Costruzione di una stufa in terra cruda ad accumulo di calore

Corso di costruzione di una stufa in terra cruda

ad accumulo di calore

L'articolo che segue è stato scritto nel 2012 a seguito di un corso sulla costruzione di una stufa con mattoni di terra cruda facilitato da Axel Berberich con il quale ho avuto modo di perfezionare l'arte del fumista iniziata con le prime stufe in terra cruda costruite già nel 2000 e i miei studi di fumisteria svolti con passione. Nei quindici anni successivi ho perfezionato le tecniche di costruzione in terra cruda e in particolare la valutazione delle miscele adatte per i vari usi.

L'articolo non intende essere una guida per progetti che ritengo necessitino almeno una prima volta delle competenze di una persona con un minimo di conoscenza delle regole della fumisteria. Inoltre le proporzioni, formule e misure fornite hanno subito negli anni e "nelle stufe" migliorie considerevoli. Però è sicuramente un invito ad approfondire l'argomento, a cimentarsi con progetti che, nell'ambito della terra cruda, credo siano dei più esigenti da un punto di vista progettuale, a stimolare la collaborazione tra appassionati del settore.

Rimango a disposizione per qualsiasi informazione per chi sta pensando ad una stufa ad accumulo di massa come opzione di riscaldamento di uno spazio abitativo o lavorativo. Le modalità di realizzazione che seguo di solito sono quelle della progettazione partecipata e della realizzazione condivisa, ovviamente lì dove possibile. Quindi si cerca sempre di rispettare i desideri del/la committente con una razionalizzazione delle dimensioni, dei materiali, della realizzazione mirando ad una costruzione che impieghi materiali il più possibile ecologici, riciclabili, duraturi e non inquinanti in fase di demolizione perché non ci va di lasciare immondizia da smaltire alle generazioni future. La partecipazione del/la committente è fondamentale, anche se solo a livello progettuale, per la strutturazione dell'identità della stufa e della relazione con essa. Inoltre m'interessa personalmente coltivare una relazione più profonda che esca dalla logica del consumismo e della moda. Oltre a ciò si aggiunge il fatto che la partecipazione del/la committente riduce effettivamente le spese a suo carico. La realizzazione in genere richiede dai 10 ai 20 giorni e una spesa che parte dai 2000 euro in base alla complessità del manufatto da realizzare. Sono disponibile a spostarmi in altre regioni d'Italia purché venga curata adeguatamente l'organizzazione dell'accoglienza, vitto e alloggio.

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Esistono tre tipi di riscaldamento: per irraggiamento, per convezione e per conduzione. In quasi tutta la storia dell'uomo, attraverso l'uso del fuoco il riscaldamento è sempre avvenuto per irraggiamento e solo successivamente alla rivoluzione industriale sono nati i primi riscaldamenti centralizzati basati su un riscaldamento per convezione (un esempio di questi sono i termosifoni).

Il fuoco aperto come quello di un caminetto riscalda principalmente per irraggiamento e lo stesso accade con una stufa che accumula calore come quella che stavamo per costruire.

Gli antichi romani avevano un sistema di riscaldamento chiamato ipocausto basato anch'esso sull'irraggiamento e sulla circolazione dei fumi attraverso le pareti che in questo modo lo accumulavano.

I vantaggi del riscaldamento per irraggiamento sono diversi. Per capirli meglio occorre illustrare come avviene meglio la trasmissione di calore.

Una persona produce calore che può essere valutato intorno ai 100 Watt/ora, 200 in particolari condizioni. Ora due corpi di diversa temperatura tendono ad equilibrare le loro temperature. Ecco perché se ci troviamo dentro una stanza fredda, il nostro corpo cederà calore in teoria fino a che la temperatura reciproca si equilibra. Ora con un riscaldamento classico per convezione (ad esempio quello dei termosifoni) vi è un riscaldamento dell'aria (più esattamente delle sue particelle e del vapore acqueo in essa contenuto) che tuttavia non blocca la perdita di calore corporeo nell'immediato. Quando invece abbiamo un riscaldamento per irraggiamento, questo replica fondamentalmente il processo attraverso cui il Sole stesso ci riscalda. Vi è in pratica una penetrazione dei raggi all'interno dell'organismo (nel caso del Sole questo avviene fino ad una profondità di 7 cm!). Questo fa sì che il nostro corpo smetta di cedere calore e di raffreddarsi.

