IT201900007587A1 - Sistema e metodo di produzione di acqua calda ibrido con pompa di calore statica - Google Patents

Sistema e metodo di produzione di acqua calda ibrido con pompa di calore statica Download PDF

Info

Publication number
IT201900007587A1
IT201900007587A1 IT102019000007587A IT201900007587A IT201900007587A1 IT 201900007587 A1 IT201900007587 A1 IT 201900007587A1 IT 102019000007587 A IT102019000007587 A IT 102019000007587A IT 201900007587 A IT201900007587 A IT 201900007587A IT 201900007587 A1 IT201900007587 A1 IT 201900007587A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
tank
water
heating
hot water
heat transfer
Prior art date
Application number
IT102019000007587A
Other languages
English (en)
Inventor
Luca Tomasini
Original Assignee
Luca Tomasini
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Luca Tomasini filed Critical Luca Tomasini
Priority to IT102019000007587A priority Critical patent/IT201900007587A1/it
Publication of IT201900007587A1 publication Critical patent/IT201900007587A1/it

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/18—Water-storage heaters
    • F24H1/20—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes
    • F24H1/201—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes using electric energy supply
    • F24H1/202—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes using electric energy supply with resistances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/10—Control of fluid heaters characterised by the purpose of the control
    • F24H15/172—Scheduling based on user demand, e.g. determining starting point of heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/20—Control of fluid heaters characterised by control inputs
    • F24H15/212—Temperature of the water
    • F24H15/223—Temperature of the water in the water storage tank
    • F24H15/225—Temperature of the water in the water storage tank at different heights of the tank
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/30—Control of fluid heaters characterised by control outputs; characterised by the components to be controlled
    • F24H15/355—Control of heat-generating means in heaters
    • F24H15/37—Control of heat-generating means in heaters of electric heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/0005—Details for water heaters
    • F24H9/001—Guiding means
    • F24H9/0015—Guiding means in water channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/20—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24H9/2007—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters
    • F24H9/2014—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters using electrical energy supply
    • F24H9/2021—Storage heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2240/00—Characterizing positions, e.g. of sensors, inlets, outlets
    • F24D2240/26—Vertically distributed at fixed positions, e.g. multiple sensors distributed over the height of a tank, or a vertical inlet distribution pipe having a plurality of orifices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/10—Control of fluid heaters characterised by the purpose of the control
    • F24H15/144—Measuring or calculating energy consumption
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/20—Control of fluid heaters characterised by control inputs
    • F24H15/269—Time, e.g. hour or date
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/20—Control of fluid heaters characterised by control inputs
    • F24H15/281—Input from user
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/40—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers
    • F24H15/414—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based
    • F24H15/421—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based using pre-stored data
    • F24H15/429—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based using pre-stored data for selecting operation modes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/40—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers
    • F24H15/414—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based
    • F24H15/45—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based remotely accessible
    • F24H15/464—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based remotely accessible using local wireless communication
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H2250/00—Electrical heat generating means
    • F24H2250/02—Resistances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H2250/00—Electrical heat generating means
    • F24H2250/06—Peltier

