Sbilanciamento idraulico negli impianti con radiatori

Ancora oggi nella stragrande maggioranza degli impianti di riscaldamento esistenti in cui si operano interventi di risparmio energetico, ci si limita ad installare (come previsto dall’art. 9 del DM 19/02/2007) caldaie a condensazione, circolatori a velocità variabile e valvole termostatiche su tutti i radiatori. Purtroppo però, non essendo obbligatori per legge, è d'uso installare insieme alle testine termostatiche corpi valvola privi di regolazione del Kv, ritenendo erroneamente che la testina termostatica sia già idonea a compensare durante il funzionamento gli errori di bilanciamento dell’impianto.

D’altronde la maggior parte degli impianti termici esistenti, privi di qualsiasi dispositivo di bilanciamento, dimostrano che la regolazione della portata non fa parte del bagaglio culturale dell’impiantista italiano il quale, anziché adeguare l’effettiva portata alla potenza necessaria, preferisce per convenienza economica realizzare impianti con elevate portate e prevalenze, lasciando ai posteri i problemi di gestione dello sbilanciamento delle temperature, dei rumori e degli esorbitanti consumi elettrici delle pompe.

Queste problematiche, trascurabili finché i corpi valvola erano sprovvisti di testine termostatiche, diventano ora gravi problemi da non sottovalutare.

Infatti con l’impiego dei circolatori a velocità variabile la portata dei radiatori viene inevitabilmente ridotta al minimo e su questi nuovi valori di portata l’impianto deve necessariamente risultare adattato se si vogliono risolvere i problemi sopraccennati.

La soluzione è più semplice di quanto possa sembrare: sarebbe sufficiente che le nuove testine termostatiche risultino accoppiate a corpi valvola dotati di limitatore di portata, ovvero si abbia un Kv regolabile su ciascun radiatore.

Infatti dal punto di vista idraulico i radiatori avendo ampi passaggi presentano Kv elevati (ovvero perdite di carico trascurabili) quindi in presenza di corpi valvola ordinari sprovvisti di Kv variabile si avrebbero extraflussi sui radiatori più favoriti che in presenza di circolatori a velocità variabile accentuano i difetti di sottoflussi sui radiatori più sfavoriti.

Per promemoria ricordo che il Kv è un coefficiente caratteristico che indica la portata fluente a valvola aperta e alla pressione differenziale convenzionalmente assunta pari a 1 bar.

Nelle varie unità di misura utilizzate dai Costruttori si avranno le seguenti relazioni:

Valori tipici dei Kv delle valvole da 1/2" completamente aperte variano da 1,8 a 2,4 m³/h bar.

Alle normali pressioni differenziali presenti sui corpi valvola (circa 5-20kPa) vedremo che tale valore può essere oltre 10 volte superiore a quello necessario per un radiatore da 1000W.

　

La preregolazione per il bilanciamento dei radiatori

Si è accennato al fatto che sembrerebbe non ravvisabile alcun vantaggio bilanciare la portata dei singoli radiatori, soprattutto se dotati di valvole termostatiche: essendo la loro funzione quella di correlare il flusso di calore emesso dal radiatore con la temperatura ambiente regolata, potrebbe conseguirne che il bilanciamento idraulico si ottiene con l’approssimarsi della chiusura della valvola al raggiungimento della temperatura voluta.

Infatti è pur vero che la valvola termostatica tende indirettamente a livellare le differenze di portata nei radiatori quando, per l'eccesso di temperatura ambiente nei locali sovrariscaldati, la chiusura delle termostatiche crea un aumento della perdita di carico nel radiatore interessato e quindi un maggior flusso si rende disponibile anche ai radiatori idraulicamente sfavoriti che risultano ancora freddi.

Questa proprietà è vera ma purtroppo si verifica solamente quando la temperatura ambiente nei locali favoriti supera il valore di set point e della banda proporzionale (tolleranza di regolazione della valvola). Se invece la temperatura ambiente risulta inferiore a questo valore la valvola sarà completamente aperta non esplicando così alcuna azione di bilanciamento.

Questi casi sono più numerosi di quanto si possa pensare e non si limitano al solo avviamento a freddo del mattino (morning start up) ma si verificano anche in presenza di regime intermittente o attenuato, di errori comportamentali (termostatiche tarate oltre i 22°C, apertura prolungata delle finestre, ...) nonché durante le continue pendolazioni all'interno della banda proporzionale che si hanno con il normale funzionamento della valvola termostatica.

In ogni caso dover attendere che il bilanciamento venga effettuato solo alla chiusura della termostatica, condizione che potrebbe anche non verificarsi mai (tante sono le valvole termostatiche che vengono lasciate dagli utenti al massimo della taratura), significa mantenere condizioni di funzionamento squilibrate che producono maggiori consumi di energia elettrica da parte delle pompe ed insufficienza di portata (e quindi di temperatura ambiente) nei radiatori idraulicamente più sfavoriti.

