ITTO20130198A1 - Metodo di controllo per un'unita' di riscaldamento con un accumulatore termico per acqua sanitaria - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“METODO DI CONTROLLO PER UN'UNITA' DI RISCALDAMENTO CON UN ACCUMULATORE TERMICO PER ACQUA SANITARIAâ€

La presente invenzione à ̈ relativa a un metodo di regolazione di un’unità di riscaldamento in particolare per acqua sanitaria comprendente un accumulatore termico.

Viene sentita l’esigenza di controllare il riscaldamento di acqua sanitaria per ridurre il consumo energetico senza diminuire il livello di comfort per l’utente. In particolare l’uso dell’acqua calda può essere altamente discontinuo durante la giornata, durante una settimana fra giorni feriali e festivi e durante l’anno in modo dipendente dalle stagioni. E’ preferibile ottimizzare il consumo energetico e rendere allo stesso tempo sempre disponibile la quantità d’acqua calda richiesta dall’utente anche in periodi di picco di richiesta. L’acqua calda generata dall’unità di riscaldamento à ̈ fornita come acqua per servizi sanitari come servizi igienici sia domestici che di impianti sportivi o palestre, e per servizi ricreativi come piscine, vasche idromassaggio o stazioni ricreative con bacini artificiali di acqua riscaldata. Più in generale, possono considerarsi tutti gli utilizzi per i quali la temperatura massima dell’acqua calda in uscita dall’unità di riscaldamento non superi i 70°.

Un accumulatore termico à ̈ un serbatoio di fluido avente un calore specifico tale da immagazzinare energia termica che viene ceduta per riscaldare l’acqua diretta all’utente finale.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ di realizzare un metodo per controllare un’unità di riscaldamento per acqua sanitaria in grado di soddisfare almeno parzialmente le esigenze sopra specificate.

Lo scopo della presente invenzione viene raggiunto tramite un metodo secondo la rivendicazione 1.

L’invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano esempi di attuazione non limitativi e si riferiscono:

- Figura 1: a uno schema funzionale di un’unità per riscaldare acqua sanitaria secondo la presente invenzione; e

- Figura 2: a uno schema funzionale secondo un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.

In figura à ̈ illustrata con 1 nel suo insieme un’unità di riscaldamento comprendente un generatore di calore 2, un accumulatore di calore 3 e uno scambiatore di calore 4 collegati fluidicamente fra loro da rispettivi circuiti di ricircolo 5’ e 5’’.

Il generatore di calore 2 comprende uno scambiatore di calore 20 per trasferire potenza termica Q1 da un ramo primario P1 verso un ramo secondario S1 collegato al circuito di ricircolo 5’ e, opzionalmente, una caldaia collegata al ramo primario P1. La caldaia può fornire la potenza termica Q1 trasferita al fluido del circuito di ricircolo 5’oppure quest’ultima può essere fornita da una rete di trasporto di potenza termica, ad esempio una rete di teleriscaldamento o analoghi provvista di un’unità di regolazione della portata in ingresso al ramo primario P1.

L’accumulatore di calore 3 presenta uno sviluppo verticale per consentire la stratificazione termica del fluido vettore circolante nei circuiti 5’ e 5’’. Il fluido vettore si stratifica sulla base del gradiente termico verticale all’interno dell’accumulatore di calore 3 e gli strati più freddi sono nella zona inferiore mentre quelli a temperatura maggiore sono nella zona superiore. Preferibilmente il ramo secondario S1 dello scambiatore di calore 20 à ̈ collegato in uscita tramite un condotto 6 ad una zona di testa 7 dell’accumulatore di calore 3 in modo che il fluido vettore riscaldato entri nello strato più caldo dell’accumulatore di calore 3. Il circuito di ricircolo 5’ comprende inoltre un condotto di uscita 8 per collegare il fondo 9 dell’accumulatore di calore 3 all’ingresso del ramo secondario S1 dello scambiatore di calore 20. La portata di fluido vettore in uscita dall’accumulatore di calore 3 verso il ramo secondario S1 dello scambiatore di calore 20 à ̈ controllata tramite una valvola D posta sul condotto 8. In uso la valvola D, che presenta un posizionamento discreto, invia allo scambiatore di calore 20 o fluido prelevato dal fondo 9 o fluido prelevato da una zona intermedia I dell’accumulatore di calore 3.

Allo scopo di rilevare il gradiente termico in direzione verticale, sono previsti sensori di temperatura, ad esempio tre sensori S1, S2, S3 montati per rilevare la temperatura del fluido all’interno dell’accumulatore di calore 3 a tre diverse quote verticali, ad esempio in prossimità del fondo 9, in prossimità della zona di testa 7 e nella zona intermedia I.