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione
Avente per titolo:
SISTEMA E METODO DI PRODUZIONE DI ACQUA CALDA IBRIDO CON POMPA DI CALORE STATICA
DESCRIZIONE
Campo tecnico
La presente invenzione riguarda un sistema e un metodo di produzione di acqua calda secondo le caratteristiche della parte precaratterizzante delle annesse rivendicazioni.
Tecnica anteriore
Nel campo dei sistemi di produzione di acqua calda sono noti, ad esempio, i cosiddetti boiler elettrici ad accumulo, che sono apparecchi a funzionamento elettrico comprendenti un serbatoio di accumulo di acqua entro il quale viene addotta acqua fredda tramite un ingresso dell’acqua. L’acqua viene riscaldata entro il serbatoio tramite una o più resistenze elettriche ad alta conducibilità per diffondere il calore prodotto per effetto Joule verso l’acqua fredda riuscendo così a riscaldarla per la produzione di acqua calda. L’acqua calda viene poi conservata e mantenuta calda fino a quando non è necessaria per il prelievo, che avviene tramite una uscita dell’acqua calda. Il serbatoio può avere, ad esempio, capienza dell’ordine da 10 litri fino anche a 120 litri o superiore. Il serbatoio usualmente comprende un involucro metallico e un contenitore coibentato e smaltato per raccogliere e conservare l’acqua riscaldata. Il boiler è normalmente dotato di un termoregolatore per regolare la temperatura dell’acqua contenuta attivando e disattivando la resistenza di riscaldamento. Il termoregolatore normalmente lavora disattivando la resistenza di riscaldamento quando viene raggiunta la temperatura ottimale dell’acqua e riattivandola quando la temperatura dell’acqua contenuta nel serbatoio scende al di sotto di un valore limite minimo prestabilito.
Problemi della tecnica anteriore
I boiler di tipo noto sono soggetti a problematiche di efficienza energetica in quanto la conversione di energia elettrica in calore per effetto Joule operata tramite resistenze di riscaldamento è di per sé stessa poco efficiente. Questo comporta un notevole spreco di energia soprattutto nella fase di mantenimento della temperatura entro il serbatoio, quando la resistenza viene ripetutamente attivata solo con lo scopo di mantenere la temperatura dell’acqua nel serbatoio entro un ambito prefissato, ottenendo quindi bassi valori di rendimento di produzione.
Scopo dell’invenzione
Scopo della presente invenzione è di fornire un sistema e metodo di produzione di acqua calda che consenta di avere una maggiore efficienza rispetto a quelli noti, consentendo un’adattabilità alle normative più recenti che impongono minori consumi di energia elettrica. Concetto dell’invenzione
Lo scopo viene raggiunto con le caratteristiche della rivendicazione principale. Le sottorivendicazioni rappresentano soluzioni vantaggiose.
Effetti vantaggiosi dell’invenzione
La soluzione in conformità con la presente invenzione, attraverso il notevole apporto creativo il cui effetto costituisce un immediato e non trascurabile progresso tecnico, presenta diversi vantaggi.
Il sistema di produzione di acqua calda e relativo metodo secondo la presente invenzione risultano maggiormente efficienti rispetto alle soluzioni note.
Ulteriormente il sistema inventivo ha caratteristiche tali da renderlo idoneo alla installazione, ad esempio anche per sostituzione di un boiler della tecnica anteriore, nei casi in cui le normative vietano l'utilizzo di apparecchiature di riscaldamento che utilizzino esclusivamente l'effetto Joule.
Il sistema inventivo, quindi, consente una maggiore adattabilità e facilità di installazione e uso anche nei casi in cui il ricorso ad apparecchiature alternative ai boiler tradizionali sarebbe eccessivamente dispendioso a causa della necessità di rivedere completamente l’installazione provvedendo alla fornitura di mezzi di riscaldamento addizionali o diversi che richiedono ulteriori alimentazioni o tubazioni o dispositivi come ad esempio sistemi a gas o solari termici o fotovoltaici.
Il sistema inventivo comporta limitate complicazioni realizzative/costruttive all’apparecchiatura con la conseguenza di ottenere un sistema di semplice realizzazione che al contempo garantisce un elevato rendimento massimo teorico di produzione.
Descrizione dei disegni
Viene di seguito descritta una soluzione realizzativa con riferimento ai disegni allegati da considerarsi come esempio non limitativo della presente invenzione in cui:
Fig.1 rappresenta una vista schematica del sistema di produzione di acqua calda inventivo.
Descrizione dell’invenzione
La presente invenzione riguarda un sistema ed un metodo di produzione di acqua calda con accumulo.
Il sistema di produzione di acqua calda (1) comprende (Fig.1) un serbatoio (2) il quale è preferibilmente realizzato mediante abbinamento di un involucro (24) abbinato ad una coibentazione (25). Ad esempio, l’involucro (24) può essere un involucro metallico e la coibentazione (25) può essere costituita da un contenitore coibentato e smaltato per raccogliere e conservare l’acqua riscaldata. Lo smalto svolge la funzione di protezione dell’acqua dalla contaminazione in modo da mantenere i requisiti di potabilità dell’acqua conservata.
Ad esempio il serbatoio (2) può avere una capienza dell’ordine da 10 litri fino anche a 120 litri o superiore. Il serbatoio (2) è preferibilmente metallico (acciaio, alluminio, ecc.) dotato di rivestimento isolante esterno, classificabile 3XS-XXS-XS-S-M, secondo la classificazione dei bollitori elettrici in base alla capacità indicata nella direttiva CE 125/2015.
Eventuali trattamenti antiossidanti interni (vetrificazione, passivazione, ecc.) garantiscono il mantenimento dei requisiti di potabilità dell’acqua (26) contenuta.
Il serbatoio (2) è dotato di un ingresso (9) per l’ingresso dell’acqua fredda da scaldare ed è dotato di una uscita (10) per l’uscita dell’acqua calda scaldata ed accumulata entro il serbatoio (2) stesso.
Il serbatoio (2) comprende una o più resistenze (14) elettriche ad alta conducibilità per diffondere il calore prodotto per effetto Joule verso l’acqua fredda in modo tale da riscaldarla. Nel seguito della presente descrizione si farà riferimento ad una resistenza (14) elettrica ma sarà evidente ad un esperto del ramo che si intendono comprese sia soluzioni con una singola resistenza elettrica come pure soluzioni comprendenti un insieme di resistenze elettriche disposte secondo schemi di connessione in serie o in parallelo. La resistenza (14) elettrica è posizionata internamente al serbatoio (2), a contatto con l’acqua (26) da riscaldare ed è preferibilmente posizionata superiormente al serbatoio (2), in cui in termine “superiormente” è inteso come riferito alla direzione della forza di gravità ed all’orientamento del serbatoio (2). Come sarà specificato nel seguito della presente descrizione, la resistenza (14) elettrica è un primo sistema di riscaldamento composto da una resistenza elettrica ausiliaria ad immersione di tipo corazzato.
Internamente al serbatoio (2) è presente ulteriormente uno stratificatore (20), il quale consente di ottimizzare il funzionamento del sistema. Lo stratificatore (20) è elemento interno che favorisce l’effetto di stratificazione dell’acqua (26) contenuta nel serbatoio (2). Infatti, come sarà spiegato nel seguito della presente descrizione, il sistema (1) comprende ulteriormente mezzi di riscaldamento addizionali (15, 16, 17) posti inferiormente al serbatoio (2) i quali lavorano in modo autonomo o in combinazione con la resistenza (14). Lo stratificatore (20), quindi, agisce sull’acqua calda prodotta nella parte inferiore del serbatoio incanalandola, grazie al moto convettivo ascensionale naturale, superiormente e realizzando una lente di acqua calda immediatamente disponibile per il prelievo, funzionamento tipico di prelievi frequenti e di bassa quantità. La stratificazione forzata permette di ottenere una quantità maggiore di acqua disponibile in tempi ridotti.
Il serbatoio (2) comprende ulteriormente dispositivi di rilevamento della temperatura dell’acqua interna come ad esempio una prima sonda (18) posizionata nella zona superiore del serbatoio dove è presente l’acqua a temperatura maggiore ed una seconda sonda (19) posizionata nella zona inferiore del serbatoio dove è presente l’acqua a temperatura minore, i termini superiore e inferiore essendo riferiti rispetto alla forza di gravità. I dispositivi di rilevamento della temperatura sono collegati a rispettivi ingressi di un dispositivo di controllo (3) del sistema di produzione di acqua calda (1). Ad esempio, la prima sonda (18) potrà essere collegata ad un primo ingresso del dispositivo di controllo (3) e la seconda sonda (19) potrà essere collegata ad un secondo ingresso del dispositivo di controllo (3).
Il dispositivo di controllo (3) è dotato di un dispositivo di elaborazione (27) e controlla il funzionamento del sistema di produzione di acqua calda (1). Il dispositivo di elaborazione (27) potrà essere ad esempio un microprocessore, un microcontrollore, una logica programmabile o equivalenti. Una prima uscita del dispositivo di controllo (3) gestisce l’accensione e lo spegnimento della resistenza (14) di riscaldamento dell’acqua (26). Preferibilmente la prima uscita del dispositivo di controllo (3) comanda un primo relè (21) o dispositivo interruttore equivalente, il quale a sua volta attiva e disattiva la trasmissione della potenza elettrica alla resistenza (14) di riscaldamento la quale proviene da un rispettivo primo alimentatore (11). Ad esempio, la resistenza (14) di riscaldamento può essere alimentata mediante tensione di rete (230 V, tensione alternata).
Vantaggiosamente, il sistema di produzione di acqua calda (1) inventivo è di tipo ibrido, in quanto utilizza la resistenza (14) di riscaldamento in abbinamento con i mezzi di riscaldamento addizionali (15, 16, 17) in forma di una pompa di calore statica basata su celle termiche ad effetto Peltier, il termine “statico” essendo inteso nel senso che i mezzi di riscaldamento addizionali (15, 16, 17) con celle termiche ad effetto Peltier non comprendono fluidi circolanti o organi in movimento tradizionalmente presenti nelle pompe di calore.