Un'altra differenza importante è che nella convezione vi è nel movimento dell'aria la condensa del vapore acqueo quando questo viene a contatto con un corpo più freddo. Questo crea quella sensazione di umido che invece non proviamo se abbiamo una fonte di calore per irraggiamento. Tutto il movimento di aria causato dalla convezione inoltre mette in circolo continuamente le polveri contenute nella stanza.

Una stufa in muratura riscalda principalmente per irraggiamento e in minima parte per convezione, questo perché, prendendo ad esempio un mattone, esso ha una trasmissione del calore più lenta rispetto ad un metallo perciò non causa convezione. Questo è più facilmente comprensibile se pensiamo di toccare un mattone a 100 °C o una lamiera di ferro alla stessa temperatura. La sensazione col primo sarà piuttosto confortevole, mentre nel secondo caso, con una trasmissione di calore fino a 7 volte maggiore, potremo subire un ustione cutanea.

La stufa che ci accingevamo a costruire era di medio peso.

Una stufa leggera ha pareti di circa 6 cm, si riscalda di più e produce più convezione. Potrebbe essere usata idealmente per ambienti ben isolati o per una stufa da cucina. Naturalmente essa accumulerà meno calore e si raffredderà più velocemente.

Una stufa pesante ha più massa è potrebbe essere accesa ogni 24 ore, ma questa è peculiare dei paesi dove l'inverno è costantemente freddo. In Italia ci accontenteremo di una stufa media che va accesa ogni 12 ore permettendo una maggiore flessibilità: qualora una giornata dovesse presentarsi inaspettatamente un po' più calda possiamo tranquillamente saltare un'accensione.

Axel ci ha introdotto poi al "carattere" del fuoco e alle buone regole da rispettare per una combustione ottimale. La legna deve chiaramente essere asciutta ed avere almeno 2 anni di stagionatura. Anche in questo caso la legna ha ancora il 15/20 % di umidità (per maggiori info guarda: www.alfredoneri.com/scelta_del_legno. La presenza di acqua durante la combustione riduce la temperatura di quest'ultima causando una formazione notevolmente maggiore di fuliggine nella canna fumaria (questa essendo formata dai gas incombusti mischiati a vapore acqueo). È evidente perciò il bisogno di ridurre al minimo la presenza di acqua nella legna.

La combustione della legna avviene quindi prima con l'evaporazione dell'acqua residua (quando si usa il carbon coke nella lavorazione del ferro prima si fanno bruciare alcuni composti dello zolfo che altrimenti corroderebbero il ferro e poi, finita la fiamma, si mette il ferro a scaldare per la lavorazione); successivamente a 150 °C inizia la fuoriuscita di gas combustibili o la gassificazione del legno; questi gas a 200 °C sviluppano la fiamma.

La fiamma è sempre a 1000 °C (anche quella di una candela!) ed ha colore bianco. Quando ci appare arancione o blu dipende più che altro dallo sfondo che vi è dietro di essa.

Una nota sui legni resinosi: essi vanno bene perché la resina aiuta la combustione, purché la legna sia sempre asciutta. Il castagno, avendo molto tannino, tende a sporcare di più la canna fumaria.

Il colore dei materiali solidi come la legna, il ferro, la terra portati ad incandescenza ci fa capire la temperatura che abbiamo raggiunto: un rosso cupo avrà una temperatura di circa 500 °C mentre un'incandescenza gialla avrà una temperatura di circa 900°C.

Riporto di seguito i calcoli necessari alla progettazione e al dimensionamento della stufa.

