Dopo avere analizzato nei precedenti articoli la percezione di caldo e freddo, gli effetti fisici e le leggi che li governano ed infine le tecniche di isolamento più comunemente impiegate, passiamo ora ad analizzare i principi di funzionamento dei sistemi riscaldanti che troviamo installati a bordo (di serie o in opzione) dei nostri veicoli. Premettiamo che non si tratta di una disamina di “merito” sul tipo di sistema né sulla marca dello stesso, quanto una panoramica su come sono fatti e come funzionano.
RISCALDAMENTO
Nei sistemi a radiazione naturale nonché servoventilati ad aria calda distribuita possiamo affermare che uno dei
leader delmercato sia la tedesca TRUMA, che ha prodotto negli anni molti dispositivi sia per il riscaldamento che per la gestione/sicurezza gas a bordo veicoli, divenendo quasi un “monopolista” del settore.
Negli ultimi anni l'azienda ha allargato la propria produzione anche a sistemi di climatizzazione e sta entrando anche nella sfera dei generatori elettrochimici.
Uno dei più diffusi sistemi di riscaldamento è quello radiante ad aria, per intenderci la classica stufa a piastre (retina) radiante che trovavamo montata alcuni anni fa sui camper nonché sulle caravan: si tratta di un sistema concettualmente semplice e nella sua versione “base” non dotato di ventilatori di circolazione aria: come esempio possiamo citare le varie stufe TRUMATIC C che presentavano una caratteristica che non dovrebbe essere sottovalutata, e cioè la possibilità di funzionare senza corrente elettrica per alimentare valvole, accenditori e ventilatori vari.
Una batteria provvedeva alla alimentazione dell'accenditore piezo (semplice sostituzione dopo 2/3 anni).
Con l'aumentare delle dimensioni delle cellule, nonché con configurazioni interne di pianta che creano zone ben delimitate, questo sistema ha perso di efficacia sia per la resa calorifica relativamente bassa che per la diffusione del calore affidata solo ai moti circolatori naturali interni al veicolo.
Questa che vediamo, è già una versione di ultima produzione della classica stufa: essa implementa anche una resistenza elettrica (alimentata da rete AC esterna quando il camper è connesso) che aumenta la potenza totale erogata consentendo altresì un sensibile risparmio di gas quando non è richiesta piena potenza e bastano le sole resistenze. Le stufe si sono “evolute” con sistemi ad aria distribuita mediante canalizzazioni apposite posate nel veicolo (spesso affiancate alle tubature idriche per sfruttare il calore disperso al fine di evitarne congelamenti); un esempio di questa evoluzione potrebbe essere il seguente:
Notate che le parti calde (scambiatore interno ad aria) vengono alimentate da aria prelevata in basso nella cellula tramite apposita bocca di presa, NON DALL'ESTERNO onde evitare l'entrata di gas e polveri a livello stradale; contrariamente avviene per L'ARIA DI COMBUSTIONE, cioè quella che formerà la miscela comburente con il gas, che viene sempre prelevata esternamente così come i fumi vengono ceduti all'esterno.
Questo fa sì che non si crei impoverimento di ossigeno nell'aria interna alla cellula e al tempo stesso limita l’afflusso di spifferi di aria fredda esterna in presenza di un focolare che richiama aria (chi ha un camino a casa conosce bene il fenomeno!): parliamo quindi sempre di dispositivi a camera di combustione stagna.
Un fattore al quale bisogna prestare attenzione, oltre alla perfetta rispondenza normativa dei dispositivi di controllo e regolazione gas, è l'emissione infrarossa della griglia radiante della stufa: anche ad una certa distanza da essa i raggi che colpiscono gli oggetti irradiati direttamente potrebbero scaldarsi in modo incontrollato generando situazioni potenzialmente pericolose.