Il risultato ottenibile dall'utilizzo del sistema di produzione di acqua calda (1) illustrato permette di realizzare un’apparecchiatura con un'efficienza energetica con coefficiente di prestazione ("Coefficient Of Performance” o COP) globale maggiore di 1, risultato più performante degli attuali boiler elettici disponibili sul mercato che si basano solamente sul ricorso all’effetto Joule per il riscaldamento dell'acqua mediante resistenze elettriche. Un’apparecchiatura con tali caratteristiche ne permette l'installazione nei casi in cui è vietato l'utilizzo di apparecchiature di riscaldamento che utilizzino esclusivamente l'effetto Joule. Infatti, la cella termica qui utilizzata sfrutta l'effetto Peltier ed è assimilabile concettualmente ad una pompa di calore statica. L’utilizzo di sistemi con efficienza maggiore comporta comunque un minor consumo, una riduzione del costo di gestione ed una riduzione delle emissioni inquinanti.
L’alimentazione elettrica dei mezzi di riscaldamento addizionali (15, 16, 17) in forma di celle termiche ad effetto Peltier avviene tramite un secondo alimentatore (12), il quale è un alimentatore stabilizzato lineare a corrente continua con tensione e corrente regolabili secondo le specifiche elettriche di funzionamento delle celle termiche. Preferibilmente, una seconda uscita del dispositivo di controllo (3) comanda un secondo relè (22) o dispositivo interruttore equivalente, il quale a sua volta attiva e disattiva la trasmissione della potenza elettrica ai mezzi di riscaldamento addizionali (15, 16, 17) la quale proviene dal rispettivo secondo alimentatore (12).
Il dispositivo di controllo (3) potrà essere alimentato tramite un rispettivo terzo alimentatore (13).
Il sistema di produzione di acqua calda (1) nel suo complesso è dotato di una connessione di alimentazione (8) tramite la quale viene preferibilmente distribuita l’alimentazione a tutti i componenti del sistema, compresi gli alimentatori (11, 12, 13).
Il sistema di produzione di acqua calda (1) comprende ulteriormente mezzi di interfacciamento (4) i quali potranno comprendere, ad esempio, un display (23) di visualizzazione, una tastiera (7) di programmazione o per impartire comandi, uno o più selettori (5, 6) come ad esempio un primo selettore (5) ed un secondo selettore (6). Ad esempio, tutti i mezzi di interfacciamento (4) potranno essere raccolti in un pannello unico per controllo da parte di un operatore o di un utente. Ulteriormente, potrà essere presente anche una porta di collegamento (34) per programmazione o aggiornamento del dispositivo di controllo (3), diagnostica, misurazione di parametri del sistema, scaricamento di dati storici di funzionamento, gestione di allarmi o altre funzioni analoghe. A solo titolo di esempio, la porta di collegamento (34) potrà essere una porta seriale ma sarà evidente che si potranno prevedere differenti implementazioni a seconda delle esigenze e la porta di collegamento (34) potrà anche comprendere mezzi di collegamento senza fili per apertura di un canale di comunicazione con un dispositivo portatile dell’operatore dell’utente.
La realizzazione tipica dell'apparecchiatura è di tipo monoblocco con serbatoio (2) formato da involucro (24) protettivo che ingloba al suo interno la coibentazione (25) protettiva di contenimento, la resistenza (14) di riscaldamento e i mezzi di riscaldamento addizionali (15, 16, 17) in forma di una pompa di calore statica basata su celle termiche ad effetto Peltier. Preferibilmente ma non necessariamente anche il dispositivo di controllo (3) e gli alimentatori (11, 12, 13) e mezzi di interfacciamento (4) sono integrati nella struttura monoblocco ma sarà evidente che si potranno prevedere anche soluzioni in cui uno o più di tali elementi, come ad esempio il dispositivo di controllo (3), sono elementi separati rispetto al serbatoio (2) senza uscire dall’ambito della presente invenzione. L’apparecchiatura potrà essere strutturata per installazione a parete o sotto-lavello.
L'acqua calda può venire prodotta in combinazione dalla azione di resistenza (14) di riscaldamento e mezzi di riscaldamento addizionali (15, 16, 17) comprendenti un dispositivo di trasferimento del calore (15) in forma di gruppo di celle termiche ad effetto Peltier.
La resistenza (14) di riscaldamento e il dispositivo di trasferimento del calore (15) possono avere funzionamento alternato o contemporaneo, in base alle esigenze ed ai parametri di funzionamento impostati. La gestione del funzionamento dei due elementi riscaldanti (14, 15) privilegia l'utilizzo del dispositivo di trasferimento del calore (15) in forma di gruppo di celle termiche ad effetto Peltier per massimizzare il rendimento del sistema di produzione di acqua calda (1) in modo tale da garantire un'efficienza energetica con coefficiente di prestazione (COP) globale maggiore di 1.
Tipicamente, la resistenza (14) di riscaldamento viene utilizzata particolarmente quando viene attivata una funzione di riscaldamento rapido dell’acqua (funzione usualmente indicata con “boost”) per la produzione rapida di acqua calda sanitaria, mentre le celle termiche del dispositivo di trasferimento del calore (15) provvedono al preriscaldamento dell'acqua fredda in ingresso e anche al mantenimento del calore entro il serbatoio (2) dopo il raggiungimento della temperatura desiderata per compensare le progressive perdite di calore non dovute ad un utilizzo di acqua calda sanitaria, come ad esempio durante la fase notturna, oppure a un utilizzo di ridotte quantità di acqua calda sanitaria rispetto alla capienza complessiva del serbatoio (2).
Il secondo sistema di riscaldamento è composto dal dispositivo di trasferimento del calore (15) che comprende uno o più gruppi di celle termiche con collegamento misto serie/parallelo alimentate in corrente continua, con controllo di corrente e tensione che permette di ottimizzare il funzionamento delle celle termiche e di migliorare il rendimento di produzione complessivo del sistema. Ad esempio, si potrà prevedere che il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprenda un primo elemento (16) comprendente celle termiche disposte in corrispondenza di una parete di fondo del serbatoio (2) e un secondo elemento (17) comprendente celle termiche disposte in corrispondenza di una parete laterale del serbatoio (2) in prossimità del fondo del serbatoio (2). La configurazione illustrata con elementi disposti sul fondo e lateralmente è particolarmente vantaggiosa in quanto consente di aumentare la capacità di riscaldamento operata mediante il dispositivo di trasferimento del calore (15), conseguentemente potendo ridurre l’apporto di calore generato mediante la resistenza (14) e quindi aumentando l’efficienza del sistema di produzione di acqua calda (1) nel suo complesso.
Le celle termiche possono essere collegate tra di loro in serie o in parallelo o con soluzione mista serie/parallelo. La combinazione delle tipologie di collegamento descritta permette di combinare i singoli moduli di celle a effetto Peltier compatibilmente con le caratteristiche prestazionali intrinseche e con le esigenze funzionali del sistema. Il collegamento serie/parallelo permette anche di ottenere dei dispositivi alimentanti in bassa tensione, ad esempio a 48V, riducendo proporzionalmente la corrente di alimentazione e le dimensioni dei relativi componenti elettronici di controllo. Ad esempio, l'insieme di celle termiche ad effetto Peltier può comprendere primi gruppi di celle termiche reciprocamente collegate in serie, oppure secondi gruppi di celle termiche reciprocamente collegate in parallelo, oppure primi gruppi di celle termiche reciprocamente collegate in serie in cui i primi gruppi di celle termiche sono reciprocamente collegati in parallelo costituendo così i secondi gruppi di celle termiche, con ottenimento di una configurazione mista serie/parallelo di connessione delle celle termiche.
Il gruppo di celle termiche, comprendente il primo elemento (16) ed il secondo elemento (17), è fissato nella parte inferiore del serbatoio (2) per sfruttare l’effetto di stratificazione naturale dell’acqua calda contenuta nel serbatoio (2). Essendo la posizione inferiore del serbatoio (2) anche la posizione in cui è presente la tubazione di ingresso (9) di acqua fredda nel serbatoio (2), durante il funzionamento, tale porzione del serbatoio (2) si troverà sempre alla condizione di minima temperatura anche grazie al prelievo di acqua calda che avviene invece nella parte alta del serbatoio (2) tramite l’uscita (10) per l’acqua calda.
Il gruppo di celle termiche è preferibilmente fissato al serbatoio con collante o adesivo termico in posizione ventilata in modo tale che un primo lato (31) delle celle o lato freddo sia rivolto verso l’esterno del serbatoio (2) per prelievo del calore dall’ambiente circostante e un secondo lato (32) delle celle o lato caldo sia in condizione di aderenza con la parete del serbatoio (2) per trasferimento del calore prelevato dal primo lato (31) verso l’interno del serbatoio (2) e conseguente riscaldamento dell’acqua (26) contenuta nel serbatoio (2) stesso. Per ottimizzare il funzionamento del gruppo di celle termiche il suo lato freddo potrà essere dotato di dissipatori, in questo caso con funzione di assorbitori di calore ambiente, con convezione naturale. In alcune forme di realizzazione di prevede il ricorso anche a ventilazione forzata tramite una o più ventole (non raffigurate). Conseguentemente, si potrà prevedere che sia presente almeno un sistema di favorimento della convezione di calore delle celle termiche in cui il sistema di favorimento della convezione di calore è selezionato tra:
- dissipatore per convezione di tipo naturale;
- ventola per convezione di tipo forzato.
La singola cella termica, in forma di cella di Peltier o modulo termoelettrico a cella di Peltier, è un dispositivo elettrico che, quando è alimentato con corrente continua, sviluppa una differenza di temperatura sulle due facce dell'elemento; tale effetto permette di realizzare una “pompa di calore statica" in quanto il lato caldo della cella trasferisce verso il serbatoio (2) la potenza elettrica assorbita ed anche la quota di calore che il lato freddo dell’elemento assorbe dall'ambiente circostante.
