IT201800009760A1 - System and method for heating a fluid using a heat pump and a boiler - Google Patents
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Description
"Sistema e metodo per riscaldare un fluido tramite una pompa di calore e una caldaia" "System and method for heating a fluid using a heat pump and a boiler"
"System and method to heat a fluid via a heat pump and a boiler" "System and method to heat a fluid via a heat pump and a boiler"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD
La presente invenzione si riferisce a un sistema e metodo di regolazione per scaldare un fluido, preferibilmente per un'utenza nel settore residenziale, di impianti sportivi come palestre e piscine, di campeggi e altre strutture in cui sia necessario il riscaldamento di un ambiente preferibilmente chiuso e l'utilizzo di acqua calda sanitaria. The present invention refers to a regulation system and method for heating a fluid, preferably for users in the residential sector, of sports facilities such as gyms and swimming pools, of campsites and other structures in which the heating of a preferably closed environment is necessary. and the use of domestic hot water.
STATO DELL'ARTE STATE OF THE ART
La generazione di calore per impieghi residenziali e di strutture edilizie richiede il compromesso fra flessibilità di parametri selezionabili dall'utenza ed efficienza energetica. The generation of heat for residential use and building structures requires a compromise between flexibility of user-selectable parameters and energy efficiency.
SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE PURPOSE AND SUMMARY OF THE INVENTION
È scopo della presente invenzione fornire un sistema e un metodo in grado di ottimizzare l'impego contemporaneo della pompa di calore e della caldaia per scaldare l'acqua calda sanitaria. It is an object of the present invention to provide a system and a method capable of optimizing the simultaneous use of the heat pump and the boiler for heating domestic hot water.
Lo scopo della presente invenzione è raggiunto tramite un sistema per riscaldare un fluido comprendente: The object of the present invention is achieved by means of a system for heating a fluid comprising:
- Almeno una pompa di calore avente un condensatore; - At least one heat pump having a condenser;
- Almeno una caldaia; - At least one boiler;
- Un accumulatore del fluido vettore; - An accumulator of the carrier fluid;
- Un ramo d'alimentazione dell'accumulatore collegato in parallelo al condensatore e alla caldaia per portare nell'accumulatore un fluido vettore riscaldato; - A supply branch of the accumulator connected in parallel to the condenser and to the boiler to bring a heated vector fluid into the accumulator;
- Una centralina di controllo elettronico per controllare il funzionamento contemporaneo della pompa di calore e della caldaia; - An electronic control unit to control the simultaneous operation of the heat pump and the boiler;
in cui la centralina di controllo modifica una temperatura di ingresso al condensatore e una quantità di calore generata dalla caldaia sulla base della temperatura dell'ambiente esterno, di una quantità di calore pre-definito del fluido per un'utenza del fluido riscaldato dal sistema e di un modello matematico di efficienza del sistema, in modo che la differenza fra la quantità di calore generata dalla pompa di calore e la quantità di calore pre-definita è generata tramite la caldaia. in which the control unit modifies an inlet temperature to the condenser and a quantity of heat generated by the boiler on the basis of the temperature of the external environment, a pre-defined quantity of heat of the fluid for a user of the fluid heated by the system and of a mathematical model of system efficiency, so that the difference between the amount of heat generated by the heat pump and the pre-defined amount of heat is generated by the boiler.
La presente invenzione si riferisce all'impiego coordinato di almeno una caldaia, almeno una pompa di calore e almeno un accumulatore di calore, preferibilmente sensorizzato per il controllo del gradiente termico verticale. I circuiti idraulici di utilizzo del fluido riscaldato e collegati all'accumulatore possono essere diversi da quanto illustrato nelle figure. Inoltre, si raggiunge l'efficienza poiché la temperatura di ingresso al condensatore diminuisce quando la temperatura esterna diminuisce, ad esempio d'inverno e/ o di notte, allo scopo di mantenere elevato il COP della pompa di calore. Inoltre, viene regolata la caldaia per fornire la quantità di calore mancante a soddisfare la richiesta di calore pre-definita dall'utente/ utenza, che la pompa di calore non è in grado di fornire completamente per via del decremento della temperatura d'ingresso al condensatore. Preferibilmente, la regolazione della caldaia prevede il riscaldamento del fluido a una temperatura superiore a quella a cui viene riscaldato il fluido in uscita dalla pompa di calore. The present invention refers to the coordinated use of at least one boiler, at least one heat pump and at least one heat accumulator, preferably sensorized for controlling the vertical thermal gradient. The hydraulic circuits for using the heated fluid and connected to the accumulator may be different from those shown in the figures. Furthermore, efficiency is achieved since the inlet temperature to the condenser decreases when the outside temperature decreases, for example in winter and / or at night, in order to keep the COP of the heat pump high. Furthermore, the boiler is adjusted to supply the quantity of heat missing to satisfy the pre-defined heat request by the user / user, which the heat pump is unable to supply completely due to the decrease in the inlet temperature. capacitor. Preferably, the regulation of the boiler provides for the heating of the fluid to a temperature higher than that to which the fluid leaving the heat pump is heated.
Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l'accumulatore è configurato per essere collegato a un circuito di riscaldamento d'ambiente e la centralina di controllo è programmata in modo che la quantità di calore pre-definita del fluido sia la quantità di calore richiesta per il riscaldamento d'ambiente tramite il circuito di riscaldamento d'ambiente. According to a preferred embodiment of the present invention, the accumulator is configured to be connected to a space heating circuit and the control unit is programmed so that the pre-defined amount of heat of the fluid is the amount of heat required for space heating via the space heating circuit.
Secondo tale forma di realizzazione, lo sfruttamento combinato della caldaia e della pompa di calore è applicato alla generazione di calore per il riscaldamento d'ambiente e la quantità di calore pre-definita è quella necessaria per garantire una temperatura pre-definita all'interno degli ambienti riscaldati. E' possibile associare al sistema anche ulteriori utenze termiche, come ad esempio l'acqua calda sanitaria. In tale caso è possibile che il calore per l'acqua calda sanitaria sia fornito tramite una strategia di controllo della caldaia differente da quella indicata in precedenza. Ad esempio, il calore per l'acqua calda sanitaria viene generato esclusivamente tramite la caldaia. Lo scopo della presente invenzione è inoltre raggiunto tramite il metodo della rivendicazione 9, applicabile sia a impianti o sistemi di riscaldamento di un fluido interamente da realizzare che a impianti già esistenti e integrati coi componenti necessari per realizzare il controllo. According to this embodiment, the combined exploitation of the boiler and the heat pump is applied to the generation of heat for space heating and the pre-defined quantity of heat is that necessary to guarantee a pre-defined temperature inside the heated rooms. It is also possible to associate additional thermal utilities to the system, such as domestic hot water. In this case it is possible that the heat for the domestic hot water is supplied through a different boiler control strategy from the one indicated above. For example, the heat for domestic hot water is generated exclusively via the boiler. The object of the present invention is also achieved by means of the method of claim 9, applicable both to plants or systems for heating a fluid entirely to be made and to plants already existing and integrated with the components necessary to carry out the control.
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata che segue. Further objects and advantages of the present invention will become more evident from the detailed description which follows.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
La presente invenzione verrà descritta qui di seguito mediante alcune forme di realizzazione preferite, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati. Questi disegni illustrano differenti aspetti ed esempi della presente invenzione e, dove appropriato, strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento simili. The present invention will be described hereinafter by means of some preferred embodiments, provided by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings. These drawings illustrate different aspects and examples of the present invention and, where appropriate, similar structures, components, materials and / or elements in different figures are indicated by similar reference numerals.
