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Il bilanciamento degli impianti termici MANUALE TECNICO-OPERATIVO

INDICE - IL BILANCIAMENTO DEGLI IMPIANTI TERMICI 1.

PerchĂ¨ bilanciare un impianto

Pag. 4

Lâ&#x20AC;&#x2122;emissione termica dei corpi scaldanti

Pag. 5

2.1. 2.2.

Pag. 6 Pag. 7

Il bilanciamento idraulico degli impianti 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

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Introduzione Bilanciamento idraulico di impianti nuovi Metodo di calcolo delle derivazioni da un collettore Influenza di [dL] sulla temperatura ambiente [ta] Considerazioni generali sul calcolo delle derivazioni Il bilanciamento dei collettori 3.6.1. Procedura di bilanciamento dei collettori

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Il bilanciamento idraulico degli impianti esistenti

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4.1. 4.2. 4.3.

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4.4. 4.5. 4.6.

Effetti di una variazione di portata su [ta] Sintesi generale

Lo schema di valutazione ed intervento Concetti preliminari Procedura di bilanciamento dei corpi scaldanti 4.3.1. Bilanciamento mediante misura delle temperature Il bilanciamento delle reti di distribuzione: metodo dei rapporti di portata 4.4.1 Metodo di bilanciamento diretto Il bilanciamento di reti a portata variabile 4.5.1. Le valvole di sfioro o di sovrappressione Sintesi e conclusioni

17 18 18 19 20 21 23 27 27

Il bilanciamento idraulico degli impianti sanitari

Pag. 29

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5.

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Introduzione La progettazione secondo la norma UNI 9182:2008 Impianti sanitari esistenti Prevenzione della legionellosi Bilanciamento e produzione acqua calda sanitaria

29 29 31 32 34

Appendice: Gamma - Caratteristiche Tecniche - Accessori

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Organizzazione Commerciale - Contatti Diretti Honeywell

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1. Perché bilanciare un impianto

Non è raro incontrare impianti che, pur soddisfacendo ai carichi termici in campo, sono causa di disagio e causa di sensibili sprechi con conseguenti alti costi di gestione. Ammettendo per un attimo che il generatore di calore sia di nuova concezione ed abbia alti rendimenti di produzione, che le superfici scaldanti siano correttamente dimensionate e che la rete di distribuzione sia perfettamente coibentata, spesso e volentieri i problemi persistono e sono dovuti al mancato bilanciamento; vale a dire alla non corretta suddivisione delle portate nei vari circuiti che compongono l’intero impianto. Nemmeno i più sofisticati sistemi di regolazione elettronica possono sopperire agli inconvenienti generati da una rete idraulica male o non bilanciata. I problemi che più facilmente si incontrano in impianti non equilibrati sono noti e si possono così riassumere:

Per prima cosa è importante definire cosa s’intende per “bilanciamento” idraulico di un impianto; da tale definizione dipendono tutti gli argomenti sviluppati nei successivi capitoli e paragrafi. Con bilanciamento s’intende tutto ciò che riguarda le procedure di calcolo e di cantiere necessarie affinchè ogni utenza di un impianto riceva l’esatta portata di progetto e sia in grado quindi di sopperire adeguatamente al fabbisogno termico richiesto. Come si può notare questa definizione, così semplice e generale, coinvolge però tutti gli aspetti fondamentali di un impianto correttamente progettato, installato e gestito. In estrema sintesi, tutti noi sappiamo che la progettazione di un sistema di riscaldamento o di climatizzazione è sostanzialmente divisa in due parti generali: il calcolo dei fabbisogni termici, con il conseguente dimensionamento dell’unità di produzione dell’energia termica e delle unità terminali in ambiente, ed il calcolo della rete di distribuzione del fluido termovettore incaricato di trasferire l’energia termica prodotta in centrale ai punti di utenza. In questa sede non ci si occuperà del calcolo del fabbisogno termico nè del dimensionamento dei corpi scaldanti, al riguardo si farà accenno solamente per quanto riguarda il comportamento di questi ultimi in funzione della portata che li attraversa; al contrario si analizzeranno gli argomenti legati alla rete di distribuzione idraulica.

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 alcuni ambienti raggiungono la temperatura di benessere con grande difficoltà mentre altri sono soggetti a condizioni di surriscaldamento; sciagura vuole che spesso si interviene aumentando le superfici radianti negli ambienti penalizzati oppure aumentando la temperatura di alimentazione dei corpi scaldanti o, peggio ancora, facendo le due cose contemporaneamente. Un simile comportamento non risolve i problemi ed aggrava in modo inaccettabile i costi di gestione, oltre a determinare condizioni ambiente limite. Può essere utile al riguardo sottolineare come mantenere delle condizioni di temperatura ambiente al di sopra delle condizioni di benessere, possa determinare un aumento dei costi di gestione variabile da un 5 ad un 8% per ogni grado in più; già questo dato è un’ottimo motivo per procedere al bilanciamento dell’impianto  oltre a quanto detto al punto precedente, in mancanza di una corretta ripartizione delle portate, quando il sistema si trova in condizioni di basso fabbisogno termico, le temperature in ambiente tendono ad oscillare, anche se si sono adottati sistemi di regolazione sofisticati  i problemi denunciati nel primo punto qui sopra, hanno influenza anche sul rendimento di produzione, di distribuzione e di emissione dell’energia termica, soprattutto nei periodi transitori più impegnativi come l’avviamento mattutino o dopo il fine settimana. Quando si tratta di bilanciamento idraulico, si tende ad associare a questo concetto gli impianti di riscaldamento; ciò non è del tutto esatto, allo stesso modo gli impianti ad acqua refrigerata hanno gli stessi problemi, con l’aggravante che i gruppi frigoriferi richiedono portate costanti e portate alla distribuzione compatibili con quelle richieste alla produzione.

Dunque, il bilanciamento degli impianti richiede attenzione, in particolar modo per avere la certezza che:  ogni corpo scaldante venga attraversato dalla portata calcolata in sede di progetto ed in funzione della quale è stato dimensionato.  ogni circuito dell’impianto possa convogliare l’esatta quantità di fluido termovettore prevista in sede di progetto e, per avere questo risultato, si deve prevedere l’installazione di valvole di bilanciamento, correttamente posizionate e dimensionate.  ogni caldaia (o gruppo frigorifero) venga effettivamente attraversato dalla portata prevista dal costruttore e non subisca aumenti o riduzioni di portata che possano limitarne i rendimenti di produzione o apportare danni al componente stesso; in molti casi è anche consigliabile che la portata rimanga del tutto costante.

2. L’emissione termica dei corpi scaldanti Le attuali normative in materia di risparmio energetico e di ripartizione delle spese di gestione negli impianti, obbligano di fatto l’installazione di valvole termostatiche o elettrotermiche sui corpi scaldanti; questo significa che viene utilizzato il parametro della portata come variabile di regolazione in aggiunta o in sostituzione al controllo della temperatura di alimentazione dei corpi scaldanti stessi.

Dunque, la regolazione della portata in un radiatore può avvenire in due modi: a temperatura [ti] costante oppure a [ti ] variabile in funzione delle condizioni climatiche esterne, dove [ti] = temperatura d’ingresso del fluido nel corpo scaldante. Nel primo caso quindi, si avranno circuiti a portata variabile e temperatura costante mentre nel secondo caso circuiti a portata e temperatura variabile. Nella logica del bilanciamento degli impianti è quindi utile analizzare il comportamento dell’emissione termica di un radiatore soggetto ad una variazione di portata. Il diagramma di Figura 1 riporta a titolo indicativo alcune curve che rappresentano appunto la relazione [%] tra portata ed emissione termica, calcolate per un ipotetico corpo scaldante avente un esponente n = 1,33, una temperatura ambiente pari a 20 °C e differenti valori di [ti] e [Δtd ], dove [Δtd ] = [ti] - [tu] = salto termico a cavallo del corpo scaldante. Come si può facilmente notare, il valore di [Δtd ] incide significativamente sulla “regolabilità” di un impianto mediante la variazione della portata o, se si preferisce, è molto chiaro come tale valore modifichi la “sensibilità” di un radiatore al variare della portata che lo attraversa. Ma non solo, e come vedremo di seguito, il diagramma di Figura 1 è emblematico anche di altri aspetti molto significativi, vale a dire:  della maggiore o minore capacità di regolazione di una valvola termostatica  della maggiore o minore sensibilità del sistema quando sottoposto ad un’azione di bilanciamento idraulico

Rapporto Portata / Emissione termica di un corpo scaldante 80/50 80/60 70/55

Emissione termica Er - (%)

80/70

Portata Gd - (%)

Figura 1 5

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Come si vede, quindi, il valore di [Δtd ] che a prima vista sembra un parametro banale e spesso sottovalutato, costituisce al contrario una scelta progettuale fondamentale in funzione degli obiettivi che si vogliono raggiungere. Un esempio su tutti, è facile constatare come con piccoli valori di [Δtd ] si ottengano piccole variazioni di emissione termica anche in presenza di forti parzializzazioni della portata. Con un valore di Δtd =10 °C (in regime 80/70 °C), per ottenere una riduzione al 50% dell’emissione termica del radiatore, si è costretti a ridurre la portata fino al 20% circa del suo valore nominale mentre, con un Δtd = 30 °C basterebbe ridurre la portata solo alla metà circa (45%). In buona sostanza ed al di là dei valori numerici, ciò che è assolutamente importante considerare è il fatto che impianti con piccoli valori di salto termico, quando sottoposti ad una variazione di portata, sono meno sensibili alla regolazione di impianti con buoni valori di [Δtd ]. Allo stato attuale, con l’avvento delle caldaie a condensazione, le temperature ipotizzate nel diagramma di Figura 1 sono elevate rispetto ai valori oggi in uso per le nuove installazioni, tuttavia sono ancora rappresentative per un gran numero d’impianti esistenti che, guarda caso, rappresentano gli interventi più necessari ai fini del bilanciamento idraulico ed a maggior ragione qualora si consideri il nascente obbligo di dotarsi di sistemi di ripartizione delle spese di gestione. Con l’attuale obbligo d’installazione di valvole termostatiche, per ottenere un loro corretto funzionamento il parametro [Δtd ] è molto importante.

80/70 70/55 80/60 80/50

Figura 2 Ora, tornando a considerare il diagramma di Figura 2, è facile notare come un aumento ad esempio di 1 °C della temperatura ambiente, che determina la metà della corsa dell’otturatore e quindi il 50% della portata, con bassi valori di [Δtd ] la valvola termostatica non sia assolutamente in grado di intervenire in modo significativo sull’emissione termica del corpo scaldante (e quindi sulla temperatura ambiente). E’ chiaro ad esempio come nel caso di un impianto che funzioni con valori di Δtd =5 °C, dove con il 50% della portata l’emissione termica del radiatore diminuisce solo del 12÷13% circa, una valvola termostatica non possa che assumere una caratteristica di regolazione On/Off.

Si definisce come “banda proporzionale” [Bp ] di una valvola termostatica, il valore di differenza di temperatura dell’elemento sensibile (per semplicità assimilabile alla temperatura ambiente) con il quale l’otturatore della valvola compie la sua corsa completa da tutto aperto a tutto chiuso e viceversa.

Purtroppo, i casi d’impianti con valori di [Δtd ] così contenuti, con valvole termostatiche dimensionate con insufficiente autorità e in più sbilanciati, sono molto più numerosi di quanto si creda.

È quindi possibile rappresentare questo scostamento di temperatura sull’asse delle ascisse del diagramma di Figura 1 e si ottiene la Figura 2.

2.1. Effetti di una variazione di portata su [ta]

Nell’esempio specifico si è assunto un valore di banda proporzionale pari a 2 °C che rappresenta il valore generalmente considerato, tuttavia va detto che l’ampiezza di [Bp ] è diretta conseguenza della perdita di carico che si assegna alla valvola; più la perdita di carico è elevata, minore sarà l’ampiezza di [Bp ] e viceversa.

Questo paragrafo, dopo quanto scritto nel precedente, potrebbe anche sembrare superfluo ma non è così; al contrario e soprattutto negli impianti esistenti il problema dell’influenza della portata sulla temperatura ambiente è più complesso di quanto a prima vista potrebbe sembrare limitandosi al calcolo della variazione di emissione termica reale [Er] e della temperatura ambiente [ta] al variare della portata [Gd].

Sull’argomento della perdita di carico da assegnare ad una valvola termostatica ritorneremo più avanti.

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Quando si interviene su impianti di edifici esistenti, sono molto comuni i casi in cui i parametri di calcolo originari sono stati via via nel tempo resi obso-

leti da interventi successivi, ad esempio per migliorie della trasmittanza di infissi e pareti, oppure per modifiche alla disposizione interna dei locali oppure ancora per la sostituzione dei corpi scaldanti con altri di diversa tipologia e potenza. Tutte queste difformità che devono essere attentamente rilevate durante un intervento di bilanciamento idraulico degli impianti conducono a constatare come i radiatori in opera siano molto spesso sovradimensionati rispetto all’emissione termica necessaria. Questo rapporto di sovradimensionamento, che si potrebbe definire come Cs = En/Er, è nella quasi totalità dei casi diverso da radiatore a radiatore e, per conseguenza, l’impiego della portata [Gd ] come grandezza regolante determina diversi valori di [Δtd ] per i diversi corpi scaldanti di uno stesso circuito o impianto che, peraltro, sono sottoposti alla stessa temperatura di alimentazione [ti]. Come incidono questi differenti valori di [Δtd ] sull’evoluzione della temperatura ambiente [ta ] al variare della temperatura esterna [ter] tenuto conto che tutti i corpi scaldanti sono alimentati alla stessa temperatura [ti]? Sono due aspetti di un unico problema e un impianto in queste condizioni, anche se ben bilanciato, non è omogeneo nella risposta alle variazioni di condizioni climatiche esterne.