L'utilizzo tipico delle celle di Peltier è per il raffreddamento di apparecchiature e dispositivi elettronici dove la presenza di una superficie fredda riesce ad assorbire il calore e a trasferirlo sul lato caldo dove viene disperso in ambiente. Il dissipatore della cella viene quindi dimensionato per smaltire la quota di energia fredda (Pf) ed anche la componente termica generata per effetto Joule dalla corrente elettrica assorbita (Pe) ovvero per la loro somma Pf Pe indicata con Pt (Potenza termica). Nell'apparecchiatura oggetto della presente invenzione, invece, la potenza. termica ottenuta, e la relativa energia, viene utilizzata e non dissipata nell’ambiente; la relazione generale diventa quindi:
(a) Pt = Pe Pf
Essendo la componente Pe relativa alla porzione di corrente elettrica assorbita convertita in calore per effetto Joule, con coefficiente di prestazione COP=1, il bilancio energetico finale è maggiore di 1 in quantità pari all’apporto fornito della potenza fredda (Pf) assorbita dall'ambiente e trasferita al serbatoio (2) al ciclo complessivo.
L’effetto naturale di stratificazione dell’acqua con flusso (29) di acqua calda verso l’alto e mantenimento dell’acqua fredda più in basso nel serbatoio (2), viene favorito dalla presenza dello stratificatore (20), i termini alto e basso essendo riferiti rispetto alla forza di gravità e alla direzione di installazione del sistema di riscaldamento.
Lo stratificatore (20) permette di ottenere e/o di mantenere il lato inferiore del serbatoio (2) ad una temperatura di lavoro inferiore rispetto al parametro richiesto di temperatura finale dell’acqua che viene rilevato nella parte superiore del serbatoio (2) tramite la prima soda (18) di temperatura, posizionata nella zona di azione della resistenza (14) di riscaldamento a funzionamento elettrico per effetto Joule che viene utilizzata per integrare l’effetto di riscaldamento dell’acqua (26) ottenuto mediante il trasferimento di calore (33) operato tramite il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier. In pratica, la porzione inferiore del serbatoio (2) contenente l’acqua a temperatura inferiore viene utilizzata in condizioni ideali per favorire il trasferimento di calore (33) in quanto tale porzione viene di fatto utilizzata come “dissipatore” per il gruppo di celle termiche ad effetto Peltier. Il funzionamento delle celle risulta infatti tanto più energeticamente efficiente quanto minore è la temperatura raggiunta dal suo lato caldo, cioè il secondo lato (32), ovvero quanto minore è la differenza di temperatura.
Se ipotizziamo, ad esempio, che la temperatura inferiore sul lato freddo delle celle, cioè il primo lato (31), sia pari a circa 20 °C, e ipotizzando che il gruppo di celle termiche lavori, ad esempio, con una differenza di temperatura DeltaT di 20 °C, parametro progettuale ampiamente cautelativo per garantirne il funzionamento e la durata, allora si genera sul lato caldo delle celle, cioè il secondo lato (32) una temperatura di 40 °C, compatibile con la funzione di riscaldamento per la produzione di acqua calda sanitaria che, se ad esempio viene immessa ad una temperatura di immissione di circa 20 °C o inferiore garantisce un ottimale trasferimento di calore dal lato caldo delle celle, cioè il secondo lato (32), verso l’acqua (26) contenuta nel serbatoio in corrispondenza del fondo dello stesso. Con riferimento alla temperatura di immissione dell’acqua entro il serbatoio (2), occorre osservare che il valore progettuale dell’acqua fredda immessa è inferiore al valore indicato per la valutazione, essendo tipicamente pari a circa 10-12°C. Il contributo di produzione di calore da parte delle celle termiche è perciò interessante riscaldando l’acqua già con una temperatura del lato caldo di 30-40°C.
La gestione del parametro DeltaT, caratteristico di funzionamento del gruppo di celle termiche, viene effettuato agendo sui valori tensione/corrente di alimentazione elettrica tramite il dispositivo di controllo (3). Il dispositivo di controllo (3) rileva, tramite la seconda sonda (19), la temperatura del lato inferiore del serbatoio (2) e provvede ad alimentare elettricamente il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente il gruppo di celle termiche con i valori ottimali di tensione e corrente propri della/e cella/e, al fine di generare in corrispondenza del lato caldo della cella, o secondo lato (32), una temperatura superficiale tale da permettere il riscaldamento dell’acqua (26) contenuta nel serbatoio e di limitare la temperatura superficiale del lato freddo, o primo lato (31), evitando eventuali problematiche di formazione di condensa.
Il posizionamento delle celle termiche del dispositivo di trasferimento del calore (15) sul lato inferiore del serbatoio (2) permette, quindi, di riscaldare l’acqua (26) contenuta e di generare uno strato lenticolare superficiale di acqua calda a temperatura maggiore che, per effetto della naturale convezione ed amplificato dal cono stratificatore o stratificatore (20), tenderà a raggiungere la parte superiore del serbatoio (2) fino al raggiungimento di una temperatura di equilibrio che coinciderà con il valore di set-point di funzionamento del sistema di produzione di acqua calda (1). È proprio tale fase di funzionamento con il riscaldamento dell’acqua (26) tramite le celle termiche del dispositivo di trasferimento del calore (15) che permette al sistema (1) di aumentare il rendimento e quindi il coefficiente di prestazione (COP).
Il flusso (29) verticale ascendente dell’acqua calda, riscaldata dalle celle termiche del dispositivo di trasferimento del calore (15), incanalato attraverso l’elemento stratificatore (20) genera un moto discendente di un pari volume di acqua a temperatura inferiore. Un controflusso (30) viene corrispondentemente generato in forma di moto discendente che avviene lungo i bordi esterni del serbatoio (2) grazie alla conformazione geometrica dello stratificatore (20) il quale è configurato in modo da convogliare il flusso (29) di acqua calda in risalita centralmente rispetto al serbatoio (2) e in modo tale da convogliare il contro-flusso (30) di acqua fredda discendente perimetralmente rispetto al serbatoio (2). Il contro-flusso (30) di acqua fredda discendente andrà quindi a sua volta a lambire la porzione inferiore del serbatoio (2) mantenuto caldo dalle celle termiche del dispositivo di trasferimento del calore (15). Quando anche la porzione inferiore del serbatoio (2) raggiungerà il valore di temperatura richiesto/impostato, allora il sistema di produzione di acqua calda (1) potrà considerarsi a regime e si posizionerà in condizione di stand-by fino al successivo prelievo di acqua calda sanitaria attraverso l’uscita (10) oppure fino a quando le dispersioni di calore, seppure minime del serbatoio (2), comporteranno un abbassamento di temperatura dell’acqua (26) inferiore ad una determinata soglia di riattivazione del sistema di produzione di acqua calda (1) che a quel punto attiverà il dispositivo di trasferimento del calore (15) per compensare le perdite in assenza di dissipazione di energia mediante la attivazione della resistenza (14) di riscaldamento, a meno che la richiesta di acqua calda sanitaria sia notevole e non risulti sufficiente la fornitura del solo calore di mantenimento della temperatura dell’acqua nel serbatoio (2).
Il dispositivo di controllo (3) dotato di rispettivo dispositivo di elaborazione (27) gestisce il sistema di produzione di acqua calda (1). Preferibilmente il dispositivo di elaborazione (27), oltre ai moduli usuali come ad esempio un modulo di clock e moduli di memoria, comprende un modulo (28) logico di autoapprendimento "smart" per l’ottimizzazione del profilo di carico richiesto e della logica di gestione del funzionamento dei due sistemi di riscaldamento, cioè la resistenza (14) di riscaldamento ad effetto Joule e il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier.
Il funzionamento del dispositivo di controllo (3) è configurato in modo tale da privilegiare il mantenimento della temperatura dell’acqua (26) nel serbatoio (2) mediante il ricorso al solo dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier. Ciò può avvenire, ad esempio, nella fascia oraria notturna o di minor utilizzo di acqua calda oppure per integrazione/produzione in caso di prelievo di acqua calda in quantità piccole rispetto alla capacità del serbatoio (2). L'utilizzo delle celle termiche del dispositivo di trasferimento del calore (15) per il mantenimento durante le fasce di inattività permette di aumentare il rendimento complessivo del sistema di produzione di acqua calda (1) grazie alla loro maggiore efficienza termica rispetto all’efficienza della resistenza (14) di riscaldamento elettrica. Infatti il funzionamento del dispositivo di controllo (3) è configurato in modo tale da assegnare alla resistenza (14) di riscaldamento elettrica una funzione di integrazione rapida di calore, quando necessario, con funzionamento contemporaneo o alternato dei due sistemi di riscaldamento, cioè la resistenza (14) di riscaldamento ad effetto Joule e il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier.
Il dispositivo di controllo (3) controlla anche i valori di tensione/corrente di alimentazione delle celle termiche tramite il secondo alimentatore (12), il quale è un alimentatore stabilizzato lineare a tensione e corrente regolabile.
I mezzi di interfacciamento (4) con l’utente consentono la regolazione della temperatura di produzione di acqua calda e l’eventuale gestione di profili di carico più o meno performanti secondo configurazioni in cui:
- profili altamente performanti dal punto di vista della rapidità di riscaldamento prevedono una attivazione contemporanea dei due sistemi di riscaldamento, cioè la resistenza (14) di riscaldamento ad effetto Joule e il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier;
- profili mediamente performanti dal punto di vista della rapidità di riscaldamento prevedono una attivazione alternata dei due sistemi di riscaldamento, cioè la resistenza (14) di riscaldamento ad effetto Joule e il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier;