La FIG. 1 è uno schema di un sistema di riscaldamento di un fluido secondo la presente invenzione; FIG. 1 is a diagram of a fluid heating system according to the present invention;
la FIG. 2 è un diagramma illustrante il costo del kWh termico con riferimento a una caldaia a combustibile (Enea a tratto pieno orizzontale) e a una pompa di calore combinata con la caldaia (linea a tratto pieno con susseguirsi di tratti ondulati e orizzontali). E' tratteggiato il costo del kWh termico della pompa di calore che eccede quello della caldaia; FIG. 2 is a diagram illustrating the cost of the thermal kWh with reference to a fuel boiler (Enea with horizontal solid section) and to a heat pump combined with the boiler (solid line with a succession of wavy and horizontal sections). The cost of the thermal kWh of the heat pump that exceeds that of the boiler is shown;
la FIG. 3 è un diagramma illustrante il costo del kWh termico in cui è raffigurata a tratto continuo orizzontale la curva della caldaia, a tratto interrotto ondulante la curva della pompa di calore a carico massimo e COP relativamente basso, a tratto continuo ondulante la curva della pompa di calore a carico ridotto e COP relativamente elevato e a tratto continuo spesso una curva ottimale ottenuta tramite il funzionamento congiunto della caldaia e della pompa di calore; e FIG. 3 is a diagram illustrating the cost of the thermal kWh in which the boiler curve is shown with a continuous horizontal line, with an interrupted waving line the curve of the heat pump at maximum load and relatively low COP, with a continuous waving line the curve of the heat pump. heat with low load and relatively high COP and with a continuous line often an optimal curve obtained through the joint operation of the boiler and the heat pump; And
la FIG. 4 illustra una mappa di visualizzazione di un modello matematico di efficienza implementato nel controllo del sistema di figura 1. FIG. 4 illustrates a visualization map of a mathematical model of efficiency implemented in the control of the system of figure 1.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La figura 1 illustra, nel suo insieme, un sistema per la generazione di acqua calda sanitaria 1 comprendente almeno una caldaia 2, preferibilmente ma non esclusivamente a combustibile, almeno una pompa di calore, in figura sono presenti ima prima e una seconda poma di calore 3, 4, un accumulatore tecnico 5 per un fluido tecnico termovettore, ad esempio acqua eventualmente additivata, e un circuito tecnico 6 per collegare fluidicamente la caldaia 2, le pompe di calore 3, 4 e l' accumulatore tecnico 5. Secondo la forma di realizzazione di figura 1, inoltre, il sistema comprende un accumulatore sanitario 7 per l'acqua calda, uno scambiatore di calore 8 collegato in scambio termico con il fluido tecnico termovettore tramite il circuito tecnico 6 e un circuito sanitario 9 per collegare fra loro l'accumulatore sanitario 7, lo scambiatore di calore e, tramite raccordi di ingresso 10 e di uscita 11, un impianto di utenza di acqua calda sanitaria 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 dal circuito sanitario 8 non superi i 70°. Figure 1 illustrates, as a whole, a system for the generation of domestic hot water 1 comprising at least one boiler 2, preferably but not exclusively fueled, at least one heat pump; in the figure there are a first and a second heat pump 3, 4, a technical accumulator 5 for a heat-carrying technical fluid, for example water possibly with additives, and a technical circuit 6 to fluidically connect the boiler 2, the heat pumps 3, 4 and the technical accumulator 5. According to the embodiment in figure 1, moreover, the system comprises a sanitary accumulator 7 for hot water, a heat exchanger 8 connected in thermal exchange with the thermal carrier fluid through the technical circuit 6 and a sanitary circuit 9 to connect the accumulator together 7, the heat exchanger and, through inlet 10 and outlet 11 connections, a domestic hot water user system as both domestic and utility toilets. sports facilities or gyms, and for recreational facilities such as swimming pools, whirlpools or recreational stations with artificial pools of heated water. More generally, all uses can be considered for which the maximum temperature of the hot water leaving the sanitary circuit 8 does not exceed 70 °.
Inoltre, secondo una variante della presente invenzione illustrata in figura 1, il sistema comprende un ramo di derivazione 12 per prelevare il fluido tecnico termovettore dall'accumulatore 5 e convogliarlo verso un impianto di riscaldamento d'ambiente, come un impianto di riscaldamento a pavimento, un impianto tramite ventilconvettori o un impianto tramite radiatori. Preferibilmente, tale circuito preleva e restituisce portata di fluido tecnico termovettore all'accumulatore tecnico 5. Furthermore, according to a variant of the present invention illustrated in Figure 1, the system comprises a branch branch 12 for withdrawing the heat-carrying technical fluid from the accumulator 5 and conveying it to a space heating system, such as a floor heating system, a system using fan coils or a system using radiators. Preferably, this circuit picks up and returns flow rate of heat-carrying technical fluid to the technical accumulator 5.
Inoltre, vantaggiosamente, le pompe di calore 3, 4 comprendono rispettivi motori elettrici per azionare i rispettivi compressori e tali motori possono essere collegati elettricamente, secondo una variante realizzativa, a un impianto fotovoltaico per la generazione di energia elettrica (non illustrato). Moreover, advantageously, the heat pumps 3, 4 comprise respective electric motors to drive the respective compressors and these motors can be electrically connected, according to a variant embodiment, to a photovoltaic system for the generation of electric energy (not shown).