Δtd 15 Δtd 10

Δtd 30 Δtd 20

≈ 0,5 °C [ta]

Temperatura di mandata [ti]

80 70 60 50 40

Da quanto sin qui esposto si possono ricavare alcune considerazioni generali che sono così sintetizzabili:  utilizzare per quanto possibile buoni valori di [Δtd ], in genere non inferiori a 15 °C, che consentono una maggiore “regolabilità” dell’impianto  utilizzare corpi scaldanti con la più ampia superficie frontale possibile; ciò contribuisce a migliorare la temperatura operante degli ambienti  non considerare, se non nei più piccoli sistemi impiantistici, la portata come unico parametro di regolazione dell’impianto, anche in presenza di valvole termostatiche sui radiatori  nei casi di impianti esistenti trasformati negli anni da circolazione naturale a forzata, oppure oggetto di modifiche e miglioramenti, è molto frequente riscontrare sovradimensionamenti delle superfici radianti (basti pensare ad esempio alle sostituzioni di radiatori con altri di maggiore potenza termica in seguito ad un’insufficiente temperatura ambiente causata unicamente dallo squilibrio idraulico dei circuiti)  chi volesse utilizzare questi sovradimensionamenti al fine di ridurre le portate occorrenti e, quindi, aumentare il valore di [Δtd ] per una maggiore “regolabilità” dell’impianto, deve prestare attenzione a non superare valori di [Δtd ] pari a 25÷30 °C e, soprattutto, operare in modo che tale parametro sia il più possibile uniforme per tutti i corpi scaldanti installati o, comunque, che non si abbiano scostamenti maggiori di 1÷2 °C  quando si calcola l’emissione termica di un radiatore esistente per le condizioni di ter = tec, (dove tec è temperatura esterna minima di progetto) non è detto che il valore così trovato sia necessariamente la potenza termica nominale [E60] del corpo scaldante in opera (si è indicato il parametro [E60] poiché negli impianti centralizzati esistenti corrisponde con ogni probabilità a quanto considerato in sede di progetto all’origine)

-5

Figura 3

 alle volte è meglio accettare un piccolo surriscaldamento localizzato piuttosto che operare nella globalità dell’impianto con una curva climatica che male si adatta alla totalità dei corpi scaldanti in opera

20 10

2.2. Sintesi generale

 al fine di ottenere un impianto termicamente omogeneo, nel calcolo della portata massima ai radiatori si devono sempre considerare tutti i legami di causa/ effetto che intercorrono tra i vari parametri, quindi anche le condizioni geometriche reali d’installazione ed il tipo di collegamento idraulico

Il diagramma di Figura 3 riporta, a puro titolo di esempio, le curve di un ipotetico corpo scaldante avente un esponente n=1,33 sottoposto a portate diverse e quindi [Δtd ] diversi per diversi valori di temperatura esterna [ter] e temperatura di mandata [ti]; come si può notare le differenze sono nette.

Temperatura esterna [ter]

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 qualora tutti i corpi scaldanti avessero un coefficiente di sovradimensionamento [Cs] sostanzialmente identico, il calcolo delle portate ai fini della sua correzione non avrebbe ovviamente più senso; in questi casi, molto rari, è possibile correggere globalmente l’emissione termica dei radiatori semplicemente operando una scelta corretta della curva di regolazione climatica  quando il coefficiente di sovradimensionamento [Cs] dovesse raggiungere valori elevati e tali da imporre forti riduzioni di portata (con conseguenti valori di Δtd>25÷30 °C) è meglio intervenire sostituendo il radiatore con uno di minore potenza termica.

Quindi, gli strumenti a nostra disposizione per raggiungere un corretto bilanciamento idraulico delle reti sono costituiti dalle valvole a doppio regolaggio, dalle valvole termostatiche a Kv variabile e dalle valvole di bilanciamento vere e proprie, dotate di attacchi piezometrici che consentono l’uso di un manometro differenziale per la lettura e taratura dei valori di portata e pressione - Figura 4.

3. Bilanciamento idraulico degli impianti 3.1. Introduzione Il concetto di bilanciamento idraulico delle reti di distribuzione è talmente semplice nella sua definizione che, a volte, può sembrare banale il parlarne. In effetti, tutto si riduce alla procedura di calcolo necessaria ad ottenere che ogni corpo scaldante, derivazione, colonna montante, ecc. abbia la corretta portata prevista. In altri termini, il bilanciamento idraulico di un impianto consiste nell’assicurarsi che ogni radiatore venga attraversato dalla portata [Gd max] calcolata secondo le valutazioni tecniche di cui al capitolo precedente. Tutto questo, naturalmente, è piuttosto semplice nel caso di impianti di nuova installazione, un poco più complesso invece nei casi di impianti esistenti. Per ottenere il risultato di un buon bilanciamento idraulico, si dovrà operare in modo che, con i valori di portata desiderati, ad ogni nodo della rete di distribuzione venga applicata la medesima pressione differenziale o, se preferite, che ogni circuito che si diparte da uno stesso nodo abbia la medesima perdita di carico. In tal modo, non vi saranno circuiti più favoriti di altri e le portate si suddivideranno secondo i valori prestabiliti. Nel corso del precedente capitolo si è visto come un diverso valore di [Δtd ], tra diversi corpi scaldanti di uno stesso circuito, possa incidere negativamente sul comportamento omogeneo dell’impianto sottoposto, nel suo insieme, all’azione di regolazione del sistema climatico. Per conseguenza, il metodo di bilanciamento idraulico delle reti mediante la variazione della portata (metodo molto utilizzato ai tempi degli impianti a circolazione naturale) risulta perlomeno di difficile e delicata applicazione nei moderni sistemi impiantistici.

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Figura 4

3.2. Bilanciamento idraulico di impianti nuovi Questa parte della presente pubblicazione riguarda le procedure di calcolo necessarie per il bilanciamento idraulico di impianti di nuova installazione, con riferimento alle tecniche impiantistiche di uso più frequente sul mercato. Al momento dell’esecuzione di un progetto esecutivo di un impianto, di qualsiasi tipo esso sia, si devono effettuare delle scelte che, proprio come in un ecosistema, determinano di conseguenza altre variabili, ad esempio: scelto il tipo di distribuzione vengono di conseguenza stabiliti anche i limiti entro i quali fissare il salto termico nominale di calcolo, i tipi di corpi scaldanti utilizzabili, il sistema di regolazione della temperatura ambiente e così via. Tra tutte le tecniche impiantistiche utilizzate, limitatamente agli impianti di nuova installazione, verranno considerati gli impianti a distribuzione orizzontale mediante collettori che, attualmente, sono i più utilizzati in assoluto (Figura 5).

3.3. Metodo di calcolo delle derivazioni da un collettore Per prima cosa è doveroso richiamare alla memoria i vantaggi caratteristici di questi tipi d’impianto, che tanto hanno contribuito al loro successo commerciale:  un unico nodo di distribuzione per ogni singola unità abitativa  alimentazione in parallelo dei singoli corpi scaldanti (e non in serie come per i sistemi monotubo) con la conseguente uniformità della temperatura media dei vari corpi scaldanti (quindi di Δtd e di Δtm)  distribuzione secondaria (collettore-radiatori) realizzata con tubazioni di piccolo diametro e, quindi, con elevata rapidità di posa  compatibilità con la quasi totalità di corpi scaldanti in commercio  massima flessibilità di posizione dei corpi scaldanti in ambiente (si vedrà in seguito come ciò dipenda molto dal calcolo delle derivazioni)  massima libertà di controllo/regolazione della temperatura ambiente, indipendentemente dal sistema di regolazione centrale  possibilità di una semplice contabilizzazione dell’energia termica utilizzata per ogni unità abitativa. Il diagramma di flusso di Figura 9 (pag. 16) mostra le diverse fasi di calcolo della rete di distribuzione. La Tabella I riporta i dati di base assunti per l’esempio di calcolo, ipotizzando le seguenti condizioni nominali di esercizio:

Figura 5 Quanto verrà scritto al riguardo, se si immagina che le varie derivazioni di un collettore sono di fatto degli anelli, è dunque altrettanto valido per gli impianti monotubo e, allo stesso modo, se si immagina che i collettori posti lungo una colonna montante (come sopra raffigurati) sono come dei corpi scaldanti, il ragionamento sarà valido anche per gli impianti a due tubi verticali. Un breve esempio di calcolo ci darà modo di introdurre alcuni concetti di base relativi al calcolo di questi tipi d’impianto; ciò che ne risulta sarà un metodo molto semplice ed affidabile soprattutto nell’ottica di un corretto bilanciamento idraulico, del resto argomento principale di questa pubblicazione.

 temperatura massima di mandata: ti = 80 °C  salto termico nominale: Δtd = 15 °C  temperatura ambiente di calcolo: ta = 20 °C Come si può notare, la temperatura massima di mandata esprime un valore tipico degli impianti centralizzati e, in effetti, è per questi tipi d’impianto che si descrivono le procedure di bilanciamento. Negli impianti autonomi il bilanciamento idraulico è di solito limitato ai soli corpi scaldanti di uno stesso collettore. Tabella I Radiatore

L [m. eq.]

Fabb. Termico [W]

1400

1650

610

1740

1480

La lunghezza in metri equivalenti indicata in tabella, esprime la distanza (andata + ritorno) del radiatore dal collettore, comprese curve, tratti verticali, ecc. 9

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Nell’esempio di calcolo verrà sviluppata solamente la parte relativa al dimensionamento idraulico delle reti; il calcolo delle superfici radianti andrà effettuato tenendo conto degli argomenti di cui al capitolo [2].

Come si può facilmente notare, i valori di [Kvr] da assegnare alle valvole da radiatore per ottenere un corretto bilanciamento delle derivazioni, sono notevolmente diversi nei due casi.

La Tabella II riporta dunque il dimensionamento delle derivazioni, condotto considerando i parametri di calcolo sopra indicati ed ipotizzando l’impiego di un tubo di rame (UNI 6507 Serie B) con i classici radiatori (in ghisa, alluminio o acciaio) e valvole termostatizzabili a doppio regolaggio.

Con una importante differenza; calcolando il bilanciamento delle derivazioni assumendo comunque il valore di [Kvn], si ottiene che anche termostatizzando le valvole in un momento successivo il sistema resta perfettamente equilibrato mentre, nel caso contrario, si dovrà procedere ad nuovo intervento di equilibratura con le difficoltà del caso.

Come si può notare la procedura di calcolo è molto semplice e tradizionale. Vi sono solo due aspetti da sottolineare: uno che riguarda il valore di [Δtd ] nominale di progetto ed il secondo che riguarda le valvole a doppia regolazione da installare sui corpi scaldanti. Per quanto riguarda il salto termico nominale [Δtd ], è stato adottato pari a 15 °C poichè, dall’esperienza oramai trentennale, risulta essere il valore che, nella grande maggioranza dei casi, determina il miglior bilancio tecnico/economico di questi sistemi. Relativamente agli organi di intercettazione posti sui radiatori, nell’esempio si è supposto di installare delle valvole termostatizzabili che, proprio in quanto tali, è possibile che possano essere dotate della loro testina termostatica di regolazione della temperatura ambiente. Queste valvole hanno due importanti valori di [Kv]; quello che corrisponde all’alzata totale dell’otturatore [Kvt] e quello relativo all’alzata nominale [Kvn] dove, per quest’ultimo, ci si riferisce convenzionalmente al valore della curva corrispondente ad una banda proporzionale di 2 K (nell’esempio Kvt = 1,62 e Kvn = 0,6). Il bilanciamento delle varie derivazioni, facenti capo allo stesso collettore, si può quindi eseguire considerando uno dei due valori di [Kv] sopra indicati; in Tabella II sono stati eseguiti i calcoli per entrambe le situazioni ed i risultati relativi al bilanciamento con i valori di [Kvn] sono stati riportati in colore blu e, per il circuito più sfavorito, in rosso.

Ma non è questo il solo vantaggio, poichè si ottiene anche una migliore autorità della valvola sul circuito regolato e, come vedremo, una più ampia libertà di posa dei radiatori in cantiere, rispetto la posizione prevista a progetto. Chiunque abbia un’esperienza di cantiere avrà infatti constatato come, sovente, quanto previsto a disegno in sede di progetto venga poi più o meno modificato in fase di realizzazione pratica. Nel caso degli impianti di riscaldamento queste variazioni sono spesso dovute ad una diversa posizione dei radiatori in ambiente per esigenze di arredamento, di facilità di posa, ecc. Come fare dunque per ottenere, già in fase di calcolo, un impianto che possa garantire la libertà di effettuare questi cambiamenti senza che il bilanciamento delle derivazioni venga compromesso? La risposta, seppure semplice, è strettamente legata alla perdita di carico delle derivazioni stesse. Come riportato in Tabella II, tutti i circuiti sono stati bilanciati per una stessa perdita di carico, pari a quella massima rappresentata dalla derivazione n° 4. La differenza sta nel fatto che in un caso il [Δp Tot] max è pari a 4,36 kPa e nell’altro (in rosso) a 6,76 kPa e, qui di seguito, si vedrà come questa differenza assicuri un minore o maggiore grado di libertà [dL] nel posizionamento dei corpi scaldanti. Tabella II

n°

Dispers.

Δtd

Δp der

Δpv [kPa]

Δp Tot

d[Δp]

Kvr

[W]

[°C]

[kPa/m]

[m/s]

[kPa]

Kv max

Bp=2 K

[kPa]

1400

0,13

0,28

1,43

0,48

2 3 4 5

1650 610 1740 1420

15 15 15 15

[Kg/h] [m.eq.] [mm] 80 95 35 100 85

11 13 19 18 10

12x1 12x1 10x1 12x1 12x1

0,18 0,10 0,20 0,15

0,34 0,20 0,36 0,30

2,34 1,90 3,60 1,50

1,91

2,45

0,52

2,02

2,45

4,31

0,32

3,02

1,34

0,82

2,85

5,19

1,57

0,47

0,20

2,36

0,23

0,39

2,29

4,47

0,16

4,36

1,62

3,16

6,76

0,60

2,04

2,32

0,56

3,78

2,98

0,38

0,68 0,10 0,76 0,54 2,28

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L’espressione che consente di calcolare [dL] è la seguente: Δp Tot dL = ———— R

·x

[1]

dove:  R = perdita di carico unitaria, in kPa/m, relativa alla derivazione oggetto della verifica.  x = percentuale di variazione massima della portata nella derivazione, che si considera come ammissibile  Δp Tot = perdita di carico totale massima, in kPa, delle derivazioni. Riprendendo tutti i valori [R] e di [Δp Tot] delle varie derivazioni per le due situazioni di cui alla Tabella II, ed applicando l’espressione [1] si ottengono i risultati riportati in Tabella III. In entrambi i casi i valori di [dL] sono stati calcolati ammettendo come accettabile una variazione di portata pari al ± 10 % del valore nominale di progetto [Gd ], vale a dire ponendo x= 0,1. Tabella III Derivazione n° 1

Δp Tot

3.4. Influenza di [dL] sulla temperatura ambiente [ta]

Valori di [dL]

4,36

3,5

2,4

4,4

2,2

3,0

6,76

5,2

3,8

6,8

3,4

4,5

Come si è visto nel paragrafo precedente, qualora in fase di cantiere si decida di posizionare un corpo scaldante in un luogo avente una distanza dal collettore pari a quella di progetto aumentata del valore [dL], di cui alla Tabella III, ne consegue una nuova portata al radiatore pari al 90% rispetto al valore nominale. Parlando di bilanciamento delle derivazioni, il fatto di avere alcuni corpi scaldanti alimentati dalla loro portata nominale [Gd ] ed altri alimentati con una portata ridotta del 10%, potrebbe sembrare un controsenso. Tuttavia, durante la realizzazione di un impianto a collettori, come del resto per altri sistemi, si verificano sempre delle variazioni rispetto a quanto previsto a progetto e, molto spesso, sarebbe inutilmente costoso procedere ad un aggiornamento a posteriori dei calcoli e dei disegni “come costruito”. E’ molto più semplice effettuare una verifica preventiva come indicato in Tabella III, indicando a disegno il valore di tolleranza massima sulla distanza dal collettore per ogni radiatore oppure, in situazioni assolutamente impreviste, calcolare la perturbazione risultante di [ta ] qualora il corpo scaldante venga installato in una posizione più distante dal collettore rispetto a quanto stabilito in sede di calcolo. Per eseguire questa verifica si devono considerare alcune variabili caratteristiche del sistema, ed esattamente:  la temperatura esterna minima di progetto [tec]

Come si può notare, il calcolo condotto per valvole con [Kvn] all’alzata nominale, determina un grado di tolleranza nel posizionamento dei radiatori molto più ampio (in blu). I valori indicati si riferiscono alla variazione di distanza (andata + ritorno) dal collettore rispetto alle condizioni di progetto quindi, in termini assoluti e geometrici, la variazione di distanza effettiva ammissibile sarà pari alla metà dei valori indicati.

 il salto termico nominale di progetto [Δtdn]  la temperatura massima di mandata [ti max]  la temperatura ambiente desiderata [ta ] Nel caso dell’esempio in corso, per le suddette variabili si ipotizzino i seguenti valori: tec = -5 °C; Δtdn = 15 °C; ti

max

= 80 °C; ta = 20 °C

In ogni caso la Tabella III dimostra che è possibile avere una tolleranza di posizionamento dei radiatori di ± 2÷3 metri senza avere scompensi sensibili nel bilanciamento idraulico e, per conseguenza, nella resa termica prevista per i radiatori stessi; non è certo un risultato da trascurare.

