Valvole termostatiche: grandi vantaggi a patto che…

La valvola termostatica costituisce un dispositivo complesso che è in grado di offrire importanti vantaggi, solo se conosciuto in tutti i suoi aspetti tecnici, correttamente installato, ma soprattutto se inserito in un organico progetto di termoregolazione, che affronti e valuti il corretto bilanciamento dell’intero impianto.

Principali componenti costituenti una valvola termostatica.

Rese famose presso il grande pubblico dal D. Lgs. 4 luglio 2014 n. 102, che ha imposto a tutti gli immobili serviti da impianto di riscaldamento centralizzato di dotarsi di sistemi di termoregolazione e contabilizzazione individuali, sono spesso oggetto, a torto, di rimostranze per prestazioni disattese e causa di varie disfunzioni impiantistiche.

Approccio superficiale, sottovalutazione di importanti aspetti qualitativi e prestazionali, ma soprattutto l’assenza di un organico progetto di inserimento di tali dispositivi in un impianto, sono viceversa le motivazioni principali delle inefficienze evidenziate.

CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE

Le valvole termostatiche sono dispositivi che, oltre ad esercitare le ordinarie funzioni delle valvole per corpi scaldanti (isolamento singolo radiatore, bilanciamento), sono anche in grado di regolare la temperatura ambiente dei locali in cui sono installate.

Per svolgere una funzione così significativa, le valvole termostatiche devono possedere caratteristiche tecniche ben definite, in modo da consentirne una scelta appropriata sia alle peculiarità dell’impianto in cui dovranno operare, che alle esigenze dell’utenza.

Definiamo quindi valvola termostatica un organo di intercettazione di un flusso fluido e di regolazione della temperatura ambiente, che agisce sulla portata del fluido vettore di calore che la attraversa.

Le parti principali che costituiscono una valvola termostatica sono:

– il sensore o elemento sensibile che, in funzione delle escursioni termiche rilevate, muove il sistema pistone/otturatore;

– il corpo valvola;

– l’otturatore.

IL SENSORE

Il sensore o elemento sensibile è classificabile in tre tipologie: a dilatazione di cera; a dilatazione di gas; a dilatazione di liquido.

 A dilatazione di cera

È costituito da un involucro rigido riempito di cera che, all’aumentare della temperatura ambiente si dilata e spinge l’otturatore in chiusura, vincendo la resistenza di una molla di precarica.

Sono i sensori più economici, ma sono caratterizzati da tempi di risposta molto lunghi (superiori a 35 minuti), in quanto la cera si deve riscaldare globalmente per pura conduzione.

A dilatazione di gas

In questo caso l’involucro rigido è riempito con un gas o un vapore in equilibrio con una piccola quantità di liquido. Il meccanismo d’azione è identico al precedente.

Tali sensori hanno tempi di risposta molto rapidi (5 – 10 minuti) essendo il fluido termosensibile riscaldato per conduzione e convezione; in presenza di elevate pressioni differenziali si possono verificare aperture indesiderate dell’otturatore.

A dilatazione di liquido

Nell’involucro rigido è presente un liquido, solitamente alcool, acetone o miscele di liquidi organici simili a quelli in uso nei termometri. Con l’aumentare della temperatura il liquido si espande spingendo l’otturatore in chiusura, in contrasto ad una molla di precarica.

Sono i sensori attualmente più utilizzati, in quanto forniscono buoni tempi di risposta (15 – 25 minuti), senza alcun problema per elevate pressioni differenziali.

Valvola termostatica per distribuzione monotubo, con sensore a dilatazione di liquido. La possibilità di regolare l’interasse tra gli attacchi di mandata e ritorno, rende il prodotto particolarmente flessibile e facilmente adattabile anche negli impianti datati (FAR Rubinetterie).

CORPO VALVOLA

E’ la sede in cui si trovano alloggiati il pistone e l’otturatore; essendo inoltre il “canale” in cui transita il fluido vettore (l’acqua), la sua forma ha estrema rilevanza per la formazione di eventuali turbolenze nel flusso fluido, causa di accentuate perdite di carico localizzate, nonché di indesiderata rumorosità.

OTTURATORE

E’ il componente mobile, solidale al pistone che, con il proprio movimento, modifica la sezione di passaggio del fluido fino a chiuderla/aprirla totalmente.

Variando la propria posizione tra quella di apertura e quella di chiusura, l’otturatore rende possibile la variazione della pressione e della portata del fluido.

L’otturatore è essenzialmente di due tipi:

– a disco o piattello, che rappresenta il modello più diffuso e che consente una discreta regolazione;

– a spillo (con forma conica o tronco-conica), che permette di ottenere piccole variazioni della sezione di strozzamento con grandi spostamenti del pistone.