In figura 1 il circuito tecnico 6 è un circuito chiuso e il circuito sanitario 9 è aperto tramite i raccordi 10, 11 verso l'utenza di acqua calda sanitaria. I due circuiti sono fluidicamente separati affinché il fluido termovettore non contamini l'acqua calda sanitaria tramite lo scambiatore di calore 8. In figure 1 the technical circuit 6 is a closed circuit and the sanitary circuit 9 is open through the connections 10, 11 towards the sanitary hot water user. The two circuits are fluidically separated so that the heat transfer fluid does not contaminate the domestic hot water through the heat exchanger 8.
Il sistema comprende inoltre una centralina elettronica di controllo 15 collegata a sensori di temperatura e a schede elettroniche di comando dei motori elettrici e della caldaia 2 per gestire in modo ottimizzato il funzionamento. A tale scopo, la centralina di controllo 15 è programmata tenendo in considerazione la stratificazione di temperatura all'interno dell'accumulatore tecnico 5 il quale comprende un ingresso di testa 16 collegato alla caldaia 2, un'uscita di testa 17 collegata a un ingresso dello scambiatore 8, almeno un ingresso intermedio 18 collegato alla pompa di calore 3, 4 per ricevere fluido termovettore riscaldato da un condensatore (non illustrato) della pompa di calore, almeno un'uscita intermedia 19 per prelevare fluido termovettore dall'accumulatore tecnico 5 in direzione della caldaia 2; e almeno un'uscita di fondo 20 per prelevare fluido termovettore dall'accumulatore tecnico 5 in direzione del condensatore della pompa di calore 3, 4. The system also comprises an electronic control unit 15 connected to temperature sensors and electronic control boards for the electric motors and the boiler 2 to manage operation in an optimized way. For this purpose, the control unit 15 is programmed taking into account the temperature stratification inside the technical accumulator 5 which comprises a head input 16 connected to the boiler 2, a head output 17 connected to an input of the exchanger 8, at least one intermediate inlet 18 connected to the heat pump 3, 4 to receive heat transfer fluid heated by a condenser (not shown) of the heat pump, at least one intermediate outlet 19 to draw heat transfer fluid from the technical accumulator 5 in the direction of boiler 2; and at least one bottom outlet 20 for drawing heat transfer fluid from the technical accumulator 5 in the direction of the condenser of the heat pump 3, 4.
Nella presente descrizione e nelle rivendicazioni, il termine ingresso/uscita intermedio deve intendersi come disposto a qualsiasi quota verticale fra gli ingressi/uscite di testa e di fondo. Secondo la forma di realizzazione non limitativa di figura 1, la quota verticale dell'ingresso intermedio 18 e dell'uscita intermedia 19 è circa in corrispondenza della mezzeria dell'accumulatore tecnico 5. In the present description and in the claims, the term intermediate inlet / outlet is to be understood as arranged at any vertical height between the head and bottom inlets / outlets. According to the non-limiting embodiment of Figure 1, the vertical height of the intermediate inlet 18 and of the intermediate outlet 19 is approximately in correspondence with the center line of the technical accumulator 5.
In una situazione di particolare interesse sia la caldaia 2 che la pompa di calore 3, 4 cedono calore al fluido termovettore diretto verso l'accumulatore tecnico 5, ad esempio per soddisfare una richiesta di calore pre-definita dell'impianto di riscaldamento d'ambiente. In particolare, la caldaia 2 e la pompa di calore 3, 4 sono configurate in modo che una temperatura del fluido termovettore in uscita dalla caldaia 2 è maggiore della temperatura del fluido termovettore in uscita dalla pompa di calore 3, 4. Conseguentemente, il circuito tecnico 6 comprende rami di alta temperatura disposti per collegare l'uscita della caldaia 2 all'ingresso dello scambiatore 8 e all'ingresso di testa 16 e rami di media temperatura per collegare rispettivamente l'uscita della pompa di calore 3, 4 alla caldaia 2 e all'ingresso intermedio 18; l'uscita dello scambiatore 8 alla caldaia 2 e/o all'accumulatore tecnico 5, l'uscita intermedia 19 alla caldaia 2 rispettivamente; e rami di bassa temperatura per collegare l'uscita di fondo 20 all'ingresso della pompa di calore 3, 4 e il circuito di ritorno dell'impianto di riscaldamento d'ambiente al fondo dell'accumulatore tecnico 5. In a situation of particular interest, both the boiler 2 and the heat pump 3, 4 transfer heat to the heat transfer fluid directed towards the technical storage tank 5, for example to satisfy a pre-defined heat demand of the space heating system . In particular, the boiler 2 and the heat pump 3, 4 are configured so that a temperature of the heat transfer fluid leaving the boiler 2 is higher than the temperature of the heat transfer fluid leaving the heat pump 3, 4. Consequently, the circuit technical 6 includes high temperature branches arranged to connect the output of the boiler 2 to the inlet of the exchanger 8 and to the head inlet 16 and medium temperature branches to connect respectively the output of the heat pump 3, 4 to the boiler 2 and at the intermediate entrance 18; the outlet of the exchanger 8 to the boiler 2 and / or to the technical accumulator 5, the intermediate outlet 19 to the boiler 2 respectively; and low temperature branches to connect the bottom outlet 20 to the inlet of the heat pump 3, 4 and the return circuit of the space heating system to the bottom of the technical storage tank 5.