Prendendo ad esempio una casa in muratura pesante (pietra, mattoni, terra cruda) in una zona dove la media delle temperature minime invernali è pari a 0 °C, si calcola che per 10 m² occorrono 1 kw/ora di potenza e 1 m² di superficie radiante.(1 Nota a pié di pagina)

Questo vuol dire che sono necessari 12 kw per le 12 ore che intervallano due accensioni consecutive. Dato che ogni chilo di legna sviluppa 4 kw, occorreranno 3 kg di legna per sviluppare i 12 kw che diventano 3,6-4 (+ il 20%) per compensare le perdite di calore (vedi 20% che si perde mandando i fumi a 200 °C nella canna fumaria e altre perdite).

La potenza di una stufa è anche in relazione al suo peso per cui per ogni kw sappiamo che il peso della stufa sarà circa di 250 kg.

L'altezza della stufa non dovrebbe superare l'altezza delle spalle.

Dato che vogliamo caricare la nostra stufa una sola volta per il fuoco di 1 ora dobbiamo calcolare quanto volume ci occorre per posizionare 4 kg di legna sapendo che un volume di legna di 10 x 10 x 20 pesa 1 kg. Occorrerà, tenendo fissa la lunghezza della legna a 20 cm, una superficie di 40 x 10, ovvero 400 cm2 che possiamo disegnare come un rettangolo con dimensioni a nostro piacere ma della stessa area o un quadrato con il lato pari alla radice quadrata della superficie ottenuta.

Una volta che abbiamo la superficie della base della camera di combustione sappiamo che 20 cm saranno occupati dalla legna messa in piedi per garantire una perfetta combustione (in pratica si possono collocare anche i pezzi orizzontalmente, facendo qualche compromesso con Calcifer(2)); occorreranno poi 40 cm in altezza oltre il livello della legna per garantire sufficiente spazio alle fiamme che nella migliore delle ipotesi non dovranno toccare il soffitto onde evitare che questo si rovini e che la combustione ne venga compromessa. Con una base più larga occorre aumentare anche l'altezza della camera di combustione.

In caso di fiamma inversa è bene allargare leggermente la base perché la griglia sulla quale viene poggiata la legna ruba spazio alla superficie totale.(3)

A contatto con una piastra di ghisa o altro metallo la fiamma si raffredda tornando allo stato di gas incombusto.

La camera di combustione va progettata quindi in base alla potenza necessaria per scaldare l'ambiente, mentre il giro-fumi è relazionato alla canna fumaria.

Axel ci ha illustrato come una camera di combustione a base ellittica (vedi ellisse) soddisfi meglio il bisogno di confort del fuoco, in quanto gli spigoli essendo più distanti dal centro avranno una temperatura più ridotta creando turbolenze alla combustione. Per ottenere questo basta posizionare dei mattoni negli spigoli tagliati in modo da riempire e arrotondare questi ultimi.

L'entrata d'aria per la combustione, che è sempre meglio posizionare di fronte all'entrata del giro-fumi, deve avere una sezione con superficie pari alla superficie della sezione dell'inizio del giro-fumi divisa per 8 o 8,5. Questo se vi è un'entrata dell'aria tutt'intorno alla camera di combustione ad esempio con un intercapedine dietro la parete e con dei fori sul perimetro inferiore della camera di combustione (superiore nel caso di fiamma inversa). In caso vi sia un'unica entrata per l'aria moltiplicheremo per 2 la superficie della sezione per permettere alle fiamme più lontane di ricevere sufficiente ossigeno.

Bisogna prevedere un'entrata secondaria pari a 2 cm²/kw/h e che può essere posizionata direttamente sulla porta principale con uno sportellino scorrevole.

Per stabilire la lunghezza del giro-fumi si può tenere in considerazione che per ogni kw/h si possono realizzare 1/1,5 metri di lunghezza a seconda del tiraggio (1,5 metri se il tiraggio è notevole, 1 per un tiraggio sufficiente). Dato che il fumo a maggior temperatura ha un volume più grande che diminuisce mano a mano che la temperatura scende, sarebbe consigliabile costruire un giro-fumi e una canna fumaria con una sezione che si restringe in proporzione. Nella pratica questo si può tradurre nel caso del giro-fumi nella costruzione di canali che ad ogni giro si riducono nella superficie della sezione.

