Le valvole di controllo indipendenti dalla pressione (PICV) possono aiutare a ridurre i costi energetici e aumentare il comfort degli occupanti nelle applicazioni di serpentine di riscaldamento e raffreddamento negli edifici. Una PICV è meglio descritta come due valvole in una: uno 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 e una cartuccia di controllo della pressione fornisce la 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 devono essere bilanciati e riequilibrati durante la messa in servizio. Regolano e mantengono un flusso costante alla serpentina poiché la pressione dell'acqua nel sistema varia al variare dei carichi.
Questo offre un miglior comfort, aumenta l'efficienza energetica, riduce il funzionamento dell'attuatore e riduce i costosi richiami. Le valvole indipendenti dalla pressione consentono al sistema di funzionare meglio. Con la giusta portata a ciascuna serpentina, le caldaie e i refrigeratori sono più efficienti
Principio di funzionamento
PICV ottiene risultati ottimali perché solo la quantità necessaria di acqua calda (in GPM) e di acqua refrigerata (in GPM) viene inviata alle batterie di riscaldamento e raffreddamento. Le valvole di controllo a 2 vie standard consentono overflow e underflow soprattutto se la CV è sovradimensionata o sottodimensionata. Questo genera acqua in eccesso alla pompa per compensare la loro imprecisione, che aumenta il costo di pompaggio.
Gli attuatori sulle valvole PICV non si attivano con la stessa frequenza delle valvole a 2 vie standard per compensare le variazioni di pressione nel sistema che influiscono sul flusso, il che si traduce in un risparmio energetico.
Ecco una spiegazione semplificata del funzionamento del PICV utilizzando un sistema a due valvole. La seconda valvola (V2 nel grafico sottostante) regola il differenziale di pressione attraverso la prima valvola (V1) utilizzando un elemento a membrana rotante contrastato da una molla. La prima valvola è un dispositivo a orifizio variabile calibrato regolato dall'attuatore (simile a una valvola di controllo modulante standard).
Il diaframma reagisce al sistema e regola il differenziale di pressione attraverso l'orifizio della valvola di controllo azionata per mantenerne la portata.
Su un PICV (vedi grafico sotto), durante la preimpostazione della portata massima, l'orifizio di ingresso cambia dimensione, il che non interferisce con la lunghezza della corsa. Durante la modulazione, le aree dell'orifizio sono influenzate dall'attuatore utilizzando l'intera corsa. Ciò fa sì che l'area dell'orifizio cambi di dimensioni con un movimento verticale.
L'importanza di un sistema equilibrato
Lo scopo di una valvola di regolazione automatica del flusso è garantire che ogni batteria abbia sempre il flusso corretto e in tutte le condizioni di carico. Un sistema HVAC è in equilibrio quando il flusso del fluido attraverso la serpentina è compreso tra 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 delle bobine e un flusso insufficiente in altre. Le bobine con portate inadeguate non si condizionano 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, aumentando 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 per progettare il flusso, con tutte le valvole di controllo automatiche aperte alla posizione di flusso massimo. Questo viene fatto impostando manualmente le valvole di bilanciamento, una alla volta. Viene impostata una valvola, quindi la valvola successiva e così via. Ad ogni regolazione il sistema cambia, quindi le valvole che prima erano bilanciate non lo sono più.
Questo è il motivo per cui ASHRAE raccomanda che ciascuna valvola sia regolata 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 che un sistema è stato bilanciato manualmente, viene bilanciato solo nella posizione di pieno flusso. Una volta che una qualsiasi valvola nel sistema cambia posizione, cambia la pressione del sistema e provoca uno squilibrio del sistema e riduce l'efficienza. Ciò causerà problemi di comfort, tuttavia può anche causare un problema noto come sindrome delta basso T.