Secondo la forma di realizzazione di figura 1, i rami di bassa temperatura e di media temperatura per collegare la pompa di calore 3, 4 all'accumulo tecnico 5 sono in scambio termico con il condensatore della pompa di calore 3, 4 tramite uno scambiatore di calore 21, 22 preferibilmente configurato in modo che il fluido termovettore del circuito tecnico 6 non si misceli con un fluido tecnico della pompa di calore 3, 4. According to the embodiment of Figure 1, the low temperature and medium temperature branches for connecting the heat pump 3, 4 to the technical storage tank 5 are in heat exchange with the condenser of the heat pump 3, 4 by means of a heat exchanger. heat 21, 22 preferably configured so that the heat transfer fluid of the technical circuit 6 does not mix with a technical fluid of the heat pump 3, 4.
La figura 2 illustra gli andamenti del costo del kWh termico nel corso di una simulazione numerica, per pompa di calore - PDC e caldaia a condensazione. Con una strategia di controllo di tipo ON-OFF, la centralina di controllo elettronico 15 si limita ad individuare, con frequenza prestabilita, il valore minimo tra le due curve di costo e spegner e/accender e automaticamente il generatore di calore più efficiente. Figure 2 illustrates the trends in the cost of thermal kWh during a numerical simulation, for heat pump - PDC and condensing boiler. With an ON-OFF control strategy, the electronic control unit 15 limits itself to identifying, with a predetermined frequency, the minimum value between the two cost curves and will automatically switch off and / on and automatically the most efficient heat generator.
Integrare in maniera conveniente la caldaia 2 e la pompa di calore 3, 4 significa, invece, trovare il corretto mix in modo da produrre un effetto di interazione sinergica: nella pratica, quando la pompa di calore 3, 4 ha dei 'coefficient of performace' - COP molto bassi che renderebbero il suo funzionamento non conveniente economicamente, la caldaia 2 subentrerà non per sopperire a tutto il carico termico (come accadrebbe secondo una logica ON-OFF) ma solo per integrare una frazione della potenza termica totale producendo come effetto quello di alleggerire il carico termico della pompa di calore 3, 4, consentendo a quest'ultima di lavorare in condizioni energeticamente più convenienti, i.e. a COP maggiori. Conseguentemente, se pesati razionalmente i mix energetici, si ottengono costi di esercizio inferiori rispetto ai valori del kWh termico della caldaia 2 e della pompa di calore 3, 4 se considerate singolarmente: questo è il significato di integrazione sinergica delle due differenti sorgenti di calore per il fluido termovettore. Quanto esposto è riportato in maniera qualitativa in figura 3 in cui è raffigurata a tratto continuo orizzontale la curva della caldaia 2, a tratto interrotto ondulante la curva della pompa di calore PDC 3, 4 a carico massimo, a tratto continuo ondulante la curva della pompa di calore PDC 3, 4 a carico ridotto e a tratto continuo spesso una curva ottimale ottenuta tramite il funzionamento congiunto della caldaia 2 e della pompa di calore 3, 4. Conveniently integrating the boiler 2 and the heat pump 3, 4 means, on the other hand, finding the correct mix in order to produce a synergistic interaction effect: in practice, when the heat pump 3, 4 has some 'coefficient of performace '- Very low COP which would make its operation not economically convenient, boiler 2 will take over not to cover all the thermal load (as would happen according to an ON-OFF logic) but only to integrate a fraction of the total thermal power producing the effect to lighten the thermal load of the heat pump 3, 4, allowing the latter to work in energetically more convenient conditions, i.e. at higher COP. Consequently, if the energy mixes are rationally weighed, operating costs are obtained that are lower than the thermal kWh values of boiler 2 and heat pump 3, 4 if considered individually: this is the meaning of synergistic integration of the two different heat sources for the heat transfer fluid. The above is shown in a qualitative manner in figure 3 in which the curve of the boiler 2 is represented in a continuous horizontal line, with an interrupted section undulating the curve of the heat pump PDC 3, 4 at maximum load, with a continuous section undulating the curve of the pump PDC 3, 4 with reduced load and continuous line often an optimal curve obtained through the joint operation of the boiler 2 and the heat pump 3, 4.