Si prenda ora, come esempio, la derivazione n° 1 di cui alla Tabella II e Tabella III e si avranno dunque i seguenti dati:

L’espressione [1] può essere anche utilizzata per il calcolo del margine di errore massimo ammissibile sul valore di [R] e, in tal caso prende la seguente forma:

 variazione massima della portata 10% - x = 0,1

Δp Tot dR = ————— · x L

[2]

 emissione termica reale Er = 1400 W  variazione massima ammissibile dL = 5,2 m eq.

Come primo passo si deve calcolare quale dovrebbe essere la potenza termica nominale [E60] del radiatore n° 1 che deve sopperire ad un fabbisogno termico di 1400 W con un regime di esercizio 80/65 °C.

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Il calcolo è molto semplice:

Con i valori così calcolati di [ta ] e [tu], applicando l’espressione

f = (Δtm / 60)n = (52,5 / 60)1,3 = 0,84

En = E60 · (Δtm / 60)n

da cui: E60 = Er/ f = 1400 / 0,84 = 1667 W A questo punto si deve calcolare il valore di [te min]; vale a dire il valore di temperatura minima esterna per il quale nelle condizioni di emissione termica [E60] la temperatura ambiente sia comunque pari a 20 °C (cioè ta = tar). ta - a - tec Er = E60 · ————— tar - te min

[3]

dove:  a - apporti interni e/o gratuiti di energia termica, valutabili in °C di temperatura ambiente; nell’esempio sono considerati nulli.  tar - temperatura ambiente risultante; essendo l’esempio un calcolo di verifica e, comunque, non desiderando valori superiori della temperatura di progetto si pone la condizione ta = tar. Ne consegue che: te

min= tar - ((tamin = tar - ((ta - a

a - tec) / (Er/ E60)) - tec) / f ) = - 9,7 °C

[4]

A questo punto del calcolo di verifica, stabilito che la lunghezza totale della derivazione n° 1 sarà Lt = L + dL e, quindi, che la portata al radiatore n° 1 sarà Gdr = 0,9·Gdn, si procede al calcolo della temperatura ambiente [ta ] determinata da questa variazione. Per ottenere questo risultato è necessario assumere un valore fittizio di emissione termica reale [Er1] ed applicare nuovamente l’espressione [3] per il calcolo di [ta ]. Ammettendo, in prima approssimazione, che Er1 possa avere un valore pari a 1200 W, si avrà che: ta = ((Er1 / E60) · (tar - te

min))

+ tec = 16,4 °C

Accettando per il momento, ma solo per il momento, come valido il valore di [ta ] così calcolato e, quindi, considerando come valido anche il valore di [Er1], si passi a calcolare la temperatura di uscita dell’acqua dal corpo scaldante [tu]; ne consegue: Er1= (0,9 · Gdn) · (80 - tu) / 0,86 per cui: tu = 80 - ((Er1 · 0,86) / (0,9 · Gdn) = 65,7 °C

si procede al calcolo del nuovo valore di emissione termica [Er2] e, una volta effettuato questo calcolo, qualora sia verificata la condizione Er1=Er2, vorrà dire che i valori così determinati corrisponderanno realmente alle nuove condizioni di esercizio del corpo scaldante della derivazione n° 1 preso in esame. Er2 = E60 · (Δtm / 60)n = 1413 W Viceversa se, come in questo esempio, dal calcolo risulta che Er1 ≠ Er2 si dovrà ripetere in modo iterativo il calcolo, ricominciando dall’espressione [5], ponendo un nuovo valore fittizio di Er1 = (Er1 + Er2) / 2. Poichè, come si può ben comprendere, la procedura potrebbe essere lunga e noiosa, sarà consigliabile utilizzare un computer. Nel caso di questo esempio, le condizioni finali di esercizio, del radiatore n° 1 saranno le seguenti: Er2 = Er1= 1383 W

ta = 19,7 °C

A questo punto vale la pena ricordare come, il calcolo di verifica sopra riportato, sia stato condotto per le condizioni di perdita di carico della derivazione derivanti dalla installazione di valvole da radiatore termostatizzabili, considerate al loro valore di [Kvr] riportato in colore blu nella Tabella II. Qualora volessimo applicare la stessa variazione di lunghezza [dL] alla derivazione n° 1, ma stavolta calcolata con la perdita di carico derivante dall’avere considerato le valvole termostatizzabili al loro valore di [Kvt], quali risultati si otterrebbero? In tal caso, applicando nuovamente la procedura di verifica, si avrebbe che: Er2 = Er1 = 1373 W

ta = 19,5 °C

Al di la dei valori strettamente numerici, che peraltro indicano un’ulteriore diminuzione di [ta ], ciò che è interessante sottolineare sono le considerazioni di carattere generale sul metodo di calcolo che derivano da quanto sin qui esposto e che sono oggetto del prossimo paragrafo.

3.5. Considerazioni generali sul calcolo delle derivazioni

[5] Riconsiderando per un attimo i vantaggi caratteristici degli impianti a collettori, in particolar modo proprio la grande flessibilità di posizionamento dei corpi scaldanti, si possono trarre le seguenti indicazioni generali:  nel calcolo delle perdite di carico delle derivazioni, facenti capo allo stesso collettore, in impianti dotati

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di valvole termostatizzabili (come oramai in uso), sarà sempre consigliabile assumere come base di calcolo il loro valore di [Kvn] in modo che, anche qualora queste valvole vengano in tutto od in parte dotate di testine termostatiche, le varie derivazioni rimarranno tra di loro perfettamente bilanciate.  preferire valvole da radiatore con alti valori di [Kv], quindi con bassi valori di perdita di carico, è una scelta discutibile poichè non porta alcun beneficio pratico e, al contrario, limita di molto la libertà di posizionamento dei corpi scaldanti che, come si è visto, è uno dei vantaggi di questi sistemi. Inoltre, avere valvole con bassi valori di [Δp] significa anche ottenere una insufficiente autorità sul circuito regolato (il radiatore) e, per conseguenza, nel caso di termostatizzazione un’azione di regolazione instabile della temperatura ambiente [ta ].  gli impianti a collettori centralizzati, ma anche gli impianti a due tubi a colonne montanti, dovrebbero essere calcolati con un valore di [Δtd ] pari a 15 °C che, negli anni, si è dimostrato essere il migliore compromesso tecnico/economico. Trasportare inutili masse d’acqua per avere valori di [Δtd ] più contenuti (5÷10 °C) può in effetti portare ad una contenuta riduzione delle superfici radianti, ma implica l’installazione di tubazioni e componenti di maggior diametro (con conseguenti costi di materiale, manodopera e coibentazione) e, in più, diminuisce la capacità del sistema ad adattarsi ad una regolazione termostatica delle temperature in ambiente (vedere Figura 2). Non si deve inoltre dimenticare che per ottenere una corretta temperatura operante è sempre meglio avere una maggiore superficie radiante, anche ad una temperatura media più contenuta piuttosto che il contrario. Un esempio limite su tutti, che chiarisce molto bene il punto: come noto un ambiente riscaldato con pannello radiante (che ha un’ampia superficie ad una temperatura media di soli 5÷7 °C superiore alla temperatura ambiente) è in grado di garantire un livello di comfort molto più elevato di quello che si otterrebbe installando un camino dove si ha sì un elevato irraggiamento ma concentrato in un solo punto.  diminuire, per quanto possibile, le portate nei vari tratti di circuito, significa anche diminuire le dispersioni termiche di linea, quindi aumentare il rendimento di distribuzione [ηd] dell’energia termica.  molto spesso, proprio per le considerazioni espresse nei precedenti paragrafi, si usa attribuire ad ogni derivazione di uno stesso collettore e per tutti i collettori di uno stesso impianto, un valore di perdita di carico predefinito (di solito compreso tra 8 ÷ 12 kPa) ed in seguito calcolare a ritroso i valori di [Kvr] da assegnare alle valvole a doppio regolaggio poste sui corpi scaldanti. Nel prossimo paragrafo, dedicato al bilanciamento dei vari collettori posti sulla stessa rete, come una simile procedura sia di estrema praticità poichè, in tal caso, le differenze di pressione tra un collettore e l’altro saranno solo dovute ai tratti di rete che li separano.

3.6. Il bilanciamento dei collettori Si è già detto come, considerando un collettore di distribuzione come se fosse un singolo radiatore, la procedura di calcolo che verrà sviluppata qui di seguito possa essere del tutto identica anche per gli impianti a due tubi a colonne montanti verticali che, sovente, sono ancora utilizzati nei sistemi di climatizzazione con mobiletti ventilconvettori.

Figura 6 Sarebbe, crediamo, del tutto inutile effettuare un esempio di calcolo riguardante il bilanciamento di vari nodi (collettori o radiatori appunto) connessi alla medesima rete di distribuzione (colonne montanti o tratti orizzontali che siano). In effetti il problema non consiste nel “come” si esegue, ma nel “se” si esegue questo calcolo e, successivamente, nel “se” si apportano le necessarie regolazioni in fase di installazione dell’impianto. Tralasciando ogni altra considerazione, la prima cosa da farsi, in ogni caso, è di prevedere gli appositi organi di taratura; vale a dire le valvole a doppia regolazione poste sui corpi scaldanti e sui collettori nonchè le valvole di bilanciamento a piede di colonna. Se non si fa questa scelta di base tutte le altre considerazioni non hanno più alcun motivo d’essere poichè non avremo fisicamente gli strumenti necessari per effettuare una corretta taratura del sistema impiantistico. Cercheremo comunque di proporre un metodo per il calcolo della rete di distribuzione, partendo dalle perdite di carico delle tubazioni ed in seguito degli organi di taratura. 13

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3.6.1. Procedura di bilanciamento dei collettori Riprendendo ad esempio un tratto di rete di distribuzione come quello indicato in Figura 7, una volta terminato il calcolo delle varie derivazioni facenti capo ad uno stesso collettore, si deve procedere al calcolo della rete che alimenta i vari collettori, al loro bilanciamento idraulico nonchè al calcolo e bilanciamento di altre porzioni di rete confluenti in uno stesso nodo.

Per ciò che riguarda le derivazioni si è già visto; per i collettori si avrebbe, in tal caso, che le differenze di pressione da recuperare riguarderebbero sostanzialmente solo le perdite di carico dovute alla rete di distribuzione primaria. Considerando che per i nuovi impianti la progettazione avviene oggi quasi sempre con appositi software, qui di seguito si considera di sviluppare l’argomento proprio con l’ipotesi di cui sopra poichè adatta, meglio di altre, al calcolo manuale. Esistono infatti delle tabelle che, predefinito il valore di pressione differenziale a disposizione del collettore, forniscono tutte le possibili combinazioni di tubo e regolazione da assegnare alle valvole in funzione della emissione termica del radiatore e della sua distanza dal collettore. Ammettendo allora di avere assegnato per tutti i collettori un [Δp] pari a 8 kPa e partendo dal collettore [C1], con i dati di cui all’esempio di calcolo del paragrafo 3.3 ricalcolati per il valore di perdita di carico predefinita, si procede al calcolo delle differenze di perdita di carico ai vari nodi, iniziando da [N1] quindi [N2] poi [N3] sino ad [NAB]. Dopo aver calcolato la perdita di carico massima delle derivazioni al collettore [C1] si deve aggiungere a questo valore le perdite dovute agli organi di intercettazione e della rete di distribuzione sino al nodo [N2]. Ad esempio, con un ΔpC1= 8 kPa = 800 mm di c.a. si calcolino le perdite di carico continue e localizzate sino al nodo [N2] tenendo presente che:  il valore di [Kvs] delle valvole d’intercettazione ed esclusione dei collettori verrà assunto pari a Kv=3,5  le tubazioni di raccordo tra collettore [C1] e montante [A], nonchè i tratti di rete sino al nodo [N2] sono in acciaio Ø 3/4” per una lunghezza pari a 12 m eq.  Il valore della perdita di carico lineare unitaria [R] sarà pari a 8,0 mm di c.a./m si avrà quindi che la perdita di carico degli organi d’intercettazione ed esclusione sarà pari a: Δptubi = (R · L) = 96

Figura 7 Anche in questo caso, non avendo come riferimento una marca ben precisa di valvole e componenti, si prenderanno come riferimento i valori di [Kv] e [Kvr]. Prima di iniziare un breve esempio di calcolo, vale la pena di riprendere un concetto espresso al paragrafo 3.5. Poichè molto spesso gli impianti centralizzati a collettori sono installati in edifici plurifamigliari aventi unità abitative molto simili le una alle altre, nel calcolo delle perdite di carico per ogni singolo collettore si arriva ad avere valori di [Δp] e di portata simili tra loro. Negli anni, con l’esperienza, è diventato di uso comune assegnare a tutti i collettori un medesimo valore di perdita di carico (normalmente compreso tra 8 e 12 kPa) e quindi bilanciare a ritroso sia le derivazioni che i collettori.

mm di c.a.