Ad ogni modo quello che bisogna assolutamente evitare è che il giro-fumi si allarghi, perché in questo caso, come in un torrente che si allarga, la velocità e la pressione diminuiranno. L'area delle sezioni del giro-fumi, considerando 1 kw/h di potenza, è di 110-130 cm² all'entrata del primo giro e di 85-90 cm² alla sua fine. Anche in questo caso con un tiraggio eccessivo useremo il valore più basso ovvero di 110 cm² mentre se il tiraggio è minore useremo il valore maggiore. La sezione del giro-fumi può essere ridotta mantenendo la stessa altezza e riducendo la larghezza.

La sezione del giro-fumi dev'essere vicina alla forma circolare quindi quella quadrata, esagonale o ottagonale sono quelle che più si prestano, semplicemente aggiungendo agli spigoli dei pezzi di mattone sagomati per arrotondarli. Se per qualche motivo bisogna dare una forma rettangolare al giro-fumi il rapporto tra i lati di questo rettangolo non dovrebbe superare l'1:2. Un'altra soluzione è quella di dividere il tubo in due tubi paralleli dalla sezione quadrata o comunque con un rapporto ottimale tra i lati delle due sezioni ottenute.

Nella realizzazione delle parti orizzontali del giro-fumi si aumenta l'altezza prevista del 20% per lasciare spazio al deposito delle ceneri (considerate che una stufa del genere richiede una pulizia ogni 4 anni circa).

Nel caso della canna fumaria questo risulta più difficile se si usano dei tubi d'acciaio come di solito avviene per cui essa rimane invariata dall'inizio alla fine.

Anche lo spessore delle pareti del giro-fumi si ridurrà mano a mano per permettere un irraggiamento omogeneo su tutta la superficie radiante.

Ad esempio si può cominciare con un doppio strato di mattoni posizionati di taglio per il primo terzo della lunghezza totale, si può proseguire poi con un mattone e mezzo per il secondo terzo e finire poi con una parete di un solo mattone messo sempre di taglio.

Nel nostro caso siamo passati direttamente da una parete di due mattoni messi di taglio ad una di un mattone (la misura dei nostri mattoni era di circa 15 x 30 x 5 quest'ultima misura determinava lo spessore delle pareti del giro-fumi).

Un valido motivo per mettere i mattoni di taglio è dovuto al fatto che negli spigoli una parete fatta con un doppio strato di mattoni reagisce meglio alla dilatazione evitando crepe.

I fumi dovrebbero entrare nella canna fumaria a 200 °C di modo che all'uscita siano a circa 100 °C per una canna lunga 4-5 metri. Questo per evitare la condensa dei vapori e la conseguente formazione di fuliggine. Se vi è un buon tiraggio si può creare una canna fumaria più corta e farvi entrare i fumi ad una temperatura inferiore ai 200 °C. In caso di canna fumaria più corta tuttavia è meglio evitare l'uso della fiamma inversa.

La stufa che ci accingevamo a costruire è divisa in due parti: una al primo piano (stufa 1) con una massa più grande, una piastra di cottura e un forno, e che prevede il riscaldamento dell'acqua sanitaria e il riscaldamento di aria che viene poi messa in circolo e mandata nelle stanze da letto dei due piani; una al secondo piano (stufa 2) più piccola, ma con una camera di combustione indipendente da usare per una parte del riscaldamento e per cucinare.