Occorre notare che il COP decresce sensibilmente con il calo della temperatura esterna dell'ambiente, a cui la pompa di calore 3, 4 cede calore. Al fine di mantenere dei COP elevati anche a basse temperature esterne, occorre intervenire su un controllo della temperatura massima T2 del ciclo della pompa di calore 3, 4, i.e. la temperatura in ingresso al condensatore della pompa di calore. E' infatti verificato che abbassando la temperatura massima T2 proporzionalmente alla temperatura esterna, si riescono a garantire dei COP elevati. It should be noted that the COP decreases significantly with the decrease in the external temperature of the environment, to which the heat pump 3, 4 transfers heat. In order to maintain high COPs even at low external temperatures, it is necessary to intervene on a control of the maximum temperature T2 of the heat pump cycle 3, 4, i.e. the inlet temperature to the heat pump condenser. In fact, it has been verified that by lowering the maximum temperature T2 in proportion to the external temperature, it is possible to guarantee high COP.
Tuttavia, questo non è l'unico effetto che abbiamo sulle prestazioni della pompa di calore 3, 4 al ridursi della temperatura massima T2; osservando infatti gli andamenti della potenza termica in funzione della temperatura ambientale esterna, si osserva che questi diminuiscono sensibilmente al ridursi della temperatura massima T2. However, this is not the only effect we have on the performance of the heat pump 3, 4 as the maximum temperature T2 decreases; in fact, observing the trends of the thermal power as a function of the external ambient temperature, it is observed that these decrease significantly as the maximum temperature T2 decreases.
Pertanto, la riduzione della temperatura massima T2 mantiene elevati COP ma richiede l'integrazione di potenza termica da parte della caldaia 2. Therefore, the reduction of the maximum temperature T2 maintains high COP but requires the integration of thermal power by the boiler 2.
Al subentrare della caldaia 2, la centralina di controllo elettronico 15 applica un modello matematico basato su una funzione di ottimizzazione che pesa i contributi della caldaia 2 e della pompa di calore 3, 4. When boiler 2 takes over, the electronic control unit 15 applies a mathematical model based on an optimization function which weighs the contributions of boiler 2 and heat pump 3, 4.
Nel caso della caldaia 2 si ha: In the case of boiler 2 we have:
assumendo un costo del metano di circa 0.8 (riferendoci alla media delle odierne <v> assuming a methane cost of about 0.8 (referring to today's average <v>
tariffe per l'energia primaria) e un potere calorifico inferiore Hi di 35,8 MJ/nm<A>3 e un rendimento della caldaia 2 di 1,06, abbiamo, complessivamente un costo del kWh termico per la caldaia di circa: tariffs for primary energy) and a lower calorific value Hi of 35.8 MJ / nm <A> 3 and an efficiency of the boiler 2 of 1.06, we have a total cost of the thermal kWh for the boiler of approximately:
dato in linea con quanto si può reperire dalla rete. data in line with what can be found on the net.
Nel particolare caso della pompa di calore 3, 4 il relativo contributo nel caso di integrazione con impianto fotovoltaico (non illustrato) è: In the particular case of the heat pump 3, 4, the relative contribution in the case of integration with a photovoltaic system (not shown) is:
In cui si nota la dipendenza da: costo dell'energia elettrica (€/(kWh elettrico)), In which we note the dependence on: cost of electricity (€ / (kWh of electricity)),
condizioni di carico i.e. la potenza termica ceduta dalla pompa di calore 3, 4 tramite il load conditions i.e. the thermal power transferred by the heat pump 3, 4 through the
condesatore (Q _pdc), e delle condizioni ambientali (temperatura e radiazione solare) condenser (Q _pdc), and environmental conditions (temperature and solar radiation)
che influiscono direttamente sul COP e sulla produzione di potenza elettrica generata which directly affect the COP and the production of generated electrical power
dall'impianto fotovoltaico (P_PV). from the photovoltaic system (P_PV).