Sagomando opportunamente la geometria dell’otturatore, è possibile definire la caratteristica di regolazione della valvola (portata del fluido in funzione della corsa dell’otturatore).

Otturatore ad apertura rapida

È il modello a piattello, con il quale l’incremento della portata avviene quasi esclusivamente nella prima parte della corsa; ulteriori incrementi della posizione di apertura determinano aumenti di portata pressoché trascurabili. Viene generalmente utilizzato in controlli tutto-niente, allorquando si desidera una portata più o meno costante oltre un certo grado di apertura.

Otturatore lineare

Consegue la linearità tra la corsa dell’otturatore e la portata in transito nel corpo della valvola.

È adottato quando la pressione differenziale in esercizio non subisce apprezzabili variazioni, oppure in processi con limitate variazioni di portata. Il profilo dell’otturatore è normalmente di tipo parabolico.

Otturatore equipercentuale

A parità di pressione differenziale, questo otturatore realizza un aumento percentuale costante della portata, per uguali incrementi della corsa di apertura.

La peculiarità di questa disposizione consiste nell’erogazione della maggior parte della portata nell’ultima frazione di apertura.

Esempio di meccanismo di preregolazione: all’interno del dispositivo (1), mediante l’apposita ghiera di manovra (2), si possono selezionare specifiche sezioni di passaggio (3) cui corrispondono diversi valori di kv. La sezione operativa è segnalata da (4) una scala graduata (Caleffi).

SCELTA E INSTALLAZIONE

Essendo la valvola termostatica un organo di regolazione della temperatura ambiente, tramite il controllo della portata che circola nel corpo scaldante cui è asservita, è indispensabile che la stessa sia in grado di agire in modo progressivo da 0% a 100% della potenza emessa dal terminale ed in modo proporzionale alla variazione di alcuni parametri significativi.

Per una corretta scelta ed installazione di una valvola termostatica, è necessario considerare diversi elementi:

– isteresi;

– alzata nominale;

– costante di tempo;

– coefficiente di portata kv;

– banda proporzionale;

– autorità;

– massima pressione differenziale.

Isteresi

E’ la non esatta corrispondenza del comportamento di un sistema, ad una sollecitazione percorsa identicamente in un verso ed in senso opposto. Nel caso delle valvole termostatiche, l’isteresi è la differenza di temperatura tra le curve di apertura e di chiusura ottenute alla medesima portata.

Un sistema perfetto, privo di errori, dovrebbe avere isteresi nulla ovvero, la posizione dello stelo in funzione della temperatura ambiente dovrebbe essere identica, sia per il ciclo di apertura che per quello di chiusura.

Per effetto degli attriti, in realtà, si riscontrano valori di isteresi compresi tra 0,1°K e 0,8°K.

Valvole di buona qualità devono presentare bassi valori di isteresi (0,2°K – max. 0,4°K).

Alzata nominale

È la corsa in millimetri che l’otturatore compie per una variazione di temperatura del bulbo termostatico pari a 2°K, a partire dalla posizione di chiusura.

Secondo i modelli, l’alzata nominale ha un valore compreso tra 0,3 mm e 0,8 mm, mentre l’alzata massima può raggiugere i 2 mm.

Il campo compreso tra la chiusura e l’alzata nominale, costituisce l’ambito operativo effettivo di una valvola termostatica.

Costante di tempo

Indica il tempo che l’otturatore impiega per percorrere il 63% dell’intera corsa necessaria a raggiungere l’alzata nominale; è rappresentativa del fatto che la modifica del parametro controllato non è mai immediata.

La costante di tempo dipende dal tipo di elemento impiegato per la misura della grandezza, nonché dal materiale e dalla massa coinvolti nell’operazione di regolazione.

Conseguentemente ogni modello di uno specifico costruttore è caratterizzato da una propria costante di tempo, diversa in genere per analoghi dispositivi di altri costruttori.

La costante di tempo si riscontra in tutti i sistemi di misura di qualunque grandezza fisica (temperatura, umidità, pressione, ecc.).

In ambito termotecnico è importante disporre di sonde con costanti di tempo diverse in funzione delle applicazioni.

Relativamente alle valvole termostatiche, la costante di tempo dipende, oltre che dal tipo di sensore impiegato e dalla sua inerzia termica, dagli attriti delle parti in movimento e dalle pressioni differenziali.

Valvola termostatica con preregolazione e sensore a dilatazione di liquido. Sono visibili i fori calibrati che consentono di variare il kv da 0,045 m3/h a 0,32 m3/h (Ivar).

Coefficiente di portata kv

È un parametro tipico, specifico per ogni valvola, che caratterizza la relativa resistenza idraulica nel suo punto di funzionamento.