La zona di testa 7 alimenta lo scambiatore 4 tramite il circuito di ricircolo 5’’. Il circuito di ricircolo 5’’ presenta un anello controllato tramite un’elettrovalvola 11 per far ricircolare fluido vettore in un ramo primario P2 dello scambiatore 4. Un ramo secondario S2 dello scambiatore 4 à ̈ collegato ad un’utenza finale tramite un tubo di ingresso 12 e un tubo di uscita 13. L’elettrovalvola 11 à ̈ collegata in ingresso alla zona di testa 7 e al fondo 9 tramite rispettivi condotti 14 e 15. Un’uscita dell’elettrovalvola 11 à ̈ collegata al primario P2. E’ inoltre prevista un’elettropompa 16 nel circuito di ricircolo 5’’ a valle dell’elettrovalvola 11.

L’elettrovalvola 11 svolge la funzione di miscelare fluido dal fondo 9 con fluido dalla zona di testa 7 dell’accumulatore di calore 3. L’elettrovalvola 11 à ̈ comandata in modo da mantenere la temperatura sulle piastre dello scambiatore di calore 4 ad una temperatura inferiore a 63°. L’elettropompa 16 impone una depressione a monte di se stessa e tramite l’elettrovalvola 11 il prelievo viene eseguito da due zone dell’accumulatore di calore 3 che presentano potenzialmente una temperatura differente: inferiore al fondo 9 e superiore alla zona di testa 7.

Inoltre, l’unità di riscaldamento 1 comprende sensori M per misurare la temperatura T e la portata F sul condotto 13 per rilevare la richiesta di acqua calda da parte dell’utenza finale e verificare la temperatura alla quale tale acqua viene fornita. Tale temperatura à ̈ funzione di una trasferimento di potenza termica Q2 dal ramo primario P2 al ramo secondario S2 dello scambiatore di calore 4.

Secondo la presente invenzione, l’unità di riscaldamento 1 comprende inoltre una centralina di controllo C per azionare l’elettropompa 16 e le elettrovalvole D, 11 sulla base dei segnali dei sensori S1, S2, S3, T, F in modo da realizzare una strategia di gestione dell’energia denominata †̃Energy Management System – EMS’.

In particolare la centralina di controllo C à ̈ programmata secondo una prima modalità di funzionamento in cui la temperatura del fluido nell’accumulatore di calore 3 à ̈ quella risultante dall’utilizzo nella zona di massima efficienza del generatore di calore 2. Ad esempio, se il generatore di calore 2 à ̈ associato a una caldaia a condensazione e lo scambiatore di calore 20 à ̈ progettato per un salto termico di 15°, la temperatura nella zona intermedia I corrispondente al sensore S2 (figura 1) viene mantenuta a circa 55°. L’elettropompa 16 e l’elettrovalvole 11, D sono conseguentemente comandate per controllare una portata circolante nei circuiti di ricircolo 5’, 5’’ tale da mantenere questa condizione. In particolare, il sensore S2 à ̈ posizionato in modo che la temperatura rilevata sia significativa di quella del fluido inviato alla valvola D tramite il condotto 19. Tramite una temperatura inferiore a 55° del fluido di ingresso sul ramo secondario S1 dello scambiatore di calore 20 si ottiene un’efficienza massima qualora tale scambiatore sia associato a una caldaia a condensazione.

L’unità di controllo C à ̈ inoltre programmata secondo un’ulteriore modalità di funzionamento tale che la temperatura misurata dai sensori S1 ed S3 (con riferimento alla figura 1) sia uguale con uno scarto di /- 3°, cioà ̈ che il gradiente tenda a zero. In particolare la temperatura à ̈ predeterminata ad un valore superiore a quello misurato dal sensore S2 nella prima modalità di funzionamento. Preferibilmente tale temperatura à ̈ di 75°. Quando lo scambiatore 4 à ̈ a piastre, una temperatura del fluido vettore di 75° nell’accumulatore di calore 3 mantiene le piastre dello scambiatore 4 a una temperatura inferiore a 63° in modo da evitare il deposito di sali ed altri agenti incrostanti che diminuiscono l’efficienza dello scambiatore stesso. Tale effetto viene ottenuto tramite un’apposita misura della temperatura e l’azione dell’unità di controllo C che miscela conseguentemente tramite l’elettrovalvola 11 fluido più freddo proveniente dal fondo 9 con il fluido più caldo proveniente dalla zona di testa 7.

Quando la temperatura del fondo 9 e della zona di testa 7 deve essere modificata, tramite l’elettropompa P e la valvola D l’unità di controllo C invia al ramo secondario S1 dello scambiatore di calore 20 portata di fluido vettore da riscaldare. Contestualmente, l’unità di controllo C comanda l’accensione della caldaia che alimenta il primario P1 dello scambiatore di calore 20.