In una prima forma, la funzione di ottimizzazione completa è: In a first form, the full optimization function is:
In cui Xpdc rappresenta la quota di calore fornito dalla pompa di calore 3, 4 rispetto Where Xpdc represents the share of heat supplied by the heat pump 3, 4 compared
alla potenza termica totale richiesta dall'utenza: to the total heat output required by the user:
Nell'esempio di figura 1, la potenza termica totale al denominatore è la potenza termica per il riscaldamento d'ambiente tramite il circuito 12. Secondo una forma di realizzazione non limitativa, il riscaldamento dell'accumulatore sanitario 7 viene gestito includendo la potenza richiesta da quest'ultimo nella potenza termica totale, oppure viene gestito in modo indipendente tramite un opportuno controllo della sola caldaia 2 da parte della centralina di controllo 15. In the example of figure 1, the total thermal power in the denominator is the thermal power for space heating through the circuit 12. According to a non-limiting embodiment, the heating of the domestic hot water storage tank 7 is managed by including the power required by the latter in the total heat output, or is managed independently by means of an appropriate control of the boiler 2 only by the control unit 15.
Appare evidente che la scelta della temperatura massima T2, al fine della minimizzazione dei costi, non può dipendere dal solo valore della temperatura esterna: si procede pertanto alla soluzione di un problema di ottimizzazione vincolata, e cioè di massimizzare il beneficio (in questo caso il risparmio economico) all'interno di un insieme di vincoli che sono rappresentati dalle condizioni al contorno. It is clear that the choice of the maximum temperature T2, in order to minimize costs, cannot depend solely on the value of the external temperature: we therefore proceed to the solution of a constrained optimization problem, that is, to maximize the benefit (in this case the economic savings) within a set of constraints that are represented by the boundary conditions.
Nello specifico, si tratta ti trovare il minimo della funzione di ottimizzazione in funzione della variabile decisionale T2. Specifically, it is a question of finding the minimum of the optimization function as a function of the decision variable T2.
In termini visuali, tramite la minimizzazione della funzione di ottimizzazione, si ottiene la mappa illustrata in figura 4 che, a seconda della temperatura esterna presente e opportunamente rilevata tramite un sensore di temperatura, viene sezionata diventando una curva su un piano di ascissa T2 ed ordinata €/kWhT e minimizzata rispetto alla variabile obiettivo T2. In visual terms, through the minimization of the optimization function, the map illustrated in figure 4 is obtained which, depending on the external temperature present and appropriately detected by means of a temperature sensor, is sectioned becoming a curve on a plane of abscissa T2 and ordinate € / kWhT and minimized with respect to the target variable T2.
La funzione di ottimizzazione può esprimere, invece del costo al kWh termico, l'emissione di anidride carbonica come segue, sempre prevedendo l'opzionale contributo della potenza elettrica generata dall'impianto fotovoltaico: The optimization function can express, instead of the cost per thermal kWh, the emission of carbon dioxide as follows, always providing for the optional contribution of the electrical power generated by the photovoltaic system:
In entrambi i casi, dal momento che le funzioni di ottimizzazione sono calcolate in numerose condizioni di temperatura esterna e di temperatura T2, la potenza termica ceduta al fluido vettore dalla pompa di calore e il COP sono memorizzate come mappe e sono grandezze caratteristiche di ciascuna specifica pompa di calore 3, 4. In both cases, since the optimization functions are calculated in numerous conditions of external temperature and T2 temperature, the thermal power transferred to the vector fluid by the heat pump and the COP are stored as maps and are characteristic quantities of each specification. heat pump 3, 4.
