VALVOLE TERMOSTATICHE: SONO TUTTE UGUALI?

VALVOLE TERMOSTATICHE: SONO TUTTE UGUALI? a parte di Russo Gaetao Fabio Premessa Nell articolo precedete soo state messe i evideza le caratteristiche prestazioali delle testie termostatiche, i uesta secoda parte verrao evideziate le caratteristiche prestazioali dei corpi valvola a cui le testie termostatiche vegoo accoppiate, soffermadosi su u aspetto acora trascurato che è uello della possibilità di bilaciameto dei sigoli radiatori. Nel prossimo articolo verrao ivece evideziati alcui aspetti legati al rumore dovuto al flusso turboleto el corpo valvola regolato dalla testia termostatica. Il problema: lo sbilaciameto idraulico dei radiatori Acora oggi ella stragrade maggioraza degli impiati di riscaldameto esisteti i cui si operao iterveti di risparmio eergetico, ci si limita ad istallare (come previsto dall art. 9 del DM 19/0/007) caldaie a codesazioe, circolatori a velocità variabile e valvole termostatiche su tutti i radiatori. Purtroppo però, o essedo obbligatori per legge, è d'uso istallare isieme alle testie termostatiche corpi valvola privi di regolazioe del Kv, riteedo erroeamete che la testia termostatica sia già idoea a compesare durate il fuzioameto gli errori di bilaciameto dell impiato. D altrode la maggior parte degli impiati termici esisteti, privi di ualsiasi dispositivo di bilaciameto, dimostrao che la regolazioe della portata o fa parte del bagaglio culturale dell impiatista italiao il uale, aziché adeguare l effettiva portata alla poteza ecessaria, preferisce per coveieza ecoomica realizzare impiati co elevate portate e prevaleze, lasciado ai posteri i problemi di gestioe dello sbilaciameto delle temperature, dei rumori e degli esorbitati cosumi elettrici delle pompe. Queste problematiche, trascurabili fiché i corpi valvola erao sprovvisti di testie termostatiche, divetao ora gravi problemi da o sottovalutare. Ifatti co l impiego dei circolatori a velocità variabile la portata dei radiatori viee ievitabilmete ridotta al miimo e su uesti uovi valori di portata l impiato deve ecessariamete risultare adattato se si voglioo risolvere i problemi sopracceati. La soluzioe è più semplice di uato possa sembrare: sarebbe sufficiete che le uove testie termostatiche risultio accoppiate a corpi valvola dotati di limitatore di portata, ovvero si abbia u Kv regolabile su ciascu radiatore. Ifatti dal puto di vista idraulico i radiatori avedo ampi passaggi presetao Kv elevati (ovvero perdite di carico trascurabili) uidi i preseza di corpi valvola ordiari sprovvisti di Kv variabile si avrebbero extraflussi sui radiatori più favoriti che i preseza di circolatori a velocità variabile accetuao i difetti di sottoflussi sui radiatori più sfavoriti. Per promemoria ricordo che il Kv è u coefficiete caratteristico che idica la portata fluete a valvola aperta e alla pressioe differeziale covezioalmete assuta pari a 1 bar. Nelle varie uità di misura utilizzate dai Costruttori si avrao le segueti relazioi: Portata i m 3 /h m 3 /h l/h l/h Perdita di carico i bar kpa bar kpa Coefficiete Kv Kv Kv 10 Kv Kv 3 p p p 100 10 p Perdita di carico p p Kv p 100 Kv p 6 10 Kv p 4 10 Kv Portata Kv p 3 0, 1Kv p 10 Kv p 100Kv p pagia1di7