= 0,96 kPa

ne consegue che al nodo [N2] la pressione differenziale disponibile sarà pari a: ΔpN2 = ΔpC1 + Δpv + Δptubi = 1150 mm di c.a. = 11,5 kPa A questo punto, per l’ipotesi di partenza che il collettore [C2] ha la medesima perdita di carico del precedente, resta solo da calcolare le perdita di carico tra collettore e montante [A] assumendo che, ad esempio, la portata GdC2 sia di 350 l/h e che il tratto di rete di raccordo tra collettore e colonna sia pari a L = 4 m eq.; ne consegue: ΔpC2 = 2 · (0,01 · (GdC2/Kv)2) + (R · L) + 800 ΔpC2 = 2 · (0,01 · (350/3,5)2) + (6 · 4) + 800 e quindi: ΔpC2 = 200 + 25 + 800 = 1025 mm di c.a. = 10,25 kPa

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Non rimane ora che calcolare il valore di [Kv] da assegnare all’organo di bilanciamento del collettore [C2] affinchè il suo valore totale di perdita di carico corrisponda a quello caratteristico del nodo [N2]; vale a dire: dΔp = 11,5 - 10,24 = 1,26 kPa = 126 mm di c.a. ___ Kvr2 = GdC2/(10 · √dΔp) = 3,16 Il calcolo di [Kvr2] avrebbe potuto essere risolto con un’unica espressione: GdC2 Kvr2 = ———————————————————— ———————————————————— [6] ΔpN2 - (ΔpC2 + (R · L) + (0,02 · (GdC2/Kvv)2)) ———————————————————— 0,01

√

Si calcoleranno ora le perdite di carico del tratto di colonna montante N2-N3 che, sommate al valore di [ΔpN2] daranno il valore totale di [Δp] al nodo [N3]: ΔpN3 = ΔpN2 + (R · L) = 1337 mm di c.a. = 13,37 kPa dove: il tratto di montante è sempre Ø 3/4”, con una portata di 745 l/h, una perdita di carico unitaria R=24 mm di c.a./m ed una lunghezza del tratto pari a 8 m eq. Analogamente a quanto descritto per il collettore [C2], si calcoli il valore di [Kvr3] per bilanciare la derivazione facente capo al nodo [N3]. Ipotizzando una portata nel collettore [C3] pari a 400 l/h, a parità di altri parametri, utilizzando l’espressione [6] e risolvendo si ottiene che Kvr3 = 2,55. Terminato il calcolo del montante [A] si deve ora procedere al dimensionamento del tratto di circuito tra il nodo [A3] ed il nodo di confluenza con il montante [B], considerando che in questa porzione di rete la portata sarà pari a 1145 l/h, che la sua lunghezza sia di 36 metri equivalenti, che venga realizzata con tubazioni Ø 1” e che vengano installate due valvole a piede di colonna aventi un Kvs = 6,8. Con questi dati si avrà dunque che: Δpv = 2 · (0,01 · (GdA / Kvv1)2) = 567 mm di c.a. = 5,67 kPa Δptubi = (R · L) = 17 · 36 = 612

mm di c.a.

= 6,12 kPa

e quindi:

Tra le due soluzioni la seconda è decisamente la migliore per svariati motivi, tra cui i seguenti:  operare un calcolo a ritroso, partendo dal nodo [AB] sino a risalire al collettore [C4], ipotizza la scelta di non installare degli organi di bilanciamento a piede di colonna e di recuperare le differenze di pressione, tra la perdita di carico nei collettori e quella disponibile allo stacco dal montante, unicamente attraverso gli organi di regolazione posti sui collettori stessi. Questo tipo di scelta, tecnicamente ineccepibile, ha la sua principale controindicazione nel fatto che, così facendo, spesso gli organi di bilanciamento posti sui collettori devono essere tarati su posizioni di forte parzializzazione e che, essendo i collettori quasi sempre installati all’interno degli appartamenti, questi organi di taratura sono facilmente manomissibili (come infatti spesso avviene) con conseguente forte sbilanciamento del sistema.  calcolando a ritroso la colonna [B], non è detto che la prevalenza residua al collettore [C4] sia sufficiente a garantire le corrette portate di progetto. In tal caso significherebbe che il circuito [A], precedentemente preso in esame e considerato come il più sfavorito in effetti non lo fosse e, questo, implicherebbe di procedere di nuovo ad una verifica. Questo caso non è infrequente, soprattutto nei casi di impianti centralizzati piuttosto estesi.  viceversa, calcolare il montante [B] partendo dal collettore [C4] sino al nodo [AB] consente di determinare la perdita di carico totale della colonna, di confrontare questo valore con quello precedentemente calcolato per il circuito [A] e, quindi, decidere molto semplicemente se recuperare le differenze di perdita di carico tramite le valvole a piede colonna installate su [B] o su [A] a seconda dei valori calcolati. Analogo ragionamento si può ed è consigliabile fare, quando invece di una colonna montante si tratti di sottoreti raggruppanti ciascuna più colonne - Figura 8. Anche in questi casi è consigliabile installare delle valvole di bilanciamento ai capi di ogni sottorete.  le valvole di bilanciamento vengono difficilmente manomesse poichè generalmente non accessibili direttamente e del tutto “sconosciute” nelle loro funzioni all’utente comune.

ΔpAB = 1337 + 567 + 610 = 2516 mm di c.a. = 25,16 kPa Giunti a questo punto, si devono effettuare tutti i calcoli anche per il montante [B] e, per ottenere un corretto bilanciamento tra montanti e tra collettori , è possibile procedere in due modi:  partire dal nodo [AB] e calcolare a ritroso le perdite di carico nella colonna [B] recuperando le differenze di pressione tramite le valvole poste sui collettori.  calcolare la colonna [B] esattamente come fatto per il circuito [A] e recuperare le differenze tramite le valvole a piede di colonna.

Figura 8 15

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SCHEMA DI VALUTAZIONE ED INTERVENTO PER IL BILANCIAMENTO DEGLI IMPIANTI ESISTENTI

Figura 9 16

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4. IL BILANCIAMENTO IDRAULICO DEGLI IMPIANTI ESISTENTI 4.1. Lo schema di valutazione ed intervento Il diagramma di flusso a pag. 16 riassume in modo schematico le operazioni che si rendono in genere necessarie per eseguire correttamente un intervento di bilanciamento idraulico di un impianto esistente. Si è già accennato in precedenza come, in questi casi, si deve operare in condizioni di totale, o quasi, mancanza di dati tecnici attendibili riguardanti l’impianto. Chiunque abbia provato questa esperienza sa che la situazione esistente non è quasi mai significativa del progetto originario; caldaie sostituite con altre di maggiore potenza, altrettanto per le pompe, superfici radianti aumentate (spesso proprio per far fronte alle carenze di bilanciamento), reti di distribuzione parzialmente rifatte, ecc. Da qui la necessità di avere un “metodo” da seguire per arrivare con sufficiente precisione all’acquisizione dei dati tecnici necessari. Come si può facilmente notare, sempre dallo schema a lato, la strada non è una sola; ci sono diverse soluzioni che implicano diversi costi e diversi gradi di “qualità” nel risultato finale. Tuttavia, vi sono alcune tappe che, indipendentemente da ciò che si farà in seguito, sono comunque assolutamente necessarie ed indispensabili, vale a dire:  calcolo delle dispersioni termiche: nella totalità dei casi (salvo rarissime eccezioni) non sono disponibili i calcoli di progetto e, quand’anche lo fossero, spesso si sono eseguite migliorie che rendono comunque necessario un nuovo calcolo (adozione di doppi vetri, isolamento agli ultimi piani, ecc.). Un nuovo calcolo delle dispersioni è anche utile per meglio valutare l’idoneità dei corpi scaldanti in opera.  valutazione dei corpi scaldanti installati: questo punto è di assoluta importanza per meglio comprendere in seguito come intervenire. Valutare se vi sono degli effettivi sovra o sottodimensionamenti delle superfici radianti è di assoluta necessità in una procedura di bilanciamento idraulico, così come stimare l’emissione termica reale di ogni corpo scaldante in funzione delle nuove condizioni di esercizio che si prevedono nel dopo bilanciamento.  calcolo delle portate nominali: anche questo è un passaggio di fondamentale importanza per l’obiettivo che si vuole ottenere. Come già ampiamente analizzato, emissione termica e portata (e quindi anche il salto termico nominale Δtd ) sono parametri strettamente connessi; definire quali dovranno essere le portate nominali corrette da assegnare ai singoli radiatori e, quindi, alle sottoreti, reti, ecc. significa mettersi nelle migliori condizioni operative ed avere dei dati certi sui quali lavorare.

 rilievo della rete esistente: anche in questo caso è difficile che siano ancora disponibili i progetti originali riguardanti piante e schemi con i percorsi dei tubi ed i diametri degli stessi. Non rimane quindi che provvedere al rilievo in opera della rete che consenta la tracciatura di uno schema sul quale dovrebbero essere riportate, per quanto possibile, sezioni delle tubazioni, lunghezze e sviluppo. Questo rilievo, se ben eseguito, consente di calcolare la rete di distribuzione come se si trattasse di una nuova installazione e, in seguito, di effettuare direttamente le tarature degli organi di bilanciamento, eliminando numerosi costi. Non solo, consente anche di verificare che le portate nominali, che si intende assegnare ai vari tratti di rete, siano compatibili con quanto in essere e, nel caso ciò non fosse, di decidere dove intervenire e come. Compiuto questo importante lavoro di preparazione, si dovrà scegliere quale percorso seguire per portare a termine il bilanciamento dell’impianto oggetto di verifica. Se i dati così raccolti sono sufficientemente precisi ed accurati, sarà possibile procedere come se si trattasse di una nuova installazione ed eseguire un calcolo idraulico che consentirà di installare (qualora già non ci fossero) e tarare direttamente gli organi di bilanciamento previsti. Viceversa, se i dati raccolti e/o disponibili non consentiranno di procedere ad un calcolo ex-novo, si dovrà intervenire con delle misurazioni in opera ed effettuare, in seguito, le tarature necessarie. Per l’esperienza diretta acquisita in molti anni, si consiglia di dedicare molta attenzione a queste fasi preliminari di valutazione poichè, se eseguite con la dovuta attenzione e precisione, consentono di risolvere i problemi di bilanciamento in tempi molto rapidi; tutto il tempo speso nella ricerca di dati tecnici affidabili viene poi abbondantemente recuperato durante la fase operativa di intervento. Nei casi più comuni di impianti oggetto di bilanciamento idraulico, come potrebbero essere i vecchi condomini anni sessanta-settanta, in genere non è impossibile risalire ad una tracciatura della rete di distribuzione; ben diverso può essere il caso di vecchi impianti originariamente nati con circolazione naturale o di impianti modificati negli anni in modo assolutamente estemporaneo. In questi ultimi casi non rimane che intervenire installando le valvole di bilanciamento dove necessario e, grazie a queste, iniziare le misurazioni necessarie ad ottenere i dati tecnici utili per la taratura dell’impianto. Si vedrà, nelle pagine successive, come concretamente operare e con quale metodo. Naturalmente, per analogia con il capitolo precedente, non si considera il caso di vecchi impianti nei quali, grazie ad una corretta valutazione dei dati, si può intervenire come se si trattasse di un nuovo impianto. 17

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4.2. Concetti preliminari Prima di iniziare la descrizione dei metodi di bilanciamento da utilizzare in impianti esistenti, è utile soffermarsi su alcuni concetti preliminari che, una volta analizzati, rendono molto più comprensibile ciò che verrà scritto in seguito. In particolare deve essere molto chiara l’interdipendenza che esiste tra i vari circuiti di uno stesso impianto e le leggi che regolano questa situazione di interattività reciproca.

Ciò significa che, la chiusura dell’organo di regolazione posto sul radiatore [R3] influenza sensibilmente i circuiti a valle [R1÷R2] e non allo stesso modo quelli a monte [R4].

Chiunque abbia provato ad eseguire un intervento di bilanciamento idraulico, si sarà accorto come modificando la posizione di taratura di un organo a doppia regolazione, si ottiene come riflesso la variazione delle portate (e quindi delle perdite di carico) anche in altri organi di bilanciamento e relativi circuiti. Se intervenendo sulla regolazione di una portata si ha come risultato la variazione anche di altre portate di altri circuiti, ne consegue che si renderà necessario un nuovo intervento di riequilibratura anche degli altri organi di regolazione e... così via procedendo in modo iterativo. Come si può ben comprendere, tale approccio sarà lungo, costoso e, spesso, non consentirà di ottenere un grado di bilanciamento ottimale. Tuttavia, come è noto, le formule di calcolo che stanno alla base del calcolo di una rete di distribuzione ci dicono che, in linea di massima, la perdita di carico è proporzionale al quadrato della portata o, se preferite, che la portata è proporzionale alla radice quadrata delle perdite di carico. Senza entrare nello specifico teorico delle formule matematiche che, in funzione del fatto che ci si trovi in un regime laminare o turbolento, definiscono con maggiore precisione l’esponente di proporzionalità sopra menzionato, rimane il fatto che queste due grandezze sono tra di loro correlate e, per le operazioni di bilanciamento, si può tenere conto di questa legge fisica. Figura 10 Da questa correlazione matematica, prende il nome di un metodo di bilanciamento che viene appunto definito “metodo proporzionale”. Ritornando qualche riga sopra, si può allora dire che applicando una variazione di portata ai capi di una derivazione, si avrà una variazione “proporzionale” della portata anche nei circuiti (o utenze) direttamente connessi alla derivazione stessa. In altri termini, considerando come esempio la colonna di Figura 10, applicando una variazione di portata al nodo [AB] si avrà una variazione “proporzionale” delle portate anche nei rimanenti circuiti a valle; in questo caso specifico rappresentati dai corpi scaldanti [R1÷R4]. Continuando il ragionamento sull’esempio di Figura 10, risulta anche evidente che, qualora si escludesse un’utenza della colonna (ad esempio il radiatore R3), i tratti di colonna [B-C] e [H-A] non subirebbero una perturbazione molto elevata mentre, al contrario, i tratti [D-E] ed [F-G] con i relativi radiatori [R1] ed [R2] sarebbero soggetti a valori di portata sensibilmente maggiori di quelli nominali. 18

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4.3. Procedura di bilanciamento dei corpi scaldanti Una volta completate le fasi preliminari di valutazione, di cui al paragrafo [4.1], si è pronti per passare alla fase operativa di taratura degli organi di bilanciamento installati. La natura del tipo di impianto da bilanciare, dipenderà da caso a caso; qui di seguito, come esempio, si considererà il caso più comune dei sistemi a colonne montanti che alimentano radiatori. Nella quasi totalità della letteratura tecnica che tratta l’argomento del bilanciamento degli impianti, si inizia sempre dal corpo scaldante, ma si assume che i radiatori siano dotati di valvole a doppio regolaggio in grado di consentire la lettura della portata mediante il manometro differenziale.