Secondo la forma di realizzazione preferita dell'invenzione illustrata in figura 1, l'accumulatore sanitario 7 è sensorizzato per controllare il gradiente termico verticale dell'acqua calda sanitaria tramite la centralina di controllo elettronico 15. Preferibilmente, la centralina di controllo elettronico 15 è programmata in una funzione di risparmio energetico per selezionare un ingresso di fondo, intermedio o di testa, collegate fluidicamente allo scambiatore 8, in modo che l'acqua calda sanitaria circolino in una porzione volumetrica dell'accumulatore 7 e un'altra pozione volumetrica dell'accumulatore 7 sia sostanzialmente in quiete fluidica. In particolare, la porzione volumetrica soggetta a circolazione dell'acqua calda sanitaria presenta una temperatura massima maggiore della temperatura massima della porzione volumetrica in quiete fluidica, i.e. è disposta superiormente. In questo modo, si ottiene un risparmio energetico rispetto alla condizione di funzionamento in cui tutto l'accumulatore 7 presenta una temperatura sostanzialmente omogenea, i.e. un gradiente di temperatura sostanzialmente nullo. Tale funzione di risparmio energetico è particolarmente adatta quando l'utenza non richiede la massima portata di acqua calda sanitaria. According to the preferred embodiment of the invention illustrated in Figure 1, the sanitary accumulator 7 is sensorized to control the vertical thermal gradient of the sanitary hot water by means of the electronic control unit 15. Preferably, the electronic control unit 15 is programmed in an energy saving function to select a bottom, intermediate or head inlet, connected fluidically to the exchanger 8, so that the domestic hot water circulates in a volumetric portion of the accumulator 7 and another volumetric portion of the accumulator 7 is substantially in fluidic rest. In particular, the volumetric portion subject to circulation of the domestic hot water has a maximum temperature higher than the maximum temperature of the volumetric portion in fluidic rest, i.e. it is placed at the top. In this way, an energy saving is obtained with respect to the operating condition in which the whole accumulator 7 has a substantially homogeneous temperature, i.e. a substantially zero temperature gradient. This energy saving function is particularly suitable when the user does not require the maximum flow rate of domestic hot water.
Risulta infine chiaro che al sistema come descritto e illustrato in precedenza è possibile apportare modifiche o varianti senza per questo uscire dall'ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni allegate. Finally, it is clear that it is possible to make changes or variants to the system as described and illustrated above without thereby departing from the scope of protection as defined by the attached claims.
Ad esempio, è possibile che l'accumulatore collegato alla caldaia 2 e alla pompa di calore 3, 4 sia riempito di acqua calda sanitaria. Ciò comporta l'assenza del collegamento con un circuito di riscaldamento d'ambiente oppure la presenza di un circuito chiuso collegato all'accumulatore tecnico 5 comprendente uno scambiatore di calore configurato affinché il fluido termovettore dell'accumulatore tecnico 5, 7 ceda calore a un ulteriore fluido termovettore dell'impianto di riscaldamento d'ambiente. Inoltre, la caldaia 2 può essere collegata tramite uno scambiatore ai circuiti di media e/o alta temperatura in modo che il fluido termovettore dell'accumulatore tecnico 5 e un fluido termovettore circolante fra la caldaia 2 e tale scambiatore non si miscelino. L'accumulatore sanitario 7 può essere sensorizzato tramite almeno due sensori di temperatura S distanziati verticalmente per consentire il controllo del gradiente termico verticale ma sono possibili altre modalità di misura del gradiente termico verticale e/o un numero maggiore di sensori di temperatura. For example, it is possible that the accumulator connected to the boiler 2 and to the heat pump 3, 4 is filled with domestic hot water. This involves the absence of a connection with a space heating circuit or the presence of a closed circuit connected to the technical accumulator 5 comprising a heat exchanger configured so that the heat carrier fluid of the technical accumulator 5, 7 transfers heat to a further heat transfer fluid of the space heating system. Furthermore, the boiler 2 can be connected by means of an exchanger to the medium and / or high temperature circuits so that the heat carrier fluid of the technical accumulator 5 and a heat carrier fluid circulating between the boiler 2 and this heat exchanger do not mix. The sanitary accumulator 7 can be sensorized by means of at least two temperature sensors S spaced vertically to allow the control of the vertical thermal gradient but other methods of measuring the vertical thermal gradient and / or a greater number of temperature sensors are possible.
I circuiti 6 e 9 comprendono opportune pompe di ricircolo, valvole di deviazione e rubinetti collegati alla centralina di controllo 15 per gestire i flussi del fluido e dell' acqua calda sanitaria. Circuits 6 and 9 comprise suitable recirculation pumps, deviation valves and taps connected to the control unit 15 to manage the flows of the fluid and of the domestic hot water.
Claims (9)
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