Per rendere evidente il fenomeno vi proponiamo una immagine da camera FLIR che mette in evidenza ciò che la vista non percepisce ma le nostre mani sì...... ecco come si presenta una giunzione soffitto/parete visibile ed infrarossa:
Se ricordate i precedenti articoli in cui abbiamo parlato della coibentazione, riconoscerete subito una anomalia con una zona notevolmente più fredda che può originare formazione di condensazioni dell'umidità dell'aria: l'immagine è di una abitazione (non ne avevamo disponibili di veicoli ricreazionali in quanto è relativamente difficile reperirne all'infrarosso) ma rende evidente il fenomeno.
Immaginate quindi un tuta da sci posta ad asciugare a debita distanza da una stufa a radiazione: ad un sommario controllo può sembrarci “in sicurezza” ma dopo poche decine di minuti potrebbe riscaldarsi in modo anomalo.
Evoluzione negli anni del sistema a radiazione naturale è stato quello ad aria soffiata a cui è seguito quello con riscaldamento e produzione di acqua sanitaria integrata.
Nell'ambito dell'alimentazione a gas ancora una volta TRUMA si conferma leader progettando il sistema COMBI con potenze di 4 o 6 kw termici resi ed evolvendosi in seguito con una versione (mod. E) che integrava anche una batteria di resistenze elettriche per scaldare acqua e cellula in condizioni di bassa richiesta di calore.
Questa che vedete è il modello in produzione corrente (con sviluppo orizzontale) e con alimentazione a gas.
Ne esiste anche una versione con bruciatore a gasolio (sviluppato in collaborazione con Eberspacker) che funziona in modo analogo ma alimentata dallo stesso gasolio del veicolo tramite apposita tubatura e pompa di dosaggio/aspirazione.
E’ da evidenziare sia la camera di combustione stagna che quella di compensazione del ventilatore che permette di equalizzare la pressione di aria in uscita che alimenterà i vari rami dell'impianto a bordo.
Gli elementi riscaldanti sono una serie di tubi alettati arroventati dal focolare che hanno dei passaggi aria (frecce gialle) e sono altresì immersi nella “pentola” contenete l'acqua sanitaria da riscaldare.
A titolo di esempio ecco come era la prima versione “verticale” del combinato TRUMA:
Fin qui abbiamo visto quali sono i sistemi di riscaldamento a radiazione naturale o canalizzati con alimentazione a gas: ma quali sono i limiti di questi sistemi??
Innanzitutto la disponibilità relativamente “facile” di contenitori di gas fuori dal nostro paese (gli attacchi bombola non sono standardizzati in tutta la CE): questo obbliga a premunirci con appositi adattatori specifici; poi la disponibilità temporale di bombole: bisogna recarsi negli orari di apertura per acquistarle e bisogna ritornare il “vuoto” che altrimenti ci verrà addebitato.
Per chi disponesse di bombola rifornibile fissa a bordo vanno tenuti in debito conto gli obblighi di legge di verifica e collaudo (nonché sostituzione a scadenza) a proprio carico.
Infine va ricordata tutta una serie di dispositivi di gestione e regolazione del gas che DEVONO rispondere alla normativa VIGENTE (non a quella di quando il veicolo è stato prodotto!).
Da un punto di vista pratico, il riscaldamento ad aria canalizzata è rapido nei tempi di risposta ma lo è altrettanto (mancando di massa termica) a raffreddarsi: non conviene quindi mai spegnerlo lasciando il veicolo, consentendo così alla temperatura interna di diminuire sensibilmente, meglio posizionarlo al minimo.
Infine va menzionato un inconveniente che sicuramente sarà stato rilevato da coloro che soffrono di allergie, ovvero la considerevole generazione di polvere immessa nell'aria della cellula dal ventilatore del sistema: si può parzialmente ovviare ponendo un filtro a spugna dietro la bocchetta principale di presa d'aria da riscaldare avendo l’accortezza di pulirlo con una certa frequenza.
Naturalmente, i sistemi con alimentazione a gas hanno peraltro dei vantaggi non trascurabili: sono meno pesanti di altri sistemi analoghi con alimentazione diesel, consumano meno corrente, non emettono fumi maleodoranti e soffrono poco la differenza di contenuto di ossigeno nell'aria (non si “scarburano” ad alta quota), sono silenziosissimi.