- profili meno performanti dal punto di vista della rapidità di riscaldamento, ma più energeticamente efficienti, prevedono una attivazione del solo dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier.
Dal punto di vista dell’efficienza energetica complessiva del sistema, al fine di massimizzare il valore del coefficiente di prestazione (COP) globale, i profili meno performanti dal punto di vista della rapidità di riscaldamento sono quelli preferibili.
Preferibilmente la gestione della priorità di funzionamento dei due sistemi di generazione di calore, cioè la resistenza (14) di riscaldamento ad effetto Joule e il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier, viene effettuata tramite il modulo (28) logico di autoapprendimento “smart” dei consumi e delle fasce orarie giornaliere di prelievo. Il dispositivo di controllo (3), dotato di orologio settimanale, rileva i tempi di intervento della resistenza (14) di riscaldamento, che corrispondono indicativamente ai periodi di maggior prelievo di acqua calda sanitaria nell’arco delle 24 ore, per generare il profilo di carico effettivo di utilizzo. L’equivalenza del periodo iniziale di funzionamento della resistenza elettrica con il periodo di prelievo di punta è da considerarsi realistica. Infatti, in fase di avviamento del sistema di produzione di acqua calda (1), l’apporto del dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier verrà letto dal dispositivo di controllo (3) come parametro secondario ed integrativo senza produrre valori significativi ai fini dello scostamento dei dati in elaborazione. Indicativamente, il dispositivo di controllo (3), durante il primo periodo di funzionamento (una o due settimane) memorizza i parametri di funzionamento del sistema di produzione di acqua calda (1) e li confronta con un profilo standard di riferimento. Dal confronto dello scostamento dei periodi di utilizzo e prelievo di acqua calda sanitaria reali rispetto al profilo standard di riferimento viene elaborato un profilo di carico di lavoro reale con le relative fasce orarie giornaliere di funzionamento/prelievo. I parametri elaborati forniscono al dispositivo di controllo (3) e al relativo modulo (28) logico di autoapprendimento gli elementi per ottimizzare la priorità di funzionamento del dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche ad effetto Peltier gestendolo in modo tale da garantire, ad esempio, il mantenimento notturno o festivo o di inutilizzo della temperatura nel serbatoio (2).
Il funzionamento ottimale del sistema di produzione di acqua calda (1) e relativo serbatoio (2) con l’ottimizzazione fornita dal modulo (28) logico di autoapprendimento permetterà di ottenere, massimizzando il funzionamento delle celle termiche, un significativo aumento del rendimento del sistema di produzione di acqua calda (1) al contempo limitando al massimo l’utilizzo della resistenza (14) elettrica (coefficiente di prestazione COP= 1). L’aumento di efficienza sarà quindi tanto maggiore quanto maggiore sarà il funzionamento del dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche rispetto al funzionamento della resistenza (14) elettrica e tanto maggiore quanto maggiore sarà la potenza termica fornita all’acqua dalle celle termiche rispetto alla potenza termica fornita dalla resistenza elettrica.
Per quanto sopra esposto il dispositivo di controllo (3) sarà dotato di un comando “Eco” che inibisce il funzionamento della resistenza (14) elettrica a fronte di una prestazione di erogazione di acqua calda sanitaria minore ma con rendimento massimo.
Indicativamente, il sistema di produzione di acqua calda (1) potrà prevedere, ad esempio, tre modalità di funzionamento:
- modalità automatica che prevede una gestione del riscaldamento dell’acqua nel serbatoio (2) automatica controllata da modulo (28) logico di autoapprendimento tramite sia il dispositivo di trasferimento del calore (15) che tramite la resistenza (14) elettrica;
- modalità eco che prevede una gestione del riscaldamento dell’acqua nel serbatoio (2) solo tramite il dispositivo di trasferimento del calore (15) in assenza di intervento della resistenza (14) elettrica;
- modalità boost che prevede una gestione del riscaldamento dell’acqua nel serbatoio (2) in modo rapido dando la priorità di generazione di calore alla generazione tramite la resistenza (14) elettrica con eventuale intervento in contemporanea o in modalità alternata anche del dispositivo di trasferimento del calore (15).
Il dispositivo di controllo (3) gestisce il funzionamento delle celle termiche del dispositivo di trasferimento del calore (15) in base al consenso del modulo (28) logico di autoapprendimento agendo sull’alimentazione elettrica e sui parametri Tensione/Corrente caratteristici. L’alimentazione elettrica delle celle avviene tramite l’alimentatore stabilizzato lineare a corrente continua con tensione e corrente regolabili secondo le specifiche elettriche di funzionamento delle celle stesse. La determinazione dei valori ottimali (Volt-Ampere) viene ottenuta valutando i parametri elettrici dei singoli moduli termici ed il loro collegamento serie/parallelo/misto.
Il dispositivo di controllo (3) e relativo modulo (28) logico di autoapprendimento ricevono in ingresso i parametri di gestione comprendenti la temperatura misurata tramite la prima sonda (18) posizionata nella zona superiore del serbatoio dove è presente l’acqua a temperatura maggiore, la temperatura misurata tramite la seconda sonda (19) posizionata nella zona inferiore del serbatoio dove è presente l’acqua a temperatura minore, parametri funzionamento relativi alle modalità di funzionamento modalità automatica / modalità eco / modalità boost.
Il dispositivo di controllo (3) e relativo modulo (28) logico di autoapprendimento forniscono in uscita il comando accensione della resistenza (14) di riscaldamento elettrica e il comando di accensione del dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche, in base al profilo di funzionamento selezionato.
Prove sperimentali con prototipo
A supporto di quanto sopra descritto è stata effettuata una verifica pratica con l‘obiettivo di valutare l'efficacia della soluzione e di verificare l'efficienza energetica del sistema di produzione di acqua calda (1) comprendente le celle di Peltier in una applicazione che prevede il ricorso a tali celle per il riscaldamento di acqua sanitaria, decisamente diversa dal normale utilizzo di tali dispositivi normalmente usati per il raffreddamento di componenti elettronici.
Per la verifica dell'effettivo apporto della tecnologia a pompa di calore statica mediante celle di Peltier, è stato realizzato un prototipo sostanzialmente composto da:
i) Serbatoio (2) di accumulo;
ii) Dispositivo di trasferimento del calore (15) comprendente le celle termiche a effetto Peltier; iii) Alimentatore elettrico e strumenti di misura.
Il serbatoio (2) accumulo è composto da un contenitore in alluminio della capacità utile di 3 litri altamente coibentato per minimizzare la dispersione termica, la quale risulta quindi trascurabile ai fini del calcolo relativo alla prova sperimentale di conferma e validazione della soluzione adottata. L'acqua contenuta all'interno è a pressione ambiente.
Il dispositivo di trasferimento del calore (15) è stato realizzato mediante una cella termica a effetto Peltier la quale è stata incollata sul fondo del serbatoio (2) in modo tale che il rispettivo primo lato (31) o lato freddo della cella fosse esposto verso l’ambiente e in modo tale che il rispettivo secondo lato (32) o lato caldo della cella fosse in condizione di adesione con il serbatoio (2). Per il fissaggio della cella a effetto Peltier al serbatoio si è utilizzato un collante termicamente conduttivo.
Le caratteristiche della cella a effetto Peltier utilizzata per la sperimentazione sono riportate in tabella 1.
Tabella 1
L'alimentazione della cella ad effetto Peltier è stata effettuata con un alimentatore a corrente continua a tensione fissa del tipo non stabilizzato. I parametri di assorbimento della cella sono stati rilevati con voltmetro digitale (sensibilità 0,1V) e pinza amperometrica per corrente continua (sensibilità 0.01A). La rilevazione della temperatura finale raggiunta dell'acqua e dal contenitore metallico è stata rilevata con misuratore a contatto costituito da una sonda NTC (sensibilità 0.1°C).
Le misurazioni elettriche sono state effettuate per un periodo di un'ora con intervallo di 5 minuti di rilevazione dei valori di tensione assorbiti dalla cella termica. Per la stima della potenza termica accumulata sono state rilevate le temperature iniziali e finali dell'acqua (26) nel serbatoio (2) e la temperatura finale del contenitore metallico del serbatoio (2).
La potenza termica accumulata dal sistema è composta dalla quota accumulata dell'acqua e da quella accumulata dal serbatoio (2). I valori rilevati sono i seguenti:
- Temperatura iniziale acqua (26) = Temperatura iniziale serbatoio (2) = 20.3 °C
- Temperatura finale acqua (26) = Temperatura finale serbatoio (2) = 28.5 °C
Da cui si ricava un salto termico DeltaT = 25.5 °C – 20.3 °C = 8.2 °C.
Dalla relazione Q = massa x calore specifico x DeltaT è possibile determinare la quota di calore assorbita in un'ora dal fluido, cioè l’acqua (26), e dal contenitore metallico del serbatoio (2).
In generale, per il calcolo del calore assorbito vale la formula:
(b) Q = massa x calore specifico x DeltaT
Per quanto riguarda il calore assorbito dall'acqua (26), tenendo in considerazione che il contenuto d'acqua utilizzato è stato pari a 3 litri e ha un calore specifico di 4.18 kJ/kg°C, la precedente formula (b) consente di calcolare l'energia accumulata dall’acqua (26), ottenendo: QAcqua = = (V x d) x cs x DeltaT = (3 litri x 0.997 kg/ litro) x 4.18 kJ/kg°C x 8.2°C = 102.52 kJ Per quanto riguarda il calore assorbito dal serbatoio (2), tenendo in considerazione che il serbatoio è realizzato in alluminio di 0,473 kg e ha un calore specifico di 0.9 kJ/kg°C, la precedente formula (b) consente di calcolare l'energia accumulata dal serbatoio (2), ottenendo: Qserbatoio = m x cs x DeltaT = 0.473 kg x 0.9 kJ/kg°C x 8.2°C = 3.49 kJ.