Valori tipici dei Kv delle valvole da 1/ completamete aperte variao da 1,8 a,4 m 3 /h bar. Alle ormali pressioi differeziali preseti sui corpi valvola (circa 5-0kPa) vedremo che tale valore può essere oltre 10 volte superiore a uello ecessario per u radiatore da 1000W. La preregolazioe per il bilaciameto dei radiatori Si è acceato al fatto che sembrerebbe o ravvisabile alcu vataggio bilaciare la portata dei sigoli radiatori, soprattutto se dotati di valvole termostatiche: essedo la loro fuzioe uella di correlare il flusso di calore emesso dal radiatore co la temperatura ambiete regolata, potrebbe coseguire che il bilaciameto idraulico si ottiee co l approssimarsi della chiusura della valvola al raggiugimeto della temperatura voluta. Ifatti è pur vero che la valvola termostatica tede idirettamete a livellare le differeze di portata ei radiatori uado, per l'eccesso di temperatura ambiete ei locali sovrariscaldati, la chiusura delle termostatiche crea u aumeto della perdita di carico el radiatore iteressato e uidi u maggior flusso si rede dispoibile ache ai radiatori idraulicamete sfavoriti che risultao acora freddi. Questa proprietà è vera ma purtroppo si verifica solamete uado la temperatura ambiete ei locali favoriti supera il valore di set poit e della bada proporzioale (tolleraza di regolazioe della valvola). Se ivece la temperatura ambiete risulta iferiore a uesto valore la valvola sarà completamete aperta o esplicado così alcua azioe di bilaciameto. Questi casi soo più umerosi di uato si possa pesare e o si limitao al solo avviameto a freddo del mattio (morig start up) ma si verificao ache i preseza di regime itermittete o atteuato, di errori comportametali (termostatiche tarate oltre i C, apertura prolugata delle fiestre,...) oché durate le cotiue pedolazioi all'itero della bada proporzioale che si hao co il ormale fuzioameto della valvola termostatica. I ogi caso dover attedere che il bilaciameto vega effettuato solo alla chiusura della termostatica, codizioe che potrebbe ache o verificarsi mai (tate soo le valvole termostatiche che vegoo lasciate dagli uteti al massimo della taratura), sigifica mateere codizioi di fuzioameto suilibrate che producoo maggiori cosumi di eergia elettrica da parte delle pompe ed isufficieza di portata (e uidi di temperatura ambiete) ei radiatori idraulicamete più sfavoriti. I sostaza tutti uei casi che provocao perturbazioi locali della temperatura ambiete, determiao la completa apertura della valvola termostatica e uidi ecessitao di ua limitazioe della portata al valore limite corrispodete alla poteza massima erogabile dal radiatore. Erogare ua portata maggiore del limite massimo ecessario crea solo problemi ed aumeta i cosumi eergetici. Fig. 1 Rappresetazioe tempo di messa a regime tra impiato sbilaciato e bilaciato Come vedremo dettagliatamete uesti problemi possoo essere risolti efficacemete e i modo semplice prevededo valvole termostatiche dotate del dispositivo di preregolazioe della portata. pagiadi7

Per focalizzare il problema prediamo i cosiderazioe due radiatori ello stesso appartameto: uo piccolo co P =500 W e l'altro grade co P = 000 W, se poessimo u t=15 C (sarebbe auspicabile u t=0 C) le portate omiali ( ) massime, ovvero a piea poteza, risultao essere: P 1,163 t 500 1.16315 - per il radiatore piccolo da 500W: 9 litri/h P 1,163t 000 1.16315 - per il radiatore grade da 000W: 115 litri/h pagia3di7 Fig. Portate omiali tra due radiatori di differete poteza Suppoiamo di trascurare le perdite di carico delle tubazioi e del corpo del radiatore cocetradosi solo sul Kv delle valvole di madata e ritoro dei radiatori, le uali a valvole completamete aperte presetao ormalmete ciascua u Kv=,. Dato che il Kv complessivo di u circuito co valvole iserite i serie si calcola co: Kv tot 1 Kv Kv Kv 1... co le valvole i serie avremo per ciascu radiatore u Kv complessivo pari a: Kv tot 1 0.5,, 0.07 0.07 1, 56 valv det ipotizzado agli attacchi ua pressioe differeziale di 15kPa si avrà ua portata reale ( R ): R 100 Kv p 1001.56 15 60 l/h per ciascu radiatore. E' bee osservare che la portata è la stessa per etrambi i radiatori, idipedetemete dalla loro poteza, essedo di fatto idetica la perdita di carico valvola-radiatore. R I ueste codizioi l'errore E 100, ovvero l esuberaza della portata effettiva % rispetto a uella omiale ecessaria, risulta essere: per il radiatore piccolo da 500W: E 100 1975 % ecessario; 60 9 9 % 60 115 115 per il radiatore grade da 000W: E 100 43 % ecessario. % ovvero uasi 0 volte il ovvero oltre 4 volte il A titolo idicativo si evidezia che la portata di 60 l/h co t di 0 C è talmete esuberate al puto che potrebbe da sola soddisfare u impiato co poteza omiale di: P 1,163 t 1.163 060 14. 000W ovvero u solo radiatore è attraversato da ua portata ormalmete richiesta da u itero appartameto ubicato i zoa climatica D avete ua superficie di circa 00m! Questo sovraflusso catastrofico i gergo viee defiito "corto circuito idraulico".