Vediamo ora sistemi analoghi, cioè sempre canalizzati ad aria soffiata ma con alimentazione diesel.
In questo ambito troviamo sostanzialmente 2 costruttori che si dividono il mercato: WEBASTO ed EBERSPACHER.
Ricordiamo che si tratta di un mercato molto vasto in quanto tali riscaldatori a gasolio trovano applicazione anche e principalmente su veicoli industriali, mezzi d'opera, piccoli natanti ed in tutte quelle situazione che necessitano di riscaldamento “gasfree”
Vi proponiamo ora lo “spaccato” di uno dei dispositivi più comuni: il WEBASTO AT 2000S
In questi apparecchi, sempre e comunque a camera stagna, abbiamo diversi dispositivi in più rispetto a quelli a gas:
una pompa a membrana di alimentazione/dosaggio gasolio (quella per intenderci che emette il classico ticchettio), in quanto non abbiamo pressione come nel gas ed il combustibile deve essere aspirato dal serbatoio veicolo e leggermente compresso verso l'apparecchio mediante una frequenza più o meno alta della pompa: è questo parametro, apparentemente insignificante, a determinare in gran parte la corretta miscelazione di aria/gasolio in quota quando la concentrazione di ossigeno diminuisce nel pari volume di aria.
Poi, essendo il gasolio ininfiammabile solamente per detonazione provocata da scintilla, dobbiamo riscaldarlo finché vaporizza.
Pompa alimentazione/dosatrice
A questo provvedono la candeletta e la reticella di accensione che si arroventano consumando corrente fino ad ottenere l'accensione della fiamma.
Infine, data la pressione e velocità dei gas esausti, è spesso necessaria l'installazione di apposita “marmitta” sulla tubatura per silenziarli.
Come nel caso dei complessi TRUMA, un ventilatore a velocità variabile ed a più stadi provvede a generare il flusso di aria sia per la combustione che, con lo stadio separato e coassiale a quello stagno di combustione, per lo scambio termico da inviare in canalizzazione.
Questo è il riscaldatore più semplice ad aria; ovviamente ne esistono di più potenti (fino a circa 5,5 kw) ed anche ad acqua calda come quello che potete vedere nello spaccato di seguito:
Lo citiamo qui, perché prodotto dalle stesse ditte di cui sopra; in questo caso non sarà più l'aria a veicolare calore
ma liquido (una miscela di acqua e glicole) come quello presente nel raffreddamento motore.
Lavorando “a liquido”, oltre che per riscaldare la cellula, è molto usato nel preriscaldamento motore e, con opportuni scambiatori di calore e valvole, anche quale sistema a radiatori di tipo pseudo domestico, di cui parleremo in seguito; per avere una visione d'insieme vi illustriamo una tipica applicazione; va ricordato che molti sistemi offrono una “integrazione avanzata” con il sistema CAN BUS delle motrici moderne; ciò permette loro di gestire in remoto i comandi della climatizzazione ed eseguire in sequenza il riscaldamento motore e successivamente quello della cabina in completa autonomia.
Il principio di funzionamento del combustore è analogo a quello descritto per l'AT 2000 ad aria con l'aggiunta di una pompa circolazione liquido.
Prima di passare a parlare del sistema a radiatore e liquido, un accenno ai vantaggi/svantaggi dei riscaldatori ad aria a gasolio.
Sicuramente l'utilizzo dello stesso carburante del veicolo rende il sistema più pratico dal punto di vista dell’approvvigionamento 24h su 24h; il gasolio è potenzialmente meno pericoloso del gas e più facilmente trasportabile, il complesso è installabile all'esterno del veicolo......;per contro va annoverato un maggior consumo di corrente, specie in fase di avviamento; si ha maggiore rumorosità ed i gas combusti possono essere leggermente maleodoranti (puzzo di gasolio caldo, non fumo perché se così fosse non funzionerebbe bene!); quasi
sempre la sua installazione esterna non ruba spazio e lo rende meno avvertibile acusticamente ma anche lo pone in una condizione più sfavorevole in caso di grande freddo e la sua conservazione nel tempo è meno sicura (pur essendo d'obbligo il montaggio in apposita cassetta).