In teoria ciò è tecnicamente fattibile, basterebbe installare delle valvole di taratura con attacchi piezometrici anche sui terminali; tuttavia, nella realtà, questa situazione non si verifica mai (almeno negli impianti civili a radiatori). Nella migliore delle ipotesi, infatti, i radiatori installati in vecchi impianti sono dotati di valvole a doppia regolazione con caratteristiche tecniche incerte e, sul ritorno, del classico detentore.

Avendo misurato [ti] e [tu] è noto il valore di salto termico reale al momento della misurazione [Δtdr]. Ne consegue dunque che: Gdt Δtdr (20-tec) Kvt ——— = ——— · ———— = ——— Gdr Δtd (ta-a-ter) Kvr

[7]

dove:  Gdt: portata dopo la taratura della valvola

Molto spesso non vi sono nemmeno le valvole a doppio regolaggio e talvolta nemmeno il detentore. Sarà quindi sempre consigliabile provvedere alla sostituzione delle valvole e detentori esistenti con altri aventi caratteristiche tecniche note. Per conseguenza, in queste condizioni, il bilanciamento dei corpi scaldanti posti su di una stessa colonna deve essere eseguito mediante calcolo. In genere, poichè le colonne montanti hanno un andamento verticale diritto, questo calcolo è semplice ed agevole. Nei casi limite dove non si ha certezza del tracciato della colonna, e quindi non si ha certezza di quali siano i corpi scaldanti ad essa collegati, si devono necessariamente installare delle valvole a doppia regolazione con la possibilità di collegamento al manometro differenziale per la lettura della portata.

4.3.1. Bilanciamento mediante misura delle temperature Viste le espressioni matematiche che consentono il calcolo dell’emissione termica di un corpo scaldante, ne consegue che la sua portata nominale può essere stimata anche misurando alcune temperature. Questo metodo, per avere un sufficiente grado di precisione, richiede però che l’impianto sia in funzione ed anche che, al momento delle misure, il carico termico sia piuttosto elevato; vale a dire una bassa temperatura esterna. Per le condizioni di minima temperatura esterna di progetto [tec] è noto il salto termico nominale [Δtd ] che si desidera ottenere tra entrata ed uscita dal radiatore ed al quale, se la superficie radiante è correttamente dimensionata, corrisponde una temperatura ambiente di benessere [ta ]. Sarà dunque sufficiente misurare le seguenti temperature:  ter: temperatura esterna reale al momento della misura  ta : temperatura ambiente al momento della misura

 Gdr: portata reale al momento della misura  Δtdr: salto termico misurato  Δtd : salto termico nominale di calcolo  Kvt: Kv valvola di regolazione dopo la taratura  Kvr: Kv valvola di regolazione al momento della misura  a: apporti di calore interni e/o gratuiti (luci, cucina, ecc.) Utilizzando l’espressione [7] e, noto il valore di [Kvr] della valvola installata (se completamente aperta Kvr=Kvs), si può agevolmente calcolare [Kvt]. Questo modo di procedere, pur avendo una sua utilità in certi casi, implica però la misura delle temperature sopra indicate che devono essere rilevate con la massima precisione possibile, utilizzando termometri elettronici di ottima qualità. Non è infrequente che il salto termico [Δtdr], a causa delle eccessive portate dovute allo sbilanciamento, possa avere valori di pochi gradi (5÷6 °C) e, in queste condizioni, un errore strumentale o di metodo, può portare ad un errore nella stima della portata fino al 20%. Applicando questo metodo, le azioni di taratura devono iniziare dal radiatore più favorito della colonna; in genere quindi partendo dai piani bassi sino ai piani alti. Per meglio chiarire questo metodo riportiamo come sempre un breve esempio numerico ipotizzando di avere un radiatore avente una potenza termica E60 = 1000 W sottoposto alle seguenti condizioni di esercizio misurate:  ta : temperatura ambiente misurata 22 °C  ter: temperatura esterna misurata 3 °C  tec: temperatura esterna di progetto -5 °C  Δtdr: salto termico misurato 5 °C  Δtd : salto termico nominale 10 °C  Kvr: Kv valvola di regolazione 0,6  a: apporti di calore interni 1 °C ne consegue dunque che: Kvt 5 (20-(-5)) ——— = ——— · ————— = 0,694 Kvr 10 (22-1-3) e quindi, se Kvr=Kvs:

 ti: temperatura dell’acqua entrante al radiatore  tu: temperatura dell’acqua uscente dal radiatore

Kvt = 0,694 · 0,6 = 0,417 19

MANUALE TECNICO-OPERATIVO

Con questo valore di [Kvt], se le misurazioni sono state accurate, la portata [Gdt] dovrebbe avvicinarsi molto alla portata nominale di calcolo; nell’esempio Gdn = 86 l/h. A questo punto, noti il valore di [Kvt] e di [Gdn] è possibile anche stimare la perdita di carico relativa allo stesso corpo scaldante, vale a dire: Δp = 0,01 · (Gdn / Kvt)2 = 0,01 · (86/0,417)2 = 4,25 kPa Questo valore potrà essere utile nella procedura di taratura degli altri radiatori posti sulla colonna montante. Non rimane ora che eseguire il calcolo di verifica dell’emissione termica reale del corpo scaldante sottoposto alle nuove condizioni di esercizio.

4.4. Il bilanciamento delle reti di distribuzione: metodo dei rapporti di portata Ammettendo di dover bilanciare un impianto simile a quello rappresentato in Figura 11, che come si può notare è quanto di più comune si possa trovare nella realtà, si descrivono le operazioni necessarie per ottenere il bilanciamento idraulico dei vari circuiti. Si tenga sempre presente, però, che le fasi preliminari di valutazione devono essere state completate e che quanto descritto nel precedente paragrafo circa i corpi scaldanti, deve essere eseguito dopo aver individuato la colonna montante più favorita.

Prima di iniziare una qualsiasi operazione di misura e taratura del sistema, ci si deve assicurare che:  tutti gli organi di regolazione siano completamente aperti; vale a dire nella loro posizione di [Kvs]  le valvole di regolazione automatica siano disinserite ed anch’esse nella posizione di massima apertura  che l’impianto sia preferibilmente spento tranne, ovviamente, la pompa di circolazione Poichè nelle fasi preliminari al bilanciamento si sono ricalcolate le dispersioni termiche, si sono valutati i corpi scaldanti in opera, si sono così determinate le portate nominali da assegnare ad ogni singolo radiatore, colonna montante o sottorete, ne consegue che è altrettanto nota la portata totale nominale desiderata alla mandata generale del sistema impiantistico in esame. La valvola [VbT] deve dunque essere tarata per questo valore di portata totale, aumentato di 10÷15% circa. Per eseguire questa prima operazione, si collegherà il manometro differenziale alla valvola [VbT] e si effettuerà la taratura richiesta. In seguito, collegando il manometro differenziale di volta in volta alle valvole poste ai capi di ogni sottorete [VbS1÷VbS3] si misurano le portate reali per ciascuna di esse. I valori così misurati serviranno per il calcolo dei rapporti di portata che intercorrono con i rispettivi valori nominali che dovranno ottenere a bilanciamento ultimato; vale a dire: RQ[S1..S3] = Gdm

[S1..S3]

/ Gdn[S1..S3]

Figura 11 20

MANUALE TECNICO-OPERATIVO

In pratica, un semplice rapporto tra la portata misurata [Gdm] e la portata nominale desiderata [Gdn]. Trovati, per ogni sottorete, questi valori di [RQ] si inizia la procedura di bilanciamento da quella che ha il maggiore rapporto di portata; vale a dire dalla sottorete più favorita. Ipotizzando, a titolo di esempio, che si tratti della rete [S3] si procederà quindi al calcolo del rapporto di portata per ogni colonna montante di questa rete, nel caso i montanti [E], [F] e [G], e scegliere il valore minimo trovato [RQmin] (che verrà utilizzato come valore di riferimento) e procedere come segue:  individuare la colonna montante più sfavorita della rete [S3], nell’esempio il montante [G], connettere il manometro differenziale alla valvola [VbG] ed effettuare una taratura della stessa in modo che RQ[G]=RQmin  passare alla colonna [F] e tarare la valvola [VbF] in modo che RQ[F]=RQ[G]. Dopo questa taratura si produce una variazione della portata relativa al montante [G] e quindi del rapporto di portata RQ[G], se questa variazione è maggiore di un 5% circa, operare sulla valvola [VbF] affinchè RQ[F] sia ricondotto al nuovo valore di RQ[G] che si è venuto a creare.  procedere allo stesso modo per la colonna montante [E], tarando la valvola [VbE] in modo che il rapporto di portata sia RQ[E]=RQ[G]. A questo punto, tutti i rapporti di portata RQ[G], RQ[F] ed RQ[E] sono uguali e sarebbe quindi sufficiente tarare la valvola [VbS3] per un rapporto di portata pari ad 1; ma questa è un’operazione da eseguirsi nella procedura di bilanciamento delle sottoreti. E’ importante sottolineare che, poichè i rapporti di portata dei vari montanti sono ora uguali, per la legge di proporzionalità, qualsiasi perturbazione fosse applicata ai capi della sottorete [S3], le colonne montanti rimarranno tra di loro equilibrate. Per le sottoreti [S2] ed [S1] si dovrà procedere con lo stesso metodo indicato per [S3]. Terminata questa fase, si passa al bilanciamento delle sottoreti tra di loro, procedendo nel modo seguente:  calcolare i rapporti di portata delle varie sottoreti RQ[S1], RQ[S2], RQ[S3] ed individuare tra loro il valore di RQ[Smin].  tarare la valvola di bilanciamento della sottorete più sfavorita, nell’esempio si ipotizzi [S1], per ottenere un rapporto di portata RQ[S1]=RQ[Smin].  passare quindi alla sottorete [S2] e tarare la valvola [VbS2] in modo che RQ[S2]=RQ[S1]. Dopo questa taratura si produce una variazione della portata relativa alla sottorete [S1] e quindi del rapporto di portata RQ[S1], se questa variazione è maggiore di un 5% circa, operare sulla valvola [VbS2] affinchè RQ[S2] sia ricondotto al nuovo valore di RQ[S1] che si è venuto a creare.

 procedere allo stesso modo per la sottorete [S3], tarando la valvola [VbS3] in modo che il rapporto di portata sia RQ[S3]=RQ[S1]. A questo punto, tutti i rapporti di portata RQ[S1], RQ[S2] ed RQ[S3] sono uguali ed è quindi sufficiente tarare la valvola [VbT] per un rapporto di portata pari ad 1; si otterrà in tutte le derivazioni e nell’intero sistema il medesimo rapporto di portata e, per conseguenza, le portate nominali desiderate in sede di calcolo.

4.4.1 Metodo di bilanciamento diretto Nel corso del precedente paragrafo si è vista la procedura necessaria per ottenere un corretto bilanciamento delle reti mediante la misura dei rapporti di portata [RQ]. Pur essendo un metodo molto affidabile e veloce, in modo particolare rispetto alle procedure iterative o di misura delle temperature, è possibile fare di meglio utilizzando un approccio altrettanto semplice ed immediato. Questo modo di procedere viene denominato “diretto” poichè parte dal presupposto che sia possibile tarare direttamente al loro giusto valore di [Kvr] sia le valvole a piede di colonna sia quelle poste ai capi delle sottoreti e così via. Per poter utilizzare questo metodo di taratura si devono avere due manometri differenziali in uso simultaneo. La tecnica di questa procedura, consiste nel portare in posizione di completa apertura la valvola [VbT] e, al contrario, chiudere completamente tutte le valvole a piede di colonna tranne una (nell’esempio la valvola VbG) - Figura 12 (pag. 22). Così facendo si ha la certezza che i valori di portata e di prevalenza, forniti dalla pompa di circolazione in opera, sono sicuramente in grado di soddisfare le condizioni di portata nominale di calcolo del montante [G]. Un inciso: come per il precedente paragrafo, poichè i corpi scaldanti non sono mai dotati di organi di taratura con la lettura diretta della portata (o del Δp), si da per scontato il loro bilanciamento in modo analitico mediante le comuni valvole a doppia regolazione. La prima azione da svolgere, note marca e diametro della valvola installata sul montante aperto, consiste nel tarare la valvola a piede di colonna (nell’esempio VbG) in una posizione ricavata dal suo normogramma caratteristico che, nelle condizioni di portata nominale del montante, dia una perdita di carico significativa e sufficiente ad evitare grossolani errori strumentali nelle misurazioni (≈ 2 kPa). Determinata analiticamente questa posizione, la valvola viene tarata di conseguenza e bloccata su questo valore. 21

MANUALE TECNICO-OPERATIVO

Figura 12 Ad essa si collega il manometro differenziale per la lettura continua della portata che fluisce attraverso la valvola stessa. Quindi, mantenendo sempre tutte le altre colonne chiuse, si manovra la valvola [VbS3 ] sino a che la portata attraverso la valvola [VbG ], misurata nel modo sopra indicato, raggiunga il valore nominale desiderato. Raggiunta questa condizione, si avrà la certezza che la portata del montante [G] è quella di calcolo e che, per conseguenza, le perdite di carico della colonna sino al nodo [F-G] sono anch’esse quelle di progetto. Se questo è vero, come in effetti è, significa anche che il montante [F], insistente sullo stesso nodo [F-G], dispone anch’esso della prevalenza necessaria ad ottenere la sua portata nominale. Utilizzando il secondo manometro differenziale, collegato alla valvola [VbF], si esegue la taratura di quest’ultima sino ad ottenere la lettura della portata nominale richiesta nella colonna montante [F]. Eseguita questa operazione, si noterà come il valore di [Δp] o di portata, misurato attraverso [VbG], subisca una evoluzione, per cui, si interviene manovrando la valvola [VbS3] affinchè la lettura in [VbG] ritorni al valore iniziale. Così facendo si sono tarate correttamente le portate relative ai montanti [G] ed [F] e, come in precedenza, ciò significa che al nodo [E-F] si dispone anche della giusta prevalenza (o pressione differenziale). 22

MANUALE TECNICO-OPERATIVO

Se si preferisce, si può anche dire che avendo le colonne montanti [G] ed [F] le corrette portate nominali di progetto, al nodo [E-F] si riscontreranno le corrispondenti perdite di carico relative al circuito a valle più sfavorito. Si effettua quindi, in modo del tutto analogo, la taratura della portata attraverso la valvola [VbE] e si corregge di nuovo la posizione di taratura della valvola [VbS3] per annullare la perturbazione che si riscontrerà in [VbG]. Poichè, nell’esempio, il montante [E] è l’ultimo della sottorete [S3], si è anche certi che la portata di quest’ultima corrisponde al valore nominale e che ogni montante è perfettamente bilanciato con i gli altri della stessa sottorete. Non rimane quindi che procedere in modo assolutamente identico per le rimanenti sottoreti [S1] ed [S2]. Alla stessa maniera, una volta terminate le procedure relative ai montanti, si utilizzerà sempre e comunque la medesima procedura, questa volta misurando in continuo la portata attraverso una delle valvole [VbS1....VbS3] presa come valvola di riferimento. Si tarano quindi le rimanenti valvole come indicato per quelle a piede di colonna e si utilizza la valvola generale [VbT] come valvola di compensazione, esattamente come descritto in precedenza per la valvola [VbS3], sino ad ottenere il definitivo bilanciamento delle sottoreti tra di loro e la conseguente taratura anche della portata totale nominale di calcolo del sistema.