Ma uesto sovraflusso ha aumetato della stessa proporzioe ache la poteza emessa? Assolutamete o! La maggior portata costituisce solo ua poteza termica "spedibile" ovvero poteziale, l'effettiva poteza termica emessa dipede dalle caratteristiche costruttive del radiatore e riassumibili dalla formula caoica dello scambio termico: P U S t dove U= trasmittaza di scambio termico (radiatori i aria calma U 6-8W/m K), S=superficie i m e t è la differeza tra la temperatura del radiatore e la temperatura ambiete, ovvero: tm tr t ta Siccome é U e é S possoo aumetare e cosegue che ua maggior portata coduce uicamete ad u aumeto del t del radiatore. Ache ammesso per assurdo che la differeza tm,tr diveti ulla, ovvero tm=tr=80 C (e uidi si avrà u t=60 C aziché di 50 C) l'icremeto di poteza (pe % ) che e cosegue è modesto e o certo proporzioale all'esubero di portata, ifatti ipotizzado ua ualsiasi poteza P: P60 P50 60 50 pe% 100 100 0% P 50 50 Ciò sigifica che a frote di aumeti impressioati della portata si ottiee solo u modesto icremeto della poteza (max 0%), ioltre u sovraflusso i ua parte dell'impiato, se o viee adeguatamete compesato dalla pompa, sigifica ievitabilmete u sottoflusso da u'altra parte dell impiato. I sottoflussi hao ua icideza sulla poteza otevolmete superiore ai sovraflussi, uesto fatto è messo i evideza dalla fig. 3 se si ota la diversa icliazioe che assumoo le curve prima e dopo il puto ottimale del 100% di portata e poteza. Fig. 3: Variazioe % della poteza emessa (P%) i fuzioe della variazioe di portata (%) per diversi salti termici e riferiti ad u comue radiatore (=1.3) e co ambiete a 0 C. Come se ciò o bastasse a creare problemi i u impiato, altre distorsioi se e aggiugoo. Ad esempio, valvole termostatiche regolate oltre la massima temperatura ambiete o adrao mai i chiusura: i uesto caso è come se la testia termostatica o esistesse. Se la portata massima ei circuiti favoriti o viee adeguatamete limitata, uesti extra flussi ridurrao la portata dispoibile ad altre parti dell'impiato creado disagi soprattutto ai piai alti, i uali avedo tubazioi co maggior percorso hao perdite di carico maggiori e uidi la portata dispoibile sarà iferiore. Dispositivi di preregolazioe dei radiatori Nel paragrafo precedete soo stati evideziati gli effetti disastrosi del macato bilaciameto dei radiatori e abbiamo acceato al fatto che per porvi rimedio è sufficiete che i corpi valvola delle testie termostatiche siao dotate di limitatore di portata ovvero di Kv regolabile. pagia4di7

Da teer presete che dal puto di vista ecoomico u corpo valvola co Kv variabile ha u costo di circa il 10% i più rispetto ad u corpo valvola ordiario, maggiorazioe di costo di circa 1 che o giustifica la preseza sul mercato di valvole a kv fisso salvo che per due motivi: 1. il Costruttore o dispoe di risorse atte a modificare la produzioe;. il Costruttore matiee la produzioe i attesa di ua evoluzioe del mercato acora legato al costo e o alle prestazioi. Ma come fuzioa il limitatore di portata, ovvero la preregolazioe del Kv? Nella pratica costruttiva è sufficiete che l iserto stelo-otturatore all itero del corpo valvola abbia uo scotro che limiti la corsa di apertura dello stelo. U altro metodo è uello di dotare il gruppo otturatore di u cilidro co vari orifizi aveti differeti sezioi di passaggio selezioabili mediate semplice rotazioe. Siccome gli iserti stelo-valvola soo pezzi smotabili dal corpo valvola è spesso possibile la sostituzioe di u iserto comue co altro dello stesso tipo avete la regolazioe della corsa di massima apertura. I ogi caso per poter effettuare la preregolazioe della portata massima basta svitare la ghiera della testia termostatica e agire co cacciavite o apposita chiave sulla vite di preselezioe umerata regoladola al corrispodete valore di portata rilevabile dal diagramma del Costruttore. A B Fig. 4 Vista estera (A) ed itera (B) di u tipico corpo valvola co iserto di regolazioe del Kv. Fig. 5 Tipico diagramma di regolazioe della portata per valvola termostatizzabile co Kv regolabile. pagia5di7