Vediamo ora il sistema a liquido; il produttore maggiormente affermato sul mercato mondiale per questi sistemi è l'inglese ALDE, che produce tutti componenti del sistema: il principale, ovvero la caldaia (molto simile ad una per uso domestico nel principio di funzionamento), le tubature,la raccorderia idraulica ed i radiatori nonché alcuni complementi speciali di sistema come le pompe di circolazione e gli scambiatori di calore.
Ecco una panoramica dei componenti impianto:
Radiatore
Radiatore servoventilato
Scambiatore di calore a liquido
Scambiatore ventilato
Pompa circolatore
Ed ora il “cuore” dello stesso: la caldaia
Anche in questo caso a seconda dell'estensione dell'impianto e della cubatura del veicolo verranno scelti modelli con diversa potenza termica resa; non solo, è possibile avere anche le resistenze elettriche che, in combinazione al bruciatore (a gas), consentono la funzione “boost” per accelerare il raggiungimento della temperatura di regime.
Temperatura di regime, boost.....: ma come funziona il sistema ALDE?
Semplificando, abbiamo un circuito (simile a quello domestico) con un bollitore (caldaia), il quale riscalda il liquido impianto (mix di glicole ed acqua con serbatoio di espansione e recupero) che, mediante pompa (circolatore), viene fatto circolare in una sequenza di radiatori posti in serie tra loro ed alla fine della linea riconnessi alla caldaia, che provvede nuovamente a mantenere “caldo” il liquido.
La soluzione “serie” per il collegamento dei radiatori, pur non essendo a livello tecnico/idraulico la migliore (le zone non sono parzializzabili), è quella che consente di ridurre ingombri, quantità di tubature e costi.
Vediamo “dentro” una caldaia ALDE:
Possiamo notare subito come anche lei sia a camera di combustione stagna ma, a differenza di sistemi che scaldano aria, non ne debba prelevare dalla cellula; ecco quindi emergere uno dei principali vantaggi: non mette in circolo polvere, almeno direttamente.
Anche qui abbiamo le resistenze elettriche a step di potenza (1/3-2/3-full) che risultano essere ancora più efficienti scaldando liquido e non aria.
Secondo importante vantaggio: il liquido costituisce “massa termica”, quindi si riscalda più lentamente ma rimane caldo più a lungo con minimi apporti di calore dal focolare una volta a regime. Terzo vantaggio: previa interposizione di appositi scambiatori, possiamo addurre o attingere calore dal sistema, ciò permette di sfruttare il calore residuo del motore o preriscaldarlo; inoltre, consente di aumentare la potenza termica totale coadiuvando il sistema con un riscaldatore a liquido a gasolio come quello visto prima, diminuendo la dipendenza dalle riserve di gas di bordo. Quarto vantaggio: l'uniformità e la gradevolezza di riscaldamento paragonabili a quello domestico; di seguito un esempio dell'irraggiamento del calore su un veicolo.
Notate bene un piccolo ma essenziale dettaglio: deve esserci una circolazione di aria,moderata certo, in scarico dalla cellula: si evitano condense e soprattutto si ha “consumo di calore” che consente, anche in veicoli ottimamente coibentati, il corretto funzionamento del termostato di regolazione del sistema; diversamente, si dovrebbe aumentare molto la soglia affinché il sistema compensi lo stato termico dell’ambiente (calore) con la presenza di correnti d’aria più fredde canalizzate dall’alto della cellula lungo le pareti verso il pavimento.
Ovviamente vi sono anche alcuni aspetti meno favorevoli: il primo è sicuramente il peso della caldaia stessa,delle tubature con i radiatori ma soprattutto del liquido; il complessivo rifornito può arrivare anche a 70/80 kg e quindi si capisce come mai sia scelto per veicoli di fascia alta montati su telaio over 35ql, dove le limitazioni di peso sono meno vincolanti (costi a parte).