In sostanza tutti quei casi che provocano perturbazioni locali della temperatura ambiente, determinano la completa apertura della valvola termostatica e quindi necessitano di una limitazione della portata al valore limite corrispondente alla potenza massima erogabile dal radiatore. Erogare una portata maggiore del limite massimo necessario crea solo problemi ed aumenta i consumi energetici.

Fig. 1 Rappresentazione tempo di messa a regime tra impianto sbilanciato e bilanciato

Come vedremo dettagliatamente questi problemi possono essere risolti efficacemente e in modo semplice prevedendo valvole termostatiche dotate del dispositivo di preregolazione della portata.

Per focalizzare il problema prendiamo in considerazione due radiatori nello stesso appartamento: uno piccolo con P_n=500 W e l'altro grande con P_n= 2000 W, se ponessimo un  Dt=15°C (sarebbe auspicabile un dt=20°C) le portate nominali (q_n) massime, ovvero a piena potenza, risultano essere: - per il radiatore piccolo da 500W:

 

- per il radiatore grande da 2000W:

Fig. 2  Portate nominali tra due radiatori di differente potenza

Supponiamo di trascurare le perdite di carico delle tubazioni e del corpo del radiatore concentrandosi solo sul Kv delle valvole di mandata e ritorno dei radiatori, le quali a valvole completamente aperte presentano normalmente ciascuna un Kv=2,2.

Dato che il Kv complessivo di un circuito con valvole inserite in serie si calcola con:

con le 2 valvole in serie avremo per ciascun radiatore un Kv complessivo pari a:

ipotizzando agli attacchi una pressione differenziale di 15kPa si avrà una portata reale (q_R):

per ciascun radiatore.

 

E' bene osservare che la portata è la stessa per entrambi i radiatori, indipendentemente dalla loro potenza, essendo di fatto identica la perdita di carico valvola-radiatore.

In queste condizioni l'errore

ovvero l’esuberanza della portata effettiva rispetto a quella nominale necessaria, risulta essere:

per il radiatore piccolo da 500W:

ovvero quasi 20 volte il necessario;

per il radiatore grande da 2000W:

ovvero oltre 4 volte il necessario.

A titolo indicativo si evidenzia che la portata di 602 l/h con Dt di 20°C è talmente esuberante al punto che potrebbe da sola soddisfare un impianto con potenza nominale di:

ovvero un solo radiatore è attraversato da una portata normalmente richiesta da un intero appartamento ubicato in zona climatica D avente una superficie di circa 200m² !

Questo sovraflusso catastrofico in gergo viene definito "corto circuito idraulico".

Ma questo sovraflusso ha aumentato della stessa proporzione anche la potenza emessa?

Assolutamente no! La maggior portata costituisce solo una potenza termica "spendibile" ovvero potenziale, l'effettiva potenza termica emessa dipende dalle caratteristiche costruttive del radiatore e riassumibili dalla formula canonica dello scambio termico:

dove U= trasmittanza di scambio termico (radiatori in aria calma U= 6-8W/m²K), S=superficie in m² e dt è la differenza tra la temperatura del radiatore e la temperatura ambiente, ovvero:

Siccome né U e né S possono aumentare ne consegue che una maggior portata conduce unicamente ad un aumento del dt del radiatore.

Anche ammesso per assurdo che la differenza tm,tr diventi nulla, ovvero tm=tr=80°C (e quindi si avrà un

dt=60°C anziché di 50°C) l'incremento di potenza (pE_%) che ne consegue è modesto e non certo proporzionale all'esubero di portata, infatti ipotizzando una qualsiasi potenza Pn:

Ciò significa che a fronte di aumenti impressionanti della portata si ottiene solo un modesto incremento della potenza (max 20%), inoltre un sovraflusso in una parte dell'impianto, se non viene adeguatamente compensato dalla pompa, significa inevitabilmente un sottoflusso da un'altra parte dell’impianto.

I sottoflussi hanno una incidenza sulla potenza notevolmente superiore ai sovraflussi, questo fatto è messo in evidenza dalla fig. 3 se si nota la diversa inclinazione che assumono le curve prima e dopo il punto ottimale del 100% di portata e potenza.

Fig. 3: Variazione % della potenza emessa (P%) in funzione della variazione di portata (q%) per diversi salti termici e riferiti ad un comune radiatore (n=1.3) e con ambiente a 20°C.

Come se ciò non bastasse a creare problemi in un impianto, altre distorsioni se ne aggiungono.

Ad esempio, valvole termostatiche regolate oltre la massima temperatura ambiente non andranno mai in chiusura: in questo caso è come se la testina termostatica non esistesse.

Se la portata massima nei circuiti favoriti non viene adeguatamente limitata, questi extra flussi ridurranno la portata disponibile ad altre parti dell'impianto creando disagi soprattutto ai piani alti, i quali avendo tubazioni con maggior percorso hanno perdite di carico maggiori e quindi la portata disponibile sarà inferiore.