Le valvole di controllo indipendenti dalla pressione (PICV) possono contribuire a ridurre i costi energetici e aumentare il comfort degli occupanti nelle applicazioni con serpentine di riscaldamento e raffreddamento negli edifici. Un PICV è meglio descritto come due valvole in una: una standard Valvola di controllo a 2 vie e un valvola di bilanciamento.
Introduzione alle valvole PICV
Le valvole di controllo indipendenti dalla pressione sono una valvola di controllo automatico della temperatura e una valvola di regolazione automatica del flusso confezionate in un unico corpo valvola. Una valvola a sfera con un inserto caratterizzato funziona come una normale valvola di controllo della temperatura azionata, mentre una cartuccia di controllo della pressione fornisce una regolazione automatica del flusso per mantenere un flusso costante di acqua calda o refrigerata indipendentemente dalle variazioni di pressione del sistema.
Sono utilizzati in molte applicazioni HVAC a circuito chiuso. I sistemi con valvole di controllo indipendenti dalla pressione non necessitano di essere bilanciati e ribilanciati durante la messa in servizio. Regolano e mantengono un flusso costante alla batteria poiché la pressione dell'acqua nel sistema varia al variare dei carichi.
Ciò offre un migliore comfort, aumenta l'efficienza energetica, riduce il funzionamento dell'attuatore e riduce le costose chiamate di risposta. Le valvole indipendenti dalla pressione consentono al sistema di funzionare meglio. Con il giusto flusso a ciascuna batteria, caldaie e refrigeratori sono più efficienti
Principio di funzionamento
PICV ottiene risultati ottimali perché solo la quantità necessaria di acqua calda (in GPM) e acqua refrigerata (in GPM) viene fornita alle batterie di riscaldamento e raffreddamento. Le valvole di controllo standard a 2 vie consentono il troppopieno e il sottopieno soprattutto se il CV è sovradimensionato o sottodimensionato. Ciò genera acqua in eccesso nella pompa per compensare la loro imprecisione, il che aumenta i costi di pompaggio.
Gli attuatori sulle valvole PICV non eseguono cicli con la stessa frequenza delle valvole a 2 vie standard per compensare le variazioni di pressione nel sistema che influiscono sul flusso, con conseguente risparmio energetico.
Ecco una spiegazione semplificata del funzionamento del PICV utilizzando un sistema a due valvole. La seconda valvola (V2 nel grafico sottostante) regola la differenza di pressione attraverso la prima valvola (V1) utilizzando un elemento a membrana rotante contrastato da una molla. La prima valvola è un dispositivo ad orifizio variabile calibrato regolato dall'attuatore (simile ad una valvola di controllo modulante standard).
Il diaframma reagisce al sistema e regola la differenza di pressione attraverso l'orifizio della valvola di controllo attuata per mantenerne la portata.
Su un PICV (vedere grafico sotto), quando si preimposta la portata massima, l'orifizio di ingresso cambia di dimensione, senza interferire con la lunghezza della corsa. Durante la modulazione, le aree degli orifizi vengono interessate dall'attuatore utilizzando la corsa completa. Ciò fa sì che l'area dell'orifizio cambi di dimensione con un movimento verticale.
L'importanza di un sistema equilibrato
Lo scopo di una valvola di regolazione automatica del flusso è garantire che ciascuna bobina abbia il flusso corretto in ogni momento e in tutte le condizioni di carico. Un sistema HVAC è in equilibrio quando il flusso del fluido attraverso la batteria rientra in più o meno il 10% del flusso di progetto. Se il sistema non è in equilibrio, la distribuzione ineguale del flusso creerà un flusso eccessivo in alcune bobine e un flusso troppo basso in altre. Le batterie con portate inadeguate non si condizioniranno adeguatamente. Le bobine con flusso in eccesso non funzioneranno in modo efficiente. Sprecheranno energia perché il flusso sarà troppo elevato per massimizzare la quantità di energia trasferita tra l'acqua e l'aria che scorre attraverso la serpentina, aumenterà l'energia di pompaggio e gli occupanti si lamenteranno dei punti caldi e freddi nell'edificio.