Qualora, giunti a questo punto e con la valvola [VbT] tutta aperta, non si riesca ad ottenere la portata totale occorrente, si dovrà necessariamente sostituire la pompa. Tuttavia, questa è una situazione che in genere si verifica raramente poichè, soprattutto nei casi degli impianti più vecchi ed a causa dei ripetuti interventi nel corso degli anni, molto spesso la sostituzione della pompa di circolazione si rende necessaria esattamente per i motivi opposti.

In quest’ultimo caso delle valvole a tre vie, senza entrare nel dettaglio delle caratteristiche di regolazione e di [Kvs] della via di by-pass di queste valvole, si avrà dunque una distribuzione primaria a portata costante - Figura 13. Per conseguenza, nulla cambia rispetto alle procedure di bilanciamento idraulico delle reti descritte nei precedenti paragrafi. Ben diversa sarà la situazione nei casi di installazione di valvole termostatiche (elettrotermiche o elettroniche con programmazione) su ogni singolo radiatore - Figura 14.

4.5. Il bilanciamento di reti a portata variabile L’emissione termica dei corpi scaldanti dei moderni impianti di riscaldamento e di climatizzazione è spesso gestita, oltre che dal sistema di regolazione climatico centrale, anche mediante organi di regolazione automatica della temperatura ambiente.

VALVOLA TERMOSTATICA

Questi organi possono essere installati su ogni singolo radiatore oppure per un insieme omogeneo di essi. Nel primo caso si tratta di valvole termostatiche, di valvole elettrotermiche o di valvole per mobiletti ventilconvettori; nel secondo caso di valvole di zona. Tutti questi tipi di valvole possono essere in esecuzione a due o tre vie. Nella comune pratica impiantistica, le valvole termostatiche ed elettrotermiche da radiatore vengono sempre utilizzate nella versione a due vie mentre, per le valvole da mobiletto e le valvole di zona si preferisce la versione a tre vie.

VALVOLA ELETTRONICA PROGRAMMABILE

Gd = k

Figura 14 In tal caso, come ovvio, l’azione di regolazione di questi organi automatici induce una portata variabile sia all’interno del circuito regolato sia all’interno del circuito primario di distribuzione generale.

Gd = k

Figura 13

L’entità di variazione della portata dipende dal numero di valvole contemporaneamente aperte o chiuse. Nei comuni impianti di riscaldamento, quando si richiede il controllo individuale della temperatura ambiente in ogni locale, gli organi di regolazione più utilizzati sono le valvole termostatiche. 23

MANUALE TECNICO-OPERATIVO

Per tale ragione e per la sostanziale eguaglianza dei problemi di bilanciamento conseguenti all’uso di organi di regolazione a due vie in genere, si analizzerà l’argomento considerando solamente questo tipo di valvole che, per le loro caratteristiche, richiedono una maggiore attenzione di installazione. Come primo passo è utile riprendere alcune delle molte particolarità che stanno alla base di questi prodotti e che sono importanti per il bilanciamento idraulico degli impianti; vale a dire:  le valvole termostatiche non sono “automaticamente” organi di taratura; il loro impiego senza un adeguato bilanciamento idraulico dei circuiti può anche peggiorare la situazione preesistente.  la banda proporzionale di esercizio, convenzionalmente fissata a 2 K per il valore di [Kvs], dipende dalla perdita di carico della valvola e quindi dalla sua autorità sul circuito regolato.

La taratura delle portate di ogni radiatore, si può effettuare in due modi:  utilizzando delle valvole termostatiche a Kv variabile (vale a dire dotate di un sistema a doppio regolaggio integrato)  installando dei detentori con la doppia regolazione e possibilità di bloccaggio del punto di taratura. Poichè le termostatiche, come altri organi di regolazione, per avere un funzionamento ottimale devono esercitare una buona autorità sul circuito regolato, la soluzione delle valvole a Kv variabile è decisamente da preferirsi rispetto ad altre soluzioni. L’equazione matematica che definisce l’autorità è la seguente: Δpvt A = —————— Δpvt + Δpc

 la sua capacità di regolazione è influenzata anche dal valore di [Δtd ] del radiatore - vedere Figura 2.

[8]

dove: Si riprenda nuovamente, ad esempio, la colonna montante di Figura 10, con i radiatori dotati di valvole termostatiche, e si considerino le condizioni di esercizio al momento della messa a regime dell’impianto dopo un periodo di attenuazione notturna.

 Δpvt: perdita di carico della valvola termostatica  Δpc: perdita di carico del circuito

Le valvole termostatiche, per effetto dell’abbassamento della temperatura ambiente, saranno tutte in posizione di completa apertura. Se i radiatori della colonna sono tutti tra di loro bilanciati, riceveranno tutti la corretta portata nominale e, quindi, gli ambienti andranno a regime in modo uniforme. Al contrario, se i corpi scaldanti non sono equilibrati, il radiatore [R4] riceverà una portata eccessiva rispetto a quella nominale mentre il radiatore [R1] ne riceverà una insufficiente. Per conseguenza, gli ambienti dove sono installati i corpi scaldanti più favoriti andranno a regime in tempi rapidi mentre i rimanenti dovranno attendere la chiusura delle valvole termostatiche di questi per ricevere la portata necessaria e sufficiente alla messa a regime. La situazione si complica ulteriormente quando i vari radiatori hanno una potenza termica molto diversa tra loro e, quindi, anche portate nominali molto differenti. Il quadro generale che ne consegue è comunque quello di una situazione perennemente instabile e dipendente dalle posizioni di valvole termostatiche poste su radiatori diversi in unità abitative diverse. E’ dunque chiaro che il bilanciamento idraulico dei corpi scaldanti posti su di uno stesso circuito, anche quando dotati di valvole termostatiche, è un’operazione assolutamente necessaria. 24

MANUALE TECNICO-OPERATIVO

Figura 15 Le curve riportate nel diagramma di Figura 16, schematizzano il rapporto portata/Kv in funzione del valore di autorità della valvola; come si può notare, più il valore dell’autorità è contenuto e più la valvola termostatica avrà un’azione di regolazione praticamente On/Off. Normalmente, in impianti ben dimensionati, questo valore non è mai inferiore a 0,4÷0,5. Tornando quindi alla colonna montante di Figura 10, ci si trova quindi in una condizione di portata variabile e, per la legge di proporzionalità, anche di perdita di carico variabile.

La Figura 17 rappresenta la stessa colonna montante della precedente Figura 10, ma con una sostanziale diversità che consiste nell’installazione a piede di colonna di valvole di bilanciamento autoregolanti, in grado di compensare le perturbazioni provocate dagli organi di regolazione a due vie installati sui corpi scaldanti.

Figura 16 Se questa colonna fosse parte di un impianto dove tutti i radiatori fossero dotati di valvole termostatiche, si avrebbe un intero sistema impiantistico a portata variabile. Diciamo subito che, ad oggi, nel mercato italiano i casi di impianti interamente equipaggiati con termostatiche è ancora piuttosto raro mentre più facilmente si trovano sistemi dove solo alcune colonne sono dotate di questi organi di regolazione. Naturalmente, le perturbazioni conseguenti all’azione delle valvole termostatiche (o elettrotermiche) sono più o meno critiche in funzione del numero totale di corpi scaldanti dotati di questi regolatori. Le norme attualmente in vigore dispongono però l’obbligo di installare valvole termostatiche (o elettrotermiche) per il controllo della temperatura in ogni singolo ambiente. Quindi, nel prossimo futuro, saranno sempre più frequenti i casi di impianti con valvole termostatiche su tutti i corpi scaldanti, mentre per le situazioni dove ancora questi organi di regolazione interessano solo una parte dei radiatori si avranno perturbazioni localizzate in punti ben definiti del sistema: si dovrà quindi verificare l’incidenza di queste perturbazioni sull’insieme della rete di distribuzione. Un primo approssimativo parametro di giudizio consiste nel calcolare l’incidenza percentuale della somma delle portate dei radiatori termostatati, rispetto alla portata totale dell’impianto. A questo si deve aggiungere il “fattore di contemporaneità”, di valvole completamente chiuse o aperte o parzializzate, che dipende molto dall’esposizione, dalla destinazione del locale dove sono installate, dalle abitudini dell’utente, ecc. Nonostante tutte queste variabili, il problema del bilanciamento di circuiti a portata variabile è relativamente semplice; quantomeno per quanto concerne i problemi legati alle colonne montanti o comunque a sottoreti di distribuzione alimentanti un numero limitato di radiatori.

Figura 17 25

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Per quanto sin qui descritto, in questi casi il problema consiste quindi nello stabilizzare la pressione differenziale applicata alla colonna montante. Il primo importante accorgimento è quello di assicurare alla valvola [Vb1] un buon valore di autorità, da calcolarsi come segue: Δh -Δpc -ΔpVb2 A = ————————— Δh dove [Δh] è la prevalenza (o, se si preferisce, pressione differenziale) disponibile al nodo [A-B]. Una buona autorità della valvola [Vb1] avrà l’effetto di evitare forti variazioni della pressione differenziale ai capi delle valvole termostatiche. Si passa quindi al bilanciamento dei corpi scaldanti posti sulla colonna e, successivamente delle colonne tra di loro. Il bilanciamento dei radiatori verrà effettuato impostando il dispositivo a doppia regolazione delle termostatiche sulla posizione di taratura corrispondente al valore di [Kvr] determinato in sede di calcolo - Figura 18.

 procedere al bilanciamento della colonna con il resto dell’impianto, adottando uno dei metodi proposti nei precedenti paragrafi e tarando la valvola a piede di colonna [Vb2] in modo che abbia una perdita di carico sufficiente ad assicurare una buona precisione di lettura attraverso il manometro differenziale (≈ 2 kPa).  il valore di portata conseguente a questa scelta, e misurato mediante il manometro differenziale, avrà un valore diverso dalla portata nominale desiderata per la colonna.  mettere in esercizio la valvola di bilanciamento [Vb1] ed eseguire la taratura in modo che la portata attraverso la colonna ritorni al valore nominale di calcolo.  rimontare gli attuatori termostatici (o elettrotermici) sulle valvole da radiatore. Adottando questa soluzione tecnica si riesce a stabilizzare la pressione differenziale all’interno di un circuito, ma non si risolve del tutto il problema delle perturbazioni create da una variazione locale della portata sul resto dell’impianto. Per questa ragione, la soluzione qui descritta di valvole a piede di colonna con attuatore differenziale, è idonea nei casi di impianti di una certa dimensione dove una variazione localizzata di portata provoca perturbazioni sopportabili negli altri circuiti ed alla pompa di circolazione.

Figura 18 A questo punto si procede in modo analogo a quanto descritto in precedenza, vale a dire:  rimuovere, o non installare, le testine termostatiche o elettrotermiche sulle valvole da radiatore in modo che il loro valore di [Kvr] rimanga costante e pari a quello impostato in sede di bilanciamento dei corpi scaldanti.  assicurarsi che anche la valvola di bilanciamento [Vb1] sia in posizione di completa apertura. Se necessario rimuovere il capillare di connessione alla valvola [Vb2].

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Valvole di bilanciamento Kombi-3-Plus con regolatore di pressione differenziale

4.5.1. Le valvole di sfioro o di sovrappressione

Questi dispositivi, aprendo la via di by-pass per effetto ed a causa dell’incremento della pressione differenziale disponibile, consentono di mantenere praticamente costante la portata del circuito.

Fatto salvo tutto quanto scritto nel paragrafo [4.5], nei casi di circuiti a portata variabile, si può intervenire anche con l’installazione di valvole di sfioro o di sovrappressione.

La posizione di installazione di queste valvole deve essere eseguita come indicato in Figura 19, vale a dire a valle delle valvole di bilanciamento a piede di colonna. In questo modo, l’insieme dei due dispositivi costitu tuisce un valido ammortizzatore delle possibili perturb bazioni agli altri circuiti dell’impianto dovuti alla variazzione di portata nella colonna montante. L Le valvole di sovrappressione vengono in genere prod dotte per un campo d’intervento compreso tra 0,05 e 0 0,5 bar (0,5÷50 kPa).

4.6. Sintesi e conclusioni C Come si sarà notato, il bilanciamento degli impianti esisstenti è, nella pratica, molto semplice ma, a condizione che lo studio preliminare di valutazione venga eseguito c in modo esauriente e scrupoloso. DU146 - Valvole differenziali di sfioro per riscaldamento e teleriscaldamento Queste valvole, nei casi d’impianti di piccole e medie dimensioni possono essere installate in centrale termica oppure, per gli impianti di taglia maggiore, alla base dei montanti - Figura 19.