La costruzione della stufa è iniziata con la preparazione della base. Uno zoccolo di calce e argilla espansa per entrambe le stufe (alto circa 16 cm) era già stato realizzato precedentemente. Su questo abbiamo creato un perimetro di mattoni cotti alto circa 20 cm successivamente riempito con terra-paglia. Questo strato serve principalmente da isolamento e su di esso è stata fatta la prima colata di cemento fuso con rete in fibra di vetro per uno spessore di 4-5 cm. Il cemento fuso o alluminato è una miscela di Ossido di alluminio (40-42%), Ossido di Calcio (38-40%), Ossido di Silicio e Ossidi di Ferro. Allo scopo è stato fatto un impasto piuttosto asciutto con 1 parte di cemento alluminato e 4 di sabbia. Questo indurisce piuttosto velocemente e al suo interno è stata posizionata una rete di fibra di vetro. Il cemento alluminato resiste ad alte temperature così come la rete in fibra di vetro che allo stesso tempo non ha una eccessiva dilatazione. (3)

Dato che nella stufa 1 (cioè quella al primo piano) abbiamo deposto, sotto la colata di cemento fuso, il tubo di rame per il riscaldamento dell'acqua sanitaria con circolo per convezione ci interessava che vi sia una buona conduzione di calore e quindi l'impasto di terra-paglia è stato messo solo sotto il tubo a mo' di isolante mentre sopra il tubo abbiamo messo un impasto di terra e sabbia (1:4) che doveva aderire bene alla lastra di cemento fuso per un'efficiente conduzione.

Su questa base, sulla quale è stato applicato un sottile strato (1-2 mm) di terra e cocciopesto (1:3) è iniziata la costruzione della camera di combustione e del giro-fumo utilizzando mattoni in terra cruda (cotti al sole) preparati e seccati precedentemente.(4) È molto importante d'ora in poi realizzare delle fughe tra i mattoni molto sottili perché questa malta avrà una dilatazione diversa rispetto al mattone ed è ovvio che maggiore sarà il suo spessore, maggiore la possibilità di crepe dovute a differenti gradi di dilatazione.

Per la realizzazione delle pareti del giro-fumi con doppio mattone messo di taglio tra i due mattoni è stato messo un pezzo di cartone per spezzare la dilatazione ed evitare così la possibile formazione di crepe.

Nella realizzazione del giro-fumi vengono lasciate delle aperture che ospiteranno i cosiddetti tappi di ispezione nei punti strategici dove sappiamo di non poter arrivare altrimenti. Ad esempio al centro delle curve orizzontali o verticali di modo da poter pulire entrambe le sezioni; sicuramente in fondo alle tratte verticali e in fondo alla canna fumaria dove tenderanno ad accumularsi cenere e polveri.

Teoricamente proprio da questo sportello in fondo alla canna fumaria si può anche valutare la forza del tiraggio per progettare meglio la stufa. Dico teoricamente perché occorre in tal caso costruire prima la canna fumaria. Si procede in tal caso in questo modo: avviciniamo una candela accesa allo sportello che dev'essere aperto di appena 1 centimetro. Se la fiamma rimane indifferente il tiraggio potrebbe essere insufficiente. Se la fiamma si piega verso l'interno della canna allora siamo di fronte ad un buon tiraggio. Se la fiamma addirittura si spegne a causa della troppa corrente d'aria, allora vi è un tiraggio eccessivo che va trattato ad esempio aumentando il giro-fumi o creando una strettoia proprio nel passaggio tra questo e la canna fumaria. Un tiraggio eccessivo infatti significa una combustione più veloce (normalmente la velocità dei fumi è di 0,5 m/sec) e un passaggio dei fumi nella stufa più veloce e un conseguente arrivo di questi all'imbocco della canna fumaria ad una temperatura maggiore dei 200 °C ottimali.

Questa prova della candela può essere usata anche per valutare il tiraggio prima dell'accensione all'imboccatura della camera di combustione. Se la fiamma si piega in fuori allora è meglio non accendere la stufa o creare una depressione ad esempio bruciando un foglio di giornale alla base della canna fumaria.

Sempre riguardo la canna fumaria un tipo di comignolo che dovrebbe migliorare il tiraggio in caso di correnti d'aria sfavorevoli presenta un rivestimento ad una certa distanza sopra la parte terminale della canna. In questo modo si genera una corrente d'aria spontanea.