Quando l’unità di controllo C commuta dalla seconda modalità di funzionamento alla prima modalità di funzionamento, la temperatura rilevata da S2 deve scendere. A tale scopo l’unità di controllo C à ̈ configurata ad esempio per monitorare la temperatura di S2 in modo che siano le dispersioni termiche a imporre la discesa di temperature.

Preferibilmente, l’elettropompa 16 à ̈ a cilindrata fissa e il controllo della temperatura viene eseguito in modo discreto tramite appositi cicli di attivazione / disattivazione.

Secondo la forma di realizzazione illustrata in figura 2, un’unità di riscaldamento 30 comprende quanto già descritto in merito all’unità 1 con le seguenti integrazioni.

L’unità di generazione 30 può comprendere uno scambiatore 31 avente un ramo primario P3 collegato in ingresso alla zona di testa 7 e in uscita alla porzione intermedia I dell’accumulatore di calore 3 tramite rispettivi condotti 32, 33. Un’elettropompa 34 dedicata allo scambiatore 31 regola la portata del ramo primario P3. Il ramo secondario S3 dello scambiatore 31 riceve il calore Q3 ed à ̈ atto ad essere collegato a un’utenza di acqua calda a temperatura intermedia, come ad esempio una piccola piscina o una vasca idromassaggio. Tale temperatura intermedia à ̈ inferiore a quella in uscita nel condotto 13.

L’unità di riscladamento 30 può inoltre comprendere in combinazione o in alternativa allo scambiatore 31, una serpentina 35 prevista all’interno dell’accumulatore di calore 3 ed estendentesi in direzione verticale a partire dal fondo 9 e al di sotto della posizione verticale del sensore S2. La serpentina 35 riscalda il fluido vettore tramite la potenza termica generata da un impianto da fonti rinnovabili, come ad esempio un impianto solare termico. La temperatura in ingresso e in uscita di un ulteriore fluido vettore addotto tramite la serpentina 35 sono misurate tramite rispettivi sensori 36 e 37 e la portata circolante nella serpentina à ̈ controllata tramite un’elettropompa 38.

In uso la serpentina 35 può scaldare tramite il calore Q4 il fluido in corrispondenza di S1 anche per superare i 55° rilevati da S2 nella prima modalità di funzionamento della centralina di controllo C. In tale caso occorre considerare che il fluido, a queste temperature, può presentare gradienti termici anche molto elevati. Pertanto in tale caso la centralina di controllo C può inviare tramite l’azionamento dell’elettropompa P e dell’elettrovalvola D il fluido dal fondo 9 alla zona di testa 7 senza dover accendere la caldaia collegata allo scambiatore di calore 20. In questo caso la produzione di calore dovuta all’impianto solare termico viene trattenuta all’interno dell’accumulatore di calore 3 in modo da mantenere una zona, quella intermedia, ad una temperatura relativamente bassa. Inoltre, l’unità di controllo C à ̈ programmata in modo da accendere la caldaia collegata al primario dello scambiatore di calore 20 solamente quando il calore proveniente dall’impianto solare termico non à ̈ più sufficiente a rispettare le temperature della prima modalità di funzionamento.

In merito al controllo dello scambiatore 31, la temperatura sul ramo secondario in uscita verso l’utenza, ad esempio una piccola piscina o una vasca idromassaggio, à ̈ tale da essere inferiore a quella misurata dal sensore S2 nella prima modalità di funzionamento, ad esempio 35°. La centralina di controllo C controlla tale temperatura tramite l’azionamento dell’elettropompa 34 e un apposito sensore di temperatura S6.

Inoltre, la centralina di controllo C presenta un temporizzatore per commutare automaticamente dalla prima alla seconda modalità di funzionamento ad esempio sulla base dell’orario secondo cicli predeterminati diurni/notturni e/o giorni festivi/feriali e/o stagionali. In questo modo i transitori per il passaggio dalla prima alla seconda modalità di funzionamento sono anticipati rispetto all’effettiva richiesta prevista dell’utenza in modo che la risposta dell’unità di riscaldamento 1, 30 sia più pronta. Ad esempio, se l’unità di riscaldamento 1, 30 à ̈ collegata all’impianto di uno spogliatoio di una palestra, la centralina di controllo C può essere programmata per commutare nella seconda modalità di funzionamento ad esempio a partire dalle h16 sino alle h21, quando à ̈ prevedibile un picco di richiesta continuativa di acqua calda sanitaria per le docce.

Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l’unità di riscaldamento 1 viene mondata a bordo di un telaio in modo da definire un modulo trasportabile e installabile con semplicità. I condotti definenti il ramo primario P1 dello scambiatore di calore 20, il secondario S2, S3 degli scambiatori di calore 4 e 31 e il collegamento con la serpentina 35 sono provvisti di collegamenti rilasciabili, ad esempio flangiati, per poter essere collegati ai relativi: condotti di adduzione di potenza termica, ad esempio tramite caldaia a condensazione; utenza sanitaria a temperatura elevata, ad esempio docce; utenza sanitaria a temperatura più bassa, ad esempio una vasca idromassaggio; e impianto solare termico.

I circuiti di ricircolo 5’, 5’’ definiscono un circuito chiuso in cui il fluido vettore può essere acqua opportunamente additivata per contrastare la corrosione o il deposito di sali durante il funzionamento nei vari intervalli di temperatura.

I sensori di temperatura S1, S2, S3 campionano la rilevazione ad esempio ogni 0.25s e presentano una precisione di una frazione di grado centigrado, ad esempio di 0.5°.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.Metodo di controllo di un’unità di riscaldamento (1; 30) per acqua sanitaria comprendente un primo scambiatore di calore (20) collegabile a una sorgente di potenza termica (Q1), un secondo scambiatore di calore (4) collegabile a un’utenza di acqua calda sanitaria, un accumulatore termico (3) collegato tramite un circuito fluidico (5’, 5’’) ai detti primo e secondo scambiatore di calore (20, 4), una pluralità di sensori di temperatura (S1, S2, S3) per misurare il gradiente termico in direzione verticale nel detto accumulatore di calore (3), una valvola (D) disposta nel detto circuito fluidico (5’, 5’’) e avente un’uscita collegata ad un ramo secondario (S1) del detto primo scambiatore (20) e due ingressi collegati rispettivamente a una seconda zona inferiore (9) e a una zona intermedia (I) del detto accumulatore di calore (3), e una pompa (9) disposta a valle della detta valvola (D), il metodo di controllo comprendendo le fasi di: - controllare il gradiente termico verticale nel detto accumulatore di calore (3) tramite i detti sensori di temperatura (S1, S2, S3); e - o commutare in una prima modalità la detta seconda valvola (D) per collegare la detta zona inferiore (9) con una zona superiore (7) del detto accumulatore di calore (3) tramite un ramo (S1) del detto circuito (5’, 5’’) passante per il detto primo scambiatore di calore (20) e - mantenere la detta sorgente di potenza termica attiva e azionare la detta pompa (9) finché il gradiente rilevato tramite i detti sensori di temperatura (S1, S2, S3) tenda ad annullarsi e il fluido nel detto accumulatore di calore converga verso una prima temperatura predeterminata; - o commutare in una seconda modalità la detta seconda valvola (D) e spegnere la detta sorgente di potenza termica per inviare al detto primo scambiatore (20) fluido avente una seconda temperatura predeterminata inferiore alla detta prima temperatura predeterminata; 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta fase di commutare comprende la fase di commutare in modo discreto e che la detta fase di azionare comprende la fase di azionare in modo discreto, la detta pompa (9) essendo a cilindrata costante. 3. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di selezionare in modo automatico fra le fasi di commutare nella prima modalità o di commutare nella seconda modalità sulla base di un temporizzatore. 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la detta unità di generazione comprende una seconda valvola (11) avente un primo ingresso collegato alla detta zona superiore (7), un secondo ingresso collegato alla detta zona inferiore (9) e un’uscita collegata a un ramo primario (P2) del detto secondo scambiatore di calore (4) e comprendente la fase di regolare in modo continuo la detta seconda valvola (11) per mantenere la temperatura del fluido entrante nel detto secondo scambiatore di calore inferiore a un ulteriore valore predeterminato. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di misurare la detta seconda temperatura predeterminata in corrispondenza della detta zona intermedia (I) tramite uno dei detti sensori (S2). 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta unità di riscaldamento (30) comprende una serpentina (35) alloggiata nel detto accumulatore di calore (3) a partire dalla detta zona inferiore (9) e atta ad essere collegata a un impianto solare termico. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta unità di riscaldamento (30) comprende un terzo scambiatore di calore (31) avente un ulteriore ramo primario (P3) collegato in ingresso alla detta zona superiore (9) e in uscita alla detta zona intermedia (I), e un ulteriore ramo secondario (S3) collegabile a un’utenza esterna, una seconda pompa (34) essendo disposta sul detto ulteriore ramo primario (P3) ed essendo attivata affinché una temperatura dell’acqua verso la detta utenza sia inferiore rispetto a quella in uscita dal detto secondo scambiatore di calore (4).