Ne risulta che il calore termico complessivamente assorbito dal sistema è pari a:
QTermico = QAcqua Qserbatoio = 102.52 kJ 3.49 kJ = 106.01 kJ
Per quanto riguarda la potenza elettrica assorbita, i parametri elettrici di tensione e corrente misurati durante la prova, della durata di un'ora e con intervallo di misura di 5 minuti, sono riportati in tabella 2.
Tabella 2
Per il calcolo della energia elettrica assorbita dal sistema, adottando una approssimazione lineare, giustificata dall’andamento delle misurazioni effettuate, si può ricorrere alla regola del trapezio o di Stevino, applicando la formula seguente (c), la quale deve essere applicata per ciascun intervallo di misurazione per il calcolo dell’energia assorbita in ciascun intervallo e, per ottenere il valore finale di energia elettrica totale assorbita è necessario fare la sommatoria dell’energia elettrica assorbita in ciascun intervallo di misurazione.
(c)
In cui (b-a) rappresenta un intervallo di misurazione espresso in frazione di ora, cioè 5/60 ore e f(a) f(b) rappresenta la somma dei valori di potenza istantanea misurata in corrispondenza delle estremità di ciascun intervallo di misurazione.
Applicando tale metodologia ai valori misurati si ottiene:
Energia Elettrica assorbita = 23.98 Wh = 86.33 kJ
Se si considera l'energia termica accumulata come quantità di calore utile Q (ovvero immessa nel sistema) e l'energia elettrica assorbita come il lavoro utilizzato (L), è possibile determinare il rendimento del sistema ovvero il coefficiente di prestazione (COP) tipico della pompa di calore:
COP = Q/L
Il parametro coefficiente di prestazione (COP) numericamente coincide con il l'indice hwh (efficienza energetica di riscaldamento dell’acqua) citato nella direttiva attuativa 2009/125/CE.
Il valore del coefficiente di prestazione (COP) del sistema di produzione ACS con la cella termica è pari a:
COP = Q/L = 106.01 kJ / 86.33 kJ = 1.228
Lo scopo del test effettuato è stato quello di determinare e verificare il funzionamento ed il rendimento della cella termica utilizzata come generatore di calore, assimilabile ad una pompa di calore di tipo statico ovvero con un coefficiente di prestazione (COP) maggiore di 1, nel caso di applicazione come sistema di produzione di calore da utilizzare in un sistema per produzione di acqua calda.
Il sistema considerato permette quindi di ottenere, anche combinando il funzionamento della resistenza elettrica di integrazione, un rendimento comunque superiore al 100%. Il rendimento del sistema sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà l’utilizzo della cella termica in alternativa alla resistenza elettrica.
La gestione della priorità di funzionamento dei due sistemi (con la funzione di autoapprendimento dei consumi) è decisiva per l’ottenimento della massima efficienza. Indicativamente, il funzionamento della cella sarà per il mantenimento della temperatura (ad es. fascia notturna o di assenza di prelievo) e per il preriscaldamento dell'acqua in ingresso.
Un’apparecchiatura con tali requisiti di efficienza può trovare un'applicazione pratica in alternativa agli scaldacqua convenzionali elettrici normalmente disponibili sul mercato.
ll sistema di ottimizzazione del funzionamento dei due dispositivi di riscaldamento dell’acqua, atto a privilegiare il risparmio durante le fasi di stand-by, possiede la caratteristica rientrante tra le prescrizioni richiamate dalla Direttiva del Parlamento Europeo e del Consiglio 200/125/CE, che per tali dispositivi prevede che come principio generale e ove opportuno, il consumo energetico dei prodotti connessi all’energia in stand-by o quando sono disattivati dovrebbe essere ridotto al minimo necessario per il loro adeguato funzionamento.
In definitiva, la presente invenzione riguarda un sistema di produzione di acqua calda (1) del tipo comprendente un serbatoio (2) di accumulo di acqua (26) e un dispositivo di controllo (3) del sistema, in cui il serbatoio (2) è dotato di un ingresso (9) per l’ingresso dell’acqua fredda per suo riscaldamento ed è dotato di una uscita (10) per l’uscita dell’acqua calda accumulata entro il serbatoio (2). Il serbatoio (2) comprende una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule e un dispositivo di trasferimento del calore (15) per riscaldamento dell’acqua (26) mediante trasferimento di calore ambientale, il serbatoio (2) comprendente ulteriormente una o più sonde (18, 19) di temperatura per la misura della temperatura dell’acqua (26) nel serbatoio (2). Il dispositivo di trasferimento del calore (15) è costituito da un insieme di celle termiche ad effetto Peltier realizzanti una pompa di calore statica, ciascuna delle celle termiche ad effetto Peltier essendo fissata a contatto con il serbatoio (2), in modo tale che un primo lato (31) delle celle o lato freddo sia rivolto verso l’esterno del serbatoio (2) per prelievo del calore dall’ambiente circostante e un secondo lato (32) delle celle o lato caldo sia in condizione di aderenza con la parete del serbatoio (2) per trasferimento del calore prelevato dal primo lato (31) verso l’interno del serbatoio (2) e conseguente riscaldamento dell’acqua (26) contenuta nel serbatoio (2).
La presente invenzione riguarda anche un metodo di produzione di acqua calda tramite un sistema di produzione di acqua calda (1) del tipo comprendente un serbatoio (2) di accumulo di acqua (26) e un dispositivo di controllo (3) del sistema, in cui il serbatoio (2) è dotato di un ingresso (9) per l’ingresso dell’acqua fredda per suo riscaldamento ed è dotato di una uscita (10) per l’uscita dell’acqua calda accumulata entro il serbatoio (2), il serbatoio (2) comprendente una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule e un dispositivo di trasferimento del calore (15) per riscaldamento dell’acqua (26) mediante trasferimento di calore ambientale, in cui il sistema di produzione di acqua calda (1) è realizzato secondo quanto descritto. Il metodo comprende i seguenti passi:
(i) rilevamento di una o più temperature dell’acqua (26) in corrispondenti posizioni entro il serbatoio (2) tramite una o più sonde (18, 19) di temperatura dell’acqua (26);
(ii) valutazione di un livello di riscaldamento in funzione di uno o più parametri comprendenti almeno uno tra:
- temperature dell’acqua (26) rilevate al passo (i);
- attivazione di prelievo di acqua (26) dal serbatoio (2) tramite l’uscita (10) di acqua; - integrazione di acqua nel serbatoio (2) tramite l’ingresso (9) di acqua;
(iii) selezione di un profilo di riscaldamento selezionato tra almeno due profili di funzionamento tra i quali:
(a) un primo profilo di funzionamento per riscaldamento rapido, con attivazione contemporanea di una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule e dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito dall’insieme di celle termiche ad effetto Peltier;
(b) un secondo profilo di funzionamento per riscaldamento ad elevata efficienza, con attivazione del solo dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito dall’insieme di celle termiche ad effetto Peltier.
In una forma di realizzazione il passo (iii) di selezione del profilo di riscaldamento può essere un passo di selezione di un profilo di riscaldamento selezionato tra almeno tre profili di funzionamento tra i quali detto primo profilo (a) di funzionamento per riscaldamento rapido, detto secondo profilo (b) di funzionamento per riscaldamento ad elevata efficienza ed un ulteriore terzo profilo di funzionamento (c) costituito da prime e seconde fasi alternate di attivazione in cui:
- nelle prime fasi sono attivate le una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule in assenza di attivazione del dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito dall’insieme di celle termiche ad effetto Peltier;
- nelle seconde fasi è attivato il dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito dall’insieme di celle termiche ad effetto Peltier in assenza di attivazione delle una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule.
Il metodo di produzione di acqua calda può ulteriormente comprendere una fase di autoapprendimento realizzata per mezzo di un modulo (28) logico di autoapprendimento per ottimizzazione di profilo di carico richiesto e logica di gestione di funzionamento delle una o più resistenze (14) elettriche e del dispositivo di trasferimento del calore (15) in funzione di dati rilevati di attivazione di richiesta di acqua (26) dal serbatoio (2) relativamente a fasce orarie giornaliere in combinazione con giorni settimanali di utilizzo di acqua (26), in modo tale che una durata complessiva di primi periodi di attivazione del dispositivo di trasferimento del calore (15) sia maggiore rispetto a una durata complessiva di secondi periodi di attivazione delle una o più resistenze (14) elettriche.
La descrizione della presente invenzione è stata fatta con riferimento alle figure allegate in una forma di realizzazione preferita della stessa, ma è evidente che molte possibili alterazioni, modifiche e varianti saranno immediatamente chiare agli esperti del settore alla luce della precedente descrizione. Così, va sottolineato che l'invenzione non é limitata dalla descrizione precedente, ma include tutte quelle alterazioni, modifiche e varianti in conformità con le annesse rivendicazioni.
NOMENCLATURA UTILIZZATA
Con riferimento ai numeri identificativi riportati nelle figure allegate, si è usata la seguente nomenclatura:
1. Sistema per produzione acqua calda
2. Serbatoio
3. Dispositivo di controllo
4. Mezzi di interfacciamento
5. Primo selettore
6. Secondo selettore
7. Tastiera
8. Connessione di alimentazione
9. Ingresso acqua
10. Uscita acqua
11. Primo alimentatore
12. Secondo alimentatore
13. Terzo alimentatore
14. Resistenza
15. Dispositivo di trasferimento del calore 16. Primo elemento
17. Secondo elemento
18. Prima sonda
19. Seconda sonda
20. Stratificatore d’acqua
21. Primo relè
22. Secondo relè
23. Display
24. Involucro
25. Coibentazione
26. Acqua
27. Dispositivo di elaborazione
28. Modulo logico di autoapprendimento 29. Flusso
30. Contro-flusso
31. Primo lato
32. Secondo lato
33. Calore
34. Porta di collegamento