Se il giro-fumi passa sotto una panca bisogna essere sicuri di non generare troppo calore soprattutto se si tratta della prima parte del giro-fumi. In questo caso prevederemo una doppia parete di materiale pieno sopra il giro-fumi con una intercapedine.

Lì dove è necessario fare delle valvole per gestire il passaggio dei fumi, queste si possono fare con lamiera spessa 3-5 mm alla quale centralmente saldiamo un tondino che fuoriuscirà attraverso le pareti della stufa verticalmente o orizzontalmente a seconda dei casi.

Per quanto riguarda le porte queste possono essere fissate con dei morsetti fatti con degli angolari di ferro. Su due di essi, quelli che costituiscono i lati verticali del telaio della porta saranno saldati due tondini filettati (uno sopra e uno sotto) successivamente passanti oltre gli angolari disposti sempre in verticale oltre il primo mattone della parete della stufa e stretti con dei dadi. Ad una dei lati esterni verticali del telaio della porta verranno saldate le cerniere.

La porta verrà realizzata con 3 strati di lamiera dello spessore dall'esterno verso l'interno di 4-4-3 mm. Qualora vogliamo applicare un vetro alla porta la sua cornice può essere realizzata con tubolare quadrato di 10 mm. Si userà poi vetro ceramico che di solito è di 4 mm di spessore.

Un altro tipo di porta che dev'essere asportabile, sempre ancorata allo stesso modo, può essere fatta con due guide saldate appositamente. Questo è il caso di una porta per un forno a legna dove è più comodo quando s'inforna e quando si mette la legna non avere la porta di mezzo.

La lastra finale che rimarrà a vista e nella quale sono state incassate due piastre di ghisa recuperate da vecchie cucine economiche è stata realizzata facendo un cassero apposito. L'impasto era composto nel seguente modo: 2 parti di cemento alluminato, 4 p di cocciopesto chiaro, 1/2 p di cocciopesto rosso da 0,3 mm, 1/2 p di cocciopesto rosso finissimo. Questo impasto può essere lisciato con carta vetrata dopo qualche ora dalla gettata e messo in posa quando non è più caldo (si scalda nella fase dell'indurimento).

L'intonacatura finale può essere fatta con un impasto nel quale mettiamo delle pagliuzze. Queste torneranno alla luce passando, quando la terra è allo stato cuoio, una spugna bagnata e conferiranno maggiore lucentezza alla stufa (che di solito anche se ha calore, manca della luce... del Sole).

L'ultima lezione teorica è stata dedicata all'uso della stufa. Una regola importante è quella di lasciare aperto lo sportello o la presa d'aria fin tanto che vi è fiamma bianca. Quando questa si riduce a qualche fiammella blu si può chiudere tutto perché le braci non avranno più bisogno di un'entrata di ossigeno. Per regolare l'entrata d'aria si può tenere in considerazione che questa dev'essere leggermente maggiore del punto in cui la fiamma inizia a "borbottare" per mancanza di aria.

È seguita una breve introduzione alle sezioni auree e alla curva evolvente usata in questo caso per la progettazione della stufa e dar loro una forma che sia in armonia con la stanza che le ospita. Il discorso avrà nel breve termine senz'altro un approfondimento!!!

4 giornate con la terra, col fuoco, con l'acqua e l'aria, sviluppando forme armoniche, cercando di comprendere "il carattere" del fuoco e la pigrizia del fumo che sceglie sempre il percorso che gli conviene di più (foss'anche più lungo!). Proprio mentre scrivo queste righe la mia cucina economica ronfa, il fuoco mi chiama, rimango incantato a studiare quella fiamma che tanto mi è mancata dopo un'intera estate passata ad usare solo il forno e la cucina solare. Questo però è un altro discorso sul quale torneremo un'altra volta.

Questo corso decisamente è stato molto utile perché a breve vorrei costruire una stufa ad accumulo nella mia casa.

Intanto inizio a preparare i mattoni in terra cruda nelle belle giornate di Sole. Se vi interessa partecipare al progetto, basta che mi scriviate!