Delta T è la differenza di temperatura dell'acqua su ciascun lato della serpentina. Se il flusso dell'acqua attraverso la serpentina è troppo elevato, non estrarrà il calore dall'ambiente in modo efficiente. Nella modalità di raffreddamento, la temperatura dell'acqua di ritorno sarà più fredda del previsto perché l'acqua non ha trascorso abbastanza tempo nella batteria per avere un adeguato trasferimento di calore. Molti dei moderni sistemi HVAC di oggi dispongono 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 alla bobina. Tuttavia, quando la pressione cambia in questi sistemi, il flusso attraverso la valvola aumenterà o diminuirà. Questo fatto è evidente nella formula base del flusso (Flow=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 si desidera modificare il flusso nella serpentina è quando cambiano i requisiti di carico, quindi l'attuatore dovrebbe rispondere modificando l'area aperta della valvola. Questi cambiamenti di flusso senza un cambiamento nella posizione dell'attuatore di solito provocano un flusso eccessivo, specialmente quando si richiedono elevate portate della bobina. Ciò si tradurrà in un delta T basso in raffreddamento e riscaldamento. Le valvole di controllo con bassa capacità di portata rendono il controllo del flusso ancora più difficile in questi sistemi.
Un 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 anche causare il congelamento del refrigeratore. Se è possibile controllare il flusso verso la serpentina rallentandolo, è possibile aumentare il delta T risparmiando l'energia della pompa.
Un delta T basso crea problemi anche negli impianti di riscaldamento, soprattutto quando si utilizzano caldaie a condensazione. Se l'energia non viene completamente trasferita alle serpentine di riscaldamento, la temperatura dell'acqua di ritorno alla caldaia non consentirà la condensazione della caldaia. Quando ciò accade, la caldaia diventa una costosa caldaia convenzionale. Questi fattori aumenteranno il costo dell'operazione e renderanno lo spazio meno confortevole.
Il basso delta T richiede anche apparecchiature aggiuntive per riscaldare o raffreddare l'acqua poiché la portata è così elevata. La portata è direttamente correlata al delta T e al trasferimento di calore nell'apparecchiatura. Delta T = BTUH/(500 gpm) quindi se la portata può essere ridotta, il delta T aumenterà in modo da poter utilizzare meno apparecchiature per riscaldare o raffreddare l'acqua. Se la portata viene dimezzata il delta T raddoppia. Ciò può comportare risparmi sulle spese in conto capitale poiché è possibile evitare l'acquisto di refrigeratori o pompe aggiuntivi.
Le valvole in un sistema inefficiente come questo cambieranno spesso posizione per compensare le fluttuazioni di temperatura causate dai cambiamenti di flusso. Ciò aumenta l'usura degli attuatori delle valvole, quindi potrebbero guastarsi prematuramente.
Vantaggi della valvola di controllo indipendente dalla pressione (vantaggi PICV)
Le valvole di controllo indipendenti dalla pressione integrano le funzioni di bilanciamento dinamico e controllo 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 mosso dal differenziale di pressione e da 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 della stanza in modo che il flusso venga variato in base alla richiesta della stanza, non ai cambiamenti della pressione del sistema.
E poiché la valvola è sia una valvola di controllo che una valvola di bilanciamento automatico in una, l'installazione è più semplice. Non è necessario acquistare e installare una valvola di bilanciamento e una valvola di controllo. Questo, 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 con un costo inferiore, una capacità dell'apparecchiatura inferiore e dimensioni delle tubazioni inferiori. Inoltre eliminano la necessità di costose e complesse tubazioni di ritorno inverso. Riducono notevolmente il lavoro di test, regolazione e bilanciamento. Ciò è particolarmente pronunciato 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 batteria. 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 della valvola su entrambi i lati del diaframma. Ciò rende importante la buona qualità dell'acqua. I filtri installati prima di ciascuna valvola sono efficaci nella rimozione di contaminanti relativamente grandi. Questi filtri proteggeranno anche le bobine e le apparecchiature del sistema. Tuttavia non filtreranno 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). Una corretta messa in servizio include il lavaggio del sistema.
Inoltre, se la velocità della pompa è controllata con un sensore di pressione differenziale remoto, i maggiori risparmi si otterranno posizionando il sensore sulla valvola di controllo indipendente dalla pressione situata più lontano dalla pompa. In questo modo la pompa viene azionata per sviluppare solo la prevalenza necessaria per supportare la valvola e la bobina più lontane nel sistema.
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 offre un migliore controllo della zona. Riducono inoltre i costi e migliorano il funzionamento dell'intero sistema perché con la giusta portata a ciascuna serpentina, pompe e refrigeratori funzionano in modo efficiente.