Una valvola di bilanciamento manuale viene utilizzata per regolare il flusso effettivo del fluido attraverso ciascuna bobina in base al flusso progettato, con tutte le valvole di controllo automatiche aperte nella posizione di flusso completo. Questo viene fatto impostando manualmente le valvole di bilanciamento, una alla volta. Viene impostata una valvola, poi la valvola successiva e così via. Ad ogni regolazione il sistema cambia, per cui le valvole che prima erano bilanciate non lo sono più.
Questo è il motivo per cui ASHRAE raccomanda che ciascuna valvola venga impostata almeno 3 volte per ottenere una portata effettiva entro più o meno il 10% della portata di progetto ed essere considerata “bilanciata”.
Problemi nei sistemi HVAC che utilizzano valvole di controllo convenzionali
Anche dopo essere stato bilanciato manualmente, il sistema viene bilanciato solo nella posizione di flusso massimo. Una volta che una qualsiasi valvola nel sistema cambia posizione, cambia la pressione del sistema e provoca lo sbilanciamento del sistema e la riduzione dell'efficienza. Ciò causerà problemi di comfort, tuttavia può anche causare un problema noto come sindrome del delta T basso.
Delta T è la differenza di temperatura dell'acqua su ciascun lato della batteria. Se il flusso dell'acqua attraverso la batteria è troppo elevato, non estrarrà il calore dallo spazio in modo efficiente. Nella modalità di raffreddamento, la temperatura dell'acqua di ritorno sarà più fredda di quella progettata perché l'acqua non ha trascorso abbastanza tempo nella batteria per avere un adeguato trasferimento di calore. Molti dei moderni sistemi HVAC di oggi sono dotati di pompe a portata variabile per risparmiare energia. I sistemi a velocità variabile consumano meno energia rispetto ai sistemi a flusso costante quando il motore della pompa viene azionato a velocità inferiori.
In teoria, i sistemi a flusso variabile con valvole di controllo convenzionali dovrebbero migliorare il delta T sulla bobina. Tuttavia, al variare della pressione in questi sistemi, il flusso attraverso la valvola aumenterà o diminuirà. Questo fatto è evidente nella formula base del flusso (Flusso=CV√∆p). All'aumentare del differenziale di pressione (delta P), il flusso deve aumentare se l'area aperta rimane la stessa. L'unico momento in cui vogliamo modificare il flusso nella bobina è quando cambia il requisito di carico, quindi l'attuatore dovrebbe rispondere modificando l'area aperta della valvola. Questi cambiamenti nel flusso senza un cambiamento nella posizione dell'attuatore solitamente determinano un flusso eccessivo, soprattutto quando sono richieste portate elevate della batteria. Ciò si tradurrà in un basso delta T in raffreddamento e riscaldamento. Le valvole di controllo con range ridotto rendono il controllo del flusso ancora più difficile in questi sistemi.
Il delta T della batteria inferiore al delta T di progetto indica che c'è un trasferimento di calore inefficiente e l'acqua fredda che è stata inviata alla batteria rimane fredda quando ritorna al refrigeratore. Ciò può essere causato da bobine sporche, ma spesso è causato da un flusso troppo elevato causato da queste fluttuazioni di pressione nel sistema. Questo aumento del flusso provoca uno scarso raffreddamento nello spazio occupato e fa sì che la pompa lavori inutilmente. I refrigeratori possono attivarsi in risposta al flusso e non al carico. Potrebbe addirittura causare il congelamento del refrigeratore. Se è possibile controllare il flusso alla batteria rallentandolo, è possibile aumentare il delta T risparmiando energia della pompa.
Un delta T basso causa problemi anche negli impianti di riscaldamento, soprattutto quando si utilizzano caldaie a condensazione. Se l'energia non viene trasferita completamente alle serpentine di riscaldamento, la temperatura dell'acqua che ritorna alla caldaia non permetterà la condensazione della caldaia. Quando ciò accade, la caldaia diventa una costosa caldaia convenzionale. Questi fattori aumenteranno i costi operativi e renderanno lo spazio meno confortevole.
Un delta T basso richiede inoltre apparecchiature aggiuntive per riscaldare o raffreddare l'acqua poiché la portata è molto elevata. La portata è direttamente correlata al delta T e allo scambio termico nell'apparecchiatura. Delta T = BTUH/(500 gpm), quindi se la portata può essere ridotta, il delta T aumenterà in modo che sia possibile utilizzare meno apparecchiature per riscaldare o raffreddare l'acqua. Se la portata viene dimezzata il delta T raddoppia. Ciò può comportare un risparmio sulle spese di capitale poiché è possibile evitare l'acquisto di ulteriori refrigeratori o pompe.