Per u corretto fuzioameto è uidi ecessario che i fase di istallazioe delle valvole termostatiche l'istallatore sappia, cosultado i diagrammi del Costruttore, il limite di massima apertura da impostare su ogi radiatore. Ad esempio impiegado ua valvola co caratteristica idraulica come da diagramma di fig.5 possiamo otare che per u radiatore da 1000W co t=0 C, che richiede ua portata omiale di 43l/h, è ecessario impostare la corsa massima dell'otturatore sulla tacca 3 se si ha u p =15kPa oppure sulla tacca 4 se si ha u p =7kPa. Se o diversamete idicato tali diagrammi riferiscoo le regolazioi ad ua bada proporzioale, ovvero ad u errore rispetto al set-poit, di ±K. Nel caso sia ecessaria ua bada di ±1K (preferibile), ovvero ua maggior precisioe di regolazioe, è ecessario u aumeto dell'autorità della valvola, ovvero la corsa va limitata ulteriormete secodo le istruzioi del Costruttore. Molto importate è teer presete che i diagrammi dei Costruttori si riferiscoo alla sola valvola termostatizzabile e o all'accoppiameto valvola+detetore che, pur avedo uest'ultima u Kv relativamete grade (i geere,), è comuue u ulteriore elemeto resistivo i serie che riduce il valore della portata attraversate il radiatore e uidi, a rigore, il riferimeto esatto del Kv sarebbe da calcolarsi co la formuletta del Kv i serie ma, essedo l'errore miore dell' 1%, ella pratica uesto calcolo può essere omesso. Errore molto più sesibile, che modifica la taratura del diagramma di circa il 10%, è ivece apportato dalla "rigidezza" della testia termostatica che viee accoppiata allo stelo. I uesto caso i Costruttori soo soliti idicare la maggiorazioe della perdita di carico da cosiderare per il tipo di testia termostatica. Per semplificare le operazioi di regolazioe effettuate da persoale o esperto i regolazioi può essere utile predisporre ua tabella riepilogativa del tipo seguete: Dimesioi e Regolazioe Radiatore Gradezza P (Watt) REG. Piccolo P<1000 9 Medio 1000<P<000 1 Grade P>000 15 Note per la taratura Co u cacciavite, ruotare i seso orario la vite di pre-selezioe fio al suo arresto (valvola chiusa). Cotrassegare uesta posizioe come riferimeto di parteza. Ruotare i apertura fio al riferimeto idicato i REG (tacca 10 = 1 giro). Dato che la pressioe differeziale dispoibile el circuito dimiuisce co l aumetare delle resisteze el circuito stesso, simili prospetti rappresetao ua approssimazioe di uo specifico caso i cui il valore di p assuto rappreseta ua particolare zoa dell impiato avete la pressioe residua cosiderata. Il diagramma di fig. 6 rappreseta graficamete uesta codizioe. Fig. 6 Rappresetazioe perdite di carico e prevaleza residua pagia6di7

Dal diagramma di fig. 6 si può otare che la perdita di carico dei radiatori (A), si può cosiderare u valore costate, metre la perdita delle tubazioi (B) è i geere proporzioale allo sviluppo della rete. Ciascu radiatore avrà uidi dispoibile ua prevaleza residua data dalla differeza, el puto cosiderato, tra la prevaleza massima agli attacchi della pompa (liea verde C) sottratte le perdite di carico totali del circuito (liea rossa B). Il valore di riferimeto della prevaleza residua da utilizzare per la regolazioe del Kv è uidi u valore variabile (mi-max) che dipede dal puto cosiderato el circuito (dal primo all' ultimo radiatore). Negli impiati esisteti, macado le predisposizioi degli attacchi per le misure di pressioe, o risulta possibile misurare la prevaleza residua ei vari puti e uidi si tede ad effettuare ua prima regolazioe i eccesso, che evetualmete può essere corretta i fase di esercizio rilevado le temperature effettivamete dispoibili ai radiatori e affiado al coltempo u'esperieza utile a suggerire la migliore approssimazioe elle istallazioi successive. I ogi caso si tega presete che ualsiasi approssimazioe i eccesso produrrà comuue ua riduzioe di uell'errore catastrofico della portata che altrimeti si avrebbe co le valvole termostatiche completamete aperte e prive di Kv regolabile. E' ache utile osservare che o è ecessaria ua eccessiva precisioe dato che la fuzioe della preregolazioe del Kv è uella di correggere i trasitori termici. Ad eccezioe di uesti casi, ovvero co impiato be regolato e a regime, sarà la stessa testia termostatica a posizioare l'otturatore sotto la corsa massima del Kv prefissato, dovedo di fatto ridurre la poteza del radiatore al valore di compesazioe delle sole dispersioi termiche. Si coclude osservado che ua regolazioe della portata massima potrebbe essere operata parzializzado la chiusura dei detetori, ovvero iterveedo sulla valvola (priva di maopola) posta sul ritoro dei radiatori. Sebbee il pricipio sia lo stesso (realizzare ua perdita di carico addizioale atta a ridurre la portata i eccesso) uesta soluzioe o è miimamete paragoabile all'impiego di u corpo valvola co Kv regolabile, o tato per il fatto che il Costruttore forisce diagrammi ad hoc e ua scala di regolazioe visibile sul corpo valvola, uato per il fatto che u ualsiasi iterveto ell'impiato che richieda la chiusura di valvole e detetori dei radiatori fa perdere uelle codizioi di taratura che magari soo state faticosamete raggiute. Tale problema o può verificarsi elle valvole predisposte co Kv regolabile essedo uesta ua taratura idipedete sia dall'azioe della valvola termostatica sia dall'azioe mauale di chiusura del radiatore. pagia7di7