Esprime la portata di acqua in m3/h e ad una temperatura compresa tra 5 °K e 40 °K (normalmente 15 °K – 16 °K), che attraversa una valvola con una pressione differenziale (caduta di pressione) di 1 bar.

Con tale dato è possibile:

– calcolare la portata che attraversa la valvola in funzione della reale differenza di pressione;

– dimensionare la valvola per la portata e la perdita di carico previste;

– verificare la perdita di carico localizzata in funzione della portata.

Nel caso specifico delle valvole termostatiche, essendo il kv condizionato dall’alzata dell’otturatore, per differenti posizioni di quest’ultimo si avranno differenti valori di kv. In particolare sono significativi due valori di kv:

– kvn nominale, determinato con l’otturatore della valvola nella posizione di alzata nominale;

– kvt totale, corrispondente all’alzata totale dell’otturatore.

Banda proporzionale

Rappresenta il campo di variazione della grandezza regolata, affinché l’otturatore effettui l’intera corsa da aperto a chiuso e viceversa.

Per le valvole termostatiche la banda proporzionale è definita come la variazione di temperatura ambiente necessaria per spostare l’otturatore dalla posizione di apertura, determinata in fase di progetto e quindi corrispondente all’alzata nominale, alla posizione di totale chiusura.

Una banda proporzionale eccessiva darà luogo a deviazioni intollerabili dal valore nominale della temperatura ambiente; una banda troppo limitata, viceversa, innescherà oscillazioni ed instabilità.

Un buon compromesso si consegue con una banda proporzionale compresa tra 1 °K e  2°K.

Valvole termostatizzabili dotate di sistema di preregolazione studiato per ottimizzare il bilanciamento degli impianti in abbinamento agli attuatori termostatici. La preregolazione, a sei posizioni, può variare il kv da 0,1 fino a 1,4 m3/h e può essere eseguita manualmente senza l’utilizzo di alcun particolare strumento (Watts Water Technologies).

Autorità

È un parametro indicativo della capacità di una valvola termostatica a regolare effettivamente un circuito.

È espressa dal rapporto tra la perdita di carico localizzata della valvola e la perdita di carico globale del tratto di circuito su cui la valvola è inserita (insieme valvola + radiatore + detentore), in condizioni di completa apertura.

Quando una valvola aperta al massimo presenta una caduta di pressione molto grande rispetto a quella del circuito (sinonimo di valvola “piccola” rispetto alle esigenze), l’autorità tende ad 1 ovvero si verifica un inutile dispendio energetico, con il rischio di realizzare con difficoltà la portata necessaria.

Quando la valvola, sempre in condizioni di massima apertura, offre una perdita di carico molto piccola rispetto a quella del circuito regolato, l’autorità tende a zero; in questa situazione (corrispondente ad una valvola esuberante rispetto alle necessità), la modulazione di portata è pressoché irrealizzabile e l’unica regolazione possibile è quella a tutto o niente.

Installando valvole di regolazione come le termostatiche, si introducono nell’impianto delle perdite di carico che, se correttamente stimate, possono portare significativi vantaggi in termini di efficace modulazione delle portate.

L’equilibrio ottimale si raggiunge quando la perdita di carico sulla valvola completamente aperta, corrisponde all’incirca a quella rilevabile sul resto della diramazione sotto controllo: ciò significa che il valore dell’autorità si attesta intorno al valore di 0,5.

Massima pressione differenziale

Si tratta di un’importante caratteristica del complesso sede/otturatore della valvola, cioè della sezione destinata al controllo del flusso di acqua che viene immesso nel radiatore.

Le valvole termostatiche sono generalmente valvole a due vie (fanno eccezione le valvole monotubo), per cui esiste il problema della massima differenza di pressione tra la sezione di ingresso e quella di uscita.

Elevate pressioni differenziali provocano una forte accelerazione dell’acqua nel passaggio attraverso l’otturatore, per cui si verifica una sensibile dissipazione di energia meccanica sotto forma di vortici, con inevitabile emissione di rumori.

A valvola chiusa, viceversa, sono possibili deleteri trafilamenti.

Questi inconvenienti sono direttamente connessi alla forza che il sensore termico è in grado sviluppare, con la forma geometrica dei passaggi interni al corpo valvola, ecc.

Al fine di conseguire un accettabile valore di pressione differenziale, è opportuno rammentare che il fattore più influente è il tipo di bulbo o sensore termico impiegato.

Nei riguardi di questo particolare aspetto, infatti, è preferibile l’adozione di bulbi termostatici utilizzanti un fluido incomprimibile in quanto, quelli a gas, sono maggiormente soggetti ad aperture incontrollate per elevati valori della pressione differenziale.