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di produzione di acqua calda (1) del tipo comprendente un serbatoio (2) di accumulo di acqua (26) e un dispositivo di controllo (3) del sistema, in cui il serbatoio (2) è dotato di un ingresso (9) per l’ingresso di acqua fredda per suo riscaldamento ed è dotato di una uscita (10) per l’uscita di acqua calda accumulata entro il serbatoio (2), il serbatoio (2) comprendente una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule e un dispositivo di trasferimento del calore (15), il serbatoio (2) comprendente ulteriormente una o più sonde (18, 19) di temperatura per la misura della temperatura dell’acqua (26) nel serbatoio (2), caratterizzato dal fatto che il dispositivo di trasferimento del calore (15) è costituito da un insieme di celle termiche ad effetto Peltier realizzanti una pompa di calore statica per riscaldamento dell’acqua (26) mediante trasferimento di calore ambientale, ciascuna delle celle termiche ad effetto Peltier essendo fissata a contatto con il serbatoio (2), in modo tale che un primo lato (31) delle celle o lato freddo sia rivolto verso l’esterno del serbatoio (2) per prelievo del calore dall’ambiente circostante e un secondo lato (32) delle celle o lato caldo sia in condizione di aderenza con la parete del serbatoio (2) per trasferimento del calore prelevato dal primo lato (31) verso l’interno del serbatoio (2) e conseguente riscaldamento dell’acqua (26) contenuta nel serbatoio (2).
  2. 2. Sistema di produzione di acqua calda (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di trasferimento del calore (15) comprende un primo elemento (16) comprendente un primo sottoinsieme di celle termiche disposte in corrispondenza di una parete di fondo del serbatoio (2) e un secondo elemento (17) comprendente un secondo sottoinsieme di celle termiche disposte in corrispondenza di una parete laterale del serbatoio (2) in prossimità del fondo del serbatoio (2).
  3. 3. Sistema di produzione di acqua calda (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'insieme di celle termiche ad effetto Peltier comprende primi gruppi di celle termiche reciprocamente collegate in serie.
  4. 4. Sistema di produzione di acqua calda (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 2, caratterizzato dal fatto che l'insieme di celle termiche ad effetto Peltier comprende secondi gruppi di celle termiche reciprocamente collegate in parallelo.
  5. 5. Sistema di produzione di acqua calda (1) secondo la rivendicazione 3 e secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che l'insieme di celle termiche ad effetto Peltier comprende primi gruppi di celle termiche reciprocamente collegate in serie in cui i primi gruppi di celle termiche sono reciprocamente collegati in parallelo costituendo detti secondi gruppi di celle termiche, con ottenimento di una configurazione mista serie/parallelo di connessione delle celle termiche.
  6. 6. Sistema di produzione di acqua calda (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende almeno un sistema di favorimento della convezione di calore delle celle termiche in cui il sistema di favorimento della convezione di calore è selezionato tra: - dissipatore per convezione di tipo naturale; - ventola per convezione di tipo forzato.
  7. 7. Sistema di produzione di acqua calda (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il serbatoio (2) comprende internamente uno stratificatore (20) d’acqua per favorire la stratificazione dell’acqua per instaurazione di un flusso (29) di acqua calda verso l’alto e controflusso (30) di acqua fredda verso il basso nel serbatoio (2), i termini alto e basso essendo riferiti rispetto alla forza di gravità.
  8. 8. Sistema di produzione di acqua calda (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il serbatoio (2) comprende due di dette una o più sonde (18, 19) di temperatura per la misura della temperatura dell’acqua (26) nel serbatoio (2), di cui: - una prima sonda (18) posizionata in una zona superiore del serbatoio (2); - una seconda sonda (19) posizionata in una zona inferiore del serbatoio (2); i termini superiore e inferiore essendo riferiti rispetto alla forza di gravità.
  9. 9. Metodo di produzione di acqua calda tramite un sistema di produzione di acqua calda (1) del tipo comprendente un serbatoio (2) di accumulo di acqua (26) e un dispositivo di controllo (3) del sistema, in cui il serbatoio (2) è dotato di un ingresso (9) per l’ingresso dell’acqua fredda per suo riscaldamento ed è dotato di una uscita (10) per l’uscita dell’acqua calda accumulata entro il serbatoio (2), il serbatoio (2) comprendente una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule e un dispositivo di trasferimento del calore (15), caratterizzato dal fatto che il sistema di produzione di acqua calda (1) è realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, essendo dotato di detto dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito da un insieme di celle termiche ad effetto Peltier realizzanti una pompa di calore statica per riscaldamento dell’acqua (26) mediante trasferimento di calore ambientale, e ulteriormente caratterizzato dal fatto che il metodo comprende i seguenti passi: (i) rilevamento di una o più temperature dell’acqua (26) in corrispondenti posizioni entro il serbatoio (2) tramite una o più sonde (18, 19) di temperatura per la misura della temperatura dell’acqua (26); (ii) valutazione di un livello di riscaldamento in funzione di uno o più parametri comprendenti almeno uno tra: - temperature dell’acqua (26) rilevate al passo (i); - attivazione di prelievo di acqua (26) dal serbatoio (2) tramite l’uscita (10) di acqua; - integrazione di acqua nel serbatoio (2) tramite l’ingresso (9) di acqua; (iii) selezione di un profilo di riscaldamento selezionato tra almeno due profili di funzionamento tra i quali: (a) un primo profilo di funzionamento per riscaldamento rapido, con attivazione contemporanea di una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule e dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito dall’insieme di celle termiche ad effetto Peltier; (b) un secondo profilo di funzionamento per riscaldamento ad elevata efficienza, con attivazione del solo dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito dall’insieme di celle termiche ad effetto Peltier.
  10. 10. Metodo di produzione di acqua calda tramite un sistema di produzione di acqua calda (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il passo (iii) di selezione del profilo di riscaldamento è un passo di selezione di un profilo di riscaldamento selezionato tra almeno tre profili di funzionamento tra i quali detto primo profilo (a) di funzionamento per riscaldamento rapido, detto secondo profilo (b) di funzionamento per riscaldamento ad elevata efficienza ed un ulteriore terzo profilo di funzionamento (c) costituito da prime e seconde fasi alternate di attivazione in cui: - nelle prime fasi sono attivate le una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule in assenza di attivazione del dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito dall’insieme di celle termiche ad effetto Peltier; - nelle seconde fasi è attivato il dispositivo di trasferimento del calore (15) costituito dall’insieme di celle termiche ad effetto Peltier in assenza di attivazione delle una o più resistenze (14) elettriche per riscaldamento dell’acqua (26) per effetto Joule.
  11. 11. Metodo di produzione di acqua calda tramite un sistema di produzione di acqua calda (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 9 a 10, caratterizzato dal fatto che comprende una fase di auto-apprendimento realizzata per mezzo di un modulo (28) logico di autoapprendimento per ottimizzazione di profilo di carico richiesto e logica di gestione di funzionamento delle una o più resistenze (14) elettriche e del dispositivo di trasferimento del calore (15) in funzione di dati rilevati di attivazione di richiesta di acqua (26) dal serbatoio (2) relativamente a fasce orarie giornaliere in combinazione con giorni settimanali di utilizzo di acqua (26), in modo tale che una durata complessiva di primi periodi di attivazione del dispositivo di trasferimento del calore (15) sia maggiore rispetto a una durata complessiva di secondi periodi di attivazione delle una o più resistenze (14) elettriche.
IT102019000007587A 2019-05-30 2019-05-30 Sistema e metodo di produzione di acqua calda ibrido con pompa di calore statica IT201900007587A1 (it)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102019000007587A IT201900007587A1 (it) 2019-05-30 2019-05-30 Sistema e metodo di produzione di acqua calda ibrido con pompa di calore statica

