al collettore arriveranno due tubature: una per l’acqua calda, proveniente dalla caldaia per la produzione di ACS, e l’altro dell’acqua fredda.

Sempre più efficienti e sicure le caldaie a gas sono il componente principale dei sistemi di riscaldamento nella maggior parte degli edifici, esse integrate con altri sistemi permettono anche lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia, in particolare, quelle a condensazione che recuperano calore dalla condensa dei fumi di scarico, stanno ormai sostituendo in maniera definitiva le caldaie standard.

Circuiti idrici e gas caldaia

In ogni caldaia è possibile distinguere due tipi di circuiti basilari: il circuito idraulico ed il circuito gas. Altri componenti comuni a tutte le caldaie sono: il pannello dei comandi, la scheda elettronica e diversi accessori ed optional, forniti dalle case produttrici per far fronte alle varie esigenze di installazione, funzionamento ed integrazione con i diversi tipi di impianti, le dimensioni di una caldaia sono, generalmente, di circa 80 cm di altezza, circa 40 cm di larghezza e 20 cm profondità.

Compatibilmente con i circuiti descritti e per realizzare le connessione con gli impianti di riscaldamento e acqua calda sanitaria, nella parte inferiore di una caldaia è possibile distinguere un attacco per l'alimentazione gas (all'estermità del tubo giallo), un'uscita per l'acqua calda sanitaria, un'entrata per l'acqua fredda, un'uscita corrispondente con la mandata dell'impianto di riscaldamento ed un ritorno dello stesso impianto. Gli attacchi hanno misure standard, per il gas e l'impianto di riscaldamento sono di 3/4" mentre sono di 1/2" per l'acqua sanitaria, infine, è naturalmente presente un cavo per l'alimentazione elettrica della scheda di controllo della caldaia.

Il circuito idraulico nella caldaia può essere visto come un unico circuito che lavora in maniera esclusiva per il riscaldamento o per la produzione di acqua calda sanitaria, esso è suddiviso in due sotto-circuiti, quello di riscaldamento collegato allo scambiatore termico in camera di combustione e quello per la produzione di acqua calda sanitaria collegato ad uno scambiatore secondario, quest'ultimo scambia energia termica tra il primario e l'acqua fredda proveniente dalla rete idrica.

Funzionamento caldaia, riscaldamento e acqua calda sanitaria

I due sotto-circuiti idrici sono separati da una valvola a tre vie controllata dalla scheda della caldaia, in modo tale che uno solo alla volta dei due lavora, alla produzione di acqua calda sanitaria è attribuita una priorità maggiore rispetto alla funzione di riscaldamento. Sul sotto-circuito di riscaldamento è presente un gruppo circolatore che mette in moto l'acqua nell'impianto e che nelle caldaie più evolute è ad inverter, ossia, in grado di modulare i giri e quindi i consumi di energia elettrica in funzione della richiesta di energia termica dall'utenza.

Una valvola di sicurezza, generalmente tarata a 3 bar, ed un pressostato, sono i dispositivi che inibiscono il funzionamento del circolatore, e quindi della caldaia, qualora la pressione sul circuito di riscaldamento raggiunga valori eccessivi rispetto a quelli di normale funzionamento, la circolazione dell'acqua nell'impianto è preliminare all'avvio della combustione. In maniera analoga sul circuito sanitario un flusso-stato inibisce l'accensione della caldaia se non rileva il flusso, ossia, la circolazione dell'acqua che altrimenti raggiungerebbe temperature pericolosamente alte.

La capacità dei circolatori di mettere in movimento una certa quantità di acqua, vincendo con la pressione le resistenze offerte dall'impianto, è espressa dalla curva portata / prevalenza fornita dal costruttore. La portata esprime i litri per ora di acqua messi in movimento dal circolatore, mentre, la prevalenza che diminuisce all'aumentare della portata è espressa in m.c.a. (metri di colonna d'acqua). Un metro di colonna d'acqua è la pressione esercitata da una colonna di acqua alta 10 metri su una superficie di un metro quadrato, corrispondente anche ad 1 bar o 100 kPascal. Mediamente i circolatori per le caldaie descritte hanno curva con portate e prevalenze che hanno rispettivamente range da 0 - 1500 litri per ora e 0 - 5 m.c.a. Anche il flussostato, sul circuito sanitario è caratterizzato da una portata ed una prevalenza che sono, generalmente, di circa 2 litri per minuto e circa mezzo bar.