Altri aspetti negativi da considerare sono quello dei tempi di raggiungimento delle temperature di esercizio, decisamente più lunghi che con un sistema ad aria, nonché la necessità, per avere una discreta efficienza radiante, diuna temperatura media del liquido di almeno 50/60 gradi (ricordiamo,a titolo comparativo, che la max temperatura ammessa in uscita dai sistemi ad aria calda non deve superare 100 gradi contro i 130 ammessi dalla precedente normativa).
La caldaia ALDE deve essere montata entrobordo o in cellula o nel doppio pavimento sottraendo spazio di stoccaggio.
Avendo accennato ai sistemi di regolazione possiamo dire che sono sempre di tipo a “comparazione” e cioè il segnale rilevato da una sonda (normalmente un termoresistore che varia il suo valore in funzione della temperatura) viene comparato con il valore impostato sul termostato e di conseguenza viene pilotato il bruciatore; i bruciatori sono tutti di tipo “modulante”, cioè possono ridurre la propria potenza (in modalità continua o a step con inserimento di una o più teste di fiamma): questa tecnologia aiuta a mantenere un livello accettabile di isteresi (fascia di tolleranza tra on e off del riscaldamento) che di solito è nel “range” da 1 grado fino a max 2 gradi.
Vediamone alcuni:
Sensore rilevamento TRUMA COMBI
Termostato di comando WEBASTO 3900evo
Termostato digitale ALDE compact
Prima di concludere, diamo uno sguardo generale alle più comuni configurazioni impiantistiche a bordo dei veicoli.
Ricordiamo solamente la differente tipologia di tubature impiegate per WEBASTO e TRUMA, che debbono sopportare temperature aria diverse senza deformarsi ne deteriorare: quelle nocciola con interno alluminato sopportano temperature inferiori e sono adatte SOLO per impianti TRUMA, quelle nere interno alluminato sopportano le maggiori temperature aria e sono adatte per impianti WEBASTO.
Altro esempio con TRUMA COMBI:
Osservando questi schemi di impianto,trascurando il significato tecnico dei simboli aggiunti, possiamo evincere come il numero delle bocchette, la sezione delle tubature e la distanza dal focolare influenzino il riscaldamento in alcune zone del veicolo creando aree troppo calde ed altre tendenzialmente fredde.
Gli impianti hanno un calcolo dimensionale all'origine che tiene conto della temperatura dell'aria in uscita,della portata minima e della distanza massima dell'ultima bocchetta: aggiunte casuali su di un ramo già al limite potrebbero provocare uscita di aria praticamente fredda e con bassissima pressione a fine linea.
La stessa situazione potrebbe verificarsi intercettando parti di impianto a liquido ALDE: aggiungere calore o prelevarne in punti casuali dell'impianto (per sola comodità logistica) può provocare squilibri difficilmente compensabili dal sistema.
Una considerazione finale riguardante la nostra sicurezza; parliamo sempre di impianti con bruciatori a gas o gasolio, con prese di aria e cessione di fumi (monossido di carbonio inodore, incolore ma mortale): non facciamo del bricolage se non dotati delle necessarie conoscenze e competenze tecniche, ne può andare della nostra stessa vita.
In questa direzione si sta avvicinando l'attuazione di nuove disposizioni normative europee che imporranno la certificazione degli impianti gas a bordo dei veicoli nonché il controllo periodico.
Questo è l'ultima scheda della serie inerente il benessere a bordo dei veicoli ricreazionali. La serie sarà completata da un approfondimento inerente i sistemi di riscaldamento di bordo, che pubblicheremo a breve. Abbiamo però in preparazione interessanti approfondimenti su diversi altri componenti fondamentali del nostri veicoli; nei prossimi mesi, continuando a seguirci, li potrete vedere pubblicati.
Ringrazio doverosamente Luca e Roberto che gentilmente si prestano a fare i "revisori di comprensibilità" affinchè ciò che vi proponiamo da leggere sia il più chiaro ed immediato possibile.
Dodo
Precedenti schede pubblicate sull'argomento Star bene in Camper, i fattori Climatici - parte 1^ - parte II^ - parte III^