Per garantire un funzionamento silenzioso, è opportuno che la caduta di pressione massima non superi i 30 kPa.

La preregolazione

Consiste essenzialmente in una riduzione della corsa in apertura dell’otturatore della valvola in modo tale che, in corrispondenza di tale limite variabile di massima apertura e con la prevalenza disponibile sulla valvola, sia consentita la sola circolazione della portata di progetto.

La rimanente corsa dell’otturatore, infatti, non ha alcuna utilità in quanto un aumento di portata oltre quella di progetto, determina modesti aumenti della potenza termica emessa dal radiatore, a fronte però di gravi squilibri nel resto dell’impianto.

La preregolazione è quindi un meccanismo che favorisce la distribuzione ottimale del fluido vettore nell’impianto, soprattutto nel corso di quei transitori che richiederebbero l’apertura completa delle valvole come:

– all’avviamento da freddo dopo la fermata notturna;

– in caso di funzionamento attenuato;

– per improvvisi cambiamenti delle condizioni ambientali (apertura delle finestre) o del set point di regolazione.

La differente potenza erogata dai vari corpi scaldanti presenti in un impianto, nonché la loro differente posizione rispetto al sistema di circolazione, evidenziano la necessità di provvedere ad un grado di preregolazione per ogni singolo corpo scaldante.

La valvola termostatica dinamica è un unico dispositivo in grado di assolvere a due funzioni: la termoregolazione della potenza emessa e la stabilizzazione della pressione differenziale per ogni singolo radiatore (Danfoss).

Valvole termostatiche dinamiche

Soprattutto in presenza di estese reti di distribuzione e quindi di elevate perdite di carico, le pressioni differenziali che si creano a cavallo delle singole valvole termostatiche nel corso di un ordinario esercizio, possono assumere valori inevitabilmente eccessivi per effetto della modulazione di tutte o parte delle restanti valvole collegate all’impianto.

Fattori interni o esterni, infatti, determinano la continua variazione della richiesta termica nei singoli locali; le testine termostatiche reagiscono a tali modifiche termiche variando la posizione dell’otturatore. La posizione di chiusura o prossima alla chiusura provoca sovrapressioni e aumenti di portata nei restanti radiatori, generando condizioni di discomfort (rumori, caldo eccessivo, oscillazioni termiche, ecc.).

L’intervento più efficace per contrastare tali disagi, consiste nel rendere stabile la pressione disponibile alle singole unità terminali, indipendentemente da quello che accade nel resto dell’impianto.

Si tratta cioè di bilanciare l’impianto in modo tale che sia distribuita la corretta portata di acqua ad ogni radiatore, in qualsiasi condizione di carico possibile.

L’adozione di circolatori a numero di giri varabile unitamente a dispositivi di bilanciamento automatico al piede delle colonne montanti, è in grado di attenuare sensibilmente le suddette circostanze.

Il problema trova una soluzione pressoché decisiva, allorquando la stabilizzazione della pressione si realizza su ogni radiatore. È questo l’obiettivo delle valvole termostatiche dinamiche, che integrano due funzioni in un unico dispositivo: la preregolazione della corsa dell’otturatore e la regolazione automatica della pressione differenziale.

In tal modo viene garantita una pressione differenziale costante sulla valvole, e quindi una portata massima costante attraverso la stessa.

Con un impianto perfettamente bilanciato si riduce nettamente l’ampiezza delle oscillazioni della temperatura ambiente, ciò che consente la possibile riduzione del set point di regolazione.

CONCLUSIONI

Da quanto esposto si comprende come la valvola termostatica costituisca un dispositivo complesso che è in grado di offrire importanti vantaggi, solo se conosciuto in tutti i suoi aspetti tecnici, correttamente installato, ma soprattutto se inserito in un organico progetto di termoregolazione, che affronti e valuti il corretto bilanciamento dell’intero impianto.

Non è sufficiente (come troppo spesso accade) affidarsi alla capacità di modulazione dei circolatori elettronici: molto spesso i moderni gruppi di pompaggio sono parzialmente compatibili con i dispositivi di regolazione individuale, o devono comunque essere adattati alla logica di gestione dell’impianto.

Non ha senso parlare di qualità per un impianto termico, se esso non consente di regolare la temperatura ambiente stanza per stanza e di poterla mantenere nel tempo.

Adottare una corretta procedura progettuale nei riguardi del sistema di termoregolazione, costituisce un passaggio fondamentale per conseguire concreti e tangibili risultati, in termini di benessere termico e risparmio energetico nella gestione degli impianti termici collettivi.

Ing. Giacomino Redondi

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