L'attivazione della modalità di riscaldamento per una caldaia avviene a seguito di un segnale che giunge alla scheda di controllo e che può essere generato da un termostato ambiente, da un sensore o un dispositivo di controllo e o regolazione che può agire anche in remoto, la temperatura dell'acqua per il riscaldamento può variare, generalmente, in un range tra 30°C e 85°C. Successivamente alla richiesta di riscaldamento viene alimentato il gruppo circolatore ed attivato dopo che la scheda ha ricevuto i segnali del suo corretto funzionamento, dopo pochi secondi viene attivata la ventilazione e prodotta la combustione.

Come funziona l’impianto idrico sanitario?

Pensiamo a un sistema di tubi, reti e componenti che costituisce le arterie di ogni edificio: l’impianto idrico sanitario trasporta e distribuisce l’acqua per uso sanitario, ovvero l’acqua che usiamo tutti i giorni in cucina o in bagno. Per capire come funziona l’impianto idrico sanitario è utile soffermarsi sul percorso dell’acqua, l’elemento che lo alimenta e ne costituisce la “linfa vitale”. L’impianto preleva l’acqua dall’acquedotto della rete pubblica, la trasporta fino al punto di erogazione nelle abitazioni, o nell’edificio, e ne permette il deflusso una volta che è stata utilizzata.

L’acqua di un impianto idrico sanitario viene definita sanitaria e può essere calda o fredda. Un generatore produce l’Acqua Calda Sanitaria, abbreviata anche con l’acronimo ACS. Il generatore in questione riceve l’acqua dalla rete pubblica, la riscalda e la immette in circolo nell’impianto idrico.

L’acqua fredda non subisce il trattamento dell’acqua calda: viene prelevata dalla rete pubblica e trasportata direttamente verso i terminali, ossia i dispositivi di erogazione degli apparecchi (i comuni rubinetti).

Seguire il percorso dell’acqua, dicevamo, ci permette di descrivere come funziona l’impianto idrico sanitario e di esaminare i nodi cruciali della sua rete. Se potessimo osservare uno schema di distribuzione del sistema idrico e del flusso dell’acqua, vedremmo che l’impianto idrico sanitario di un edificio si divide essenzialmente in due parti.

Componenti di una caldaia: i quattro elementi chiave

Per svolgere il suo compito, la caldaia a gas si avvale di quattro componenti essenziali:

Scheda elettronica: il "cervello" della caldaia, che gestisce l'intero processo e permette di regolare manualmente la temperatura desiderata
Camera di combustione: qui avviene la combustione del gas. Esistono due tipologie. La camera aperta preleva l'aria comburente dall'ambiente circostante. È necessario posizionarle in ambienti ben ventilati e areati, e munite di canne fumarie dedicate che portino all’esterno i fumi. La camera stagna è ermeticamente chiusa, richiede un sistema di tiraggio forzato per l'apporto di aria e, per tale motivo, possono essere collocate anche in ambienti chiusi e di modeste dimensioni (come un bagno, per esempio)
Scambiatore di calore: il "ponte" tra combustione e acqua. Trasferisce il calore prodotto dalla combustione all'acqua che circola nei circuiti
Canna fumaria: elimina i fumi di scarico generati dalla combustione. Può essere dotata di un sistema di estrazione forzata dei fumi generata dal ventilatore della caldaia, soprattutto per canne fumarie di altezza elevata.

Come fanno la caldaia e l'impianto idraulico di casa a capire se abbiamo bisogno di acqua fredda o calda?