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102019000007587A IT201900007587A1 (it) 2019-05-30 2019-05-30 Sistema e metodo di produzione di acqua calda ibrido con pompa di calore statica

Publications (1)

Publication Number Publication Date
IT201900007587A1 true IT201900007587A1 (it) 2020-11-30

Family

ID=67998639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
IT102019000007587A IT201900007587A1 (it) 2019-05-30 2019-05-30 Sistema e metodo di produzione di acqua calda ibrido con pompa di calore statica

Country Status (1)

Country Link
IT (1) IT201900007587A1 (it)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2602911A1 (de) * 1976-01-27 1977-07-28 Paul V Dipl Ing Cernoch Wasserumlaufeinrichtung fuer warmwasserbereiter
WO2011051379A2 (en) * 2009-10-30 2011-05-05 Colipu A/S A water heater for heating domestic water
DE102014002245A1 (de) * 2014-02-21 2015-08-27 Stiebel Eltron Gmbh & Co. Kg Aufbau eines Peltiermoduls für Warmwasserspeicher
EP2947398A1 (fr) * 2014-05-20 2015-11-25 Atlantic Industrie Chauffe-eau comprenant un ou plusieurs generateurs thermoelectriques

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2602911A1 (de) * 1976-01-27 1977-07-28 Paul V Dipl Ing Cernoch Wasserumlaufeinrichtung fuer warmwasserbereiter
WO2011051379A2 (en) * 2009-10-30 2011-05-05 Colipu A/S A water heater for heating domestic water
DE102014002245A1 (de) * 2014-02-21 2015-08-27 Stiebel Eltron Gmbh & Co. Kg Aufbau eines Peltiermoduls für Warmwasserspeicher
EP2947398A1 (fr) * 2014-05-20 2015-11-25 Atlantic Industrie Chauffe-eau comprenant un ou plusieurs generateurs thermoelectriques

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20180128502A1 (en) Water Heater Controller or System
US20090188486A1 (en) PV water heater with adaptive control
JP6254143B2 (ja) 蓄熱装置
WO2019242284A1 (zh) 多热源热水机组及多热源热水机组的控制方法、装置
CN111536573B (zh) 一种太阳能热水装置及其控制方法
US11692718B2 (en) Direct current electric on-demand water heater
JP2013221720A (ja) 給湯装置
JP6086014B2 (ja) ヒートポンプ給湯器
IT201900007587A1 (it) Sistema e metodo di produzione di acqua calda ibrido con pompa di calore statica
CN104345749A (zh) 恒温箱自动调节控制电路
JP2019039577A (ja) 貯湯式給湯機、ホームシステム、及び、制御方法
CN203231835U (zh) 一种热计量智能温控锁闭阀
US20210231348A1 (en) Solar water heating system
CN107144019A (zh) 一种带混水阀的太阳能联动燃气快速热水器
JP6075181B2 (ja) 熱電供給システム
US7287380B1 (en) Heat system utilizing solar energy
JP6488701B2 (ja) 給湯制御システム
CN201764577U (zh) Ptc热敏电阻陶瓷恒温发热地板
CN107327907A (zh) 一种分层控制热水系统
CN2500798Y (zh) 导热油面电加热装置
KR200265356Y1 (ko) 순환매체로 오일을 이용한 전기보일러
JP7174911B2 (ja) 電気加熱装置
JP2017175857A (ja) ピークカット制御装置、ピークカット制御システム、ピークカット制御方法、及びピークカット制御プログラム
JP7251507B2 (ja) 貯湯式給湯装置
CN206118251U (zh) 温度补偿器