Le valvole in un sistema inefficiente come questo cambieranno frequentemente posizione per compensare le fluttuazioni di temperatura causate dalle variazioni di flusso. Ciò aumenta l'usura degli attuatori delle valvole, che potrebbero guastarsi prematuramente.
Vantaggi della valvola di controllo indipendente dalla pressione (vantaggi PICV)
Le valvole di controllo indipendenti dalla pressione integrano funzioni di bilanciamento e controllo dinamico in un unico prodotto. Rispondono ai cambiamenti di pressione per mantenere il flusso desiderato. La parte del regolatore di pressione differenziale della valvola incorpora un diaframma in gomma che viene spostato dal differenziale di pressione e una molla. È esposto alla pressione di ingresso da un lato e alla pressione di uscita dall'altro. Quando il diaframma si muove, aziona una valvola che mantiene costante la caduta di pressione attraverso la valvola a sfera indipendentemente dalle variazioni di pressione del sistema. La sezione della valvola a sfera si modula quindi per mantenere il setpoint ambiente in modo che il flusso venga variato in base alla richiesta dell'ambiente e non alle variazioni della pressione del sistema.
E poiché la valvola è allo stesso tempo una valvola di controllo e una valvola di bilanciamento automatico, l'installazione è più semplice. Non è necessario acquistare e installare una valvola di bilanciamento e una valvola di controllo. Ciò, oltre all'assenza di bilanciamento e ribilanciamento del sistema, consente di risparmiare sui costi di installazione.
Le valvole di controllo indipendenti dalla pressione riducono il costo iniziale grazie a costi inferiori, capacità dell'apparecchiatura più piccola e dimensioni ridotte delle tubazioni. Eliminano inoltre la necessità di costose e complesse tubazioni di ritorno inverso. Riducono notevolmente il lavoro di test, regolazione e bilanciamento. Ciò è particolarmente evidente nei progetti a fasi in cui l'intero sistema deve essere nuovamente bilanciato al completamento di ogni nuova fase.
Selezione, installazione e manutenzione della valvola PICV
Per soddisfare varie applicazioni, le valvole di controllo indipendenti dalla pressione sono disponibili in un'ampia varietà di impostazioni di flusso incrementale. Seleziona la valvola corretta per la tua applicazione scegliendo una valvola che corrisponda alla portata di progetto della bobina. Selezionare la valvola più piccola in grado di fornire questa portata di progetto, ma arrotondare alla dimensione successiva quando necessario.
Come per qualsiasi installazione, è meglio utilizzare valvole di isolamento per facilitare la manutenzione.
Le valvole di controllo indipendenti dalla pressione hanno piccoli canali nel corpo valvola su entrambi i lati della membrana. Ciò rende importante una buona qualità dell’acqua. I filtri installati prima di ciascuna valvola sono efficaci nel rimuovere contaminanti relativamente grandi. Questi filtri proteggeranno anche le bobine e le apparecchiature del sistema. Tuttavia non filtreranno le particelle molto piccole. Per questo è importante garantire la qualità dei media con il trattamento continuo dell'acqua e la filtrazione con un filtro a flusso laterale (bypass). La corretta messa in servizio comprende il lavaggio del sistema.
Inoltre, se la velocità della pompa è controllata con un sensore remoto di pressione differenziale, il risparmio maggiore si otterrà posizionando il sensore sulla valvola di controllo indipendente dalla pressione situata più lontano dalla pompa. In questo modo la pompa è spinta a sviluppare solo la prevalenza necessaria a supportare la valvola e la bobina più remote dell'impianto.
Conclusione
In conclusione, le valvole di controllo indipendenti dalla pressione semplificano l'installazione e la messa in servizio. Forniscono un flusso costante anche quando i carichi cambiano e le valvole nel sistema si aprono e si chiudono. Ciò riduce il funzionamento dell'attuatore e fornisce un migliore controllo della zona. Riducono inoltre i costi e fanno funzionare meglio l'intero sistema perché con il giusto flusso a ciascuna batteria, le pompe e i refrigeratori funzionano in modo efficiente.