Il progetto e la realizzazione dell'impianto idrico-sanitario si distingue nel dimensionamento e la scelta di vari elementi, tra cui il tipo di caldaia, le tubature e i pezzi speciali che lo compongono. Ma come fa la caldaia a capire quando attivarsi solo tramite l'operazione di apertura del rubinetto nella posizione "calda"? Per prima cosa, dobbiamo considerare il fatto che l'impianto idraulico (o idrico sanitario) si ramifica, nel suo sviluppo dentro l'abitazione, in due tubature distinte, che terminano in tutti i punti in cui è necessario avere erogazione di acqua, come lavabi, bidet, ma anche la stessa lavatrice. Quindi, ogni punto di uscita (chiamati in gergo tecnico punti di carico), si compone di due tubi distinti. Ebbene, le due tubature rappresentano, distintamente, il flusso di acqua calda e quello di acqua fredda. Nei fatti, dunque, una volta passato il punto di distribuzione proveniente dall'esterno (ovvero dalla rete urbana), il tubo si scinde mediante uno snodo, ottenendo quindi la variazione di percorso desiderata: una delle due ramificazioni passerà per la caldaia, quindi per l'elemento dell'impianto che si occupa dello scambio termico garante del riscaldamento; la tubatura dell'acqua fredda non necessita di questo passaggio e seguirà quindi un percorso differente, che non chiama in causa la caldaia.

Come funziona una caldaia e perché il rubinetto attiva l’acqua calda

Ci resta da capire ora come sia possibile ottenere una attivazione della caldaia per il tramite della sola semplice apertura del rubinetto. Questa operazione avviene tramite specifici oggetti presenti all'interno della caldaia stessa. Quindi, aprendo il rubinetto in posizione "calda", l'acqua comincerà a circolare verso l'esterno, attivando contestualmente un sensore posto all'interno della caldaia. Questo sensore è proprio collegato alla tubatura ed è sensibile alla variazione di velocità del flusso di acqua. Ci possono essere differenti tipologie di sensori:

I flussostati (quelli più utilizzati) rappresentano dei veri e propri interruttori: un cilindro disposto coassialmente dentro al tubo dell'acqua, per effetto della spinta del fluido in movimento, si sposta chiudendo un circuito elettrico. Questo circuito genera un segnale che permette l'accensione della caldaia. La stessa entra quindi in funzione e comincia a riscaldare l'acqua per il tramite del suo meccanismo termodinamico interno. Quindi, quando l'acqua è ferma dentro al tubo perché tutti i rubinetti sono chiusi dal lato caldo, il cilindro non si muove ed il circuito elettrico non è in grado di attivare la caldaia.
I flussometri (o flussimetri) sono degli strumenti che eseguono anche una misurazione di portata, ovvero il volume di acqua che passa nel tubo per unità di tempo: all'interno del tubo troviamo ora una girandola che comincia a ruotare intorno al proprio asse quando l'acqua è in moto. In base a quanta rotazione si genera, si può stimare indirettamente la portata ed, eventualmente, regolare l'impegno energetico della caldaia nel riscaldamento, così da ottimizzare i consumi energetici. A differenza dei flussostati, i flussimetri sono molto utilizzati anche per altre applicazioni, ad esempio per la misura dei consumi, di acqua o anche di gas.

In entrambi i casi, l'accensione - ma anche soprattutto il funzionamento a regime - della caldaia non avviene immediatamente all'apertura del rubinetto. Serve infatti del tempo prima che l'acqua in uscita risulti effettivamente alla giusta temperatura. Questo tempo di attesa ovviamente dipende dall'efficienza della caldaia. Essendo dispositivi in parte meccanici ed in parte elettrici, possono danneggiarsi e/o usurarsi.

La regolazione di temperatura dell'acqua avviene invece totalmente in maniera meccanica. In sostanza, questa regolazione è governata da noi utenti in base alla posizione del rubinetto in apertura. Infatti, muovendo il rubinetto tra lato caldo e freddo, creiamo una strozzatura ai due flussi di acqua ed introduciamo contestualmente una miscela di acqua calda e fredda che, insieme, producono un flusso in uscita con la temperatura desiderata. La strozzatura può essere totale quando il rubinetto è girato da un solo lato. Ovviamente, il flusso strozzato sarà proprio quello opposto alla posizione del rubinetto.

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