In particolar modo si raccomanda di essere molto precisi nella stesura dei rilievi riguardanti lo stato di fatto e di utilizzare questi elaborati per ricavare tutti i dati necessari per il successivo intervento in cantiere. Così facendo, quasi sempre si eliminano all’origine molte delle operazioni che, senza un’adeguata preparazione, richiederebbero aggiustamenti successivi con conseguente dilatazione dei tempi d’intervento e dei costi. Nel corso del bilanciamento di un impianto, non si abbia mai timore di assegnare alle valvole di taratura buoni valori di perdita di carico; si ricordi che quasi sempre la pompa è sovradimensionata in modo che le valvole abbiano una buona autorità ed inoltre che, per avere una lettura precisa dei valori di portata o perdita di carico, non si dovrebbe operare al di sotto dei 2÷3 kPa. L’errore strumentale di lettura dei parametri in gioco, può arrivare infatti anche ad 15% quando si opera con bassi valori di resistenza ai capi delle valvole di taratura. In sintesi, un buon bilanciamento di un impianto esistente è una questione di “metodo” di lavoro; non vi è nulla di particolarmente difficile. Naturalmente a condizione che si utilizzino gli strumenti adeguati e che s’installino i dispositivi di taratura necessari, riassumendo:

Figura 19

 dotare ogni corpo scaldante di una valvola a doppia regolazione; nel caso di valvole termostatiche preferire sempre quelle a Kv variabile. 27

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 installare a piede di colonna ed ai capi di ogni sottorete le valvole di bilanciamento.  installare sulla tubazione di ritorno generale in centrale termica, una valvola di taratura di compensazione per la regolazione finale della portata totale all’impianto.  installare i necessari dispositivi dinamici di taratura nei casi di circuiti a portata variabile.  utilizzare uno, o più, manometri differenziali elettronici con l’indicazione diretta dei valori di taratura. Si raccomanda di privilegiare la scelta di prodotti che, per le loro caratteristiche di regolazione ed affidabilità, abbiano realmente “l’attitudine alla funzione” per la quale sono stati concepiti e che si richiede. Per quanto concerne le linee guida generali, sia per gli impianti di nuova installazione che per quelli esistenti, a nostro avviso valgono i seguenti punti:  se dopo la valutazione dei corpi scaldanti in opera e delle dispersioni termiche, si è in presenza di radiatori sovradimensionati, sfruttare questa situazione per aumentare (entro certi limiti) il salto termico nominale riducendo le portate. La presenza di ampie superfici radianti, anche se ad una temperatura media più bassa, contribuisce a migliorare la temperatura operante dell’ambiente e quindi la sensazione di benessere. Inoltre, come si è visto, un maggiore salto termico contribuisce a migliorare l’azione di regolazione di una valvola termostatica. Naturalmente, questo modo di procedere deve essere il più possibile generalizzato a tutti i corpi scaldanti di uno stesso impianto in modo che la temperatura media di esercizio sia la più uniforme possibile. Sono ammessi interventi su singoli radiatori solamente per correggere surriscaldamenti localizzati.

 durante un bilanciamento idraulico delle reti, è normale raggiungere le condizioni ottimali di esercizio nei corpi scaldanti sfavoriti mediante l’incremento della portata; si tenga sempre presente però che nei veri casi di superfici radianti sottodimensionate, anche aumentando di 2 o 3 volte la portata rispetto al valore nominale, non si raggiungono risultati soddisfacenti, soprattutto in un’ottica di regolazione climatica centralizzata. In questi casi si deve intervenire procedendo alla sostituzione del radiatore con altro di adeguata superficie radiante. In conclusione, quanto sin qui descritto ha lo scopo di fornire utili indicazioni di come operare al fine di eseguire un buon lavoro di bilanciamento, contenendo il più possibile tempi e costi. Ciò non toglie che i necessari investimenti per installazione degli organi di taratura vadano comunque effettuati; fare inutili economie sul materiale (che peraltro sono marginali sul costo totale) può vanificare in tutto o in parte l’investimento globale. Non ultimo, si deve sempre avere ben presente che un buon bilanciamento idraulico comporta una successiva e significativa diminuzione dei costi di gestione dell’impianto con allo stesso tempo un maggiore grado di benessere negli ambienti.

 tutti gli organi di regolazione devono avere una buona autorità sul circuito regolato ed in particolar modo le valvole termostatiche che, per loro natura, con bassi valori di perdita di carico lavorano praticamente On/ Off. Il precedente accenno a verificare “l’attitudine alla funzione” di un prodotto significa proprio questo; se un organo di regolazione ha dei valori di Kv troppo elevati rispetto al compito che deve svolgere, significa che avrà sì una bassa perdita di carico ma significa anche che regolerà poco o nulla, quindi male. E del resto una differenza di 2÷3 kPa in più o i meno sulla prevalenza totale della pompa non cambia proprio nulla mentre, al contrario, cambia e di molto la situazione a livello di controllo della temperatura ambiente. Sia per gli impianti esistenti, che quelli di nuova installazione, l’adozione di valvole da radiatore con buoni valori di autorità consente inoltre di poter posizionare in ambiente i corpi scaldanti con maggiore libertà.  prima di sostituire un radiatore “sottodimensionato”, si proceda al bilanciamento delle reti poichè è assai raro che ciò si verifichi realmente. Nella stragrande maggioranza dei casi si tratta di corpi scaldanti che operano in regime di portata insufficiente. 28

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Kombi-3-Plus valvole di bilanciamento e d’intercettazione

5. IL BILANCIAMENTO IDRAULICO DEGLI IMPIANTI SANITARI 5.1. Introduzione Sembra quasi strano che si possa parlare di bilanciamento idraulico delle reti idricosanitarie, ma lo è solamente per il fatto che si tratta di un problema sottovalutato. Naturalmente l’argomento riguarda le reti di distribuzione acqua calda ad uso sanitario dotate di ricircolo che di solito si trovano principalmente in edifici plurifamigliari oppure in edifici non residenziali con produzione centralizzata. Un esempio tipico può essere lo schema di Figura 20, dove è rappresentato un classico caso di distribuzione sanitaria a montanti verticali con ricircolo, così come viene attualmente realizzato. In seguito, vedremo come le valvole di bilanciamento siano assolutamente importanti in questi tipi di impianti e come lo siano anche per conseguire una buona azione di regolazione del sistema di miscelazione a punto fisso per acqua calda sanitaria.

Nel corso dei successivi paragrafi, gli argomenti trattati avranno sempre come riferimento le vigenti normative in materia di impianti sanitari, ed esattamente:  Norma UNI 9182:2008 - “Impianti di alimentazione e distribuzione d’acqua fredda e calda - Criteri di progettazione, collaudo e gestione”  Gazzetta Ufficiale n° 103 - del 5/05/2000 - Presidenza del Consiglio dei Ministri - Documento 4/04/2000 “Linee guida per la prevenzione e il controllo della legionellosi” In particolare, quest’ultimo documento sulla prevenzione della legionellosi costituisce, per la normativa italiana, un primo passo verso l’armonizzazione con le attuali norme di altri stati membri della Comunità Europea.

5.2. La progettazione secondo la UNI 9182:2008 Tralasciando completamente le procedure per il calcolo delle reti di distribuzione dell’acqua calda e fredda, che non sono oggetto di questa pubblicazione, ciò che risulta importante ai fini del bilanciamento è la rete di ricircolo ed i suoi criteri di dimensionamento.

Figura 20 29

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Anche in questo caso il problema deve essere trattato in modo differente tra impianti di nuova installazione ed impianti esistenti. Nei casi di nuovi impianti, si deve considerare quanto viene prescritto nell’allegato [P] della norma ed in modo particolare gli articoli dal P.5.4. al P.5.7. L’insieme della rete di distribuzione acqua calda e della rete di ricircolo, in mancanza di utenza, altro non è che un anello chiuso all’interno del quale l’acqua viene fatta circolare per mezzo di una pompa. Gli articoli P.5.4. e P.5.5. forniscono i criteri per il calcolo del circuito più sfavorito ed il dimensionamento della pompa di ricircolo. E fin qui tutto normale, ma è importante quanto prescritto dai successivi articoli P.5.6. e P.5.7. ed esattamente:  P.5.6. - “omissis............a seguito della scelta della pompa, dimensionare, con gli usuali metodi, ogni singolo tronco in relazione alla portata ed alla perdita di carico che gli competono”  P.5.7. - “A dimensionamento ultimato controllare che in ogni tubazione non si superino le massime velocità accettabili.......omissis......e verificare che il valore complessivo della perdita di carico corrisponda a quello preventivamente fissato” La cosa principale da considerare è che cosa s’intende esattamente “...con gli usuali metodi.....” riferita al calcolo dei vari tronchi della rete di ricircolo. Una cosa certa è che dimensionando i vari circuiti di una rete di ricircolo, come descritto al paragrafo P.5 della norma e senza ulteriori accorgimenti, si arriva alla situazione rappresentata nella precedente Figura 20.

Ma se è vero, come è vero, che in mancanza di utenza l’insieme della rete acqua calda + ricircolo è un circuito chiuso mosso da una pompa, si avrà come diretta conseguenza che il montante [1] sarà soggetto ad una portata di ricircolo decisamente maggiore del montante [3] che, al contrario, avrà molto probabilmente una circolazione del tutto insufficiente. Inoltre, dal testo dell’articolo P.5.7., ne consegue che tale situazione sarà inaccettabile poichè nella colonna [1] si avranno quasi certamente velocità dell’acqua superiori a quelle massime ammissibili. Allo stesso modo un tentativo di bilanciare le varie colonne modificando opportunamente il diametro delle tubazioni di ricircolo, è di fatto reso difficile dallo stesso problema delle velocità di cui sopra in relazione con la tabella P.4. della norma stessa. Per conseguenza, la maniera più semplice per risolvere questo problema sarà quella di dimensionare la rete di ricircolo secondo quanto prescritto dalla norma e quindi d’installare una valvola di bilanciamento per ogni colonna. In tal modo si potranno equilibrare tra loro i vari montanti ed ottenere le corrette portate di ricircolo in ogni tronco della rete - Figura 21. Analogamente a quanto successivamente scritto per gli impianti esistenti, il bilanciamento delle reti di ricircolo degli impianti di nuova installazione, si può ottenere in modo ancora più semplice installando delle valvole di taratura appositamente studiate per queste applicazioni.

Figura 21 30

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5.3. Impianti sanitari esistenti Molto spesso, quando si interviene nel bilanciamento di un impianto termico esistente, ci si imbatte anche in una rete centralizzata di distribuzione dell’acqua calda sanitaria. Non sempre, in passato, questi impianti sono stati eseguiti con la rete di ricircolo, ma quando ciò è stato fatto ci si trova inevitabilmente di fronte al problema già descritto nel precedente paragrafo. In questi casi poi, si aggiunge l’aggravante della completa mancanza di dati tecnici inerenti il sistema ed i componenti via via sostituiti negli anni. Un modo per affrontare il problema è quello, del tutto analogo agli impianti termici, di eseguire un accurato rilievo dello stato di fatto e procedere in seguito ad una verifica di calcolo spesso piuttosto complessa. La difficoltà consiste, non certo nel calcolo, quanto nel tentativo di risalire alle linee guida del progetto iniziale che, come noto, nel passato erano molto spesso del tutto assenti, tanto che questi sistemi, soprattutto negli edifici costruiti negli anni del cosiddetto boom economico, erano dimensionati con metodi empirici derivati dall’esperienza più che da precisi calcoli idraulici. Laddove esistenti, non è raro infatti trovare reti di ricircolo con tubazioni aventi diametri sostanzialmente uniformi, indipendentemente dal numero e tipo di utenze, nonchè prive di qualsiasi tipo di coibentazione termica. A complicare ulteriormente la situazione, si è aggiunta l’entrata in vigore della famosa Legge 373, con la prescrizione della massima temperatura di mandata alle utenze sanitarie. Fortunatamente, lo sviluppo tecnico dei prodotti per la realizzazione degli impianti, ci mette oggi a disposizione delle valvole di taratura appositamente realizzate per questo scopo; il bilanciamento delle reti sanitarie - Figura g 22.

Figura 22 La differenza di queste valvole, rispetto a quelle tradizionali, consiste nella presenta di un sensore termostatico che misura la temperatura dell’acqua di ricircolo. Questo dispositivo determina una progressiva chiusura della valvola con il progressivo aumento della temperatura e viceversa. L’azione combinata delle caratteristiche proprie di una valvola di bilanciamento, più l’azione automatica del sensore termostatico, consente di ottenere circuiti di ricircolo dove le portate e le temperature sono quelle ottimali.

“alwa-Kombi-4” - Valvola di bilanciamento con funzione anti-legionella

La sola azione del dispositivo termostatico può bastare al bilanciamento delle reti; si immagini sempre il circuito di Figura 21 e si ipotizzi l’impiego di queste valvole. Per effetto della pompa la colonna [1], soggetta ad una portata eccessiva, entrerà subito in temperatura e, per conseguenza, la valvola posta a piede della colonna inizierà a chiudersi progressivamente favorendo la circolazione nel montante [2] e così via sino a raggiungere una condizione stabile di equilibrio. 31

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5.4. Prevenzione della legionellosi Da qualche anno, nei vari paesi europei si sono adottate misure di prevenzione contro questa malattia infettiva grave ad alta letalità, provocata da batteri gramnegativi aerobici del genere (appunto) Legionella. Con un provvedimento della Presidenza del Consiglio dei Ministri, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n° 103, anche l’Italia si è dotata di una linea guida per la prevenzione di tale malattia. E’ oramai un fatto assodato che gli impianti sanitari, di riscaldamento, di climatizzazione e di ventilazione possono favorire ed amplificare gli effetti di questi batteri. Rimandiamo il lettore al testo del provvedimento, per quanto riguarda gli impianti termici e di ventilazione e le misure di prevenzione ad essi relative. Per quanto riguarda invece gli impianti idrico-sanitari, si riportano brevemente le prescrizioni più significative, al fine di evidenziare le soluzioni tecniche che si possono adottare al riguardo.

Il provvedimento del Consiglio dei Ministri, individua sei possibili metodi di prevenzione:  Trattamento termico: basato sul fatto che i batteri della Legionella diventano inattivi a temperature superiori a 60 °C proporzionalmente al tempo di esposizione ed al valore della temperatura.  Clorazione: dato che i batteri diventano inattivi con concentrazioni costanti di cloro maggiori di 3 mg/l  Biossido di cloro: metodo sperimentale in corso di test  Lampade UV: efficaci quando poste vicino al punto di prelievo dell’acqua, inefficace altrimenti.  Ionizzazione rame/argento: l’esecuzione di reti in tubi di rame non basta di per sè a risolvere il problema; è necessaria una produzione elettrolitica di ioni di rame in concentrazioni di 0,2÷0,8 mg/l, il che può contrastare con il superamento dei limiti massimi di potabilità dell’acqua fissati dalle Leggi vigenti.  Perossido di idrogeno/argento: sperimentale Come si può notare, tutte i metodi di prevenzione suggeriti, ad esclusione del trattamento termico, richiedono costi di gestione e competenze non indifferenti. Al contrario, il metodo dello “shock termico” è facilmente attuabile, a basso costo e con ottimi risultati.

Figura 23 32

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Sintetizzando l’argomento, si tratta di portare la rete di distribuzione dell’acqua calda e di ricircolo, alla temperatura di ca. 70 °C per almeno 2 ore al giorno (generalmente di notte) by-passando tutti i sistemi di regolazione. Stabilito che nel bollitore la legionella può svilupparsi con molta difficoltà e casomai solo negli strati inferiori a temperatura più bassa, si tratta in pratica di portare alla stessa temperatura, per un periodo limitato ma sufficiente, anche l’acqua contenuta nelle reti.

La curva di regolazione di cui alla Figura 25 è molto significativa e consente di meglio comprendere come questo tipo di valvole possa essere utile al doppio scopo del bilanciamento e della prevenzione.

Vedremo in seguito (Figura 26÷27) come è possibile operare in centrale termica per ottenere questo risultato, qui di seguito si analizza solamente cosa succede a livello dei circuiti di distribuzione.

Figura 25 Come si può notare, il dispositivo termostatico di queste valvole è studiato per svolgere un’azione di bilanciamento delle portate (zona blu) sino ad una posizione di massima chiusura dell’otturatore che, comunque, consente una portata minima di trafilamento (zona gialla).

di bilanciamento * Valvola antilegionella V1810Y

Quando si passa al ciclo di disinfezione delle reti mediante il metodo dello shock termico, non appena la temperatura dell’acqua supera i 60÷65 °C, l’otturatore delle valvole riapre immediatamente, consentendo di irrorare i circuiti con acqua ad alta temperatura e svolgere quindi l’azione di disinfezione contro la legionella o altri batteri (zona rossa).

Figura 24

Se la temperatura dell’acqua continua a salire oltre i 70 °C, la valvola si riporta in posizione di portata minima.

Se l’impianto sanitario è dotato di normali valvole di taratura manuali, non vi è nessuna controindicazione al metodo in esame, l’unica verifica necessaria sarà sul comportamento di alcune materie plastiche a queste temperature per i periodi di punta richiesti dallo shock termico.

E’ interessante notare come i due tratti di curva, che rappresentano l’azione di chiusura dell’otturatore, abbiano praticamente la stessa pendenza e ciò significa che tali valvole sono in grado di mantenere il bilanciamento delle portate anche durante il ciclo di disinfezione.

Se, al contrario, il sistema è dotato di valvole di taratura con dispositivo termostatico, l’aumento della temperatura tenderebbe a chiudere completamente tutte le valvole, interrompendo la circolazione e vanificando lo scopo del trattamento termico.

Questa particolarità è di fondamentale importanza poichè se non ci fosse significherebbe che solamente i tronchi più favoriti verrebbero sufficientemente sottoposti all’azione di shock termico, mentre i rimanenti no e, quindi, non si avrebbe la certezza della loro adeguata disinfezione.

Per questa ragione, le valvole di Figura 22, hanno una caratteristica di regolazione come quella rappresentata in Figura 25 dove, al di sopra della soglia di 60 °C ca. le valvole riaprono completamente sino ad una temperatura di 70 °C circa per poi richiudersi nuovamente. 33

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5.5. Bilanciamento e produzione d’acqua calda sanitaria

In altri termini, facendo un bilancio energetico del sistema, si avrà che: Gt · (tmix - tf) = Gac · (tac - tf) dove:

Le valvole di bilanciamento, oltre che per i circuiti di distribuzione, sono di fondamentale importanza anche per i sistemi di regolazione a punto fisso. La regolazione della temperatura di mandata dell’acqua calda sanitaria, può essere effettuata in due modi: mediante un sistema di regolazione elettronico a punto fisso (Figura 26), oppure mediante un miscelatore dotato di elemento termostatico (Figura 28). In entrambi i casi, alle bocche di ingresso dell’acqua fredda e calda del miscelatore, agiscono pressioni diverse e, per ottenere una buona e stabile azione di regolazione, si deve quindi operare con adeguati accorgimenti. Iniziamo considerando il caso di un sistema di regolazione elettronico, Figura 26, anche se poi faremo qualche breve considerazione su come attualmente siano forse preferibili i sistemi termostatici. Per effettuare la taratura delle valvole di bilanciamento è necessario prima determinare in quale posizione si deve portare la valvola miscelatrice [VM].

    

Gt è la portata richiesta alle utenze tmix è la temperatura dell’acqua miscelata tf è la temperatura dell’acqua fredda dalla rete idrica Gac è la portata in uscita dal serbatoio di accumulo tac è la temperatura di accumulo dell’acqua

e quindi: Gac / Gt = (tmix - tf) / (tac - tf) Ponendo, ad esempio  tmix = 50 °C  tac = 70 °C  tf = 15 °C si avrebbe che: Gac / Gt = (50-15) / (70-15) = 0,63

Figura 26 34

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Per conseguenza, partendo dalla posizione di completa chiusura della via connessa al serbatoio di accumulo, si posizionerà la valvola miscelatrice al 60% circa della sua corsa (durante la taratura dei circuiti, il sistema di regolazione elettronico a punto fisso è disinserito). La posizione di taratura della valvola di bilanciamento [Vb1], in mancanza di prelievo d’acqua dalle utenze, sarà diretta conseguenza del valore della portata di ricircolo meno la portata attraverso la valvola [Vb2], quindi: GVb1 = Gric - GVb2 La valvola di bilanciamento [Vb2] dovrà essere tarata per una portata, attraverso il serbatoio di accumulo, tale da compensare le perdite di linea della rete di ricircolo. Vale a dire: GVb2 = (Gric · (tmix - tr)) / tac dove:  Gric è la portata della rete di ricircolo  tr è la temperatura dell’acqua di ritorno dalla rete di ricircolo

Effettuate le tarature, si rimetterà in esercizio il sistema di regolazione elettronico a punto fisso. La valvola miscelatrice [VM], che già si trova in posizione, opererà in condizioni ottimali e stabili evitando pendolazioni della temperatura di miscela dell’acqua. Nei casi di impianti esistenti, la situazione di Figura 26 è una delle più ricorrenti e comuni. Tuttavia, in passato più di oggi pur se ancora in uso (ad esempio con gli scambiatori a piastre), la preparazione di acqua calda ad uso sanitario può essere effettuata anche mediante sistemi di produzione istantanei aventi una superficie di scambio termico tale da garantire solo una temperatura prossima a quella di erogazione alle utenze e non maggiore. Tralasciando ogni considerazione riguardante la potenza termica di punta che tali soluzioni richiedono, se si vuole adempiere alle prescrizioni di sicurezza contro la possibile contaminazione da legionella, tali sistemi andrebbero sostituiti o non dovrebbero essere utilizzati. Nell’esempio di Figura 27, è stata rappresentata una delle possibili soluzioni per effettuare la disinfezioni della rete di distribuzione dell’acqua calda mediante il sistema dello shock termico previsto dalla G.U. di cui in precedenza.

Figura 27 35

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Stabilito che nel serbatoio di accumulo, dato che la temperatura è di solito intorno ai 70 °C, lo sviluppo dei batteri della legionella è piuttosto remoto, si installa una valvola di by-pass del sistema di regolazione che, aprendosi per un determinato tempo durante il periodo notturno, consenta all’acqua calda di accumulo di fluire direttamente nella rete di distribuzione compiendo l’azione di disinfezione richiesta. Negli impianti esistenti dotati di miscelatori termostatici, o dove non si voglia sostituire il sistema di regolazione elettronico a punto fisso dell’acqua calda sanitaria, è possibile intervenire facilmente installando una valvola a 3 vie [V1] servocomandata ad azione ON/OFF, nel punto [d], che costringa l’acqua di ricircolo a fluire necessariamente nel tratto [a-d-c]. Se invece il sistema elettronico di regolazione lo prevede, la soluzione più semplice, consiste nel realizzare l’impianto come in Figura 26 e, limitatamente alla durata del ciclo di shock termico, si cambia il set point da 50 °C ai 70 °C necessari. I sistemi di produzione dell’acqua calda ad uso sanitario con regolazione a punto fisso, si possono anche realizzare con miscelatori termostatici appositamente prodotti allo scopo - Figura 28. La taratura delle valvole di bilanciamento [Vb1] e [Vb2] si esegue in modo assolutamente identico a quanto descritto in precedenza.

TM3400 - Miscelatore termostatico con bocchettoni I miscelatori termostatici, per loro natura sono più sensibili alle incrostazioni da calcare, si raccomanda quindi la loro installazione con sistemi di trattamento acqua che, in ogni caso, sono comunque indispensabili vista l’attuale qualità delle acque. Anche con questi tipi di regolatori, è possibile procedere alla disinfezione della rete di distribuzione con il metodo dello shock termico - Figura 29. Anche in tal caso valgono esattamente le medesime considerazioni fatte per il circuito di Figura 27.

Figura 28 36

MANUALE TECNICO-OPERATIVO

Figura 29

TM3410 - Miscelatore termostatico flangiato L’impiego di miscelatori termostatici, in luogo dei sistemi di regolazione elettronica a punto fisso, è oggi abbastanza diffuso e sempre più comune. Il principale vantaggio di questi dispositivi consiste in genere nel loro minor costo e nella maggiore semplicità d’impiego per gli utenti.

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APPENDICE: GAMMA - CARATTERISTICHE TECNICHE - ACCESSORI

Gamma completa per ogni esigenza

Kombi-3-plus - Rossa - V5000Y Per circuito di mandata. Corpo in bronzo rosso. O-ring in EPDM e tenuta in sede in PTFE. Collegamento con accessori tramite perno. Da DN10 a DN80.

Kombi-2 plus Per il bilanciamento di impianti civili e industriali - Filettate Valvola filettata di bilanciamento e intercettazione per circuito di ritorno in impianti di riscaldamento e condizionamento. Indicazione dell’impostazione chiaramente visibile e manopola di taratura antimanomissione. Dotata di tenuta O-ring sull’otturatore è praticamente esente da manutenzione. Corpo valvola in bronzo rosso anticorrosione. Disponibile da DN15 a DN80.

Kombi-F II Per il bilanciamento di impianti civili e industriali - Flangiate Valvola flangiata di bilanciamento e intercettazione per circuito di ritorno della rete idrica principale. Per impianti di riscaldamento e raffrescamento dell’acqua. Corpo valvola in ghisa GG25, stelo e otturatore in acciaio inox. Disponibile da DN15 a DN400.

Kombi-3-plus Per il controllo della portata e della pressione differenziale Valvole di bilanciamento filettate multifunzione per circuiti di mandata (testa Rossa, con funzioni d’intercettazione e di misura della portata) e di ritorno (testa Blu, con funzioni di regolazione e intercettazione del flusso) in impianti di riscaldamento e condizionamento. Indicazione dell’impostazione chiaramente visibile e manopole di taratura antimanomissione. Corpi valvola in bronzo rosso anticorrosione. Disponibili da DN10 a DN80.

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Kombi-3-plus - Blu - V5010Y Per circuito di ritorno. Corpo in bronzo rosso. Inserti valvola in ottone. Da utilizzare in abbinamento a “testa Rossa”.

APPENDICE: GAMMA - CARATTERISTICHE TECNICHE - ACCESSORI

Valvole di sfioro

Kombi-2-plus - V5032Y Per circuito di ritorno principale o derivazioni. Corpo in bronzo rosso RG5, O-ring in EPDM, inserto in ottone, tenuta in sede in PTFE. Da DN15 a DN80.

Per riscaldamento - DU145 Regolazione da 0,1 a 0,6 bar. Filettate con attacchi maschio o femmina R = 3/4”

Kombi-F-II - V6000D Flangiate, per circuito di ritorno rete idrica principale. Corpo in ghisa, otturatore in acciaio inox, doppia guarnizione di tenuta. Da DN15 a DN400.

Per riscaldamento - DU146 Regolazione da 0,05 a 0,5 bar. Indicatore del differenziale di pressione. Filettate con attacchi femmina. R = 3/4” - 1 1/4”

Per teleriscaldamento - DU146M Regolazione da 0,05 a 0,5 bar. Temperatura massima 130 °C. Filettate con attacchi femmina. R = 3/4” - 1 1/4”

Alwa-Kombi-4 Funzione anti-legionella Regolazione automatica della portata: risparmio, comfort, controllo preciso della temperatura. Protezione contro i batteri della legionella. Controllo della temperatura di disinfezione termica. Tutti i componenti a contatto con l'acqua sono in bronzo rosso Rg5 anticorrosione (secondo norme DIN 1705).

Per applicazioni industriali - DH300 La pressione impostata in questa valvola di mantenimento è tenuta costante dal lato di entrata, sfiorando a valle quella in eccesso. Da DN 50 a DN 450.

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APPENDICE: GAMMA - CARATTERISTICHE TECNICHE - ACCESSORI

Caratteristiche Le versioni filettate della serie e Kombi consentono un’accurata regolazione grazie alla ghiera manuale presente sul cappuccio. Ogni singola valvola dell’impianto può così essere regolata a piacere, cisione assicurando la massima precisione rio idraulico. e quindi garantendo l’equilibrio

Attraverso il cappuccio uccio o si accede anche, eliminando la vi vite ite centrale, all’innesto perr o pe il posizionamento degli accessori come il regolatore a membrana, l’adattatore per il drenaggio o l’attuatore atore e elettrotermico.

La versione flangiata delle Kombi viene regolata attraverso una comoda scala d’impostazione: il valore cambia quando si ruota la manopola e il valore viene visualizzato su un display. La ghiera è protetta da un cappuccio di plastica, utile anche alla protezione da acqua di condensa in applicazioni di raffrescamento.

Le Kombi-F-II sono predisposte p per la misurazione della pressione differenziale che può essere rilevata anche attraverso apparecchiature computerizzate (optional). La gamma di valvole per bilanciamento Honeywell Kombi è ricca di accessori che moltiplicano le già numerose funzioni di serie.

La filettatura interna è ISO 7 (DIN 2999). Tutta la serie Kombi consente operazioni supplementari quali misurazione, regolazione scarico e riempimento circuito senza senza necessità d’interruzione del funzionamento dell’impianto.

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Esempio di applicazione delle valvole K Kombi-3-plus per il bilanciamento della portata e il controllo della pressione differenziale.

APPENDICE: GAMMA - CARATTERISTICHE TECNICHE - ACCESSORI

Accessori V5012C0103 Regolatore di pressione Del tipo a membrana a doppia camera: bilanciamento automatico e pressione costante.

VA2500A001 Set di misurazione Kit per la misurazione manuale della pressione differenziale (Kombi-3-plus).

VA3500A001 Adattatore di drenaggio per lo scarico dell’impianto. Consente le operazioni senza fermare la circolazione dell’acqua.

VA2501A Cappuccio antimanomissione. Protegge da interventi non autorizzati. La taratura preimpostata rimane visibile.

VA3502A001 Set di misurazione Kit per la misurazione manuale della pressione differenziale (Kombi-3-plus).

BasicMES Kit per la misurazione della portata composto da un misuratore digitale (VM241A1002) e da un adattatore (VMA500A001).

Guscio d’isolamento VA2510B Riduce la perdita di calore dovuta alla dispersione termica.

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